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基于单片机的智能循迹小车 的研究与设计指导老师：刘义杰 报 告 人 ：于海 日期：2012.4.14

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主要内容：1 2 3 4 5

选题背景 循迹小车总体设计 循迹小车硬件设计 循迹小车软件设计 总结

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选题背景:世界上诞生第一台循迹小车诞生于1959年，至今已有50多年的 历史，机器人技术也取得了飞速的发展和进步，现已发展成一门 包含：机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多 学科为一体的性尖端技术。循迹小车共历了三代技术创新变革：

第三代 智能型 循迹小车 第二代 离线编程型 循迹小车

以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信 息，精确地描述外部环境的变化。 装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等 其他物理量，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定 的外部环境变化。

第一代 可编程的示教在线型 循迹小车

不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程 来设置循迹小车的路径与运动参数。

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循迹小车特点:

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智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导 引装置，通过电脑程序来控制，沿设定的引导路径 行驶，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进 路线，无需驾驶员操作，将货物自动从起始点运送 到目的地。

循迹小车的另一个特点是高度自动化，可以根据 仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变 行驶路径，而且改变运行路径的费用与传统的输 送带和传送线相比非常低廉。

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此外，循迹小车小车依靠蓄电池提供动力，具有清洁 生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工 作环境清洁的地方。

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循迹小车总体设计:

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 成的传感器循迹模块判断黑线路 经，然后由STC89C52单片机通 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。

循迹小车控制系统结构框图

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晶振电路:

12晶振电路图

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。

在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡 器就产生自激振荡。

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本设计选用12MHZ无源晶振、2个22pF电容，使得一个 机器周期是1μ s。晶振的作用是为系统提供基本的时 钟信号，两个电容则是起到并联谐振的作用。

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复位电路: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。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。

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2复位电路图

当系统上电后，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。

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循迹传感器:

循迹传感器电路图

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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。

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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。

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驱动电路:

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L298N是一个内部有两个H桥 的驱动芯片，这样电机的运转 只需要用三个信号控制：两个 方向信号和一个使能信号。

L298N驱动芯片和直流电机接线图

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如果OUT1信号为“0”,OUT2 信号为“1”,并且使能信号是 “1”,那么三极管Q1和Q4导通， 电流从左至右流经电机；如果 OUT1信号变为：“1”,而 OUT2信号变为“0”,那么Q2和 Q3将导通，电流则反向流过电机。

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循迹小车软件设计:

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本设计采用C语言来编译程序。模块化结构程序的设计，可 以使系统软件便于调试与优化，也使其他人更好地理解和 阅读系统的程序设计。因此，软件的设计上，运用了模块 化程序的结构对软件进行设计，使得程序变得更加直观易 懂。程序的主要模块有：主程序、定时溢出中断服务程序、 外部中断服务程序。

Keil C51单片机软件开发系统可用于编辑C或汇编 源文件。然后分别由C51编译器编译生成目标文 件(.OBJ)。目标文件与库文件一起经LIB51连 接定位生成绝对目标文件(.ABS)。ABS文件由 OH51转换成标准的Hex文件。

在软件调试中，使用功能强大且的WAVE 6000软件进 行软件编译与调试,使用Microcontroller ISP Software及其配套的单片机对程序进行烧录。

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主要程序功能/*********************第一部分 管脚声明*********************/ sbit PWM1=P1^0; //电机A/B使能端 sbit PWM2=P1^1; sbit IN1=P1^2; //电机控制端 sbit IN2=P1^3; sbit IN3=P1^4; sbit IN4=P1^5; sbit RP1=P2^0; //传感器管脚位声明 sbit RP2=P2^1; sbit RP3=P2^2; sbit RP4=P2^3; /******************第二部分 电机控制子函数******************/ void forward1() //电机1前进 { IN1=0; IN2=1; } void forward2() //电机2前进 { IN3=0; IN4=1; }

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void back1() //电机1后退 { IN1=1; IN2=0; } void back2() //电机2后退 { IN3=1; IN4=0; } /*********************第三部分 主函数*********************/ void main() { int num=0; TMOD=0x01; //中断模式设置 EA=1; TH0=(65536-1000)/256; //定时 1ms

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/*************第四部分 中断服务函数*************/ void time0()interrupt 1 { TH0=(65536-1000)/256; //定时

1ms TL0=(65536-1000)%256; count1++; count2++; if(count1>=500) //周期是500ms count1=0; if(count2>=500) //周期是500ms count2=0; } TL0=(65536-1000)%256; ET0=1; TR0=1; turn(count1,250,count2,250); //使小车冲上黑色轨道 delay(350); //延时等待小车冲上黑色轨道

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结论：本课题研究的内容主要是智能小车的循迹系统。以实验组装小车为基 础，使用了4个光电传感器来探测周围环境，同时对采集到的数据信 息进行融合。取得了以下成果：

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小车可以实现按照预定轨道在无外部环境影响或改变时， 小车将一直在轨道上循迹。

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经过多次的测试证明，循迹传感器呈M型布局时更适合检 测多弯道的轨迹。由于传感器不在同一直线上，故小车转 弯时，左右两边后部的传感器有较大的采样空间，两边前 端的传感器则对采集的信号有更好的前瞻性。整个布局有 利于在弯道处提高小车速度。但相对一字型布局，M型布 局容易产生不稳定信号，从而产生信号震荡，影响小车行 驶的稳定性。小车保留了扩展功能。循迹小车在完成设计预想的前提 下，考虑到车体结构设计的简单化，降低了制作成本， 使之更具有普及性。保留了各种硬件接口和软件子程序 接口，方便以后的扩展和进一步的开发。

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展望：智能循迹小车属于应用开发项目，涉及了多种学科，由于本课题的试 验性和不完善性。智能循迹小车在以下两个方面还有提升的空间：

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环境信息采集功能：环境信息采集的实时性和完 整性。

增加避障控制功能：包括避障的精确性和灵活度这两 个指标。

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