智能循迹小车的电气设计概述.docx

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智能循迹小车的电气设计概述

毕业设计说明书（论文）中文摘要

智能循迹小车是一个集单片机、传感器、电机调速技术于一体的可实现自动识别路线、测距、避障功能的智能运动载体。

本设计为单片机控制小车自动循迹、避障、测距的综合设计方案。

STC12C5A60S2作为本次设计的主控制芯片。

此次综合方案循迹模块采用tcrt5000红外反射式光电开关传感器，通过红外传感器感知黑线与地板反射光线的不同，并通过电压比较器获得数字量；执行部分由两个直流电机组成，采用pwm调速控制，PWM信号由单片机调制得到；距离检测模块由超声波传感器负责完成，距离显示由lcd液晶显示屏显示；避障模块由车子左前方的红外传感器负责检测距离，单片机做出判断并给予动作指令，直流电机做出后退、右转等避障动作；本设计电路简单，可靠性高，能满足各种设计要求，且提升空间较大。

关键词：

智能小车；STC单片机；直流电机调速；超声波测距；lcd1602显示

1绪论

1.1智能小车的研究背景与市场价值

随着微型计算机控制技术、信息感测技术、电力电子技术的迅猛发展，产品的小型化、可塑性、柔性化越来越受到人们的关注。

人们越来越注意将现代科技融入到现实生活个个方面，将更多的事情交给机器执行，从而更大程度上解放人的双手，极丰富了人们的精神生活。

另一方面，机器逐渐取代一些繁琐重复的工作过程，使人有更多时间和精力去开发更多人工智能，为社会生产力发展水平的提高做出更多贡献。

目前，企业对提高生产技术、节约用人成本、车间自动化水平有着迫切要求。

智能车辆基础上研发的自动物流运输设备受到了广泛关注。

不光在工厂车间里智能小车有广大的前景，更重要的是，智能小车在军工产业、消防器材上的不可估量的研发与投资价值。

军工上，排爆机器人、侦查机器人已成为现代战争中的不可缺少的特殊军用设备。

在遇到险情时，士兵不必亲自到前线查看敌情，而是通过车载摄像智能小车进入战场勘测敌情，小车可以受到遥控接收战场信号，甚至可以携带枪支或炸弹。

以最小的成本获取信息、杀伤敌军。

这种方式较为隐蔽。

消防上，智能小车可以制作成抢险车辆，当发生地震等重大灾害时，人无法到达的地方都可以让小车展开探测搜救工作。

智能小车，是一个集环境感知、规划决断、自动行进于一体的高新行动载体。

其中广泛的应用了传感技术、系统自控技术、数模电子技术。

1.2智能小车的现状

智能小车主要应用在工业现场货物运输，辅助驾驶系统，以与车辆自动驾驶系统中。

较为精尖的应用在军事领域,如军事侦察机器人，该机器人的工作环境诸如丘陵、山地丛林、开阔的野外环境，其中较为出名的轻型地面侦察机器人“背包”机器人，是由美国IROBOT公司研究开发的。

该机器人装备了远距离光学摄像机并接装了延长杆，此外也加装了传声器、声波定位器、红外传感器、罗盘、激光扫描、微波雷达等传感设备。

具有自动、遥控、智能自控制等功能。

其它以此为基础开发的地面移动机器人分别具有侦察、探测险情、排爆等功能。

“龙行者”（Dragonrunner）布控式地面侦察机器人、欧弗洛（OFRO）室外安检机器人、“徘徊者”（PROWLER）地面武装机器人、MR-5排爆机器人等等，都是走在智能地面移动机器人的前列。

1.3智能小车的设计思路

小车的头部有两对红外传感器，发射器向地面发射红外线，黑线和地面之间反射的亮度会有差异（黑线会吸收大部分的红外光线），地板反射的红外光线由光电开关的三极管接收端接收，并使三极管导通，通过电压比较器获得单片机识别的数字量，以此来矫正小车方向；车头部分有超声波传感器和红外传感器，对小车前面是否有障碍物进行判断，并驱动两侧电机正转和翻转。

STC特有的两路PWM脉冲信号输出，输出脉宽可调的方波，让信号输入到L298N驱动芯片。

宽度可调方波控制三极管通断，以此实现直流电机的调速。

的设计显示部分：

LCD1602液晶显示器显示测距结果，实现对超声波测的距离的实时监控。

1.4主要功能

功能：

A.智能车辆的主要功能是实现对黑线的智能循迹。

B.检测智能车辆与障碍物之间的距离，距离信息依靠LCD显示屏显示。

C.在距障碍物特别近时（大概十几厘米），车辆停止并名蜂鸣器，向右缓慢绕圆避障，最终回到轨道。

2方案的设计与论证

方案如下：

现有三轮玩具车一辆，前两轮为动力轮，后轮是转向轮，此为智能循迹小车的主体架构。

在车上加装红外反射式光电开关、超声波传感器作为小车的感知部分。

装置一套单片机控制系统作为小车主控部分。

动力层面：

两台直流电机组成，并配有调速电路。

显示部分由LCD显示屏完成。

各部分连接到单片机上，共同协同工作完成循迹避障工作。

2.1主控系统

方案一：

选取ＡＴ89C51单片机作为智能车辆的控制核心芯片。

89C51是一个低功耗、高性能的8位单片机。

片4ＫFlashROM，片外最多可扩至64KBROM因此，统一编址0000H-FFFFH，其中0000H-0FFFH是片编址。

4个8位並行口P0-P3，每个口既可以作为输入亦可当作输出。

两个16位定时计数器。

五个中断源。

一个串行I/O口（单片机之间通信）。

但是基本I/O不够多，无法满足需求。

因此放弃。

方案二：

选取STC12C5A60S2单片机作为本次综合设计的主控制芯片。

用它来完成信息的采集、处理，给执行元件输送动作指令。

STC12C5A60S2芯片不仅兼容AT89C51的全部指令，部架构上还多了许多较好的补充。

如；增加两路PWM信号电路；I/O接口的驱动能力增强达到20mA，每个输入输出口都有四种工作模式（见下文），还有部分增加的功能下文做介绍。

输入输出端口较多，方便日后拓展功能。

再者，本次设计需要两路PWM信号，选用STC12C5A60S2芯片可以使用现成的端口，因而可以节省出定时器计数器。

方便更多功能的拓展。

所以采用方案二

2.2循迹传感器模块

方案一：

采用两只简易光敏电阻，但实际效果并不理想。

行驶过程中对稳定性要求很高，方案一误测机率较大、易受光线环境和路面介质影响。

在使用的过程中极易出现各种问题，

采取光敏电阻作为循迹传感器，利用不同光强下光敏的阻值变化这一特性，感知地面光照的不同。

但是，光敏电阻的反应不够灵敏，有一定的时滞，响应速度上跟单片机不在一个等级上，从而影响本设计中最重要的循迹功能。

故放弃方案一。

方案二：

运用集成型红外反射对管作为寻迹模块的传感器。

将两对传感器分别置于前部车身靠近黑线的两侧，两侧分别有红外发射端、接收端。

采用红外线发射器有很大的优势，主要是，可见光对接收信号的影响较小。

两对光电开关与相关电路根据地板和黑线反射光线强度的不同做出开关量的判断，并且键数字量传入单片机，单片机做出方向上的修正。

测试表明，只要调整好两对红外光电开关的位置就能很好的实现循迹功能。

经过多番测试，两对传感器之间距离是黑线的1.2—1.7倍之间效果较好。

另外，选好平整光洁的地板。

本方案便很容易实现。

故选用方案二。

2.3测距避障模块

方案一:

选用两对红外传感器置于智能车辆的头部两侧，正对前方。

该装置能够对小车与障碍物的距离、方位做出准确判，可以判断障碍物是在左侧还是右侧。

但是，该方案需要两对红外传感器，成本较高。

另外，红外测距距离较近，一般为4-20cm。

且室混杂其它光线，容易扰乱红外端。

如果是专门的避障车可以采用此方案，但本着简易稳定的原则，所以未采用。

方案二：

选用超声波传感器。

超声波测距的优势:

检测距离在0.1-4m之间，检测精度在1cm，它具备不易受外界干扰，成本低，检测距离远，不易受室光线和黑线的影响等特点。

配合一对红外反射对管实行避障功能，将一个红外对管置于车子左前方，靠近物体后即标记停止位。

故本设计选择方案二超声波检测。

2.4显示模块

方案一：

选用LED数码管显示：

它具有结构简单，电路简易、功耗低、寿命长的特点。

但LED数码管显示的容单一，只能显示数字和简单的字母。

但是本设计用到的显示不止一位，如果显示多位数据就要使用多个数码管，就要用到动态刷新或是增加I/O口，就会浪费过多的输入输出口，复杂化电路。

故不予考虑。

方案二：

选用LCD显示：

显示的容丰富，控制电路简单使用方便，较为美观，一个液晶显示器就可以满足不同功能的显示

对于本课题的要求，选择LCD显示方式，选择方案二。

2.5电机驱动模块

方案一：

使用步进电机。

步进电机具有优良的可控性和精确性。

在精确控制场合，对电机转动速度、角度要求较为严格的情况下，当给电机一个电脉冲时，步进电机就会转动一个特定的角度，角度可转化成距离，这样可以实现精确控制。

然则当步进电机需要连续转动时就需要持续地输入连续的脉冲信号。

转动速度只与外加脉冲频率有关。

转动速度不仅不受电压波动、负载情况影响，还不受温度、气压影响。

但是步进电机的驱动电路较为复杂，价格也比较昂贵。

方案二：

采用直流电机。

直流电机具有良好的调速性能，控制也较为简单，直要电机两端加电压就可以使电机转动，电压越高转速越快。

改变正负极就可以改变旋转方向。

所以，直流电机常用的PWM方式驱动，即将方波信号通入H桥三极管，通过时序控制改变成对三极管通断情况，这样就能改变电动机正反转。

改变PWM占空比就可以实现调速。

本设计中采用L298N集成双H桥芯片（图2.1），刚好控制两个电机。

这种调速方法调速围大，有续流二极管可以较好地保护电路。

速度调节匀称、平缓。

制动和翻转迅速。

优点较多。

直流电机即可满足小车要求的精度。

所以取方案二。

图2.1H桥式电路

2.6电源模块

方案一：

选用4节1.5V干电池降压到5V给单片机供电。

一节9V电池给电机供电。

一共五节电池，重量太大，不易携带，加重小车负担。

故放弃

方案二：

用一块5V的手机电池给单片机供电，一节9Ｖ电池给电机供电。

两块电池满足小车用电要求且重量适中，方便车辆携带。

采用方案二。

2.7机械系统

本次设计要求循迹小车机械系统稳定可靠、灵活简单，用现有的三轮玩具车，其中前两轮是驱动轮，后面一个轮子是万向轮，负责调整方向。

放弃采用四轮车，四轮车增加了两个电机，且转向不方便，造价成本较高。

驱动部分：

由于智能车辆电机功率较小，车载元件过多，负担很重。

在直流电机和轮子之间加装三级减速齿轮可实现小车平稳启动，问题解决。

3主要器件的介绍

3.1STC12C5A60S2的介绍

国STC公司的单片机产品在国能市场上具有很强的竞争力。

它部具有大容量FLASH程序存储器,同时兼容8051单片机指令。

STC单片机片就自带60KFLASHROM,满足较大篇幅程序的写入。

而且STC系列单片机支持串口程序烧写。

STC12C5A60S2单片机比寻常单片机多两个IO口P4、P5能实现更多的控制功能。

它的速度比一般单片机快8-12倍。

有4个16位定时器。

部集成两路PWM电路，8路10位A/D转换。

其有以下特点：

1.工作电压：

3.3-5.5V；

2.工作频率：

0-35MHz；

3.40K/48K/60K字节应用程序空间；

4.集成1280字节RAM；

5.36、40、44个通用ＩＯ口。

复位后可设置成四种模式。

即：

强上拉、强退挽、高阻、开漏。

6.A/D转换。

8路10位精度ADC。

高速转换速度可达每秒钟25万次。

7.有WATCH_DOG

8.工作温度围：

-40-+85℃（工业级）/0-75℃（商业级）

9.中断优先级有四种状态可定义

芯片引脚图如图3.1所示。

图3.1STC12C5A60S2单片机管脚图

STC12C5A60S2各个引脚功能简单介绍如下：

3.2L298N的介绍

L298N是ST公司旗下一款出色的驱动芯片。

芯片部包含两套双H桥电路，每一套H桥电路能控制一个直流电机。

芯片的驱动电压为5V，输入端能接受标准电平（4.5-7v）。

电机的驱动电压不同于芯片驱动电压，可接受2.5V-46v（取决于不同的电机等级）。

H桥上需要添加续流二极管，来保护驱动电路中的三极管。

OUT1，OUT2之间接直流电机M1，由IN1、IN2信号控制正反转，PWM1也就使能端A控制电机转动和停止。

OUT3，OUT4连接电机M2，由IN3、IN4，PWM2控制。

图3.2，L298N部原理图。

图3.1L298N实物图

图3.2L298N部H桥原理图

3.2.1L298N的引脚功能

L298N芯片的引脚图如下图3.3，其引脚功能见表3.1。

图3.3L298N引脚图

表3.1L298N的引脚功能表

3.2.2L298N的运行参数

L298N的运行参数见如下表3.2.

表3.2L198N的运行参数

3.2.3L298N的逻辑控制

表3.3L298N功能逻辑表

3.3TCRT5000的介绍

TCRT5000具有结构紧凑建设的特点。

光源和探测器排列在同一方向，它的工作波长为950mm，探测器是由光电晶体管组成。

在它正常工作时，蓝色发射管向正前方发射一束红外线，障碍物存在时红外光线束被反射回来，红外接收管接收反射光线后呈导通状态。

通过状态量的变化感知反射光线的光强。

如图示：

图3.4TCRT5000实物图图3.5TCRT5000引脚简单示意图

3.4LM324的介绍

LM324为集成四路运算放大器，有相位补偿且电路功耗很小，采用14引脚双列之差塑料封装。

元件本质上就是一个运放电路，反馈回路无穷大。

它有5个端口，V+和V-接正负电源。

Vi+，Vi-接输入端，一个接正相端一个接反相端。

Vo接输出端。

当正相输入端电压大于反向输入端电压时，那么运放输出低电位。

单个运放器如图3.5所示。

LM324引脚排列如图3.6所示。

。

3.5超声波传感器的介绍

本设计选用HC-SR04超声波测距。

HC-SR04超声波测距模块有4个引脚，如图3.8示，发射端（Echo）接收端（Tring）直流5V电源端，接地端。

HC-SR04超声波测距的测距原理：

在Tring端口加一个大于10us的高电平，模块发送8个高频脉冲方波。

之后，检测是否有返回信号到来。

如果信号接收端接收到反射信号，将记录发射到返回之间的时间差。

通过计算得到距离。

距离等于声速与时间差的积的1/2.

图3.8HC-SR04超声波测距模块实物图

3.5.1HC-SR04超声波测距模块的特性

HC-SR04超声波测距模块的电气参数见表3.4所示。

表3.4HC-SR04超声波测距电气参数

HC-SR04超声波测距模块的时序图如图3.9所示。

图3.9超声波测距模块时序图

通过时序图可以看出，当给Trig引脚一个不少于10us的脉冲触发信号。

触发信号部高频信号波，回响信号的示意图。

3.6液晶显示器

LCD1602液晶广泛应用单片机系统中，较之数码管显示液晶显示具有显示容丰富驱动简单等特点。

顾名思义，1602代表它能显示16*2个字符，分两行显示。

显示模式是点阵显示。

如图3.10示：

图3.10LCD1602液晶显示器实物图

此显示器为16引脚封装，部控制器选用HD44780芯片。

外部1—16号引脚具备以下功能：

电源和接地、读写、使能、数据、背光。

方便与单片机相连接，因而广泛使用。

3.6.1LCD1602的各个引脚的功能说明

LCD1602采用标准的14脚（无背光）和16脚（带背光）接口，各个引脚的接口说明如表3.5所示。

表3.5LCD1602引脚接口说明

各个引脚说明如下：

3.6.2LCD1602的工作时序

1602液晶模块作为单片机外部器件，基本操作以单片机为主器件运行。

基本操作包括读状态、写指令、读数据、写数据、初始化和清屏。

数据通过LCD1602的并行数据端口DB0～DB7传输，操作类型由3个控制端电平组合控制；根据1602LCD的引脚说明，这4种基本操作时序所对应的引脚状态应安排如下。

说明：

1为高电平，0为低电平。

（1）读状态。

输入：

RS=0，RW=1，E=1；

输出：

DB0～DB7=状态字。

（2）写指令。

输入：

RS=0，R/W=0，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=指令码；

输出：

无。

（3）读数据。

输入：

RS=1，RW=1，E=1；

输出：

DB0～DB7=数据。

（4）写数据。

输入：

RS=1，R/W=0，E=下降沿脉冲，DB0～DB7=数据；

输出：

无。

在数据或指令的读写过程中，控制端所加电平有一定的时序要求。

图3.11和图3.12所示，分别为该器件的读、写操作时序图。

时序图说明了3个控制端口与数据之间的时间对应关系。

图3.11读操作时序

图3.12写操作时序

3.6.3LCD1602的指令集

1602液晶模块部控制器的操作受控制指令指挥，各指令利用1B的16进制代码表示，共有11个控制指令。

在单片机向LCD1602写指令期间，要求RS=0，R/W=0，然后在E的上升沿作用下把数据写入LCD1602，各个指令代码功能见表3.6。

表3.6LCD1602液晶模块部控制器的条控制指令

4硬件设计与模块原理

4.1总体方案的概述

本车辆使用STC12C5A60S2单片机作为主控芯片。

小车主要功能是无障碍时巡线前进最终完成整圈赛道。

在有障碍时，小车测距模块测出与障碍物之间的距离，小车缓慢前进，近距离时依靠车前面的红外对管检测障碍物，距离到达一个阀值时，对管发出指示信号，小车停止，执行右转圆周运行，速度较慢。

最终再次进入轨道。

小车总体电路图见附录。

图4.1简要框图

4.2STC单片机最小系统

STC最小系统主要包括STC单片机、复位电路和时钟电路。

STC单片机芯片作为本次设计的主控制器，负责处理传感器传送的实时信号，给部分输送动作指令，完成数据汇总处理的功能。

时钟电路为单片机提供时序控制，像节拍器一样有序指挥单片机完成工作。

复位电路是当单片机死机时使单片机复位到初始状态的电路。

将编译好的程序写入单片机，上电后加电自检，执行程序。

图4.2STC12C5A60S2单片机

4.2.1时钟电路

STC12C5A60S2单片机时钟系统兼容8051系列。

两个时钟源被装载到STC12C5A60S2单片机中。

其一是：

部R/C时钟震荡电路。

它会随着温度变化而产生变化，RC电路的频率会产生些许温飘，因而不适合工艺要求高的场合。

常温下，5V单片机频率11MHz-17MHz，3Ｖ　单片机为8MHz-12MHz。

外部时钟电路由XTAL1、XTAL2端口输入，中间放置石英振荡器。

两路各自串联一个微调电容，并接地。

这种外部晶振震荡电路提供了高精度的时钟。

图4.3外部晶体连接电路

4.2.2复位电路

外部RST引脚复位，外部低压检测复位，掉电复位，软件复位，看门狗复位，以上是STC12C5A60S2系列单片机共有五种复位方式。

在系统正常运行期间，且振荡器稳定后，在RST引腳施加一個持續24个機器週期脉衝信號，则cpu就可以相应并将系统复位。

把PC初始化0000H。

单片机从0000H單元執行程序。

除了進入系統需要初始化之外，當程序出錯或是操作失誤致系统锁死时，也可使用复位键重新启动。

图4.4复位电路

4.3电机驱动电路

本次綜合综合设计选用L298N作为驱动电机的主要元件，并配合8个续流二极管保护驱动电路。

上文在介绍L298N的时候已经叙述过其部的H桥电路。

单片机6个输入输出口就可以控制电机的转停，调速。

注意，VSS和VS电源电压不同作用也不同，切勿接反，5V是模块供电，9Ｖ（12V）是电机供电。

单片机调制的pwm信号波输入到ENA和ＥＮＢ中。

图4.6电机驱动电路

4.4循迹检测模块

智能车辆会循着地板上的黑线行进，重要元件TCRT5000型光电对管，上文元件介绍已经叙述。

如电路图如图3.4所示，TCRT5000发射管发射光线，检测到白色地板时，接收管导通，电压比较器正相端大于反相端，反向电压比较器输出低电平，LED2导通;相反，检测到黑线时，输出高电平，灯不亮。

单片机靠循迹模块传来的数字量判断传感器有没有压到黑线，如果左侧压到黑线，就会做出左侧电机减速的动作，依靠速度差调整方向、位置，右侧同理。

所以，小车是在不停的左右摆动中行进的。

本次设计中的循迹模块利用简单、价格合理的模块，应用普遍的检测方法是红外探测法。

市面上有很多红外传感器，在这里选用TCRT5000红外对管。

图4.7循迹原理

5软件设计

5.1程序设计流程图

本设计系统软件采用模块化结构，

由主程序组成部分：

a）电机驱动子程序。

b）中断子程序。

。

c）定时子程序

d）写数据子程序。

e）循迹子程序。

f）算法子程序等构成

g）读数据子程序。

h）测距子程序

i）避障子程序。

。

主程序流程图、小车循迹流程图和小车避障流程图如下图所示。

图5.1主程序流程图

图5.2小车循迹流程图图5.3小车避障流程图

5.2关键程序设计展示

5.2.1STC单片机部单元的定义

5.2.2STC单片机PWM信号调制

5.2.3超声波测距模块的设计

5.2.4LCD液晶屏的初始化程序

5.2.5LCD液晶屏的写指令程序的设计

5.2.6LCD液晶屏写数据程序

5.2.7LCD判忙程序

6系统调试

6.1调试的思路

本设计的智能循迹小车，一共分为五大模块。

分别是：

循迹模块、L298N驱动模块，超声波测距模块，LCD显示模块以与蜂鸣器报警模块。

调试的时候我们可以把五大模块分别调试，最后再把所有模块组合起来再进行最后的整机调试这样一个调试的思路。

6.2各个模块的调试

6.2.1LCD模块的调试

将LCD显示程序烧写到单片机中，测试LCD液晶屏的显示是否正常。

各个电路一般都已经模块化集成，所以不可能出现元件部错误，只要确保连线正常无误就可以了，用万用表检测每一根杜邦线的良好导电性就可以确保硬件的完好性。

程序无误的情况下就可以了。

调整偏执电压也就是LCD的3号引脚，变化阻值就调整。

图6.1LCD测试图

6.2.2超声波模块的调试

超声波传感器模块插入到插槽中即可。

对应的P3.0，P3.2引脚发送接收引脚。

电源接地引脚无误就可以了。

如图6.2示，超声波调试图。

6.2.3报警调试

蜂鸣器只用一个PNP管子就可以做成驱动电路。

P1.7输出口送0时候，管子导通，蜂鸣器发声。

图6.3蜂鸣器报警电路

6.3调试心得

进过一番调试，我们可以清楚的认识到计算机仿真和实物搭配、连接、调试的不同。

程序设计的合理性还要到实物实践中得到确认，同时，不断地修改程序调整，最终保证程序的正确性。

之后调整各个模块参数，到跑道上试验参数的正误和偏差量。

最终，可以确保循迹小车的完美运行。

在调试的过程中，我遇到过许多问题。

例如，在宿舍调试小车时，宿舍光线不是太好，此时的循迹模块就不能正常工作，要想正常工作需要调节循迹模块的偏量电阻，当到实验室再次试验时，需要再次调节电阻。

还又一次，超声波传感器失去作用，lcd不显示数值，后来更换供电电源也不行，经过一番检查后才发现是模块插槽的地线接线断路，用万用表检测出线路断路。

跟换新的线路后，模块正常运行。

这些事告诉我，做事一定要有条理，按部就班，逐级逐级检测故障点。

经过多次测试证明，当两对循迹传感器并排且之间距离等于黑线宽度的1.2-1.7倍时循迹效果最好。

结束语

本课题研究的容主要是智能小车的循迹系统。

以实验组装小车为基础，使用了两个循迹传感器来探测地面黑色轨迹的信号