基于STC12LE5410AD單片機的自動尋跡車設計

張春林，趙麗

（1.中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033；2.長春職業技術學院，長春 130033）

尋跡機器人在社會生活中有著廣泛的應用，例如自動化生產線的物料陪送機器人，醫院的機器人護士，商場的導游機器人等［1］。自動尋跡車可以看作是一款尋跡機器人，它集機械、電子、檢測技術與智能控制于一體，采用紅外反射式光電傳感器檢測路面信息，利用紅外遮斷式傳感器檢測車輪轉速.STC12LE5410AD單片機根據上述傳感器信號進行運算分析，控制小車在路面上沿黑線行走。

STC12LE5410AD單片機是單時鐘的兼容8051內核的單片機，是高速、低功耗的新一代8051單片機，速度比普通8051快8～12倍，全新的流水線、精簡指令集結構，內部集成MAX810專用復位電路，自帶4路PWM輸出及硬件看門狗。能夠很好的滿足系統要求。

1 總體方案設計

自動尋跡車是一個具備自主判斷、決策能力的小型機電整合系統。自動尋跡車主要分為電源模塊、微控制器模塊、電機控制模塊、軌跡檢測模塊、碼盤采樣器模塊。系統原理框圖如圖1所示。電源模塊是智能小車的“動力源泉”，微控制器模塊是自動尋跡車的大腦，軌跡檢測模塊相當于尋跡車的眼睛，電機控制模塊和碼盤采樣器模塊組成移動模塊，移動模塊相當于尋跡車的腿腳。由軌跡檢測模塊檢測曲線的位置并輸出檢測信息，對檢測信息進行處理后將其輸入到微控制器模塊，單片機控制系統根據輸入信息進行判斷，并根據判斷結果輸出指令給移動模塊，移動模塊根據指令驅動自動尋跡車左轉、右轉、前行等，從而實現尋跡功能。

圖1 系統原理框圖Fig.1 The block diagram of the system

2 硬件實現及單元電路設計

2.1 電機控制模塊設計

系統選用了帶減速器的直流電機，它具有轉動力矩大、體積小、重量輕、裝配簡單、使用方便等優點，由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速齒輪組，可以產生較大扭力。

電機控制模塊用單片機的 PWM（脈沖寬度調制）［2］信號來控制H橋，用H橋來驅動電機，能夠控制電機的停止、正轉和反轉，且能夠控制電機的轉動速度。

如圖2所示，9012、9013三極管控制驅動管實現電平轉換，D772和D882是雙極性功率放大管，用于驅動電機，IN5819型二極管壓降低提供續流保護作用，紅、綠發光二極管用于電機正常工作指示。

圖2 電機驅動電路Fig.2 The drive circuit of the motor

由于本設計采用了單極性可逆PWM變換方式，控制一個電機需要3個I/O口，其中2個用普通的I/O口即可，一個用于輸出PWM信號的，即占空比可控的脈沖信號。I/O口輸出信號通過邏輯控制電路與電機驅動電路對接，功能控制如下：

2.2 碼盤采樣器模塊設計

碼盤采樣器模塊即測速模塊，利用紅外遮斷式傳感器中三極管的開關特性產生高低電平，由單片機對其上升或下降沿進行計數，且通過定時器設定采樣時間，在一定時間內計數的數量決定了小車的行駛速度。本設計中因為碼盤的分辨率較低，所以采用測周期的方式來得到轉速。如果按照正常的脈沖測量方式，采集一個跳變沿，那這個碼盤一圈只能得到 50個數據，為了提高性能，利用了STC12LE5410AD單片機PCA模塊的正、負跳變均能中斷的特性，一周可獲取100個數據。為了避免脈沖的占空比不等帶來的問題，測周期時采用正跳對正跳、負跳對負跳的原則。碼盤示意圖如圖3所示。

圖3 碼盤Fig.3 The coded disc

2.3 軌跡檢測模塊設計

軌跡檢測模塊采用紅外反射式傳感器進行信號采集。當紅外線照射到白色地面時會有較大的反射，而照射到黑色標志線，黑色標志線會吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到紅外線強度就很弱。即根據反射系數不同，通過以紅外反射式光電傳感器為核心的光電檢測電路將路面兩種顏色進行區分，轉化為不同電平信號［3-4］，將此電平信號送給STC12LE5410AD單片機，繼而控制電機作相應的轉向，保證小車沿軌跡行駛。

本設計采用了8個紅外傳感器尋跡，8個尋跡傳感器的安裝如圖4所示，呈一字型排列，中間的兩個紅外傳感器在黑線范圍內，反射接收到的是高電平，其余的6個紅外傳感器在黑線范圍外，反射接收到的是低電平。當左三傳感器檢測到黑線的邊界時，主控芯片控制電機使左輪減速，小車向左修正；當右三傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制電機使右輪減速，小車向右修正；如果小車的行駛速度過快，中間的傳感器均脫離了黑色跑道，則檢測其他傳感器，例如當左二和左三傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制電機使左輪以更快速度減速，小車向左修正；當右一和右二傳感器檢測到黑線時，主控芯片控制電機使右輪快速減速，小車向右修正；從而使小車沿著黑色軌道快速行走，也便于小車在彎道等路面也能夠快速調整。

圖4 八個尋跡傳感器安裝Fig.4 The eght tracing sensor installation

3 軟件設計

本系統軟件采用模塊化結構，由主程序、轉速測試子程序、尋跡子程序、結束子程序等組成。尋跡子程序又包含微調函數子程序、直行函數子程序和調整子程序等。主程序流程圖如圖5所示。

轉速測試子程序能夠測定左右輪轉速，并能夠確定測試時微調函數子程序、直行函數子程序和調整子程序的調整參數。

圖5 主程序流程圖Fig.5 The main program flowchart

4 結論

本文詳細闡述了基于STC12LE5410AD單片機的自動尋跡車的軟硬件設計方法。基于該方法設計的自動尋跡車已用于機器人競賽。實踐證明該車具有硬件成本低、控制系統運行快速，抗干擾能力強等特點。且在彎道行駛時也能保證運行平穩可靠。

［1］黃大志，周慶貴，陳業強.基于單片機輪式尋跡機器人控制系統的設計［J］.機床與液壓，2009，37（8）：350-352.

［2］陳鴻.嵌入式系統在瑞薩智能尋跡模型車的應用［J］.學術問題研究，2009（2）：75-80.

［3］寧慧慧，余紅.基于單片機控制的簡易自動尋跡小車設計［J］.電子測試，2009（9）：39-41.

［4］高月華.基于紅外光電傳感器的智能車自動尋跡系統設計［J］.半導體光電，2009，30（1）：134-137.