摘 要

本循迹小车采用现在较为流行的8位单片机作为系统大脑，以STC89C52单片机为控制核心。用其控制行进中的小车，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的优势控制简单、方便、快捷。40脚的DIP封装使它拥有32个完全IO(GPIO-通用输入输出)端口，通过这些端口加以信号输入电路，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。利用红外对管检测黑线，通过循迹模块里的红外对管是否寻到黑线产生的电平信号返回到单片机红外对管来实现循迹功能。单片机根据程序设计的要求做出相应的判断送给电机驱动模块。让小车来实现前进，左转，右转，停车等基本功能。集成红外线传感器即光电开关进行避障。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，分析硬件电路，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，直至完成。

关键词：循迹小车 STC89C52单片机 红外对管 L293D电机驱动

Abstract

This tracking car adopts the now popular 8-bit single chip microcomputer as the system of the brain, with the STC89C52 single-chip microcomputer as the core. To control the traveling car with it, in order to realize the given performance index. Full analysis of our system, the key is to achieve the automatic control cars, but at this point, single-chip microcomputer control will show its advantage is simple, convenient and fast. 40 feet DIP package makes it . SCM according to the requirement of the program design make the corresponding judgment for motor driver module. Let the car to achieve forward, turn left, turn right, the basic function such as parking. Integrated infrared sensor photoelectric switch for obstacle avoidance. The circuit of the whole system structure is simple, reliable performance is of car parts, analyze the software programming and debugging, until completion.

KEY WORDS: STC89C52 dc motor infrared sensors the pipe tracing cars L293D motor drive

目录

第一章 绪论 1

第二章 方案设计与论证 2

第一节 主控系统 2

第二节 电机驱动模块 3

第三节 循迹模块 5

第四节 避障模块 6

第五节 机械系统和电源模块 6

第六节 电源模块 6

第三章 硬件设计 8

第一节 总体设计 8

第二节 信号检测模块 11

第四章 软件设计 13

第一节 小车运行主程序流程图 13

第二节 电机驱动程序 14

第三节 循迹模块 15

第五章 制作安装与调试 18

结 论 19

致 谢 20

参考文献 21

第一章 绪论

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、电子、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，其中视觉传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。

机器人要实现自动导引功能和避障功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。避障控制系统是基于自动导引小车（AVG—auto-guide vehicle）系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断并自动避开障碍，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍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的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。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，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。智能小车的执行部分，是由直流电机来充当的，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，这样可以实现精确调速；第二，可以由软件模拟PWM输出调制，需要占用单片机资源，难以精确调速，但单片机型号的选择余地较大。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。

第二章 方案设计与论证

根据要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电检测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，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。这种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。

第一节 主控系统

根据设计要求，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：

方案一：

选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）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。但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，在这一点上，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。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。

方案二：

采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，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的优势——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IO口和程序存储器的小体积单片机，DA、AD功能也不必选用。根据这些分析,我选定了P89C52RA单片机作为本设计的主控装置，52单片机具有功能强大的位操作指令，IO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52单片机价格非常低廉。

在综合考虑了传感器、两部电机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。

第二节 电机驱动模块

方案一：

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。

方案二：

采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。

方案三：

采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路(如图2.1)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L293D如图2.2)。

这种调速方式有采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。我选取第三种方案来实现循迹。

图2.1桥式电路

图2.2 L293D

第三节 循迹模块

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：

采用两只红外对管(如图2.3)，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开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：

采用四只红外对管，两只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的两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，小车在循迹过程中有一定的左右摇摆不定，但能够很成功的寻迹。我选取第三种方案来实现循迹。

图2.3红外对管

第四节 避障模块

方案一：

采用一只红外对管置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。

方案二：

采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外对管用到的几率很小，所以最终未采用。

方案三：

采用超声波置于小车前端。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。

通过比较我采用方案三。

第五节 机械系统和电源模块

本题目要求小车的机械系统稳定、灵活、简单，而三轮运动系统具备以上特点。驱动部分：由于玩具汽车的直流电机功率较小，而小车上装有电池、电机、电子器件等，使得电机负担较重。为使小车能够顺利启动，且运动平稳，在直流电机和轮车轴之间加装了三级减速齿轮。电池的安装：将电池放置在车体的电机前后位置，降低车体重心，提高稳定性，同时可增加驱动轮的抓地力，减小轮子空转所引起的误差。简单，而三轮运动系统具备以上特点。

第六节 电源模块

方案一：

采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供5V电压，但占用资源过大。

方案二：

采用4支1.5V电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。

方案三：

采用12V蓄电池给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能。

所以，我选择了方案三来实现供电。

第三章 硬件设计

第一节 总体设计

智能小车采用前后轮驱动，前后轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的。将循迹光电对管分别装在车体下的左右。当车身下左边的传感器检测到黑线时，主控芯片控制左轮电机停止，车向左修正，当车身下右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机停止，车向右修正。

避障的原理和循线一样，在车身右边装一个光电对管，当其检测到障碍物时，主控芯片给出信号报警并控制车子倒退,转向，从而避开障碍物。

主板设计框图如图3.1，所需元件清单如表3.1。

图3.1主板设计框图

表3.1元件清单

一、直一、流电机的驱动

该驱动板可驱动2 路直流电机，使能端ENA、ENB 为高电平时有效，控制方

式及直流电机状态表如下所示：

表3.2控制方式及直流电机状态表

若要对直流电机进行PWM 调速，需设置IN1 和IN2，确定电机的转动方向，然后对使能端输出PWM 脉冲，即可实现调速。注意当使能信号为0 时，电机处于

自由停止状态；当使能信号为1，且IN1 和IN2 为00 或11 时，电机处于制动状态，阻止电机转动。驱动原理如图3.2。

图3.2电机驱动电路

二、寻迹检测电路

TCRT5000传感器的工作原理与一般的红外传感器一样,一传一感.TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管.当发射管的红外信号经反射被接收管接收后,接收管的电阻会发生变化,在电路上一般以电压的变化形式体现出来,而经过ADC转换或LM324等电路整形后得到处理后的输出结果.电阻的变化起取于接收管所接收的红外信号强度,常表现在反射面的颜色和反射面接收管的距离两二方面.硬件参考原理如图3.3。

图3.3驱动原理图

第二节 信号检测模块

小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。

　　红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理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，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，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，则小车上的接收管接收不到信号，再通过LM324作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。避障亦是此原理。电路图如图3.4。市面上有很多红外传感器，在这里我选用TCRT5000型光电对管。

图3.4循迹原理图

第三节 主控电路

本模块主要是对采集信号进行分析，用单片机控制电机速度，起停。以及再检测到障碍报警等作用。其电路图如图3.5。

图3.5主控电路

第四章 软件设计

在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把过程分为若干个部分，每一部分叫做一个模块。

根据总体设计的思想及本系统实现的功能，在设计中完成以下功能。

1、循迹模块主程序：由是否遇到黑线，测到光源，测到挡板产生信号的操作，信号返回到单片机，再通过单片机来实现相应的功能。

2、电机驱动模块主程序：主要用来控制两个直流减速电机，实现前进、后退、前左转、前右转、后左转、后右转、停止等功能。

第一节 小车运行主程序流程图

图4.1主程序框图

第二节 电机驱动程序

void goahead()

{

s1=1;

s2=0;

s3=1;

s4=0;

}

void goback()

{

s1=0;

s2=1;

s3=0;

s4=1;

}

void turnleft()

{

s3=1;

s4=0;

}

void turnright()

{

s1=1;

s2=0;

}

void stop

{

en1=0;

en2=0;

}

第三节 循迹模块

当小车循迹时，偏离循迹曲线时，偏离曲线调整子程序如图4.2所示：

图4.2循迹子程序

循迹程序

void xunji()

{

if ((left_red)=1)&(right_red=1))

{

en1=1;

en2=1;

goahead();

delay(150);

en1=0;

en2=0;

delay(50);

}

else if((left_red=0)&(right_red=1))

{

en1=0;

en2=1;

p0_0=!p0_0;

turnleft();

[最新版]基于单片机控制的循迹小车毕业设计论文