2.5 避障模块技术
小车进行避障时，我们需要提前探知其前方是否存在障碍物，这样就可以在行进过程中，自动选择远离障碍物的路线。在避障模块的选择时，有两种选择，一种是使用红外避障，还有一种是超声波避障。红外避障是通过发射和接收光信号，在通过一系列的转换变为数字信号，来判断前方障碍物。这种方式容易受到其他光的干扰，使得检测结果不准确。而且由于其光束比较集中，在探测时其探测的区间较小，可能会造成避障不成功。超声波避障则是利用声波信号遇到障碍物返回，测量其间隔时间来进行避障的。超声波的测量范围很广，可以测量方向、距离等。测量距离可以采用主动测距法和被动测距法：被动测距法是传感器只有接受信号的功能，包括方位法和视差法；主动测距法是传感器既发射信号又接收信号，包括TOF法、脉冲回波法、FM-CW法等。声波在传递过程中，是发散形式的，可以大角度的检测，这样就可以保证不会存在死角。而且声波的使用也比较广泛，像雷达探测，金属探伤等。
本小车采用了HC-SR04超声波避障模块（如图5所示），在其性能方面，有比较好的探测距离和角度。采用I/O口TRIG触发测距，利用接收到信号后的电平差，来进行信号控制，从而选择驱动小车两个轮子来进行避障。模块由5V电压供电，接入端为VCC口，TRIG为触发控制信号输入口，回响信号则由端口ECHO进行输出。
图5 HC-SR04超声波模块
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图6 超声波脉冲响应时序图
表1 HC-SR电气参数 电气参数 HC-SR04超声波模块 工作电压 DC 5V 工作电流 15mA 工作频率 40Hz 最远射程 4m 最近射程 2cm 测量角度 15度 输入触发信号 10uS的TTL脉冲 输出回响信号 输出TTL电平信号，与射程成比例 规格尺寸 45*20*15mm 2.6 控制系统模块
在本小车设计的控制系统中，我们采用STC公司生产的一款单片机STC89C52。由于在小车的整个运行过程中，其需要处理的数据比较多，在驱动电机时，就需要通过单片机的I/O口来输出控制信号，使得小车实现前进、后退以及转弯等功能。在小车运动过程中，还需要接收很多的控制信号，像循迹信号、超声波信号等。这样就可以实现小车的速度控制、循迹行驶以及躲避障碍物等功能。
STC89C52单片机（如图7所示）有40个I/O口，其中P0、P1、P2、P3为并行I/O口。芯片时钟的产生有两种，内部时钟和外部时钟，而内部时钟就是通过单片机引脚XTAL1和XTAL2外界晶振得到的。还有多个中断源及优先级等，可以对程序执行功能的优先进行区分，通过中断来进行高优先级的指令。52单片机是8位单片机，拥有8K字节Flash，512字节RAM，内置4KB EEPROM，以及复位电路等。在单片机的4个并行I/O口中，P0与P3、P1与P2拥有相似的功能，除了P1口是单功能口外，其余都为双功能口。
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图7 51单片机引脚图
2.7 电源选择
在小车电源选择时，我们需要特别注意，因为系统单片机的额定工作电压为5V。对于电机来说，用5V驱动又不能让小车行驶，而过高的电压可能会使系统芯片烧坏。因此，我们需要通过计算得到小车的可允许电压电流范围，一般采用9V~12V为好，本小车采用9V供电。这样既可以保证电机驱动所需电压，又不会因为电压过大而造成元器件的烧坏。
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第3章 硬件电路设计
3.1总体设计
图8 小车总体框架图
小车的整体系统（如图8所示）是以51单片机为CPU，通过红外对管来进行黑线检测循迹行走，通过超声波探测器进行障碍物感知，进行避障功能实现，通过驱动模块来实现电机的驱动，从而达到小车的运动。 系统电路图见附录1：
3.2电源电路设计
在小车的电源系统，采用9V直流供电，为了防止在误操作时接入过高的电流使整个电路烧毁，一般会在电路中接入防击穿电容。
图9 小车电源电路
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3.3驱动电路设计
图10 驱动电路框架图
在驱动电路部分设计时，我们要考虑的是驱动芯片的选择，一般是在L298N和L293D这两款芯片中选择。对于L298N芯片，是使用的15脚直插式封装模式，具有四通道驱动逻辑电路，可以很方便的驱动两个电机。而且它的工作电压以及单通道输出电流都比较高，一般可达到46V和2A。L293D在功能上和L298N基本一样，但是它的工作电压和通道电流都相比于L298N要小，其采用的是直插式16脚SOIC-20封装模式。所以，在应用时，一般使用L298N而不采用L293D，从经济方面来考虑，L298N也更具有优势。L298N输出电压的方式有两种，一种是直接通过电源的调节来进行电压输出；另一种就是直接使用单片机上的输入输出口提供电压信号。
图11 L298N引脚图
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