智能循迹小车报告

1、西京学院 自动化1002班 概要本寻迹小车是以万能板为车架，STC12C5A60S2单片机为控制核心，将各传感器的信号传至单片机分析处理，从而控制 L293D电机驱动，控制小车，速度由单片机提供的PWM波控制。 利用红外传感器检测黑线，红外对管来实现循迹功能，利用超声波传感器进行检测避障。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。根据小车各部分功能，模块化硬件电路，并调试电路。将调试成功的各个模块逐个地 “融合” 成整体，再进行软件编程调试，直到完成。关键词：STC12C5A60S2 直流电机 红外对管传感器 寻迹小车 L293D电机驱动1一、循迹小车的系统的要求和总体方案设计1.1设计要求1.1.

2、1 基本要求 利用单片机实验板，并制作一定的外围电路，编写程序设计制作一个智能循迹壁障的小车，具体要求如下：（1）具有启动、停止功能；（2）能够完成前进、后退、左转、右转单独动作和复合动作；（3）能按照规定路线循迹行驶；1.1.2 发挥要求 利用超声波或红外等方式实现避障功能1.2智能循迹小车的工作原理我们知道小车的循迹原理是根据实现电位的高低来实现对前进方向的控制的。在这里我们设定了白色和黑色的通道界面来行驶，而根据我们所学的知识通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时

3、发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。通过查资料我们知道红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。1.2.1恒压恒流桥式驱动芯片L293D驱动电机原理本 L293D 驱动模块，采用 ST 公司原装全新的 L293D 芯片，采用SMT工艺稳定性高，采用高质量铝电解电容，使电路稳定工作。可以直接驱动4路3-16V直流电机，并提供了5V输出接口（输入最低只要6V），可以给5V单片机电路系统供电（低纹波系数）,支持3.3V MCUARM控制，可以方便的控制直流电

4、机速度和方向，也可以控制2相步进电机，5线4相步进电机，是智能小车必备利器。本模块可以 51，AVR，PIC，ARM 等控制器连接，下图 MCU_GNDMCU_+5V 是指可以用驱动输出+5V的电源给控制系统供电。当然，也可以不用，当不用的时候悬空。但它们一定要共地。即MCU_GND要与驱动模块GND 相连（这点至关重要）。IO 是指MCU 的普通的输入输出接口。这里特别指出的是 EN1 EN2 这里我们已经用跳线帽直接插到5V了，直接使能，如果有 PWM 调速可以去掉跳线帽直接从这里输入PWM 信号，调节电机速度。从左至右接口定义为：+5 GND IN1 IN2 IN3 IN4 EN1 EN

5、2 EN1 EN2为电机1 电机2使能端+5 GND IN5 IN6 IN7 IN8 EN1 EN2 EN1 EN2为电机3 电机4使能端如下图1、图2所示：图1 L293D驱动电路实物图 以下举例：控制紧逻辑。这里一路其它的，其它三路类推图2 电机驱动使能端子1. 3模块方案比较与论证根据设计要求，本系统主要由主控模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。1.3.1 主控制器模块方案一：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、

6、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案二：采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机作为主控制器。STC12C5A60S2是单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,

7、但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路,2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S),针对电机控制，强干扰场合。由于STC12C5A60S2单片机的资源已经可以满足设计需要，且此单片机价格上有优势。从方便实用不浪费资源的角度考虑，我们选择了方案二。1.3.2 寻迹传感器模块方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大，易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。 方案二：采用两只st188红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开

8、关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。方案三：采用五只st188红外对管，一只置于轨道中间，其他四只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，但是不影响小车的整体行驶效果。通过比较，我们选取第三种方案来实现循迹。1.3.3电机驱动模块方案一：采用专用芯片L293D作为电机驱动芯片。L293D是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片

9、，它相应频率高，一片L293D可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案二：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。因此，我们选用了方案一 。1.4 小车总体设计的最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：（1）车体用原有的小车（2）采用STC12C5A60S2单片机作为主控制器。（3）采用12V直流电池为直流电机供电。（4）用st188型光电对管进行寻迹。（5）L293D作为直流电机的驱动芯片。系统的结构框图如图3所示：STC12C

10、5A60S2最小系统L293D驱动电路电源模块电压比较器直流电机光电对管组循迹或避障 图3 系统结构框二、小车硬件实现及模块电路的设计2.1、主控制器模块的设计采用宏晶科技生产的STC12C5A60S2单片机作为主控制器，不用烧写器而只用USB串口下载线就可以往单片机中下载程序。我们在开发过程中使用开发版，方便程序的调试和整机的测试，待系统调试完成后，将单片机从开发板安装在小车底座板上方便及时调试。图4 单片机最小系统图单片机最小系统的应用（1） 时钟电路 系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和X

11、TAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22F。更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。（2）复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采

12、样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图所示。当时钟频率选用6MHz时，C取22F，Rs约为200，Rk约为1K。2.2寻迹传感器模块传感用 st188 型光电对管， st188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，三极管导通输出低电平，电路如图 21可调电阻 RS1/2可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接给单片机查询使用。图5 光电对管检测电路1图5 光电对管检测电路2而且经试验验证给此电路供电的电池的压

13、降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调节电路。2.3、寻光模块采用光敏二极管作为光源探测模块的传感器，由于光敏二极管感光后，内阻有较大的变化，通过一定的电路转化为电压的变化。采用 LM358 比较器对 5 个二极管的输出电压进行比较，光敏二极管引起的电压变化送到比较器的反相端与基准信号进行比较，将结果输入到单片机执行判断。基于 LM358的寻光电压比较电路： LM358的二号管脚为基准电压输入端，将需要进行比较的电压输入到三号管脚，如果比基电压的值大，则一号管脚输出为高电平，反之为低电平。2.4、电机驱动模块 2.4.1 电机驱动电路的设计驱动模块采用专用芯片 L293D作为电机驱

14、动芯片， L293D是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片 L293D可以分别控制两个直流电机，驱动电路的设计如图L293D的 5 7 10 12 四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可实现两个直流电机的PWM调速以及正反转控制。图6 L298驱动原理图三、小车软件设计与实现3.1主程序流程图 小车进入寻迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个 I/O口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。四、小车系统功能测试和调试见实物五、结束语 基于STC型单片机的自动循迹小车控制系统运行平稳可靠，抗干扰能力强，

15、我们的寻迹小车在完成设计要求的前提下，充分考虑到了外观、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。由于设计要求并不复杂，我们没有在电路中增加冗余的功能，但是我们保留了各种硬件接口和软件子程序接口，方便以后的扩展和进一步的开发。六、设计心得通过这几天的项目设计，我们对一些专业知识和单片机应用系统设计有了更深的了解，同时也尝试着去应用自己的所掌握的知识。本次电子大赛主要是对已学习的单片机应用技术，单片机程序流程图的综合应用，同时加上电路等知识，设计完成了利用软件的检测程序运行调试。经过几天的奋战,我们感受很深.我们三个人分工合作，设计过程中深感自己在培养动手能力这方面欠缺很大。同时，这次我们积极的通过上网查资料，查阅单片机方面书籍等资源。在我们共同努力下，我们圆满完成了从项目设计，电路焊接，单片机程序设计等环节。这个项目设计作为一次锻炼，培养了我们或多或少善于动手，乐于动手的习惯。 单片机应用课程设计不仅给我们提供了一个很好的展现自己所学知识的平台,又是对自己所学知识的一次考核、检验。 我们运用各自在各方面的优势，化腐朽为神奇，形成了一个团队。通过团队合作的力量,使设计得以顺利完成。可以说,我们三个人是一个不可或缺的整体,少了任何一个人都是无法把任务完美的完成。在设计的过程中我们也不可避免的遇到了很多的