智能小车寻轨

目录

1.引言 (3)

2.任务分析 (3)

2.1单片机控制模块的选定 (4)

2.2驱动电机模块的选定 (4)

2.3 寻迹传感器模块的选定 (4)

3.方案初步设计 (5)

3.1红外寻迹传感器 (5)

3.2采用PWM调速的直流电机 (5)

3.3 CPU引脚的设定 (7)

3.4整体设计 (8)

4.软件设计 (9)

4.1 智能小车系统总体流程 (9)

4.2 智能小车驱动部分流程 (10)

5.调试和测试 (11)

6.总结 (11)

参考文献 (12)

1.引言

根据题目要求，本系统采用STC89C51单片机作为核心控制芯片，设计制作了一款通过红外光电传感器检测路径信息的智能寻迹小车。本系统由单片机控制模块、寻迹传感器模块、驱动电机模块组成。实际应用表明，该小车可以在专门设计的场地上实现自主识别路线，自主行进转弯，最终到达终点。

本设计通过采用STC89C51单片机为控制核心，实现对小车的智能控制。该控制系统不仅在智能小车中有很强的实用价值，在汽车应用、智能机器人等方面都有很强的实用价值，尤其是在机器人研究方面具有很好的发展前景。所以本设计与实际相联系，具有重要的现实意义。

关键词：单片机小车引导控制传感器

2.任务分析

整个电路分为驱动电机模块、寻迹传感器模块、单片机控制模块三个模块。首先利用红外对路面信号进行探测，经过处理之后，送给单片机控制模块进行实时运算，输出相应的信号给驱动电机模块驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。系统方案框图如图1.2所示。

图1.2 系统设计方案框图

2.1单片机控制模块的选定

考虑到整个系统的简单、方便性，控制模块采用STC89C51作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。而且STC89C51有很强的扩展性，使用简单，灵活性高且价廉。所有我们直接采用STC89C51作为主控芯片。

2.2 驱动电机模块的选定

采用直流电机作为该系统的驱动电机直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。而且改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的行进状态。对于直流电机的速度调高，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。

与其它调速系统相比，PWM调速系统有下列优点：

1. PWM从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。

2. 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点

3．由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

4．主电路简单，所用功率元件少。

5．低速性能好，稳定精度高，调速范围宽。

2.3 寻迹传感器模块的选定

采用红外光电对管，由于只需分辨黑白，红外光电对管有一个管发射红外线一个用于接收红外线，当红外线照射到黑线上时不会发射回来，当红外线照射到白色的地方就会返回，光电对管发射的同时也能接收红外信号，整个检测设备简单，稳定性高，速度快。缺点是检测距离短，优点是成本低，易于操作。

3.方案初步设计

3.1 红外寻迹传感器

该智能灭火小车在画有黑线的路面上行驶，由于黑线和路面对光线的反射系数不同，可根据接收到反射红外线的强弱来判断“道路”——黑线。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：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，如果红外光遇到地面时则发生漫发射，反射光被装在小车上的红外接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的红外接收管接收不到红外信号。

传感器的选择：市场上用于红外探测法的器件较多，可以利用反射式传感器外接简单电路自制探头，也可以使用结构简单、工作性能可靠的集成式红外探头。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。RPR220价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了RPR220红外反射传感器作为红外光的发射和接收器件。

经过多次测试、比较，发现把RPR220传感器安装在距离检测物表面6～8毫米时，检测效果最好，因为5毫米以下是它的检测盲区，而大于10毫米则很容易受另外的光电管的干扰。红外寻迹传感器原理图如图2.2所示。

3.2 采用PWM调速的直流电机

脉宽调制的全称为：Pulse WidthModulator，简称PWM，由于它的特殊性能，常被用于直流负载回路中、灯具调光或直流电动机调速。

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有(1)，要么完全无(0)。电压或电流源是以一种通(1)或断(0)的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时

候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。

脉宽调制（PWM），控制方式就是采用脉冲宽度调制技术，其工作原理是：通过改变“接通脉冲”的宽度，使直流电机电枢上的电压的“占空比”改变，从而改变电枢电压的平均值，控制电机的转速。因此，我们可以通过单片机，生成固定频率的脉冲信号，通过改变脉冲信号中的“占空比”来控制电机的转速。

PWM控制可分为单极性调制和双极性调制两种方式，为了实现直流伺服系统的H型单极模式同频PWM可逆控制，一般需要产生四路驱动信号来实现电机的正反转切换控制。当PWM控制电路工作时，其中H桥一侧的两路驱动信号的占空比相同但相位相反，同时随控制信号改变并具有互锁功能；而另一侧上臂为低电平，下臂为高电平。

图2.2 红外寻迹传感器原理图

图中可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，可方便的调节传感器的灵敏度。用此电路作为传感器检测与调理电路。

路径识别方案：小车脱离轨道时，根据红外感应器的状态，做出相应的转向的调整，直到中间的红外感应器重新检测到黑线再恢复正向行驶。现场实测表明，虽然小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆，但只要控制好行驶的速度就可保证车身基本上接近于沿轨道行驶。