红外自动循迹小车Word格式.docx
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红外探测器探测距离有限，
2.2控制系统总体设计
自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块、红外检测模块、电机及驱动模块等部分组成,控制系统的结构框图如图2-1所示。
1、主控制电路模块：
用AT89C51单片机、复位电路，时钟电路
2、红外检测模块：
光电传感器ST188,比较器LM324
3、电机及驱动模块:
电机驱动芯片L298N、两个直流电机
4、电源模块：
双路开关电源
3.系统方案
3.1寻迹传感器模块
ST系列反射式光电传感器是经常使用的传感器。
这个系列的传感器种类齐全、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。
我们采用ST188作为红外检测传感器。
在黑线检测的测试中，若检测到白色区域，发射管发射的红外线没有反射到接收管，测量接收管的电压为4．8V，若检测到黑色区域，接收管接受到发射管发射的红外线，电阻发生变化，所分得的电压也就随之发生变化，测的接收管的电压为0．5V，测试基本满足要求。
判断有无黑线我们用的一块比较器LM324，比较基准电压由30K的变阻器调节，各个接收管的参数都不一致，每个传感器的比较基准电压也不尽相同，我们为每个传感器配备了一个变阻器。
3.1.1红外传感器ST188简介
含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）。
通过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。
A、K之间接发光二极管，C、E之间接光敏三极管（二者在电路中均正接，但要串联一定阻值的电阻）
图3-1ST188实物图图3-2ST188管脚图及内部电路
3.1.2比较器LM324简介
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。
内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。
电路功耗很小，工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±
1．5V～±
15V工作。
在黑线检测电路中用来确定红外接收信号电平的高低，以电平高低判定黑线有无。
在电路中，LM324的一个输入端需接滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值来提供合适的比较电压。
图3-3LM324内部电路图3-4集成运放的管脚图
3.1.3具体电路
通过ST188检测黑线，输出接收到的信号给LM324，接收电压与比较电压比较后，输出信号变为高低电平，再输入到单片机中，用以判定是否检测到黑线。
图3-5传感器模块电路图
3.1.4传感器安装
在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。
这4个红外探头的具体位置如图3-6所示。
图3-6传感器安装图
图中循迹传感器全部在一条直线上。
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3-6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。
3.2控制器模块
采用Atmel公司的AT89C51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3-7（与单片机构成最小系统）
1）采用外部时钟，晶振频率为12MHZ
2）采用按键复位
图3-7时钟电路和复位电路
3.3电源模块
电源采用双路开关电源。
明伟牌D-30W双路开关电源。
输出（5V、12V）。
实物图如图3-8所示。
图3-8双路开关电源
该开关电源尺寸为129X98X38mm，交流输入转换由开关选择，具有过流短路保护功能，能自冷散热。
低价位、高可靠。
输入电压范围----85～132VAC/175～264VAC，47～63Hz开关选择；
冲击电流----冷起动电流15A/115V30A/230V；
直流电压可调范围----额定输出电压的10%；
启动、上升、保持时间----200ms，100ms,30ms；
耐压性---输入输出间；
输入与外壳1.5KVAC，输出与外壳，0.5KVAC，历时一分钟；
工作温度、湿度-----10℃～+60℃，20%～90%RH；
安全标准----符合CE标准；
EMC标准----符合CE标准；
连接方法----7位9.5mm接线端子；
质量/包装----0.41Kg,45PCS/19.5Kg/1.2CUFT
表1
型号
输出
差值
范围
效率
D-30A
5V,0.5V~4.04A
±
2%
50mV
72%
12V,0.1~1.0A
3,-7%
100mV
3.4电机及驱动模块
3.4.1电机
电机采用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。
由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。
可选用减速比为1：
74的直流电机，减速后电机的转速为100r/min。
若车轮直径为6cm，则小车的最大速度可以达到
V=2πr·
v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s
能够较好的满足系统的要求。
3.4.2驱动
驱动模块采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N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L298N可以分别控制两个直流电机。
以下为L298N的引脚图和输入输出关系表。
图3-9L298N外部引脚表2L298N输入输出关系
驱动电路的设计如图3-10所示：
图3-10L298N电机驱动电路
L298N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调速控制。
3.5自动循迹小车总体设计
3.5.1总体电路图
图3-11总体电路图
3.5.2系统总体说明
如图3-11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。
4.软件设计
4.1PWM控制
本系统采用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。
PWM可以应用在许多方面,如电机调速、温度控制、压力控制等。
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。
因此,PWM又被称为“开关驱动装置”。
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。
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。
将直流电机的速度分为100个等级,因此一个周期就有个100脉冲,周期为100个脉冲的时间。
速度等级对应一个周期的高电平脉冲的个数。
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。
精确地讲,平均速度与占空比并不是严格的线性关系,在一般的应用中,可以将其近似地看成线性关系。
4.2总体软件流程图
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：
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，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
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>
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），具体数值在实地实验中得到。
4.4中断程序流程图
这里利用的是51单片机的T0定时计数器，从而让单片机P0口的P0.4和P0.5引脚输出占空比不同的方波,然后经驱动芯片放大后控制直流电机。
定时计数器若干时间（比如0.1ms）比如中断一次,就使P0.4或P0.5产生一个高电平或低电平。
中断程序流程图如图4-3所示
4.5单片机测序
#include<
reg51.h>
#defineucharunsignedchar
#defineuintunsignedint
unsignedcharzkb1=0;
//**左边电机的占空比**//
unsignedcharzkb2=0;
//**右边电机的占空比**//
unsignedchart=0;
//**定时器中断计数器**//
sbitRSEN1=P1^0;
sbitRSEN2=P1^1;
sbitLSEN1=P1^2;
sbitLSEN2=P1^3;
sbitIN1=P0^0;
sbitIN2=P0^1;
sbitIN3=P0^2;
sbitIN4=P0^3;
sbitENA=P0^4;
sbitENB=P0^5;
//****************延时函数****************//
voiddelay（intz）
{while（z--）;
}
//**********初始化定时器，中断***********//
voidinit（）
{TMOD=0x01;
TH0=（65536-100）/256;
TL0=（65536-100）%256;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
//***********中断函数+脉宽调制***********//
voidtimer0（）interrupt1
{if（t<
zkb1）
ENA=1;
else
ENA=0;
if（t<
zkb2）
ENB=1;
ENB=0;
t++;
if（t>
=100）
{t=0;
}
//******************直行******************//
voidqianjin（）
{zkb1=30;
zkb2=30;
//***************左转函数1***************//
voidturn_left1（）
{zkb1=0;
zkb2=50;
//***************左转函数2***************//
voidturn_left2（）
zkb2=60;
//***************右转函数1***************//
voidturn_right1（）
{zkb1=50;
zkb2=0;
//***************右转函数2***************//
voidturn_right2（）
{zkb1=60;
zkb2=0;
//***************循迹函数*****************//
voidxunji（）
{ucharflag;
if（（RSEN1==1）&
&
（RSEN2==1）&
（LSEN1==1）&
（LSEN2==1））
{flag=0;
}//*******直行*******//
elseif（（RSEN1==0）&
{flag=1;
}//***左偏1,右转1***//
（RSEN2==0）&
{flag=2;
}//***左偏2,右转2***//
elseif（（RSEN1==1）&
（LSEN1==0）&
{flag=3;
}//***右偏1，左转1***//
（LSEN2==0））
{flag=4;
}//***右偏2，左转2***//
switch（flag）
{case0:
qianjin（）;
break;
case1:
turn_right1（）;
case2:
turn_right2（）;
case3:
turn_left1（）;
case4:
turn_left2（）;
default:
//****************主程序****************//
voidmain（）
{init（）;
zkb1=30;
zkb2=30;
while
（1）
{IN1=1;
//******给电机加电启动******//
IN2=0;
IN3=1;
IN4=0;
{xunji（）;
//*********寻迹**********//
5．参考资料
[1]宋健,姜军生,赵文亮.基于单片机的直流电动机PWM调速系统[J].农机化研究,2006,
（1）:
102-103.
[2]边春元李文涛江杰杜平等；
C51单片机典型模块设计与应用；
机械工业出版社；
2008.4
[3]李华.MCS-51系列单片机实用接口技术［M］.北京:
航空航天大学出版社,2003
[4]楼然苗.51单片机设计实例［M］.北京:
航空航天大学出版社,2005.8
[5]王晶,翁显耀,梁业宗自动寻迹小车的传感器模块设计.武汉理工大学自动化学院 湖北武汉
[6]刘迎春.传感器原理设计与应用[M].长沙:
国防科技大学出版社,1992.
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