基于单片机的简易寻迹机器人设计

目录
摘要 (I)
ABSTRACT (II)
1.绪论 (1)
1.1课题背景 (1)
1.2国内外的研究现状分析 (1)
1.3课题研究的目的和意义 (2)
2.系统方案设计 (3)
2.1循迹原理 (3)
2.2系统总体框图 (3)
2.3轨迹检测模块 (4)
2.3.1传感器模块 (4)
2.3.2检测放大器方案 (4)
2.4MCU控制模块 (6)
2.5电机及驱动模块 (7)
2.5.1转向和动力 (7)
2.5.2电动机模块 (7)
2.5.3调速系统 (8)
2.5.4电机驱动模块 (9)
2.6电源模块 (9)
2.7显示模块 (10)
2.8系统工作原理 (10)
3.硬件设计 (11)
3.1电源模块设计 (11)
3.1.1 智能车电源设计要点 (11)
3.1.2 低压差稳压芯片LM2940 简介 (11)
3.2单片机最小系统设计 (12)
3.3前向通道设计 (14)
3.4后向通道设计 (20)
3.4.1 后向通道简介 (20)
3.4.2 后轮电机驱动模块设计 (21)
4.软件设计 (25)
4.1系统总体流程图 (25)
4.2PWM调速简介以及实现 (26)
4.3程序的模块化设计 (27)
4.3.1 小车循迹原理流程图 (27)
4.3.2 定时器中断程序流程图 (29)
4.3.3 部分程序设计 (30)
5.仿真结果分析及结论 (33)
5.1 PROTEUS 软件仿真结果 (33)
5.2仿真结果分析 (35)
6.结束语 (36)
致谢 (37)
参考文献 (38)
附件 (39)
文献综述 (45)
摘要
智能车辆作为现代社会的新产物，以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备，智能小车的研究和开发正成为广泛关注的焦点。

本设计是一种基于单片机控制的简易自动寻迹小车系统，系统的设计主要分为总体方案设计、硬件和软件设计，其中每一部分均采用模块化设计原则，使得设计易读、易修改、易扩充。

该设计重点介绍循迹小车如何解决轨迹检测和路线跟随问题。

系统以AT89C51为控制核心，利用定时器T0通过定时器中断产生PWM波形，通过调整占空比控制小车速度和转向。

利用红外光电传感器ST188对路面黑色轨迹进行检测，并将路面检测信号反馈给单片机，单片机对采集到的信号予以分析判断，及时控制左右轮电机的转速以调整小车转向，从而使小车能够沿着环形黑色轨迹自动行驶，达到自动寻迹的目的。

关键词：80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车
Abstract
Intelligent vehicle is a new product of modern society， and product development based on intelligent vehicle has become a key equipment automation logistics transportation， flexible production organization system， research and development of intelligent vehicle is becoming the focus of attention. The design is a simple car auto tracing system based on single-chip microcomputer control，system design mainly includes design， as the scheme of hardware and software design， where each part adopts modular design makes the design principle， readable， easy to modify， extend.
The design focuses on how to solve the problem of trajectory tracking car detection and route to follow problem. System uses AT89C51 as the control core， using the timer T0 timer interrupt through PWM waveform generation， by adjusting the duty cycle control vehicle speed and steering. For tracing using infrared photoelectric sensor ST188， and the pavement detection signals back to the SCM， SCM to analysis signal collected， timely control left and right wheel motor speed to adjust the car steering， so that the car can along the ring shaped black trajectory automatically，to achieve the purpose of automatic tracing.
keyword:80C51 microcontroller，photoelectric detector，PWM speed，electric car
1.绪论
1.1课题背景
目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。

世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。

智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。

它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。

智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。

智能车辆在原有车辆系统的基础上增加了一些智能化技术设备:
1)计算机处理系统，主要完成对来自摄像机所获取的图像的预处理、增强、
分析、识别等工作。

2)摄像机，用来获得道路图像信息。

3)传感器设备，车速传感器用来获得当前车速，障碍物传感器用来获得前方、
侧方、后方障碍物等信息。

智能车辆作为移动机器人的一个重要分支正得到越来越多的关注。

1.2国内外的研究现状分析
智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。

同遥控小车不同，遥控小车需要人为控制转向、启停和进退，比较先进的遥控车还能控制其速度，而智能小车，则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制，无需人工干预，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。

国外智能车辆的研究历史较长。

它的发展历程大体可以分成三个阶段：
第一阶段 20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。

1954年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehicle System）。

第二阶段从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。

在欧洲，普罗米修斯项目开始在这个领域的探索。

在美洲，美国成
立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC）。

在亚洲，日本成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会。

第三阶段从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。

最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。

而我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。

而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。

虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果，主要有：
1)中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年
研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。

2)南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多
所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、
陀螺惯导定位等传感器。

可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。

因此，对智能小车进行深入细致的研究，不但能加深课堂上学到的理论知识，更能将理论转化为实际运用，为将来打下坚实的基础。

1.3课题研究的目的和意义
目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。

其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。

无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理。

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。

机器人要实现循迹功能，还可以扩展自动避障等功能，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。

通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。

在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。

灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。

在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。

2.系统方案设计
按照题目要求，本次设计的系统是利用主控芯片控制电机，通过相关传感器对路面的轨迹信息进行检测，并将检测信号传输给控制器，然后控制器做出相应的处理，实现小车的寻迹前行。

设计的首要问题即解决路径检测和小车转向。

2.1循迹原理
采用与地面颜色有较大差别的线条(例如白色路面上画一条黑色曲线)作引导线，由于不同颜色对光线的反射系数不同，因此可根据反射光的强弱来判断路径是否正确。

在该模块中可选用一种简单有效、应用较普遍的检测方法——红外探测法[1]。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体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板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。

正是基于光电传感器对是否接收到反射信号所产生的电压信号原理，经过后续电路处理来判断行车路径是否正确，通过单片机控制系统调节寻迹小车的转向使其能够自动检测到引导线，并沿此引导线移动。

2.2系统总体框图
根据设计要求，小车系统主要分为以下几个模块: 单片机控制模块、轨迹检测模块、电机驱动模块。

系统框架图如图2.1所示
图2.1 系统框架图 单片机控制系统相当于寻迹机器人的大脑，轨迹检测系统相当于寻迹机器人
的眼睛，电机系统相当于机器人的腿脚。

由轨迹检测系统检测曲线的位置并输出
检测信息，对检测信息进行处理后将其输入到控制系统，控制系统根据输入信息进行判断，并根据判断结果输出指令给移动系统，移动系统根据指令驱动寻迹机器人左转、右转、前行等，从而实现寻迹功能。

2.3轨迹检测模块
根据引导线与路面的反射系数不同，通过以光电传感器为核心的光电检测电路对路面两种颜色进行区分，并将传感器信号转化为不同电平信号，将此电平信号送单片机，由单片机控制转向电机作相应的转向，确保小车沿引导线行驶。

2.3.1传感器模块
方案一：采用光敏电阻组成光敏传感器。

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，可靠性不高。

方案二：采用角度传感器。

实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感给单片机，由单片机控制电动机的运行。

角度传感器灵敏度合适，响应速度好，但使用复杂，价格高昂，且不易购买。

方案三：采用光电传感器。

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。

考虑到小车和路面的相对位置，本设计选择方案三，采用红外线反射式光电检测电路。

选择ST188红外光电传感器，它的特点是尺寸小、使用方便、工作状态受温度影响小、工作较稳定、外围电路简单。

2.3.2检测放大器方案
由于传感器的输出信号很微弱且带有噪音，因此必须先将该信号进行放大整形，整成高低电平形式再供单片机读取，在放大电路上有以下三种方案可供选择：方案一：使用普通单级比例放大电路。

其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。

但是也存在着许多不足。

如抗干扰能力差、共模抑制比低等。

方案二：采用差动放大电路。

选择优质元件构成比例放大电路，虽然可以达到一定的精度，但有时仍不能满足某些特殊要求。

例如，在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰，而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。

这种情况下须采用差动放大电路，并应设法减小温漂。

但在实际操作中，往往满足了高共模抑制比的要求，却使运算放大器输出饱和；
为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。

方案三：电压比较器方案。

电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较，在Ui>Ur和Ui<Ur两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。

而Ui变化经过Ur时，比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。

比较器有各种不同的类型。

对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。

比较器的特点：
1)工作在开环或正反馈状态
放大、运算电路为了实现性能稳定并满足一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提高比较器的反应速度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反馈，有时甚至还加正反馈。

因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。

2)非线性
由于比较器中运放处于开环或正反馈状态，它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。

3)开关特性
比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。

由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。

由于比较器的上述特点，在分析时既不能象对待放大电路那样去计算放大倍数，也不能象分析运算电路那样去求解输出与输入的函数关系，而应当着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件所对应的输入电压值（阈值）来分析输入量与输出量之间的关系。

如果在比较器的输入端加理想阶跃信号，那么在理想情况下比较器的输出也应当是理想的阶跃电压，而且没有延迟。

但实际集成运放的最大转换速率总是有限的，因此比较器输出电压的跳变不可能是理想的阶跃信号。

电压比较器的输出从低电平变为高电平所须的时间称为响应时间。

响应时间越短，响应速度越快。

减小比较器响应时间的主要方法有：
①尽可能使输入信号接近理想情况，使它在阈值附近的变化接近理想阶跃
且幅度足够大。

②选用集成电压比较器。

③如果选用集成运放构成比较器，为了提高响应速度可以加限幅措施，以避免集成运放内部的管子进入深饱和区。

具体措施多为在集成运放的两个输入端并联二极管。

如图2.2 电压比较器电路所示：
图2.2 电压比较器电路
在本设计中，光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，所以我们尝试采用了一种滞回比较器。

简单电压比较器结构简单，而且灵敏度高，但它的抗干扰能力差，也就是说如果输入信号因受干扰在阈值附近变化，则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平。

如果用这样的输出电压控制电机或继电器，将出现频繁动作或起停现象。

这种情况，通常是不允许的。

而滞回比较器则解决了这个问题。

滞回比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，滞回比较器的输出电压就不会来回变化。

所以抗干扰能力强。

但是，滞回比较器毕竟是模拟器件，温度的漂移是它无法消除的。

方案四：施密特触发器。

综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用数字器件——施密特触发器。

施密特触发器是双稳态触发器的变形，它有两个稳定状态，触发方式为电平触发，只要外加触发信号的幅值增加到足够大，它就从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。

施密特触发器具有与滞回比较器相类似的滞回特性，但施密特触发器的抗干扰能力比滞回比较器更强。

2.4 MCU控制模块
方案一：采用FPGA作为系统的主控制器。

FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大集成度高，体积小稳定性好，IO口资源丰富，易于进行功能扩展，处理速度快，但是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
系统只需要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，所以不选择此方案。

方案二：采用嵌入式系统作为主控制器。

嵌入式系统工作频率较高，速度较快，控制能力很强，也有较强的数据处理能力。

但价格较高，编程实现难度大。

方案三：采用AT89C51单片机作为主控制器。

AT89C51是一款低功耗，高性能的8位单片机，片内含有8KB的Flash片内程序存储器，256 Bytes的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，适合用来实现系统的控制功能。

综上分析，本设计使用方案三。

2.5电机及驱动模块
2.5.1转向和动力
方案一：转向和动力分开的电动小车。

转向和动力分开的电动小车是将轮胎分为两组，一组与电动机相连输出动力控制小车的行驶；另外一组控制小车的方向。

（两组轮胎的前后顺序可调，其影响不大。

转向轮可使用单轮。

）方案一需电动机和一个转向器。

由主控制器分别进行控制，器件和控制程序较多。

方案二：转向和动力结合的电动小车。

转向和动力结合的电动小车是使用两个独立的电动机各自带动一个轮胎位于两侧，通过两个轮胎速度的改变实现小车的转向。

控制所用程序较少，控制器控制起来简单（这种转向方式类似于坦克的转向方式。

）为了小车的平衡再装上保持平衡的轮子。

综上分析，本设计使用方案二。

2.5.2电动机模块
为了实现电动小车对行走路径的准确定位和精确测量，有以下两种方案：
方案一：采用直流电机。

直流电机转动力矩大，响应快速，体积小，重量轻，较大的起动转矩使其有从零转速至额定转速具备可提供额定转矩的性能。

可用变速齿轮改变其速度来达到本系统要求。

价格较低。

方案二：采用步进电机。

步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行原件。

控制方便，体积小，灵活性和可靠性高，具有瞬时启动和急速停止的优越性，比较适合本系统控制精度高的特点。

价格较高。

从成本分析，本设计用方案一。

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2=
2
.3
14
⨯
⨯
=π能够较好的满足系统的要求。

⨯
=
⨯
.0
r
v
m
s
03
V/
100
314
/
.0
60
2.5.3 调速系统
方案一：旋转变流系统。

旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。

改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以旋转变流系统的可逆运行是很容易实现的。

该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。

且技术落后，因此搁置不用。

方案二：静止可控整流器，简称V-M系统。

V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。

它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。

V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。

它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。

最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。

方案三：脉宽调速系统。

采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。

当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。

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。

可在行进间变速，直道高速，弯道低速。

与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
1)由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得
脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范
围较宽，可达1：10000左右。

由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均
电流下，电动机的损耗和发热都比较小。

2)同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的
频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。

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。

根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方
向，本设计采用PWM波进行调速。

PWM的产生可通过单片机中的定时器来实现，但是驱动能力有限，因此PWM的输出需通过驱动电路才能驱动电机正常运转。

综上，考虑到本设计重在寻迹，且PWM波可由软件直接实现，简单方便，因此本设计选择方案三。

2.5.4电机驱动模块
方案一：在直流电机中，可用功率管构成驱动电路来驱动电机，如GTR集电极输出型和射极输出性驱动电路。

其性能可靠，具有自动保护功能，但是它们都属于不可逆变速控制，其电流不能反向，无制动能力，也不能反向驱动，电机只能单方向旋转，因此这种驱动电路受到了很大的限制。

方案二：采用集成芯片L298N驱动直流电机。

L298N是一种高电压、大电流电机驱动芯片。

主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

综上分析，本设计选择方案二。

2.6 电源模块
方案一：利用电池组构成5V电源，直接给系统各部件供电，此电路结构简单成本低，但稳定性不好，电机工作时易产生较大干扰电流窜入控制系统影响系统正常运行。

方案二：用电池串联6--8V电压，接后续稳压电路，单片机与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰。

在不超过单片机工作电压范围的情况下，又能驱动直流电机。

且这个电源结构简单，价格便宜，容易得到。

综上所述，本设计选择方案二。