循迹小车制作过程

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1、电子与信息工程系电子实训课题：基于STC89C52RC和TCRT5000光电传感器的自动循迹小车设计专 业：班 级：学 号：姓 名：指导老师： 完成日期：目录0摘 要：11. 任务及要求21.1任务22. 系统设计方案22. 1小车循迹原理22. 2控制系统总体设计23. 系统方案33.1寻迹传感器模块33. 1. 1光电传感器TCRT5000简介33. 1.2比较器LM324简介33. 1. 3具体电路43. 1. 4传感器安装43. 2控制器模块53.3电源模块63. 4电机及驱动模块63.4. 1 电机63.4.2驱动74. 软件设计84. 1 PWM 控制84.2总体软件流程图84.

2、3小车循迹流程图94. 4中断程序流程图104. 5单片机测序115. 参考资料15摘要本设计是基于STC89C52单片机控制的简易自动寻迹小车系统， 包括小车系统构成软硬件设计方法。小车完成的主要功能是能够自主 识别黑色引导线并根据黑线走向实现快速稳定的寻线行驶。小车系统 以STC89S52单片机为系统控制处理器；采用TCRT5000光电传感器 获取赛道的信息，并通过驱动控制电路来对小车的方向和速度进行控 制。此外，对整个控制软件进行设计和程序的编制以及程序的调试， 并最终完成软件和硬件的融合，实现小车的预期功能。1. 任务及要求1任务设计一个基于直流电机的自动寻迹小车，使小车能够自动检测地

3、面黑色轨迹，并沿着黑 色车轨迹行驶。系统方案方框图如图1-1所示。检测（黑线）软件控制驱动电机控制小车图1-1系统方案方框图2. 系统设计方案2. 1小车循迹原理这里的循迹是指小午在白色地板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线 的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱來判断“道路”。通常采取的 方法是红外探测法。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，当红外光遇到白色纸质地板时 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。单片机就是否收到反射回來的红外光为依

4、据來 确定黑线的位置和小车的行走路线。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。3. 系统方案3.1寻迹传感器模块我们釆用TCRT5000作为红外检测传感器。传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回 來或被反射回來但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输 出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内时, 红外线被反射回來且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平, 指示二极管被点亮。判断有无黑线我们用的一块比

5、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TCRT5000简介TCRT5000传感器的工作原理与一般的红外传感器一样，一传一感.TCRT5000 具有一个红外发射管和一个红外接收管。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）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

6、功耗很小，工作电压范围宽，可用正电源330V, 或正负双电源1. 5V15V工作。在黑线检测电路中用來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 阻值來提供合适的比较电压。图3-3 LM324内部电路（同相IAS）图3-4集成运放的管脚图3. L3具体电通过TCRT5000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。VCCVCCR1Re$2150TCRT5000Res：10KU1OUTOptoisolatorlVCCR310

7、K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。111.:i左ii左ii右i:X :DC11 Y ：左1 2 11 ：小I 2 ：右轮sxxi轮%1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XI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XI 和Y1这两个第

8、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STC89C52是STC公司生产的一种低功耗、高性能CM0S8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash存储器。具有以下标准功能：8k字节Flash,

9、512字节RAM, 32位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM, MAX810复位电路，3个16位 定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向 量2级中断结构），全双工串行口。图3-7时钟电路和复位电路3. 3电源模块采用7805和7812作为电路的驱动电源,电路图如下:LOr3. 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/mino

10、若车轮直径为6cnn则小车的最大速度可以达到V=27rrv=2*3.14*0.03* 100/60=0314ni/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。111510ENAENBSENSE ASENSEBIN1IN2IN3IN4+VS+VSSOUTlOUT2OUT3OUT4GXD图3-9 L298N外部引脚1314HHL正转HLH反转HIN2IN1快速停止LXX停ll:电机运行情况表2 L29

11、8N输入输出关系驱动电路的设计如图3-10所示:图3-10 L298N电机驱动电路4. 软件设计4.1 PWM控制本系统采用PWM來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”來改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此,PWM乂 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

12、；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。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

13、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來，则通常使第二级转向力度大 于第一级,即 Turn_left2 Turn_leftl, Turn_right2 Turn_rightl （其中 Turn_left2, Turn_leftl,

14、 Turn_right2 , Turn_rightl 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來改变），具体数值在实地实验中得到。44中断程序流程这里利用的是51单片机的TO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*硬件连接Pl_6接驱动模块ENA使能端，输入PWM信号调节速度Pl_7接驱动模块ENB使能端，输入PWM信号调节速度P3_4P3_5接INI IN2 当P3_4=1,P3_5=O;时左电机正转 驱动蓝色输出 端0UT1 OUT2接左电机P3_4P3_5 接 INI IN2 当 P3_4=O,P3_5=1;时左电机反转P3_6P3_7接IN3 IN4当P3_6=1,P3_7=O;时右电机正转 驱动蓝色输出端 0UT3 0UT4接右电机P3_6P3_7 接 IN3 IN4