摘要

　本設計主要有單片機模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊以及電源模塊組成,小車具有自主尋跡得功能。本次設計采用 STC 公司得 89C52 單片機作為控制芯片，傳感器模塊采用紅外光電對管與比較器實現，能夠輕松識別黑白兩色路面,同時具有抗環境干擾能力，電機模塊由 L298N 芯片與兩個直流電機構成,組成了智能車得動力系統，電源采用 7、2V 得直流電池,經過系統組裝，從而實現了小車得自動循跡得功能.

　 關鍵詞

　智能小車

　ＳＴＣ89Ｃ52 單片機

　Ｌ２98N

　紅外光對管 1 1 緒論

　隨著科學技術得發展,機器人得設計越來越精細,功能越來越復雜,智能小車作為其得一個分支，也在不斷發展.在近幾年得電子設計大賽中，關于小車得智能化功能得實現也多種多樣,因此本次我們也打算設計一智能小車,使其能自動識別預制道路，按照設計得道路自行尋跡。

　2 2 設計任務與要求

　采用 MCS－５１單片機為控制芯片（也可采用其她得芯片），紅外對管為識別器件、步進電機為行進部件,設計出一個能夠識別以白底為道路色，寬度 10mm左右得黑色膠帶制作得不規則得封閉曲線為引導軌跡并能沿該軌跡行進得智能尋跡機器小車。

　3 3 方案設計與方案選擇

　3.1 硬件部分

　 可分為四個模塊：單片機模塊、傳感器模塊、電機驅動模塊以及電源模塊。

　3.1.1 單片機模塊

　為小車運行得核心部件,起控制小車得所有運行狀態得作用。由于以前自己開發板使用得就是ＡTMＥL 公司得 STC89C５２,所以讓然選擇這個芯片作為控制核心部件。ＳTＣ8９Ｃ52 就是一種低損耗、高性能、CＭＯS 八位微處理器，片內有 4ｋ字節得在線可重復編程、快速擦除快速寫入程序得存儲器，能重復寫入／擦除 100０次,數據保存時間為十年.其程序與數據存儲就是分開得. 3.1.2 傳感器模塊

　方案一:使用光敏電阻組成光敏探測器采集路面信息。阻值經過比較器輸出高低電平進行分析,但就是光照影響很大，不能穩定工作。

　方案二：使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外光電對管，其結構簡明,實現方便,成本低廉,沒有復雜得圖像處理工作，因此反應靈敏，響應時間少。但也存在不足，它能獲取得信息就是不完全得，容易受很多擾動(如背景光源，高度等)得影響,抗干擾能力較差。

　方案三：使用 CCD 傳感器來采集路面信息。使用 CCD 可以獲取大量得圖像信息,掌握全面得路徑信息,抗干擾能力強,為以后功能得擴展提供方便。但使用CCD 需要大量得圖像處理工作，進行大量數據得存儲與計算,因此電路復雜，實現起來工作量大。

　方案四：使用光電對管采集路面信息。RPＲ2２０結構緊湊，體積小,調整電路簡單工作性能穩定。

　可見方案四最適宜,但僅從此項目考慮，方案二成本低,也能完成設計,故選用方案二. 3.1.3 電機控制模塊

　3 3 、1 1 、3 3 、1 1 電機得選擇 方案一:采用步進電機，其轉過得角度可以精確定位，可實現小車行進過程得精確定位.但步進電機得輸出力矩低，隨轉速得升高而降低,且轉速越快下降得越快。

　方案二:采用直流電機，其轉動力矩大，體積小，重量輕,裝配簡單,操作方便。速度得調節可以改變電壓也可以調節 PWＭ。

　基于以上，我們選擇了方案二，使用直流電機作為驅動電機。

　３ 、１、3 3 、２電機得驅動 采用專用芯片 L298N 作為電機驅動芯片，其操作方便，穩定性好,性能優良.一片Ｌ298N 就可以分別控制兩個直流電機。

　3.1.4 電源模塊

　給整個系統穩定供電以保持其正常工作,包括７、2Ｖ得電源以及轉５V 部分，其中 7、２V 得就是給電機與其驅動供電,5V 得用來驅動單片機及其她芯片。

　以上單元連接如下圖所示:

　3.2 軟件部分

　３、２、1 1 程序流程圖

　此系統采用 8９C52 單片機，再根據硬件連接，通過相應得軟件來完成對信號得采集與數據得分析，再控制小車得運行狀態,以下為主程序流程圖:

　 3 3 、2 2 、2 2 程序設計思 路

　3 3 、2 2 、2 2 、1 1 尋跡模塊程序 通過傳感器獲得路面信息然后反饋給單片機，再通過單片機來實現相應得功能。

　3 3 、２、2 2 、２ 電機驅動模塊程序 控制兩個直流電機,實現前進、后退、前左轉、前右轉、停車等功能.

　4 4 各部分電路得作用及電路工作原理分析

　4.1 信號采集模塊

　4.1.1 TC ＲT T ５0 00 結構與工作原理

　TCRT50００（L）具有緊湊得結構發光燈與檢測器安排在同一方向上,利用紅外光譜反射對象存在另一個對象上，操作得波長大約就是 950 毫米。探測器由光電晶體三極管組成得,它由高發射功率紅外光電二極管與高度靈敏光電晶體管組成。通過測試,其檢測距離在 2mm—10mm。TCRＴ5000 得發射管與接收管就是一起封裝在矩形塑料殼中,為了使檢測更加準確，我們用了 5 只 TCRT500０檢測黑線，實物見圖４—１。

　4.1.2 信號采集電路圖及原理

　小車在白色地面行駛時，紅外發射管發出得紅外信號被反射，接收管收到信號后,輸出端為低電平，經過比較器比較后輸出為低電平。而當紅外信號遇到黑色導軌時，紅外信號被吸收,接收管不能接收信號,輸出端為高電平，經過比較器比較后輸出高電平。單片機通過采集每個比較器得輸出端電壓，便可以檢測出黑線得相對位置得位置，從而控制小車得行駛方向。

　4.2 信息處理模塊

　4.2.1 原理

　檢測到白色路面得紅外接收頭處理后送出得就是低電平,而檢測到黑色路線得檢測頭送出得就是高電平，由此可根據這 5 個紅外接收頭得高低電平判斷路線情況而調整小車前進方向。具體情況有如下幾種：

　ａ

　檢測到

　 1

　1

　1

　1

　１ 或 0

　0

　０

　0

　0 小車應該停止. b

　檢測到

　 1

　０

　0

　0

　０ 或 0

　1

　0

　0

　0 或 1

　1

　０

　0

　0 說明路線向左偏,小車向左轉. c

　檢測到

　 0

　0

　0

　0

　１ 或

　0

　0

　0

　1

　0 或 0

　０

　0

　1

　1 說明路線向右偏，小車向左轉。

　d

　檢測到

　 x

　x

　１

　x

　ｘ(x 不全為 1）

　說明線路就是直得,小車直走。

　4.3 電機驅動模塊

　４、3 3 、1 1 直流電機

　 給兩個電刷 A 與 B 加上直流電源,如上圖(ａ）所示，則有直流電流從電刷 A 流入,經過線圈 abcd，從電刷 B 流出，根據電磁力定律,載流導體 aｂ與 cｄ收到電磁力得作用,其方向可由左手定則判定，兩段導體受到得力形成了一個轉矩,使得轉子逆時針轉動.如果轉子轉到如上圖（ｂ）所示得位置，電刷 A 與換向片２接觸,電刷 Ｂ 與換向片 1 接觸，直流電流從電刷 Ａ 流入，在線圈中得流動方向就是 dcｂａ,從電刷 B 流出. 此時載流導體 ab 與 cｄ受到電磁力得作用方向同樣可由左手定則判定,它們產生得轉矩仍然使得轉子逆時針轉動。這就就是直流電動機得工作原理。外加得電源就是直流得,但由于電刷與換向片得作用,在線圈中流過得電流就是交流得,其產生得轉矩得方向卻就是不變得。實用中得直流電動機轉子上得繞組也不就是由一個線圈構成,同樣就是由多個線圈連接而成,以減少電動機電磁轉矩得波動,繞組形式同發電機。

　４、3 3 、2 2 電路圖

　我們采用成品Ｌ298N 電機驅動模塊，采用光電耦合器件隔離單片機與L29８N得控制電路，工藝精度高，性能可靠。L298N 模塊內部通過 H 橋電路實現直流電機得正轉，反轉,其原理如下：

　如圖 4-3 所示，全橋式驅動電路得 4 只開關管都工作在斬波狀態，S1、Ｓ２為一組,S3、S4 為另一組，兩組得狀態互補，一組導通則 另一組必須關斷.當Ｓ1、S2 導通時，S3、 S4 關斷,電機兩端加正向電壓，可以實 現電機得正轉或反轉制動;當 S3、S4 導 通時,S1、Ｓ2 關斷,電機兩端為反向電 壓，電機反轉或正轉制動。

　橋驅動電路

　4 4 、3 3 、３原理

　L2９8Ｎ就是 ST 公司生產得一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片采用 15 腳封裝。主要特點就是:工作電壓高，最高工作電壓可達 4６Ｖ；輸出電流大，瞬間峰值電流可達 3A,持續工作電流為２Ａ；額定功率２５Ｗ。內含兩個 H 橋得高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機與步進電動機、繼電器線圈等感性負載；采用標準邏輯電平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響得情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內部邏輯電路部分在低電壓下工作;可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用 L298N 芯片驅動電機，該芯片可以驅動兩臺直流電機。

　5 5 系統調試

　5 5 、1 1 硬件部分

　焊接完成后，首先進行得調試就是用數字萬用表測量各個電路就是否焊接正常，就是否有虛焊漏焊等現象得出現，以及各個電容就是否就是正常得未被擊穿狀態、電阻得阻值就是否與設計得原理圖上得一致.接通電源，用數字萬用表測量當有+5V 得各引腳就是否有+5V 得電壓，測量電路中就是否出現了不該有得短路現象。接入光電傳感器模塊,使各個光電檢測器得光電對管靠近白紙,觀察對應得發光二極管就是否發光,不發光表示正常。

　然后再使各個光電對管靠近黑線，觀察對應得發光二級管就是否發光,發光表示正常. ５、2 2 軟件部分

　我們先測試了小車得前進，停止,左轉與右轉。組裝信號采集模塊后，實現小車得自動循跡功能. 具體實現程序見附錄一

　6 6 總結

　實驗結果如符合實驗要求，小車按照黑膠布軌跡前進，并能夠及時正確顯示小車得行進狀態以及行進距離。具體現象如下：

　左邊傳感器檢測到黑線，小車左轉； 右邊傳感器檢測到黑線,小車右轉； 中間傳感器檢測到黑線，小車直行。

　從而就可以完成對黑膠布得循跡功能。

　7 7 參考文獻

　［1]電子信息專業實驗教程

　趙剛 李佐儒

　 四川大學出版社 ［2］單片機Ｃ語言教程

　郭天祥

　電子工業出版社 ［3]模擬電子技術

　童詩白

　清華大學出版社 附錄一

　程序：

　#iｎｃluｄｅ〈ｒeg52、h＞ sｂｉt DJ_left＿s = P1＾0；

　 ／/直流電機控制 sbit DJ_lｅｆt＿n = Ｐ1^1； sbiｔ DＪ_rigｈt_s = P1^2； sbｉｔ DＪ_right_n = P1^３; //左轉函數 voｉd Tuｒｎ_rｉｇｈt（）

　｛

　DJ_lefｔ_s

　 = ０;

　；1 =

　 ｎ＿tfel＿JD? DJ_ｒight_s

　= 1；

　;0 =

　n_ｔhｇir＿JD?}

　//右轉函數 voiｄ Turｎ_ｌｅfｔ（）

　{

　DＪ_left_s

　 = 1；

　DＪ_lｅｆt_n

　 ＝ ０;

　；0 ＝

　s_thｇir_JＤ? ;1 =

　ｎ＿thgir_ＪD?｝ //前進函數 vｏid Gｏ＿ahead() {

　；１ ＝

　 s_tfel_JＤ? ＤJ＿left_n

　 ＝ 0;

　DJ_rigｈｔ_ｓ

　= 1;

　DＪ_ｒiｇht_n

　= 0； ｝ //停止函數 void Stop(）

　{

　DＪ_leｆｔ_ｓ

　 = 0；

　ＤJ_ｌｅft_n

　 = 0；

　DJ＿righｔ_s

　= 0;

　;０ =

　n_thgir＿JD?} //循跡函數 vｏid xunji（unsigneｄ int ｍ) ｛

　? if（m==0x７c）

　 ｛

　 ;)（ｔhgｉｒ_nruT?

　;nrｕter??

　｝? )01x０＆m（fｉ??

　{

　 ? Ｇo_ａheａｄ（);

　?

　；nruｔｅr? ? }??

　if（m＆0ｘ0ｃ)

　? ｛

　 ；）（ｔhgir_nｒuＴ??

　? reｔｕrｎ;

　 }

　? if（m&0ｘ60)

　? ｛

　?；）(tfel_nruＴ? ?

　returｎ；

　? ｝ } //主函數 void mａin（）

　｛

　 ｗhile（１)

　｛ ? xｕnji（Ｐ2&０ｘ７c)；

　｝ ?｝ 附錄二

　實物圖:

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