浅析Arduino的单片机智能小车设计

依托各式各样传感器以实现对一系列信息的采集，传输至主控单元Arduino单片机处理数据后实现相应操作，进而达成自身控制。电机驱动电路，借助H桥驱动模块驱动2个直流电机；借助手机蓝牙用户界面、HC-06蓝牙模块实现蓝牙控制，借助HC-SR04超声波模块、舵机模块实现测距及避障，最后通过控制单元处理数据后完成编程，并有效对一系列模块信号予以整合，并实现相应操作，达成智能控制目的，如同简易机器人。

1  整体系统设计方案

相较于其他系统，Arduino表现出编程简易、成本低、平台跨越等诸多优势。现阶段，较为常用的Arduino版本为Arduino UNO R3，其高效性、稳定性可为智能小车设计提供有力支持。智能小车，指的是一款可对一系列实际状况开展智能自主评估分析，进一步作出相应最理想应对操作的智能机器。智能小车整体结构主要为，依托直流电动机驱动，将各式各样传感器采集的信息数据传输至主控单元Arduino单片机，单片机开展对应的数据处理分析，实现最理想相应的操作，这一过程也可称之为智能化自身控制。

2  硬件设计

智能小车硬件环节以模块化方式开展设计，设计内容主要包括电源模块、电机驱动模块、控制模块、红外收发模块、LCD显示模块等，智能小车硬件设计结构，如图1所示。

图1  智能小车硬件设计结构示意图

其中，对于电源模块设计而言，电源模块在全面系统设计中发挥着至关重要的作用，该模块设计稳定与否重要决定了全面系统设计的成败。电源模块设计框架，如图2所示。本次系统的电源主要源自12V、720mA可充电式锂电池，经由逆流保护、保险等手段变压调整为其他电压值，供由其他模块使用。电机驱动电源为12V，Arduino单片机运行电压为5V，电机驱动模块、显示模块、红外收发模块等运行电压为5V，另外Arduino还可提供3.5V、5V双电压。

图2  电源模块设计框架示意图

对于电机驱动模块设计而言，运用电机驱动芯片L298N，其包括含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，连接外部续流二极管保护电路，进而便可实现两个电机的运动姿态控制。电机驱动模块电路设计结构，如图3所示。因为智能小车电机未设置转速编码盘或者相关传感器，依托调节PWM输出脚脉冲信号占空比，以实现对小车速度的控制。调节完毕PWM控制端后，变更控制信号输入脚电平，便可使智能小车实现不同姿态的转变。

图3  电机驱动模块电路设计结构示意图

对于控制模块设计而言，控制模块在全面系统中可发挥至关重要的控制作用。系统设计应用Arduino单片机控制单元，通过主从通信方式实现对全面系统有序运行的有效控制。主从双方依托SPI总线开展数据交互。模块设计时，Arduino基于单片机控制核心，本模块依据Arduino UNO开展设计。Arduino作用于控制命令关键词的传输及从机数据的接收，但不直接参与底层硬件模块的控制工作；单片机主要作用于主机传输来命令关键词的接收，并结合各种命令执行对应的子函数，进一步实现不同的功能。

对于红外收发模块设计而言，其主要可划分为红外发射头、接收头的驱动电路设计，其中，两个红外发射头通过PNP三极管实现驱动，接收头通过对应的指示灯实现数据接收指示。红外发射头设置于PCB顶部，接收头设置于PCB底部，两个接收头接收面正对发射头正前方，同时发射头、接收头呈相应角度列于智能小车头部两端，切实缩减红外信号误接受率。与此同时，通过对红外发射头驱动电路中可调电阻的控制，可实现对红外发射头电流的有效调节。值得一提的是，依托红外收发模块，可实现智能小车的红外避障功能。

对于LCD显示模块设计而言，该模块由LCD160、背光以及对比度调节电路组成，其主要负责呈现智能小车执行相关功能的对应数据信息。该模块设计过程中，依托四线制方式开展数据信息发送，可实现对单片机I/O端的有效控制

3  软件设计

3.1  主机程序设计

在主机程序设计过程中，涉及到SPI连接、SPI通信初始化、SPI数据发送等关键函数，而主机与从机的SPI通信可有效建立与否，则是实现其他功能函数的重要基础。SPI总线初始化函数实现SPI功能初始化，涉及片选引脚选择、输入输出模式设置、数据传输方式等内容。调节满意后，loop主函数部分便可实现对相关功能库函数的调用。与此期间会涉及片选信号端电平拉低、命令关键词及数据传输、片选信号端电平拉电等流程，结合对应的时序便可实现对某一字节或若干字节数据的传输，主机程序流程。

3.2  从机程序设计

对于从机程序设计而言，可将其划分成两个部分，即为初始化调用、子函数调用。单片机配置位设置涉及诸多方面内容，诸如选择芯片振荡器模式、禁用后台调试器、调节数据区和引导区中相关数据保护与否等。单片机配置位调节结束后，从机的SPI初始化应当与主机SPI初始化通信时序保持统一。程序设计过程中，接收主机的数据通过中断响应方式实现接收。接收完成后，依托关键命令字的分析转至对应的子函数，然后经由数据分析实现底层硬件调节，进而实现各项功能，从机程序流程。

4  示例功能实现

4.1  红外避障

红外避障是以Arduino两组红外收发器为基础实现智能小车的自动避障功能。在这一功能设计过程中，借助外部中断、定时器中断方式以检测红外接收头的信号输出脚电压转变情况，缩减红外信号检测滞后性，进一步增强智能小车对障碍物的检测灵敏度。另外，可依托对PWM信号占空比的控制，以达成对智能小车运动速度的有效调节；可依托对智能小车避障动作延时参数、红外发射头可调电阻值的调节，以实现对智能小车避障效果的有效调节。

4.2  蓝牙遥控

蓝牙遥控是以Arduino连接蓝牙模块及手机应用软件蓝牙遥控为基础，实现手持设备遥控智能小车的功能。Arduino模块经由串口接收蓝牙模块从设备端接收数据，并对其开展分析，然后将分析结果控制逻辑及应用软件手势控制逻辑开展评定处理，进而便可达成手持设备遥控智能小车的目的。依托手势的不同方向操作，可实现智能小车的不同功能。手持设备控制软件依托第三方设计的一款应用软件，该应用软件可实现蓝牙连接，并可实现蓝牙数据接收、传输等功能。

5  结语

基于Arduino的单片机智能小车设计，主要是以Arduino单片机为核心，依托蓝牙系统对Arduino单片机的反馈，从而实现对智能小车通信行动的智能控制，然后依托控制处理器对相关数据开展分析，进一步调节电动机的主驱动，以实现智能小车的红外避障、蓝牙遥控等智能化功能。因而，相关人员必须要加大研究力度，不断开拓创新，加强对国内外成功发展经验的学习借鉴，提高对Arduino的有效认识，切实推进智能小车设计的健康稳定发展。