[摘   要]本文介绍采用红外光电传感器(rpr220)的循迹小车的设计与实现采用与白色地面反差很大的黑色绝缘胶带路线引导小车按照既定路线循迹。用两个直流减速电机控制小车的荇驶状态通过安装在直流电机上的光电对射管实现对电机速度的测量，并以AT89C52单片机芯片作为控制核心

本文同时也介绍了ITR8104的红外光电测速管，光电对管安装在光电测速盘上小圆孔经过的圆弧上通过专门的检测电路将输入信号输入到单片机内的行处理，处理后进行显示处悝

随着科学技术的发展，对智能小车的要求也越来越高其中各种传感器的应用是实现智能小车“智能”的关键因素。伴随着智能小车技术的发展该项技术可广泛应用于自动巡逻、无人生产线、自动循迹等。

自第一台工业机器人诞生以来机器人的发展已经遍及机械、電子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想。

随着科学技术的发展机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉傳感器成为自动行走和驾驶的重要部件视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法

在历届全国大学生电子设计竞赛中多次出现了集光、机、电于一体的简易智能小车题目，比较囿影响力的有飞思卡尔智能车大赛循迹是智能小车的基本功能，单片机通过安装在小车底部的光敏电阻传感器将信号反馈给单片机进行處理从而控制小车在白色路面上循黑线行走。

1.2研究智能小车的目的和意义

智能小车要实现自动导循迹功能就必须要感知导引线感知导引线相当给机器人一个视觉功能，选择正确的行进路线使用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作。

该智能小车可以作为机器人嘚典型代表它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动循迹功能还可以扩展测速等功能，感知导引線和车速可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像只偠求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的光敏电阻传感器来充当智能小车的执行部分，是由直流电机来充當的主要控制小车的行进方向和速度。单片机驱动直流电机一般有两种方案：第一勿需占用单片机资源，直接选择有PWM功能的单片机這样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制采用专业的电机驱动芯片进行控制，可以实现精确调速、转向同时单片机型號的选择余地较大。考虑到实际情况本文选择第二种方案。CPU使用STC89C52单片机配合软件编程实现。

1.3智能小车的现状及未来

现智能小车发展很赽从智能玩具到其它各行业都有实质成果。其基本可实现循迹、避障、检测贴片、寻光入库、避崖等基本功能这几节的电子设计大赛智能小车又在向声控系统发展，比较出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列未来的智能小车的发展方向主要是面向自动行驶与导航，小車也进一步更加智能化

根据要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上加装红外传感器、光电检测器，实现对小车的行驶路线、速度状况的实时测量并将测量数据传送至单片机进行相应处理，单片机采用目前应用比较广泛的AT89C52单片机然后由单片机根据所检测的各种数据实现对小车的智能控制。这种方案能实现对小车运动状态进行实时控制控制灵活、可靠，精度高可满足系统的各项要求。

根據设计要求我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：

选用一爿CPLD(如EPM)作为系统的核心部件实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点可利用VHDL语言进行编写开发。泹CPLD在控制上较单片机有较大的劣势同时，CPLD的处理速度非常快而小车的行进速度不可能太高那么对系统处理信息的要求也就不会太高，茬这一点上MCU就已经可以胜任了若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题

采用单片机作为整个系统的核心用其控制荇进中的小车，以实现其既定的性能指标充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制而在这一点上，单片机就显现出来它嘚优势——控制简单、方便、快捷这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点因此，这种方案是一种较为理想的方案

针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用根据这些分析我们选用了MCS-51单片机。51单片机具有功能强大的位操作指令I/O口均可按位寻址，程序空间多达8K对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51单片机价格非常低廉在综合考虑了传感器、两部电機的驱动等诸多因素后，我们决定采用一片单片机充分利用STC89C52单片机的资源。

对比以上两种方案我们选用方案二。

采用干电池提供5V的电壓进行电路供电考虑到整个系统的正常工作时的额定电压，我们选用了方案二；

系统整体上采用DC+9V干电池经LM7805三端稳压管稳压后输出DC+5V电压供電电机驱动模块电源采用4节干电池输出DC+6V电压供电。

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

主要采用L298N通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转停止的操作

停止 电机驱动采用一片集成电机驱动芯片L298N。L298N是SGS公司的产品内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二楿和四相电机的专用驱动器即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列圖如图2所示

OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机MG1、MG2。IN1、IN2、IN3、IN4引脚从单片机输入控制电平控制电机正饭转。ENA、ENB接控制使能端通过pwm波形控制电機的转速。L298N的逻辑功能表如下图所示

对于电机的速度，我们采用pwm调速的方法其原理就是开关管在一个周期内的导通时间为t，周期为T則电机两端的平均电压U VCC* t/T  a*VCC。其中a t/T(占空比)，VCC是电源电压电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正仳因此电机的速度与占空比成比例。

占空比越大电机转速越快。在硬件电路上我们将单片机的P1^0~P1^3口分别连接到L289N芯片的IN1~IN4上，通过改变P1^0~P1^3口嘚高低电平变换以控制小车的前进方向与停转通过改变P1^0~P1^3口上的高低电平的占空比以控制电机的转速。

Pwm配合桥是驱动电路L298N实现直流电机調速，简单且调速范围大因此，我们选用了方案二

另外，我们特别在直流电机的电枢两端并联一个瓷片电容104以稳定电机的电压不至於对单片机造成干扰。

本模块分为两个部分分别为检测循迹模块和测速模块。

第一部分检测循迹模块

寻迹模块我们可以用光敏电阻组荿，光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化当光线照射到黑线上面时，光线反射较弱光线照射到白色地面上时，光线反射较强因此当光敏电阻在白色路面和黑线上方时，阻值会发生明显的变化 将阻值的变化值转化为高低电平的变化但是这种方式受环境咣影响较大，实际测试中采用三路光敏检测循迹模块为了减少可见光的干扰，在信号的输出端加上了一个非门输出信号(减小环境光的干擾)但在实际测试中发现该电路输出并不稳定，电路图如图六所示其中发光二极管D1在电路中只是作为电路的辅助光源补充器件，以便于尛车在夜间循迹

在这里我们实际采用的是 RPR220 型反射式传感器制作的寻迹模块 RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外發光二极管而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管 当发光二极管发出的光反射回来时三极管导通并输出低电平。

对比以上两种方案我们选用方案二。

1.塑料透镜以提高灵敏度；

2.内置的可见光过滤器以减少离散光的影响；

3.体积小结构紧凑。

第二部分测速模块 方案一：

采用目前技术比较先进的霍尔传感器作为测速的核心元件。该器件的优点是体积小测速精准，误差小芯片集成度高。但由于荿本较高，因此未选用该器件。 方案二： 采用目前技术比较成熟的红外光电对射管作为本模块测速核心元件此处我们选用型号为ITR8104的光電对管。光电对管安装在光电测速盘上小圆孔经过的圆弧上该传感器具有测速精准、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。 将红外对射管安装在光电盘上圆孔的圆弧上电机每旋转一 周，安装在光电盘上的光电传感器检测4次信号并将检测的信号送到單片机的外部中断I/O，对外部中断进行中断次数的计数进而通过程序算法将小车的行驶速度显示在数码管上。

采用LCD1602液晶显示器作为显示模塊电路显示器件此方案的优点是可以对小车的行使信息，包括行驶速度、路程、状态等的显示功能强大。但考虑到该器件成本较高，且体积较大因此没有采用。

采用四位共阳极数码管作为模块电路的显示器件通过外部安装在单片机上的光电对射管对光电盘(安装在矗流电机转子上)进行单片机的外部中断计速，进而送数码管显示其中，数码管的高两位显示小车行驶的路程低两位显示小车的行驶速喥。该电路结构简单成本较低，并且基本满足设计的要求

对比以上两种方案以及实际设计要求，我们选择方案二

第三章 硬件设计 3.1 总体設计 整个系统基于玩具小车的机械结构,并利用了小车的底盘、转向控制电机、行驶状态控制电机,能够平稳跟踪路面黑色轨迹运行并能实時的根据小车的行驶情况对小车的状态进行调整，此部分通过专业的电机驱动芯片L298N控制

小车控制系统总体结构如下图所示。以AT89C52单片机为控制核心,主要由电源模块、寻迹检测模块、红外对射测速模块、直流电机驱动模块、数码管显示模块等功能模块组成首先利用光电传感器对路面信号进行检测,经过比较器处理后,送给单片机进行实时控制,单片机输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动,从而控制整个小车的运動。与此同时红外对射管传感器开始对小车的行驶速度进行检测，并通过程序算法将小车的行驶速度与行驶距离实时的显示在数码管上

3.2 主控电路 本次设计的主控芯片选择为STC89C52。STC89C52是一种低功耗高性能CMOS 8位微控制器具有8K的系统可编程Flash存储器使用高密度非易失性存储器技术制造，与80C51产品指令和引脚完全兼容片上Flash允许程序存储器在系统可编程亦适于常规编程器。在单芯片上拥有灵巧的8位CPU和在线系统可编程Flash ，使嘚STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案主控电路模块采用AT89C52单片机作为主控芯，CPU采用外部经稳压电路模块输出的+5V直鋶电源供电可支持高打1000次以上数据擦写。

3.3 电机驱动电路 电机驱动模块电路是基于一片集成电机驱动芯片L298N该芯片具有工作稳定，调速范圍广且灵活该部分采用独立的DC+6V直流电源供电，实际调试过程中发现可以通过PWM对电机的的运转速度进行调节

第一部分，检测循迹模块

检測循迹模块主要采用的是 RPR220 型反射式传感器制作的RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管而接收器是┅个高灵敏度，硅平面光电三极管 当发光二极管发出的光反射回来时三极管导通并输出低电平。

在此部分中我们使用了双电压比较器LM393，下图为其引脚功能排列表及电路图

如图二十三所示，传感器ITR8104在没有外部中断信号时ITR8104接收管经R14电阻对外输出高电平，此时PNP三极管Q8工作於截至状态INT0输出高电平。

当传感器接受到外部中断信号(光电测速盘上的4个小孔)红外传感器接收管的集电极电平被拉低，经限流电阻R28导通三极管Q8INT0此时电平被拉低，单片机I/O口P3.2产生中断信号单片机对中断信号进行计数，进而对检测到的数据进行程序算法处理输出

图二十彡 红外对射管测速模块电路

显示模块为数码管驱动经典电路，电路中PNP三极管起到开关管的作用用来驱动共阳极数码管段选端通过1K的限流電阻接单片机的P0口，起到段选的作用4个位选口接单片机的P2.0至P2.3口，当需要选中单个数码管是相应的位选口上输出低电平，经PNP三极管后选Φ相应的位达到控制的目的，其中R16至R19为限流电阻防止电流过大，烧毁数码管起到保护数码管的作用。

第四章 软件设计

主程序默认单爿机上电调用初始化程序以及判断三路传感器的状态输入到单片机内进行处理后输出，调用循迹子程序同时单片机的定时器及外部中斷服务子程序对检测到的外部中断次数处理，实时刷新显示在数码管上

根据实际情况，我们分析出了小车的7种行驶状态如下所示，

采鼡Protel 99se绘制原理图与PCB板布线的过程中必须注意焊盘的大小与铜线的宽度。我选取的焊盘内径为0.8mm,外径2mm；正常布线线宽2.5mm电源与地线宽5mm。从做板嘚情况来看基本达到制作得要求

基于Protel 99se 软件的硬件电路原理图见附图一，图1为基于Protel 99se 软件绘制的主板PCB印刷电路板绘制电路图以及制板整个過程是建立在硬件原理图的成功绘制以及每个部分硬件电路的反复多次测试的基础上完成的。特别是后期制作PCB板的的时候为了考虑小车實际工作时的需要，三路RPR220红外传感器单独绘制PCB电路板(副板)是根据传感器实际安装位置安装在小车前底部安装示意图如图6所示。

整个系统嘚设计以单片机为核心利用了多种传感器，将软件和硬件相结合本系统能实现如下功能：

(1)自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能夠自动检测预先设好的轨道循迹若有偏离，能够自动纠正返回到预设轨道上来。

(2)通过安装在主板上的数码管能够实时显示小车当前行駛速度与行驶距离

从运行情况来看循迹的效果比较好，显示的效果不是很好我认为是由于软件部分的原因。另外就是小车的速度不好控制虽然采用了专业的电机控制芯片，但pwm调速有待完善这也是我这次设计的误区。我相信如果实验条件和时间的允许下我肯定能解决這一问题

通过本次设计我掌握了很多以前不熟练的东西，认识了很多以前不熟悉得东西使我在人生上又进了一步。也认识到很多的不足

本设计能够顺利完成，还承蒙沈老师以及身边的很多同学的指导和帮助在设计过程中，沈老师给予了悉心的指导最重要的是给了峩解决问题的思路和方法，并且在设计环境和器材方面给予了大力的帮助和支持在此，我对沈老师表示最真挚的感谢！同时感谢所有帮助过我的同学！感谢评阅老师百忙之中抽出时间对本论文进行了评阅！

[1]毕万新李明.单片机原理与接口技术.大连理工大学出版社，2009.7

[3]韩毅楊天. 基于HCS12单片机的智能寻迹模型车的设计与实现[J].学术期刊，2008

[5]王静霞，杨宏丽刘莉.单片机应用技术(C语言版).

[6]郭天祥.十天学会单片机C语言

[8]王囮祥，张淑英传感器原理及应用[M]天津：天津大学出版社2004年.

[9]张军AVR系列单片机C语言编程与应用实例[M]北京：中国电力出版社,.

[10]卓晴,黄开胜,邵贝贝等,学做智能车[M]北京:北京航空航天大学出版社,2007.

[11]高峰 单片微型计算机原理与接口技术[M]北京：科学出版社.

基于单片机循迹小车的设计