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1、1 机器人创新实践题目：循迹扫雷小车院系： 自动化科学与工程学院专业：自动化 2 班姓名：郑善成学号： 201130614079 2 目录1. 整体设计方案 . 31.1 系统基本组成 . 32. 系统的硬件设计 . 42.1 单片机电路的设计 . 42.1.1 晶震电路 . 42.1.2 复位电路 . 52.1.3 光电传感器模块 . 62.1.4 传感器分布 . 72.2 电机驱动电路 . 72.2.1 电机驱动原理 . 72.2.2 主流程图： . 83. 程序 . 93 1. 整体设计方案本系统采用简单明了的设计方案。 通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模
2、块判断黑线路经，然后由STC89C52通过 IO 口控制 L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。通过霍尔元件检测磁钢，输出的信号经单片机处理使蜂鸣器响，LED 灯闪烁。1.1 系统基本组成智能循迹小车主要由STC89C52单片机电路、 TCRT5000循迹模块、 L298N 驱动模块、直流电机、小车底板、电源模块等组成。(1)单片机电路：采用 STC89C52芯片作为控制单元。STC89C52单片机具有低成本、高性能、抗干扰能力强、超低功耗、低电磁干扰，并且与传统的8051 单片机程序兼容，无需改变硬件，支持在系统编程技术。(2)TCRT5000 循迹模块：采用脉冲调
3、制反射式红外发射接收器作为循迹传感器，调制信号带有交流分量， 可减少外界的大量干扰。 信号采集部分就相当于智能循迹小车的眼睛，由它完成黑线识别并生产高、低平信号传送到控制单元，然后单片机生成指令来控制驱动模块来控制两个直流电机的工作状态，来完成自动循迹。JY043W 型光电管和电压比较器 LM393 为核心部分，再加上必要的外围电路。(3)L298N 驱动模块：采用 L298N 作为电机驱动芯片。 L298N 具有高电压、 大电流、响应频率高的全桥驱动芯片，一片L298N 可以分别控制两个直流电机，并且带有控制使能端。该电机驱动芯片驱动能力强、操作方便，稳定性好，性能优良。L298N 的使能端
4、可以外接电平控制， 也可以利用单片机进行软件控制，满足各种复杂电路的需要。另外，L298N 的驱动功率较大， 能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了H 桥驱动模块直流电机红 外 光 电 循 迹传感器模块电源模块 单片机电路路 径小车4 负载能力不够的问题。(4)直流电机：采用双直流电动机。直流电动机的控制方法比异步电动机简单，只需给电机两条控制线加上适当的电压就能使电机旋转，在正常工作电压范围， 电压越高直流电机转速越高。直流电动机调速方法分为两种：一种是直接调整电压，另一种通过PWM 调速。 PWM 调速就是使加在直流电机两端的电压波形为矩形波，改变矩形波的占空比就能实现电压的改
5、变，从而实现电机转速的改变。循迹小车的系统控制框图（下图） 。引导线是小车跟踪的目标，检测系统检测车的相对路径，然后将此信息输入到单片机，单片机处理此信息后，将控制命令输出到驱动模块，以控制小车的直流电机，保证小车快速平稳地沿预先设定好的路线行驶。2. 系统的硬件设计2.1 单片机电路的设计一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两部分内容：一是系统扩展， 即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM 、I/O、定时器 /计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展， 选择适当的芯片， 设计相应的电路； 二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D、D/A
6、转换器等。2.1.1 晶震电路在 STC89S52单片机上内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。 时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。在 1 和 XTAL2 引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。从XTAL1 接入，如图所示。由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比驱 动 模 块 和直流电机光电循迹传感器单片机黑色引导线5 没有要求。本设计选用的是12MHZ 无源晶振、 2 个 22pF电容，使得一个机器周期是1s。晶振的作
7、用是为系统提供基本的时钟信号，而两个电容则是起到并联谐振的作用，如果没电容，振荡电路会因为没有回路而停振，电路不能正常工作。单片机晶振电路图2.1.2 复位电路复位电路的作用是在上电或复位过程中， 控制 CPU 的复位状态：这段时间内让 CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU 发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。89 系列单片机的复位信号是从RST 引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。 施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。不同于比较器，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，
8、可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后， 如果 RST 引脚上有一个高电平并维持2 个机器周期 (24 个振荡周期 )以上，则 CPU 就可以响应并将系统复位。本设计采用的电容值为10F的电容和电阻采用1.5K和 200的电阻。如图 3.3所示上电后，由于电容充电，使RST 持续一段高电平时间。当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作6 7。单片机复位电路图6 2.1.3 光电传感器模块循迹光电传感器原理， 就是利用黑线对红外线不同的反射能力通过
9、光敏二极管或光敏三极管，接收反射回的不同光强信号，把不同光强转换为电流信号，最后通过电阻，转换为单片机可识别的高低电平。光电传感器实现循迹的基本电路如图所示。循迹传感器电路图循迹传感器工作原理： TC 端是传感器工作控制端，为高电平时，发光二极管不工作，传感器休眠，为低电平时，传感器启动。Signal 端为检测信号输出，当遇到黑线，黑线吸收大量的红外线，反射的红外线很弱，光敏三极管不导通，Signal输出高电平；当遇到白线， 与黑线相反， 反射的红外线很强， 使光敏三极管导通， Signal 输出低电平。这种探测方法，即利用红外线在不同颜色的表面特征，具有不同的反射性能，汽车行驶过程中接收地面
10、的红外光。当红外光遇到白色路线，地板发生漫反射，安装在小型车的反射光接收器接收；如果是遇到黑色路线，红外光将被黑线吸收，安装在小车上的接收管没有收到红外光。 控制器会根据是否收到反射的红外光为判断依据来确定的黑线的位置和小车的路线。红外探测器距离通常是不应超过15 厘米的。红外发射和接收红外线感应器，可以使自己或直接使用集成红外探头。调整左右传感器之间的距离，两探头距离约等于黑线宽度最合适，选择宽度为3 5 厘米的黑线。该传感器的灵敏度是可调的，传感器有时遇到黑线却不能送出相应的信号，通过调节传感器上的可调电阻，适当的增大或减小可改变灵敏度。单片机烧录程序后， 就可以执行循迹指令了。 如果小车
11、向前行驶时向左偏离了黑线，那么右边传感器会产生一个高电平，单片机判断这个信号，然后向右拐回到黑线。两传感器输出信号为低电平时， 小车前进。如果小车向右偏离黑线，左边传感器产生一个高电平，单片机判断这个信号，然后向左拐。这样，小车一定不会偏离黑线。若两个光电传感器同时输出的信号为高电平，即单片机判断的都为高电平时，小车向前直走。7 2.1.4 传感器分布传感器通过信号采集，向单片机提供信息。因此传感器合理的布局很重要，传感器布局需要考虑小车行驶过程中信息检测的准确度和前瞻性，能使在相同数量的传感器下，获得更多的数据。本组小车一共采用了5 个传感器，均置于车头处，如图所示。2.2 电机驱动电路本设
12、计采用 L298N 电机专用驱动芯片带动两个直流电动机。L298N 是一个内部有两个H 桥的高电压大电流全桥式驱动芯片，可以用来驱动直流电动机、步进电动机。使用标准逻辑电平信号控制，直接连接单片机管脚，具有两个使能控制端，使能端在不受输入信号影响的情况下不允许器件工作。L298N 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。2.2.1 电机驱动原理电路的形状很像字母H。四个三极管就是H 桥的四条垂直线，而电机就是H 中的横线。L298N 内部 H 桥驱动电路上图为一个典型的直流电机的控制电路。被命名为 “H桥驱动电路 ” 主要是因为电路的形状很像字母 H。四个三极管就是 H 桥的四条垂直线，而电机就是H 中的横线。如图所示， H 桥电机驱动电路包含四个三极管和一个电机。电机运转，必须遵循导通对角线上的一对三极管。 基于不同三极管对的导通情况可以控制电机的转向，电流可8
