基于红外光电传感技术自动循迹小车小车系统

1、基于红外光电传感器的自动循迹小车系统基于红外光电传感器的自动循迹小车系统摘要：本方案是一种基于红外光电传感技术的自动循迹小车系统的设计，包括小车系统构成、光电传感器原理及系统软硬件设计方法。小车以红外光电传感器为检测模块，单片机STC12C5A60S2 为控制核心, 产生PWM波，控制小车速度。利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断,及时控制舵机以调整小车转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动寻迹的目的。关键词：红外光电传感器 STC12C5A60S2 自动循迹小车Abstract : This is a des

2、ign of a smart auto-tracking vehicle which based on infrared photoelectric sensor technology. The construction of the car , the principle of photoelectric sensor and methods of hardware and software design are included. The car use infrared photoelectric sensor as detecting module and STC12C5A60S2 a

3、s heart of control in this system. Then using PWM waves produced by MCU to control the car speed. By using infraraed sensor to detect the information of black track,the smart vehicle acquires the information and sends them to the Servo. Then the Servo analyzes the signals and controls the movements

4、of the motors,which make the smart vehicle move along the given black line antomaticly.Keywords: Infrared photoelectric sensor STC12C5A60S2 auto-tracking vehicle目录1.背景及思路21.1背景21.2 整体方案22.红外光电传感器32.1红外光电传感器原理32.2红外光电传感器在本方案中的应用43.硬件设计43.1主控电路模块53.2红外检测模块63.2.1红外检测模块电路图73.2.2红外检测模块的安装73.3舵机83.4电源模块93

5、.5整体电路图104.软件设计104.1 PWM控制104.2主程序流程图114.3小车循迹流程图125.总结与展望146参考文献151.背景及思路 1.1背景 自动循迹小车可以实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线等功能。在工业自动化领域有广泛商用价值，可应用于自动装配线，生产线的物料自动运转等。循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。1.2 整体方案小车利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机STC12C5A60S2,单片机对采集到的信号予以分析判断,产生PWM波

6、，控制小车速度。同时及时控制舵机以调整小车转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹以设定速度自动行驶,实现小车自动寻迹的目的。系统方案方框图如图1-1所示。检测（黑线）舵机软件控制控制小车图1-1 系统方案方框图2.红外光电传感器 2.1红外光电传感器原理目前，市场上常用的红外线光电传感器，是利用物体对近红外线光束的反射原理，由同步回路感应反射回来的光，据其强弱来检测物体的存在与否，光电传感器首先发出红外线光束到达或透过目标物体，物体或镜面对红外线光束进行反射，光电传感器接收反射回来的光束，根据光束的强弱判断物体的存在。下图左为红外光电传感器的原理图，二极管作为信号发射器发射红外信号，经过地面的反射，

7、产生了三极管的基极电流，因此在回路中产生了电压。右图为红外光电传感器的实物图，白色的部位是红外信号发射器，黑色的部位是接收器。图2-1 红外光电传感器原理图和实物图2.2红外光电传感器在本方案中的应用本方案中，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。 图2-2 红外光电传感器在本方案中的应用3.硬件设计 自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、

8、稳压电源模块、红外检测模块、舵机等部分组成,硬件连接图如图3-1 所示。 稳压电源模块主控芯片STCL298舵机红外检测模块 YYL-70电压比较器图3-1 红外光电传感器在本方案中的应用1.主控制电路模块：STC12C5A60S2、复位电路，时钟电路2.红外检测模块：YL-703.舵机：DS08-NFA（L298：放大电流功能）4.电源模块：双路开关电源3.1主控电路模块 主控电路由单片机、复位电路、时钟电路组成，采用Atmel 公司的STC12C5A60S2 单片机作为主控制器。它是一个低功耗，高性能的8 位单片机，片内含32k 空间的可反复擦写100,000 次Flash 只读存储器，具

9、有4K 的随机存取数据存储器（RAM），32 个I/O口，2个8位可编程定时计数器，且可在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。时钟电路和复位电路，如图3-2（与单片机构成最小系统）1）采用外部时钟，晶振频率为12MHZ2）采用按键复位图3-2 时钟电路和复位电路3.2红外检测模块本方案选用红外检测模块YL-70，此模块是为智能小车、机器人等自动化机械装置提供一种多用途的红外线探测系统的解决方案。该传感器模块对环境光线适应能力强，其具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外线反射回来被接收管接收，经过比较器电路处理之后，同时信号输

10、出接口输出数字信号（一个低电平信号），可通过电位器旋钮调节检测距离，有效距离范围260cm，工作电压为3.3V-5V。该传感器的探测距离可以通过电位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。3.2.1红外检测模块电路图红外检测模块由四个小板组成，每个小板的电路图如图3-3所示，红外传感器的发射端发射的信号经过接收端的接收，在回路中产生了电压，再经过电压比较器LM324，将正弦信号转化为同频率的方波。四个小板的输出端信号分别接到单片机的输入端上，单片机再对方波信号进行处理。图3-3 YL-70小板电路图3.2.2红外检测模

11、块的安装四个小板的安装如图3-4所示，并列排成一条直线在小车的底部。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持(如图3-4中所示的行走轨迹黑线)在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级探测器动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨

12、道上去。可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。 图3-4 红外光电传感器的安装3.3舵机 本方案中舵机选用DS08-NFA,两个舵机分别带动两个轮子转动。本方案中，通过控制PWM波的高电平占空比就可以达到控制舵机转速的目的，左右轮子的转速不同，就可以实现小车的转弯。信号端只要输入一个50HZ的方波信号，然后控制信号周期的高电平脉冲持续的时间就可以控制速度和正反转及停转。一个高电平脉冲持续的时间对应一个速度。高电平为1毫秒1.5毫秒时，舵机正转(1毫秒时正转速度最快，越接近1.5毫秒越慢，1.5毫秒时舵机停转)，高电平为1.5毫秒2毫秒时舵机反转(1.5毫

13、秒时舵机停转，越接近2毫秒反转的速度越快，2毫秒时以最快的速度反转)。而单片机电流太小，驱动不了电机，因此选用 L298芯片起放大电流的作用，L298输入口接PWM信号，输出口用来驱动舵机。图3-5舵机与L298的连接3.4电源模块系统中使用到最小系统板，需使用到5V电压供电。将开关电源12V电压输出经过7805降压模块转换为5V电压源。 图3-6 7805降压模块3.5整体电路图 如图3-7所示，当光电传感器开始接受信号，通过比较器将信号传如单片机中。小车进入寻迹模式，即开始不停地扫描与探测器连接的单片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

14、动机从而纠正小车的状态。单片机采用T0定时计数器，通过来产生PWM波，控制电机转速。图3-7 整体电路图4.软件设计4.1 PWM控制本方案采用PWM来调节直流电机的速度。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率,从而改变负载两端的电压,进而达到控制要求的一种电压调整方法。在PWM驱动控制的调整系统中,按一个固定的频率来接通和断开电源,并根据需要改变一个周期内“接通”和“断开”时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的“占空比”来改变平均电压的大小,从而控制电动机的转速。在脉冲作用下,当电机通电时,速度增加；电机断电时,速度逐渐减少。只要按一定规律,改变通、断电的时间,即可让电机转速得到控制。

15、本系统中通过控制51单片机的定时器T0的初值，从而可以实现P0.4和P0.5输出口输出不同占空比的脉冲波形。定时计数器若干时间（比如0.1ms）中断一次, 就使P0.4或P0.5产生一个高电平或低电平。占空比为高电平脉冲个数占一个周期总脉冲个数的百分数。一个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比。占空比越大, 加在电机两端的电压越大, 电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。当我们改变占空比时, 就可以得到不同的电机平均速度, 从而达到调速的目的。4.2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I/O 口，一旦检测到某个I/O 口

16、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。软件的主程序流程图如图4-1所示：系统初始化任务计数器归零是否完成全部任务？循迹子函数是否完成本次任务？结束开始NYNY图4-1主程序流程图4.3小车循迹流程图小车进入循迹模式后，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，即进入判断处理程序，先确定4个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面第一级传感器或者左面第二级传感器探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是右面第一级传感器或右面第二级传感器探测到了黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，

17、则应使小车向右转。在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作。循迹流程图如图4-2所示启动循迹模式探测黑线是否检测到黑线判断处理程序向左转Turn_left2向左转Turn_left1向右转Turn_right1向右转Turn_Lright2继续前进NY图4-2循迹流程图由于第二级方向控制为第一级的后备，则两个等级间的转向力度必须相互配合。第二级通常是在超出第一级的控制范围的情况下发生作用，它也是最后一层保护，所以它必须要保证小车回到正确轨迹上来，则通常使第二级转向力度大于第一级，即Turn_left2 > Turn_left1,Turn_right2 >

18、Turn_right1 (其中Turn_left2，Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1为小车转向力度，其大小通过改变单片机输出的占空比的大小来改变)，具体数值需要在实验中得到。5.总结与展望本方案是基于红外光电传感技术的自动循迹小车系统的设计，红外光电传感器的未来朝着利用新的材料，数字化方向和嵌入式方向发展，高的可靠性和低功耗甚至无源也是未来要努力的方向。自动循迹小车目前广泛应用于机器人避障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹。若在此方案的设计中增加避障，避崖等功能，应用于无人驾驶技术中。未来的发展中，也可以针对不同的领域，给此类智能小车增加更多的功能，以应用于考古、机器人、医疗器械等领