基于Mega16单片机的智能小车循迹避障设计方案_寸巧萍
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作者简介 寸巧萍（1978-），女，硕士学位。现为西南 交通大学电气工程学院工程师，主要从事电子 测量和自动控制方面的实验教学与研究工作。
●基金项目：青年教师百人计划项目（项目编号：A0920502051301-16）
作者单位 西南交通大学电气工程学院
610041
四川省成都市
258 • 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering
3 小车循迹避障设计方案
本论文中的小车以 Mega16 单片机为控制 核心，采用脉冲调制的反射式红外发射接收器 采集道路信息，采用超声波和红外反射式传感 器采集前方以及左右放障碍的情况。
首先，脉冲调制的反射式红外发射接收 器对道路信息，即对黑线信息进行采集，并经 过 LM339 比较器转化为稳定的电平信号送至 Mega16 单片机，然后在 Mega16 单片机内对 信号进行处理，如中间传感器下为黑线时，由 于黑色对光的反射能力最弱，因此传感器返回 给单片机的信号为高电平，即 1，两侧均为白 色，则返回给单片机的信号为低电平，即 0， 此时，小车前进。其余情况则小车根据传感器 的信息进行运行状态的调整，以实现准确循黑 线行进。
另外，避障模块则由中间的超声波模块和 左右两侧的红外传感器组成，由超声波模块对 所测物体斜度有要求，并且红外对斜度无要求 但对光线有要求，因此，两者协同工作，超声 波通过测距实现障碍的判断，一旦距离小于某 个定值，便是小车转向，同时考虑左右两侧红 外传感器的信息，以确定障碍物的信息，实现 小车的准确避障。其中超声波利用 Mega16 单 片机的中断 2 对小车控制，同时单片机查询左 前右前方红外对管返回的信号，确定小车应该 采取的控制状态。
1 ATmega16单片机简介
ATmega16 是 基 于 增 强 的 AVR RISC 结 构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先 进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega16 的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz， 从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛 盾。
ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接 与运算逻单元 (ALU) 相连接，使得一条指令 可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄 存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具 有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数 据吞吐率。
2 小车循迹避障的结构设计
本文所述小车采用 RP5 大功率坦克车体， 它采用带电感的大扭力 280 马达，组合斜齿 + 金属齿，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有 动力性能强、底盘稳定性高、可原地转圈、转 弯灵活等特点。负载能力至少 3KG 以上。可 以越障碍物，适合比较高要求的场合。因此可 模拟家庭及工业等场合的一些环境。
5 总结
本 次 设 计 以 Mega16 为 主 控 芯 片 对 循 迹 避 障 小 车 的 硬 件 和 软 件 进 行 了 设 计。 采 用 Mega16 单片机控制小车，具有稳定性好、编 程方便自由、易于扩展等优点。以此方案的小 车能很好地识别路径、避障，运行稳定，障碍 及小车运行状态显示准确，有一定的抗干扰能 力。从运行情况来看，循迹和避障都比较好， 但红外线传感器容易受到外界的影响，这时其 中的不足之处。
强弱和探测的灵敏度。三路探头协同工作，根 据三路探头返回值的不同确定路线的方向，通 过单片机改变两个直流电机的运行状态，来调 整小车的姿态，以完成随导引线完成循迹的任 务。
图 1：超声波时序图 避障模块应用声波和脉冲调制的反射式 红外发射接收器协同工作。其中，超声波模块 包括超声波发射器、接收器与控制电路。其工 作时序图如图 1 所示。 以上时序图表明只需要采用 IO 口 TRIG 提供一个 10uS 以上脉冲触发信号，该模块内 部将发出 8 个 40kHz 周期电平并自动检测是 否有信号返回。一旦检测到有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的 时间就是超声波从发射到返回的时间。由此通 过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计 算得到距离。即公式： 距离 = 高电平时间 * 声速（340M/S）/2
边 的 红 外 对 管 检 测 到 黑 线 时， 小
车往右边偏转。以 ATmega16 单片
wk.baidu.com
机为控制芯片控制电动小车的速
度 及 转 向， 从 而 实 现 自 动 循 迹 避
障 的 功 能。 基 于 以 上 工 作 原 理，
对小车循迹壁障的结构设计及设
计方案和传感器的工作原理做出
了简单阐述。
【关键词】智能小车 ATmega16 单片机 自动 循迹 避障
· 单片机技术 SCM Technology
基于 Mega16 单片机的智能小车循迹避障设计方案
文/寸巧萍
摘
本文基于 ATmega16 单片机设
要
计 了 一 种 智 能 循 迹 避 障 小 车， 利 用红外对管和超声波检测黑线与
障 碍 物， 当 左 边 的 红 外 对 管 检 测
到 黑 线 时， 小 车 往 左 边 偏 转， 右
参考文献 [1] 肖南峰 . 智能机器人 [M]. 广州：华南理
工大学出版社，2008.1:7-8. [2] 陈明荧 . ATmega16 单片机课程设计实训
教材 [M]. 北京 : 清华大学出版社 , 2004. [3] 雷钢，王宏远 . 基于 AVR 单片机的控制系
统设计［J］. 华中科技大学学报 ,2006.
4 小车循迹避障传感器的工作原理
循迹模块有三路红外探测模块，均使用 红外线发射和接收管等分立元器件组成探头， 又由于所采用的红外反射式传感器属于接近式 传感器 , 其光电二极管光生电流随所受到的反 射光的强度而连续变化，因而会引起其两端 电压的连续变化。因此 , 若直接把这个电平信 号供给单片机，容易产生误读情况 , 因此使用 LM339 或 LM358 比较器，防止临界输出抖动 作为核心器件构成中控电路。当有路线为黑色 时，则对应的接收管返回给单片机的信号为 1； 为白色或地面时，则单片机相应端口接收到的 信号为 0。用电位器产生一个基准电平，当光 电二极管的光生电流超过某一值时，运放的正 向输入端电平高于基准电平，这时运放的输出 电平发生跳变，该信号即可被单片机处理。通 过对基准电平的调整 , 还可以调整传感器的灵 敏度和探测距离，以改变单片机接收到信号的
小车系统以 Mega16 单片机为核心，配合 外围电路共同完成信号采集、路线检测、障碍 检测、按键输入、信号显示和小车姿态控制等 功能。循迹采用单片机查询脉冲调制的反射式 红外发射接收器返回的信号以获取道路信息， 避障则有中断和查询协同完成，并用发光二极 管显示障碍信息及小车运行状态。系统采用高
性能的单片机，要求工作稳定、处理速度快、 通用性强，保证小车循迹避障的稳定性及可靠 性，而且成本低。
●基金项目：青年教师百人计划项目（项目编号：A0920502051301-16）
作者单位 西南交通大学电气工程学院
610041
四川省成都市
258 • 电子技术与软件工程 Electronic Technology & Software Engineering
3 小车循迹避障设计方案
本论文中的小车以 Mega16 单片机为控制 核心，采用脉冲调制的反射式红外发射接收器 采集道路信息，采用超声波和红外反射式传感 器采集前方以及左右放障碍的情况。
首先，脉冲调制的反射式红外发射接收 器对道路信息，即对黑线信息进行采集，并经 过 LM339 比较器转化为稳定的电平信号送至 Mega16 单片机，然后在 Mega16 单片机内对 信号进行处理，如中间传感器下为黑线时，由 于黑色对光的反射能力最弱，因此传感器返回 给单片机的信号为高电平，即 1，两侧均为白 色，则返回给单片机的信号为低电平，即 0， 此时，小车前进。其余情况则小车根据传感器 的信息进行运行状态的调整，以实现准确循黑 线行进。
另外，避障模块则由中间的超声波模块和 左右两侧的红外传感器组成，由超声波模块对 所测物体斜度有要求，并且红外对斜度无要求 但对光线有要求，因此，两者协同工作，超声 波通过测距实现障碍的判断，一旦距离小于某 个定值，便是小车转向，同时考虑左右两侧红 外传感器的信息，以确定障碍物的信息，实现 小车的准确避障。其中超声波利用 Mega16 单 片机的中断 2 对小车控制，同时单片机查询左 前右前方红外对管返回的信号，确定小车应该 采取的控制状态。
1 ATmega16单片机简介
ATmega16 是 基 于 增 强 的 AVR RISC 结 构的低功耗 8 位 CMOS 微控制器。由于其先 进的指令集以及单时钟周期指令执行时间， ATmega16 的数据吞吐率高达 1 MIPS/MHz， 从而可以减缓系统在功耗和处理速度之间的矛 盾。
ATmega16 AVR 内核具有丰富的指令集和 32 个通用工作寄存器。所有的寄存器都直接 与运算逻单元 (ALU) 相连接，使得一条指令 可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄 存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具 有比普通的 CISC 微控制器最高至 10 倍的数 据吞吐率。
2 小车循迹避障的结构设计
本文所述小车采用 RP5 大功率坦克车体， 它采用带电感的大扭力 280 马达，组合斜齿 + 金属齿，形成大扭力、低噪音底盘系统，具有 动力性能强、底盘稳定性高、可原地转圈、转 弯灵活等特点。负载能力至少 3KG 以上。可 以越障碍物，适合比较高要求的场合。因此可 模拟家庭及工业等场合的一些环境。
5 总结
本 次 设 计 以 Mega16 为 主 控 芯 片 对 循 迹 避 障 小 车 的 硬 件 和 软 件 进 行 了 设 计。 采 用 Mega16 单片机控制小车，具有稳定性好、编 程方便自由、易于扩展等优点。以此方案的小 车能很好地识别路径、避障，运行稳定，障碍 及小车运行状态显示准确，有一定的抗干扰能 力。从运行情况来看，循迹和避障都比较好， 但红外线传感器容易受到外界的影响，这时其 中的不足之处。
强弱和探测的灵敏度。三路探头协同工作，根 据三路探头返回值的不同确定路线的方向，通 过单片机改变两个直流电机的运行状态，来调 整小车的姿态，以完成随导引线完成循迹的任 务。
图 1：超声波时序图 避障模块应用声波和脉冲调制的反射式 红外发射接收器协同工作。其中，超声波模块 包括超声波发射器、接收器与控制电路。其工 作时序图如图 1 所示。 以上时序图表明只需要采用 IO 口 TRIG 提供一个 10uS 以上脉冲触发信号，该模块内 部将发出 8 个 40kHz 周期电平并自动检测是 否有信号返回。一旦检测到有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的 时间就是超声波从发射到返回的时间。由此通 过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计 算得到距离。即公式： 距离 = 高电平时间 * 声速（340M/S）/2
边 的 红 外 对 管 检 测 到 黑 线 时， 小
车往右边偏转。以 ATmega16 单片
wk.baidu.com
机为控制芯片控制电动小车的速
度 及 转 向， 从 而 实 现 自 动 循 迹 避
障 的 功 能。 基 于 以 上 工 作 原 理，
对小车循迹壁障的结构设计及设
计方案和传感器的工作原理做出
了简单阐述。
【关键词】智能小车 ATmega16 单片机 自动 循迹 避障
· 单片机技术 SCM Technology
基于 Mega16 单片机的智能小车循迹避障设计方案
文/寸巧萍
摘
本文基于 ATmega16 单片机设
要
计 了 一 种 智 能 循 迹 避 障 小 车， 利 用红外对管和超声波检测黑线与
障 碍 物， 当 左 边 的 红 外 对 管 检 测
到 黑 线 时， 小 车 往 左 边 偏 转， 右
参考文献 [1] 肖南峰 . 智能机器人 [M]. 广州：华南理
工大学出版社，2008.1:7-8. [2] 陈明荧 . ATmega16 单片机课程设计实训
教材 [M]. 北京 : 清华大学出版社 , 2004. [3] 雷钢，王宏远 . 基于 AVR 单片机的控制系
统设计［J］. 华中科技大学学报 ,2006.
4 小车循迹避障传感器的工作原理
循迹模块有三路红外探测模块，均使用 红外线发射和接收管等分立元器件组成探头， 又由于所采用的红外反射式传感器属于接近式 传感器 , 其光电二极管光生电流随所受到的反 射光的强度而连续变化，因而会引起其两端 电压的连续变化。因此 , 若直接把这个电平信 号供给单片机，容易产生误读情况 , 因此使用 LM339 或 LM358 比较器，防止临界输出抖动 作为核心器件构成中控电路。当有路线为黑色 时，则对应的接收管返回给单片机的信号为 1； 为白色或地面时，则单片机相应端口接收到的 信号为 0。用电位器产生一个基准电平，当光 电二极管的光生电流超过某一值时，运放的正 向输入端电平高于基准电平，这时运放的输出 电平发生跳变，该信号即可被单片机处理。通 过对基准电平的调整 , 还可以调整传感器的灵 敏度和探测距离，以改变单片机接收到信号的
小车系统以 Mega16 单片机为核心，配合 外围电路共同完成信号采集、路线检测、障碍 检测、按键输入、信号显示和小车姿态控制等 功能。循迹采用单片机查询脉冲调制的反射式 红外发射接收器返回的信号以获取道路信息， 避障则有中断和查询协同完成，并用发光二极 管显示障碍信息及小车运行状态。系统采用高
性能的单片机，要求工作稳定、处理速度快、 通用性强，保证小车循迹避障的稳定性及可靠 性，而且成本低。