项目名称： 自动循迹小车 学院： 机电工程学院 专业： 测控技术与仪器 姓名： 焦亮 马浩然 万锋
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自动循迹小车
摘要：本组的智能小车是以ATMEL公司设计的AT89S52单片机为控制核心，结合多种传感器以及PID算法实现循迹功能的智能小车。利用反射式光电传感器检测黑线实现小车循迹，整个系统具有自动寻迹、寻光和速度测试功能。其中，控制部分采用AT89S52，AT89S52是一款8位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。电机驱动采用常用的PWM方式进行电机的调速控制，整个系统的电路结构较简单，可靠性能高，能满足各种设计的要求。 关键词:单片机，传感器，PWM调速，循迹，光源探测
Abstract：Our intelligent car uses AT89S52 SCM which the ATMEL Company design as control core, combine with multiple sensors and PID control algorithm to achieve the function that find track .The electrical car uses reflective photoelectric sensor to detect black line to achieve track-finding .The entire system has the function that trace route automatically and find light .Among them, AT89S52 which has 8-bit single-chip is used as the control part .Because of using easily and having multi-function ,it suffers large users. The motor driver uses the common way--PWM for the motor controlling speed. The circuit structure of the whole system is relatively simple, high reliability, and it can meet the requirements of the various design .
KEY WORDS: SCM，Sensor， PWM speed adjusting，Track finding，Light source detection
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目录
1总体设计方案选择................................................................................................................ 4 2方案论证及设计.................................................................................................................... 4 2.1车体方案论证 ................................................................................................................. 4 2.2单片机控制电路系统方案论证 ..................................................................................... 4 2.3电机驱动系统方案论证 ................................................................................................. 4 2.4循迹检测系统方案论证 ................................................................................................. 5 2.5光源检测系统方案论证 ....................................................................................................................5 3 硬件设计............................................................................................................................... 5 3.1单片机控制电路 ............................................................................................................. 5 3.2电机驱动电路 ................................................................................................................. 5 3.2.1驱动电路................................................................................................................... 5 3.2.2 PWM调速原理 ........................................................................................................ 6 3.3 循迹检测电路 ................................................................................................................ 6 3.4光源探测电路 ................................................................................................................. 7 3.5系统供电单元电路 ......................................................................................................... 7 4 软件设计............................................................................................................................... 8 4.1系统控制流程 ................................................................................................................. 8 4.2循迹算法设计 .......................................................................................................................................8 4.3探测光源算法设计 .............................................................................................................................8 5 系统调试............................................................................................................................... 8 6 测试结果与分析 .........................................................................................................................................9 6.1测试结果......................................................................................................................... 9 6.2基本要求 ................................................................................................................................................9 6.3发挥部分......................................................................................................................... 9 参考文献................................................................................................................................... 9 附 录..................................................................................................................................... 10
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一、总体设计方案选择
根据题目要求确定如下方案：
在做好的小车基础上，加装反射式红外光电传感器和光敏二极管阵列，实现对外界环境的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。本方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。系统整体方框图如下图所示。
单片机 AT89S52 循线检测模块 电源模块 电机驱动模块 光源检测模块
二、方案论证及设计
1.车体方案论证
根据题目设计左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同
时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车的转弯。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。对于车架材料的选择，我们选择了废用的电路板，变废为宝。 2.单片机控制电路系统方案论证
此部分是整个小车运行的核心部分，起着控制小车所有运行状态的作用。控制的方法有很多，大部分都采用单片机控制。单片机要完成电机控制、循线控制和光源检测控制等工作。本设计中小车的主控采用我们最为熟悉的AT89S52单片机。虽然这款单片机本身没有PWM模块，但若采用本身有PWM模块的单片机就会产生资源浪费。我们可以通过软件编程产生PWM，既能充分利用可用资源，又不浪费。且能很好的满足题目要求。 3.电机驱动系统方案论证
方案一：使用直流电机，直流电机具有良好的调速性能，控制起来也比较简单。直流电机只要通上直流电源就可连续不断的转动，调节电压的大小就可以改变电机的速度。常用的驱动方式是PWM方式，即脉冲宽度调制方式，此方法性能较好，电路和控制都比较简单，但也有其缺点，就是其控制精度较差，开动起来惯性力较大，较难控制。
方案二：使用步进电机。步进电机具有良好的控制性能。当给步进电机输入一个电脉冲信号时，步进电机的输出轴就转动一个角度，因此可以实现精确的位置控制。与直流电机不同，要使步进电机
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连续的转动，需要连续不断的输入点脉冲信号，转速的大小由外加的脉冲频率决定。而且其转动不受电压波动和负载变化的影响，也不受温度、气压等环境因素的影响，仅与控制脉冲有关。但步进电机的驱动相对较复杂，要由控制器和功率放大器组成且成本较高。具体差别见下表1
表1 电机控制方式对比
调速性能 位置控制精度 驱动 稳定性
直流电机 较好 较差 简单 较好
步进电机 较差 好 复杂
好，仅与控制脉冲有关
由上表可以看出步进电机和直流电机都有各自的优点。步进电机能进行精确的位置控制，但驱动电路麻烦，鉴于本设计中小车的位置控制不要求十分精确，直流电机即可满足小车要求的精度。且直流电机易于控制、简单，故选择方案一。 4.循迹检测系统方案论证
循迹检测常用到传感器。根据小车功能的要求有两种方案，一种是使用红外光电传感器，另一种是使用CCD传感器。这两种方案都可以达到小车循迹要求，目前使用最为普遍的循迹检测方法是红外探测法。两种方案的主要区别是使用的传感器不同。具体区别见表2。
表2 循迹检测方案对比
类型 受外界干扰程度
实时性 对主控芯片要求
成本
红外光电传感器
小 好 较低 较低
CCD传感器 较小 差 较高 高
从上表中可以很明显的看出，红外传感器相对于DDC传感器来说，在实时性和对主控芯片的要求方面都比CCD传感器要好。基于这些优势以及处于成本的考虑，本设计采用传感器放置在小车底部距地面高度合适位置，可以达到很好的检测效果。 5.光源检测系统方案论证
方案一：光敏电阻器又叫光感电阻，是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换。
方案二：利用光敏二极管对光源变换的敏感反映，检测外部光源。当有光照射时，光敏二极管呈强电阻，经比较器输出一个高电平，反之则输出低电平。我们可以再外接一个LED作为检测指示灯，则可以明显观察到这个变化。即有光照时LED亮，无时则灭。 考虑到光敏二极管的输出电流较小，所以选择方案一。
三、硬件设计
1.单片机控制电路
单片机是控制单元的核心。起着控制小车所有运行状态的作用。单片机控制模块使用的是ATMEL公司生产的AT89S52，使用该芯片很容易实现对其他模块的控制。通过对单片机AT89S52写入程序，可以方便的用软件来控制整个过程.
AT89S52单片机最小系统包括了一路复位开关，用于小车复位。P1.0输出PWM信号，P1.1~P1.5分别控制电机驱动。其他P口用外接控制小车的各种控制开关。。
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2.电机驱动电路
2.1驱动电路
小车使用的是直流电机。从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动。直流电机常用PWM方式驱动。本设计中电机驱动采用L298集成H桥芯片。L298中有两套H桥电路，刚好可以控制两个电机。它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。
另外，L298的驱动功率较大，在6~46V的电压下，可以提供2A的额定电流，并且具有过热自动关断和电流反馈检测功能，安全可靠；为了保证L298正常工作，我们另外安装了续流二极管。电路如图2所示。能根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够这个问题。利用单片机调整出PWM脉冲和高低电平对直流电机进行驱动和控制。
图 2 电机驱动电路
2.2 PWM调速原理
考虑到电机控制要使用PWM波形，而AT89S52单片机本身不能产生PWM，需要外加电路或使用软件的方式实现，为减少硬件电路，这里选用软件产生PWM方式，脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。PWM的理论基础是：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上，其效果基本相同。采用PWM进行电机的调速控制，实际是保持加在电机电枢上的脉冲电压频率不变，调节其脉冲宽度。电机是一个惯性环节，它的电枢电流饿转速均不能突变，很高的频率的PWM加在电机上，效果相当于施加一个恒定电压的直流电。
使用PWM方式可以很容易的实现调速。PWM信号由单片机软件产生，使用非常方便。前进时， 驱动两个直流电机都正转,后退时，则两电机都反转。左转前进时，左电机不转动而右电机正转，右转前进时，则右电机不转动而左电机正转。进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲宽度波形的占空比,实现调速。所有这些都是通过软件编程实现控制。 3 循迹检测电路
该智能小车在铺有约两厘米宽黑纸的路面行驶，路面可看作白色。由于黑纸和白色路面对光线的反射系数不同，可以根据接收的反射光的强弱来判断道路——黑纸轨迹。本设计利用红外线在不同颜色的物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，当红外线遇到白色地面时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑纸则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到信号。考虑到ST系列集成红外探测头价格便宜。体积小。简便易用，性能可靠。所以本设计选择了ST178反射式红外线光电传感器作为红外光的发射和接受器件，一般检
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测距离可达4~10cm,其内部结构和外接电路均较为简单.鉴于小车底部聚地面的距离不超过五厘米，故用红外光电传感器足以满足要求。其内部结构和外接电路均较为简单，检测电路如图4所示。
图 4 循迹检测电路
4.光源探测电路
光敏电路如图6所示。通过调节RV1可以改变电路检测的灵敏度。这里采用多个光敏阵列管。本设计使用四套下面的电路。按照一定的方式排列。为了达到较好的探测，这里选择将光敏阵列排成一个放射状。本设计采用四个光敏管组成。考虑到提高小车的光源搜索效率，将光敏阵列安装在小车的顶部，靠车头的位置，当光敏电阻探测到光时，小车停止行驶，且对应发光二级管亮，蜂鸣器响，用以探测光源，实际用途可以用于对火源的寻找及报警。
图 6光敏电路
5.系统供电单元电路
智能车控制系统中，不同电路模块需要的工作电压和电流容量各不相同。芯片需要提供5V的工作电压，而电机所需的电压为12V，本设计中用到的是12V的电源供电，然后通过三端稳压器LM7805将电压变换为5V电压供给电路系统。电源系统的电路图如图8所示。
图8 稳压电源提供电路
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四．软件设计
1. 系统控制流程
2.循迹算法设计
根据传感器的布局，可以将传感器位置用数字标记，检测到黑线用数字‘0’表示，没有检测到，也即检测到白线用数字‘1’表示。为不漏掉状态，我们先考虑了四个传感器的所有十六种状态，刚好可以用四位二进制数来表示。
在初始状态下，黑线应位于传感器的中间，此时2、3传感器检测到黑线，即四个传感器的状态分别为1、0、0、1，表示为二进制数是1001，此时小车前进。当小车从中间逐渐往左偏离轨道黑线时，即黑线在小车右边，对应的状态有1000、1100、1110、0100。此时小车应左转。当小车往右偏离时，对应的状态有0001、0011、0111、0010，此时小车应左转。还有最后一种状态就是四个传感器都检测到黑线，此时说明小车已行驶到终，其余状态皆是当由于种种原因小车脱离跑道，小车将后退以重新探测跑道，继续沿跑道行驶。
3.探测光源算法设计
对于实现探测光源这项功能，在设计中通过利用光敏电阻的独特性质，即在强光照射下，光敏
电阻阻值变小，在弱光照射或没有光照的情况下阻值很大，再通过调节探测光源电路的滑动变阻器来调节光敏电阻对光源的灵敏度，从而实现仅对光照达到一定强度才进行提示和警报，具体原理为：当光照达到一定强度时，通过光源电路的输出端输出一个+5V的高电平，并与单片机P0口的高四位连接，向单片机P0口的高四位输入数据，让单片机处理，并控制接在P2口高四位的的发光二极管亮灭以及控制接在P1^5的蜂鸣器响。通过定时器0来实现对光敏电阻光照强度的不断刷新与扫描。
五．系统调试
由于整个车体和电路板布线设计、焊接都是人工操作的，并没有使用PCB布线画板子，旨在锻炼自己的动手能力，这也带来了车子电路受外界因素影响较大，为了克服这个缺点，经过测试，得出当四个传感器的状态为1011、1101时，仍然直走来提高车子的行驶速度，增加小车行驶的流
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畅性。由于本次实验需要捍接的电路模块较多，特别是直流电机驱动模块，对于电源电流的需要极大，若用12V电池，由于小车相当耗电，12V的干电池用不了多久，就会出现开关器件很难稳定地给单片机送正确值的情况。只有当更换新电池或小车刚刚启动时才会很准确，经过思考，这都是开关元件消耗电量很大的原因，一旦电池电量不足其工作将会萎靡不振，所以，在演示时，我们采用12V变压器进行演示，方便多次演示。
在电源开启后，小车循迹过程中会出现原地打转的情况。经分析是由于软件跑飞。经考虑后加了一个看门狗，可以很好的遏制程序跑飞的情况。
六．测试结果与分析
1.测试结果
本次测试在长63cm宽42cm和在长35cm宽21cm的的白底黑线的矩形环形跑道上行驶，每组测5次。实验仪器：12V直流电源，秒表。测试数据如下 表3、表4。 表3、长63cm宽42cm的跑道
项目 完成时间（s） 次数 1 20.88
2 18.12
3 18.57
4 18.04 5 23.09
有无脱离轨道 无
无 无 无 无
备注 顺利跑完 顺利跑完 顺利跑完 顺利跑完
由于轨道不平，车子卡住
表4、长35cm 宽21cm 的跑道
2.基本要求
项目 次数 1 2 3 4 5
完成时间（s） 7.91 6.71 7.16 6.89 7.10
有无脱离轨道 无 无 无 无 无
备注 顺利跑完 顺利跑完 顺利跑完 顺利跑完 顺利跑完
（1）能否沿着指定黑线走完规定轨道行驶完全程 满足 3.发挥部分
（1）能否探测光源 满足 （2）能否尽量加快行驶速度 满足
参考文献
[1] 高吉祥.全国大学生电子设计大赛培训系列教程[M].电子工业出版社,2007.6.1. [2] 刘伟.传感器原理及其适用技术[J].电子工业出版社,2006.3. [3] 张植宝.电机原理与应用[M].化学工业出版社,2006.10.1.
[4] 楼然苗.李光飞.单片机课程设计与指导[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007.7.1
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附录一：单片机系统电路原理图
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附录二：主要算法
请联系我qq：742395032
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