基于紅外傳感器ST188的自動循跡小車設計

蘭羽

（陜西工業職業技術學院 電氣學院，陜西 咸陽 712000）

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已獲得廣泛應用。例如高溫高壓環境、有毒有害氣體環境以及外星探測等都有機器人的應用[1]，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。本文采用紅外傳感器ST188，單片機AT89S51為控制核心，設計了一種具有自動尋跡功能的小車系統。

1 系統方案

自動循跡小車控制系統由紅外傳感器檢測模塊、主控電路模塊、電源模塊、電機及驅動模塊等部分組成，控制系統的結構框圖如圖1所示。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，控制芯片根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”情況。小車在行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時產生漫反射，反射光被小車上的紅外傳感器ST188接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的傳感器接收不到紅外光，單片機以是否接收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。

圖1 循跡小車系統框圖Fig.1 Car tracking system block diagram

2 硬件電路

2.1 光電檢測模塊

1）ST188 紅外傳感器

紅外傳感器ST188屬于ST系列反射式光電傳感器，其在紅外檢測方面應用非常廣泛。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[2]。圖2是其實物及結構圖，其含一個反射模塊（發光二極管）和一個接收模塊（光敏三極管）。通過發射紅外信號，由接收到的信號變化情況判斷檢測物體狀態的變化。A、K之間是發光二極管，C、E之間是光敏三極管（二者在電路中均正接，但要串聯一定阻值的電阻）。

2）光電檢測電路

圖2 ST188管腳圖及實物圖Fig.2 ST188 pin diagram and physical map

圖3為光電檢測電路，其主要有光電模塊和比較器構成。紅外傳感器ST188檢測黑線，把接收到的信號送給運放μA741，該信號經電壓比較器后，產生電平信號，再輸入到單片機中，用以判定是否檢測到黑線。測試中，若檢測到白色區域，接收管的電壓為4.8 V；若檢測到黑色區域，接收管的電壓為0.5 V；二者均滿足測試要求。由μA741構成比較器，其基準電壓由30 K的電位器調節，每個傳感器的基準電壓都有差別，為此我們為每個傳感器配備了一個電位器[3]。

3）ST188紅外傳感器的安裝

圖4為4個ST188紅外探頭的具體位置，小車在循跡運行過程中，為了能精確定位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ST188探測頭，進行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。

圖3 光電檢測電路Fig.3 Photoelectric detection circuit

圖4 傳感器安裝圖Fig.4 Sensor installation diagram

2.2 控制器模塊

控制器模塊采用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，具有2個8位可編程定時計數器，4 k的隨機存取數據存儲器 （RAM），32個I/O口，且可在線編程、調試，方便地實現程序的下載與整機的調試[4-5]。其最小控制系統如圖5所示，采用按鍵復位和外部時鐘，晶振頻率為12 MHz。

2.3 驅動及電機模塊

1）驅動電路

圖5 時鐘電路和復位電路Fig.5 Clocking circuit and reset circuit

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可以控制2個直流電機。表1為L298N功能表。L298N 的5、7、10、12 4個引腳接到單片機上，通過對單片機編程就可實現兩個直流電機的PWM調速控制[6]，其驅動電路的設計如圖6所示。

表1 L298N輸入輸出關系Tab.1 L298N input output relationship

圖6 L298N電機驅動電路Fig.6 L298N motor drive circuit

2）電 機

電機采用直流減速電機，其具有轉動力矩大、裝配簡單、重量輕、體積小，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。在此選用減速比為1：74的直流電機，減速后電機的轉速為100 r/min。選擇車輪直徑為6 cm，則小車的最大速度可以達到Vmax=2πrv×3.14×0.03 ×100/60=0.314 m/s。

2.4 系統電源模塊

在圖7中，220 V市電經220 V/17.5 V變壓器降壓后得到的±17.5 V交流電壓，經過整流濾波后得到±18 V兩路電壓。其中+18 V經三端穩壓器LM7812得到+12 V，再經過LM7805得到+5 V的電壓；-18 V經三端穩壓器LM7912得到-12 V電壓，以作為系統本身的工作電源。

3 系統軟件設計

圖7 系統電源模塊Fig.7 System power supply module

本系統采用PWM來調節直流電機的速度，通過控制51單片機的定時器T0的初值，使單片機的P0.4和P0.5輸出口輸出不同占空比的方波脈沖，來調節加在電機兩端的電壓，從而控制電機速度。小車進入尋跡模式后，即開始不停地掃描與紅外探測器連接的單片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運行狀態。小車循跡流程圖如圖8所示。

圖8 小車循跡流程圖Fig.8 Car tracking chart

4 系統測試

為了測試智能小車系統的正常運動情況，設計場景對循跡小車系統進行測試。測試軌道距離如圖9所示，軌道采用環形的深色軌道。系統測試中，采取順時針和逆時針兩個方向運行的測試方法，以此來檢測智能小車左右轉的效果。經過在軌道A點、B點順時針、逆時針各2次，每次2圈的實際測試，測試數據結果如表2所示。

圖9 測試場景參數Fig.9 Test scene parameters

5 結束語

文中設計的循跡小車，采用紅外傳感器ST188為循跡模塊、單片機AT89S51為控制模塊。小車使用單元模塊化的電路設計，使得系統簡潔，響應快、性能穩定。經測試表明：小車實現了預期設定的循跡功能，并在規定的按時內，沿設定路徑完成循跡功能。為了使小車更加智能化，還可為小車擴展避障、自動識別、自動報警、自動制動、自動保持安全距離、車速檢測和巡航控制等功能。

表2 循跡小車測試結果Tab.1 Tracking car test results

[1]宋健，姜軍生，趙文亮.基于單片機的直流電動機PWM調速系統[J].農機化研究，2006（1）：102-103.

SONG Jian，JIANG Sheng-jun，ZHAO Wen-liang.PWM speed regulator for DC motor based on single chip[J].Journal of Agricultural Mechanization Research，2006（1）：102-103.

[2]邊春元，李文濤，江杰.C51單片機典型模塊設計與應用[M].北京：機械工業出版社，2008.

[3]蘭羽，盧慶林.儀表放大器在激光外差玻璃測厚系統中的應用[J].國外電子測量技術，2012，31（3）：79-82.

LAN Yu，LU Qing-lin.The use of instrumentation amplifier in glass-thickness measure system using laser heterodyne[J].Foreign Electronic Measurement Technology，2012，31（3）：79-82.

[4]蘭羽，周茜.超聲波測距系統接收電路研究[J].電子設計工程，2012，20（244）：81-83.

LAN Yu，ZHOU Qian.Study on the receiving circuit of ultrasonic distance measurement system[J].Electronic Design Engineering，2012，20（244）：81-83.

[5]董濤，劉進英，蔣蘇.基于單片機的智能小車的設計與制作[J].計算機測量與控制，2009（2）：380-382.

DONG Tao，LIU Jin-ying，JIANG Su.Design and manufacture smart car based on single chip[J].Computer Measurement&Control，2009（2）：380-382.

[6]魯慶.基于柵格法的機器人路徑規劃[J].電腦與信息技術，2007，15（6）：24-27.

LU Qing.Research of pathplanning for car-like robot based on grid method[J].Computer and Information Technolog，2007，15（6）：24-27.

[7]楊兵，劉偉杰.一種基于可視圖的機器人避障路徑規劃[J].電腦知識與技術，2009（2）：434-435.

YANG Bin，LIU Wei-jie.A method based on of robot path planning[J].Computer Knowledge and Technology，2009（2）：434-435.