自动寻轨小车

摘要：本设计采用AT89S52作为系统控制核心，采用光电传感器来检测信号，用两个步进电机分别驱动后轮，电机驱动采用功率放大管，通过单片机给定的控制信号进行换相，灵活方便地对步进电机的速度和转向进行控制，进而达到控制电动车在黑色轨迹上的运动。关键词：电动车；双步进电机；单片机；光电传感器

1 系统设计

1.1 设计任务和要求

1.1.1设计任务

设计并制作一个自动寻迹小车，小车从安全区域启动，按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能。

1.1.2 基本要求

在不加配重的情况下，电动车完成以下运动：

(1) 公交车从起始站点A出发，沿着黑色引导线，公交车从起始站点A出发，沿着黑色引导线，到达终点B；

(2) 小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能，在轨道上划出设定的地图；

(3) 到达指定的目的地后发出声光报警。

0.5米

C 墙壁

B

24厘米

0.375米

30厘米50厘米

30厘米

1.5米

0.375米

30厘米

24厘米

0.375 米 A

1.5米

1.1.3发挥部分

将配重固定在可调整范围内任一指定位置，电动车完成以下运动：

(1) 在小车的车头和车尾装上转向灯（黄灯）和停止提示（红灯）；

(2) 可在小车车身装上LED显示小车的运行状况和语音提示等功能

(3) 其他。

1.2 总体设计方案

1.2.1系统总体设计思路

本系统实现电动车地板上沿黑色轨迹行驶并实时显示车运行状况。总体设计思路如图1所示。系统包括控制器模块、电源模块、信号检测模块、电机及其驱动模块、键盘模块等四部分。

系统工作时，单片机接收传感器的输出信号后输出控制信号，采用黑白线引导、反射式光电传感器检测，使小车在轨道上自动行驶。

1.2.2 方案论证与比较

（1）控制器模块的设计方案论证与选择

方案一：采用FPGA作为系统主控器。FPGA可实现各种复杂逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，IO资源丰富、易于进行功能扩展，处理速度快，但适用于大规模实时性要求较高的系统，价格高，编程实现难度大。本系统只需完成信号检测和电机驱动的控制，逻辑功能简单，对控制器的数据处理能力要求不高，故不选择此方案。

方案二：采用嵌入式系统作为主控器。嵌入式系统工作频率较高，速度较快，控制功能很强，也有较强的数据处理能力。但同样价格高，编程实现难度大。

方案三：采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一个低功耗、高性能8位单片机，片内含8 KB Flash片内程序存储器，256 Bytes RAM，32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级，2层中断嵌套中断等。价格便宜，使用方便，编程实现难度低，适合用来实现本系统的控制功能。

综上分析，本设计选择方案三。

（2）电机控制模块的设计方案论证与选择

为实现电动车对行走路径的准确定位和精确测量，可考虑以下两种方案：

方案一：采用直流电机。直流电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。主

要适合于高速电机系统，本系统要求控制精度较高，不易达到。

方案二：采用步进电机。步进电机是数字控制电机，控制也简单，具有瞬间启动和急速停止的优越性，比较适合本系统要求控制精度高的特点。

综上分析，本系统选择方案二。

（3）电机驱动模块的设计方案论证和选择

方案一：采用集成芯片L298N驱动步进电机。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，响应频率较高，稳定性较好。但本系统两个电机时序不同，会出现需要不同延时程序的情况，系统处理负荷大，影响电机工作，同时价格相对较高。

方案二：用功率管（如TIP132，8A 70W）构成驱动电路来驱动电机。结构简单，价格低廉，

经测试完全可以驱动电机，完成控制功能。

综上分析，选择方案二。

（4）信号检测模块的设计方案论证和选择

方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻原理简单，使用方便，价格低廉，但受光照强度影响很大，可靠性差。

方案二：采用角度传感器。使用角度传感器来测量车体水平方向和竖直方向的角度，感测到

的倾角信号经编码后传送给单片机，由单片机控制电动车的运行。角度传感器灵敏度合适，响应速度好，但是使用复杂，价格昂贵，且不易购买。

方案三：用光电传感器。光电传感器原理简单，实现方便，价格低廉，可集发射器和接收器于一体。使用这类光电传感器电路简单，工作性能稳定，能完成需要的信号检测功能。

综上分析，选择方案三。

2 硬件电路设计

2.1整机电路设计

系统整机电路如附录1所示。单片机系统作为控制核心,实时接收光电传感器的输出信号,经数据处理后送给各单元电路,控制各部分电路工作。

2.2各主要单元电路设计

2.2.1 主控器模块的设计

本系统主控制器如图2所示。单片机接收传感器检测到的输入信号，将此信号进行运算处理，然后以控制电流或控制电压的方式输出给被控制的单元电路，实现各项功能。

图2 主控制器模块

2.2.2 电机驱动模块的设计

电动车左右两轮用电机分别控制，便于控制车转向。电机采用功率放大管TIP132驱动,电机驱动电路如图3、图4所示。电机的A、B、C、D端接功率放大管的集电极，功率管基极经限流电阻分别接单片机的I/O端口，控制电机的转向和速度。

图3 左轮电机驱动电路图4 右轮电机驱动电路

2.2.3 信号检测模块的设计

本设计用光电传感器采集信号，四个分别固定在轮子下的反射式传感器用来引导电动车寻迹，使电动车沿着白色轨迹运行，在运动过程中，当车偏离运动轨迹(超出黑线)时，即红外光线照射到黑色线上，反射光较少，接收管集电极和发射极间的电阻增大，输出高电平，复合管导通，输出高电平给单片机，引起系统中断，控制两个电机正转或反转，使车重新回到轨迹上。车头和车尾的传感器用来检测小车前进时是否到达B点和倒退时是否到A点。另外两个固定在跷跷板支架上的U型槽传感器用来检测平衡位置，当传感器中心轴被指针遮挡住时，红外三极管接收不到红外光，输出就从低电平跳到高电平，送给单片机，单片机使车停下来，说明平衡位置找到了。两种传感器的工作原理实质相同，如图5所示。

图5 光电传感器检测信号原理

图8 系统主程序流程图

3 系统软件设计

本系统的软件设计采用C语言，利用Keil C完成单片机系统的开发，实现各项设计功能和技术指标要求。

3.1 理论计算和分析

本系统要达到设计指标，电动车在跷跷板上的运行速度是关键，电动车的速度有电机控制，本设计使用的步进电机齿数为50，步距角= ,Z为电机转子齿数，N为转子运行拍数。齿数一