一種自動尋跡小車的設計

尚宇星

（青島工學院，山東 膠州266300）

1 設計要求

設計一個基于直流電機的自動尋跡小車，車能夠自動檢測地面黑色軌跡，并沿著黑色車軌跡行駛。自動循跡小車控制系統由主控制電路模塊、穩壓電源模塊、紅外檢測模塊、電機及驅動模塊等部分組成。

2 系統工作原理

這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對光線的反射系數不同，可以根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測法。

2.1 主控制電路模塊

整個系統主要由主控中心（單片機）、復位電路、時鐘電路、按鍵控制電路、數碼管顯示電路及LED模仿交通信號燈電路等功能模塊組成。遇到特殊情況時可以通過按鍵電路控制實時交通實際情況。

2.2 紅外檢測模塊

紅外線光電傳感器是通過把光強度的變化轉換成電信號的變化來實現控制的。光電開關是傳感器大家族中的成員，它把發射端和接收端之間光的強弱變化轉化為電流的變化以達到探測的目的。由于光電開關輸出回路和輸入回路是電隔離的，所以它可以在許多場合得到應用。

2.3 電機及驅動模塊

L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。

2.4 電源模塊

模塊電源是可以直接貼裝在印刷電路板上的電源供應器，其特點是可為專用集成電路、數字信號處理器、微處理器、存儲器、現場可編程門陣列及其他數字或模擬負載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負載點，電源供應系統或使用點電源供應系統。由于模塊式結構的優點甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設備、接入設備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領域和汽車電子、航空航天等。

3 系統硬件設計

3.1 尋跡傳感器模塊

ST系列反射式光電傳感器是經常使用的傳感器。這個系列的傳感器種類齊全、價格便宜、體積小、使用方便、質量可靠、用途廣泛。采用ST188作為紅外檢測傳感器。

在黑線檢測的測試中，若檢測到白色區域，發射管發射的紅外線沒有反射到接收管，測量接收管的電壓為4.8V，若檢測到黑色區域，接收管接受到發射管發射的紅外線，電阻發生變化，所分得的電壓也就隨之發生變化，測的接收管的電壓為0.5V，測試基本滿足要求。

判斷有無黑線我們用的一塊比較器LM324，比較基準電壓由30K的變阻器調節，各個接收管的參數都不一致，每個傳感器的比較基準電壓也不盡相同，我們為每個傳感器配備了一個變阻器。

3.2 傳感器電路

通過ST188檢測黑線，輸出接收到的信號給LM324，接收電壓與比較電壓比較后，輸出信號變為高低電平，再輸入到單片機中，用以判定是否檢測到黑線。

在小車具體的循跡行走過程中，為了能精確測定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時在底盤裝設4個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。4個紅外探頭，循跡傳感器全部在一條直線上。其中X1與Y1為第一級方向控制傳感器，X2與Y2為第二級方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進時，始終保持行走軌跡黑線在X1和Y1這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到黑線，把檢測的信號送給小車的處理、控制系統，控制系統發出信號對小車軌跡予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個探測器的探測范圍，這時第二級探測器動作，再次對小車的運動進行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級方向探測器實際是第一級的后備保護，從而提高了小車循跡的可靠性。

3.3 控制器模塊

采用Atmel公司的AT89C51單片機作為主控制器。它是一個低功耗，高性能的8位單片機，片內含32k空間的可反復擦寫100，000次Flash讀存儲器，具有4K的隨機存取數據存儲器（RAM），32個I/O口，2個8位可編程定時計數器，且可在線編程、調試，方便地實現程序的下載與整機的調試。

3.4 電源模塊

電源采用雙路開關電源。明偉牌D-30W雙路開關電源。輸出（5V、12V）。該開關電源尺寸為12mm9×98mm×38mm，交流輸入轉換由開關選擇，具有過流短路保護功能，能自冷散熱。低價位、高可靠。

3.5 電機模塊

電機采用直流減速電機，直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產生較大扭力。

可選用減速比為1：74的直流電機，減速后電機的轉速為100r/min。若車輪直徑為6cm，則小車的最大速度可以達到V=2πr*v=2*3.14*0.03*100/60=0.31r4m/s。能夠較好的滿足系統的要求。

3.6 驅動模塊

驅動模塊采用專用芯片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，其響應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機。

L298N的5、7、10、12四個引腳接到單片機上，通過對單片機的編程就可實現兩個直流電機的PWM調速控制。

當光電傳感器開始接受信號，通過比較器將信號傳如單片機中。小車進入尋跡模式，即開始不停地掃描與探測器連接的單片I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，就執行相應的判斷程序，把相應的信號發送給電動機從而糾正小車的狀態。單片機采用T0定時計數器，通過來產生PWM波，控制電機轉速。

4 系統硬件設計

本系統采用PWM來調節直流電機的速度。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關頻率，從而改變負載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調整方法。PWM可以應用在許多方面，如電機調速、溫度控制、壓力控制等。

在PWM驅動控制的調整系統中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據需要改變一個周期內接通和斷開時間的長短。通過改變直流電機電樞上電壓的占空比來改變平均電壓的大小，從而控制電動機的轉速。因此，PWM又被稱為開關驅動裝置。

在脈沖作用下，當電機通電時，速度增加；電機斷電時，速度逐漸減少。只要按一定規律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉速得到控制。

小車進入尋跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，就執行相應的判斷程序，把相應的信號發送給電動機從而糾正小車的狀態。

小車進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號，即進入判斷處理程序，先確定4個探測器中的哪一個探測到了黑線，如果左面第一級傳感器或者左面第二級傳感器探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應使小車向左轉；如果是右面第一級傳感器或右面第二級傳感器探測到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，則應使小車向右轉。在經過了方向調整后，小車再繼續向前行走，并繼續探測黑線重復上述動作。

利用51單片機的T0定時計數器，從而讓單片機P0口的P0.4和P0.5引腳輸出占空比不同的方波，然后經驅動芯片放大后控制直流電機。定時計數器若干時間（比如0.1ms）比如中斷一次，就使P0.4或P0.5產生一個高電平或低電平。

5 結論

本次設計采用各個模塊分開設計的方法，大大降低了設計的難度。主要基于STC89C52的最小系統，進行外圍設備的擴展。信號采集模塊進行調試的時候，最重要的是電位器的調節，通過電位器的調節來控制信號采集的靈敏度。光線的不同會帶來不同的效果，所以，對于適應環境，找到一個合適的狀態，電位器的調節就顯得尤為重要了。還有，調節電機轉速的占空比也很重要，因為，盡管電機的型號完全一樣，在使用時，左右兩輪的電機還是會有差異。所以，必須經過調試確定兩機轉速相同的占空比。如果兩機轉速不同，在行駛的過程中會出現搖擺的狀況。