基于STC12C5A60S2的智能循跡小車

余熾業， 宋 躍， 雷瑞庭

(東莞理工學院 電子工程學院，廣東 東莞 523808)

0 引 言

自動循跡小車控制系統，也就是最簡單的輪式機器人，適合在一些特殊環境中工作，因其成本低廉，目前已在許多工業場合獲得廣泛應用[1-2]。例如在高溫高壓環境、有毒有害氣體環境以及外星探測等都有機器人的應用，所有這些應用正逐步滲入到工業生產和我們日常生活的各個層面。智能小車是一個集環境感知、規劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通訊及自動控制等技術，是典型的高新技術綜合體[3-4]。本文采用紅外傳感器TCRT5000，單片機STC12C5A60S2為控制核心，設計了一種具有自動循跡功能的小車系統，該智能循跡小車能沿黑色引導軌跡前進。通過構建由單片機最小系統、電源電路、電機驅動電路、循跡電路等組成的智能小車系統，實現小車智能循跡的功能。

1 系統結構設計

1.1 智能循跡小車系統整體結構

智能循跡小車系統以模塊化的設計思想為主導，主要包括供電電池、穩壓電源模塊、電機驅動模塊、STC12C5A60S2單片機最小系統模塊、循跡傳感器模塊等。智能循跡小車的工作過程是：8個光電傳感器探測路徑信息，并將這些信息輸入到單片機控制系統，單片機進行分析處理，通過控制算法對驅動系統發出控制命令[5]，驅動小車左、右輪的電機使小車沿著指定的黑線軌跡前進[6]。系統結構如圖1所示。

1.2 智能循跡小車系統原理

本設計中，智能小車采用后輪驅動，后輪左右兩邊各用一個電機驅動，由單片機輸出PWM調制信號控制后面兩個輪子的轉速從而達到控制轉向的目的，前輪是萬向輪，起支撐的作用。循跡的路徑是用黑色膠帶在白色地板上黏出一條首尾相連的跑道，黑色膠帶的寬度為2 cm左右。循跡傳感器采用TRCT5000紅外對管反射式光電傳感器，呈“一字型”安裝在車的前端。循跡是指小車在白色的地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數不一樣，控制芯片根據循跡傳感器模塊返回的信號來判斷“道路”的情況[7]。小車在行駛過程中，紅外對管傳感器地發射管不斷的發射紅外光，當紅外光遇到白色地板產生漫反射，反射光被紅外對管的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，紅外對管的接收管接收不到紅外光，該信號的變化通過電路轉化為高低電平的變化,單片機檢測傳感器信號的變化，進行分析再做出相對應的響應[8]。本設計中采用了8對紅外對管傳感器，采用“一字型”分布，當中間的傳感器檢測到黑線時，小車直線前進；當靠左邊的傳感器檢測到黑線時，小車向左拐；當靠右邊的傳感器檢測到黑線的時候，小車向右拐。采用多個紅外對管傳感器可以使小車的行駛更加靈活，拐彎時更加順暢。另外，紅外對管傳感器離地面垂直距離為4 cm左右，能在沒有強光的干擾下，完全滿足自動循跡的要求，具有很好的可靠性與抗干擾能力。

2 硬件電路設計

2.1 STC12C5A60S2單片機最小系統模塊

單片機是整個智能循跡小車的核心, 控制系統的所有模塊工作。本系統中，考慮到小車的控制系統需要用到兩路的PWM脈沖調制、較大的Flash存儲空間和較快的數據處理能力，所以采用的是STC12C5A60S2單片機。STC12C5A60S2使用宏晶科技高密度非易失性存儲器技術制造，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051,但速度快8～12倍。片上具有8 kbyte在系統可編程Flash存儲器，Flash允許程序存儲器在系統可編程，亦適于常規編程器。在單芯片上，擁有靈巧的8位CPU和在系統可編程Flash ，使得STC12C5A60S2為眾多嵌入式控制應用系統提供高靈活超有效的解決方案[9]。

STC12C5A60S2具有以下標準功能：8 kbyte Flash，256 byte RAM，32個I/O口線，看門狗定時器，8路10位精度的AD轉換，2路PWM，2個數據指針，4個16位定時器/計數器，一個6向量2級中斷結構，全雙工串行口，片內晶振及時鐘電路。另外，STC12C5A60S2可降至0 Hz靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。所以本設計采用該芯片作為控制處理器。

2.2 穩壓電源模塊

在本設計中，因為考慮到小車電機的靈活工作需要較大的驅動能力，系統供電需要較高的電壓和較大的驅動電流，所以系統的供電采用的是7.2 V的鎳鎘充電電池。

在該智能小車系統中，除了電機的工作電源使用7.2 V鎳鎘電池直接供電外，系統各模塊的工作電壓都是5 V。穩壓模塊的原理圖如圖3所示,采用的是LM2940低壓差三端穩壓器，LM2940具有大電流、低功耗、電路簡單可靠等優點。該穩壓芯片輸出電壓5 V，最大電流可達1 A,最小輸入輸出電壓差小于0.8 V,最大輸入電壓26 V,內含有電流限制、過熱保護、電池反接保護電路[10]。

2.3 電機驅動模塊

本設計小車使用的是兩個直流電機，直流電機采用PWM信號加上電機驅動電路的方式驅動[11]。在驅動電路的選擇上，可以使用MOS管搭建驅動電路，但電路比較復雜，可靠性不高；另外，也可以使用集成的半橋驅動芯片搭建驅動電路，不過考慮到小車要實現雙電機的速度控制和前后轉，如果使用半橋驅動芯片搭建，則驅動電路使用的驅動芯片較多，電路過于復雜龐大。綜合考慮，本設計采用ST公司的專用驅動芯片L298N作為電機驅動芯片，L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它響應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅動，驅動能力大，操作方便，穩定性好，性能優良。采用電機專用驅動芯片L298N 進行電機驅動控制，它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復雜電路需要。

另外，L298N的驅動功率較大，能夠根據輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠的問題[12]。電機驅動模塊的原理圖見圖4。L298N的邏輯控制見表1，其中：L為低電平；H為高電平；※為電平。

ENA(ENB)IN1(IN3)IN2(IN4)電機運轉情況HHL正轉HLH反轉HHH制動HLL制動L※※電機不工作

2.4 循跡傳感器模塊

循跡檢測采用了TCRT5000 紅外反射式光電傳感器,該傳感器采用高發射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管。在小車的前部呈“一字型”安裝8對TCRT5000紅外對管,與路面的垂直距離控制在4 cm左右。TCRT5000 測試電路如圖5所示。黑線檢測原理是紅外發射管發射光線到路面, 紅外光遇到白底則被反射, 接收管接收到反射光, 經施密特觸發器整形后輸出低電平；當紅外光遇到黑線時則被吸收, 接收管沒有接收到反射光, 經施密特觸發器整形后輸出高電平[13]。單片機就是否收到反射回來的紅外光信號為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。循跡傳感器模塊的部分電路原理圖如圖6所示。

3 軟件設計

3.1 系統軟件

系統軟件主要采用C語言編寫，其流程圖如圖7所示，本系統采用PWM信號來控制直流電機的速度及正反轉，主程序先進行系統初始化，配置好相關的寄存器，然后進入循跡模式運行，不斷地掃描與紅外探測器連接的單片機IO口，將路徑信息進行判斷處理，單片機再將相應的信號發給電機驅動模塊糾正小車的運行狀態，從而達到自動循跡的功能[14-15]。

3.2 系統初始化函數程序

系統初始化函數于程序如下：

void init()

{

CCON=0X00;

CH=0;

CL=0;

CMOD=0X02;

CCAP0H=0X80; //初始化PWM0的占空比為50%

CCAP0L=0X80;

CCAPM0=0X42; //允許比較器功能、PWM脈寬輸出

CCAP1H=0X80; //初始化PWM1的占空比為50%

CCAP1L=0X80;

CCAPM1=0X42;

CR=1; //啟動PCA計數器陣列

}

4 結 語

本設計中的智能循跡小車，采用TRCT5000紅外傳感器為循跡模塊，單片機STC12C5A60S2為控制模塊，L298N為電機驅動模塊，LM2940為電源模塊。小車使用單元化的電路設計，使得系統簡潔，響應快，性能穩定。經測試表明，小車順暢的實現了預期設定的循跡功能。為了使小車更加智能化，還可以為小車擴展壁障、自動識別、自動報警、自動保持安全距離、車速檢測和遠程控制等功能。

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