一種自動尋跡小車的設(shè)計

尚宇星

（青島工學(xué)院，山東 膠州266300）

1 設(shè)計要求

設(shè)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(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測模塊、電機及驅(qū)動模塊等部分組成。

2 系統(tǒng)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(shù)不同，可以根據(jù)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(tǒng)主要由主控中心（單片機）、復(fù)位電路、時鐘電路、按鍵控制電路、數(shù)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(zhuǎn)換成電信號的變化來實現(xiàn)控制的。光電開關(guān)是傳感器大家族中的成員，它把發(fā)射端和接收端之間光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達到探測的目的。由于光電開關(guān)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(yīng)用。

2.3 電機及驅(qū)動模塊

L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)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(yīng)器，其特點是可為專用集成電路、數(shù)字信號處理器、微處理器、存儲器、現(xiàn)場可編程門陣列及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。一般來說，這類模塊稱為負(fù)載點，電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點電源供應(yīng)系統(tǒng)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車電子、航空航天等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 尋跡傳感器模塊

ST系列反射式光電傳感器是經(jīng)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(zhì)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(qū)域，發(fā)射管發(fā)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(qū)域，接收管接受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)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(zhǔn)電壓由30K的變阻器調(diào)節(jié)，各個接收管的參數(shù)都不一致，每個傳感器的比較基準(zhǔn)電壓也不盡相同，我們?yōu)槊總€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?yōu)楦叩碗娖剑佥斎氲絾纹瑱C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(shè)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(dāng)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(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)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(xù)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。可以看出，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(nèi)含32k空間的可反復(fù)擦寫100，000次Flash讀存儲器，具有4K的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM），32個I/O口，2個8位可編程定時計數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。

3.4 電源模塊

電源采用雙路開關(guān)電源。明偉牌D-30W雙路開關(guān)電源。輸出（5V、12V）。該開關(guān)電源尺寸為12mm9×98mm×38mm，交流輸入轉(zhuǎn)換由開關(guān)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(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)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(chǎn)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(zhuǎn)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(tǒng)的要求。

3.6 驅(qū)動模塊

驅(qū)動模塊采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，其響應(yīng)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(xiàn)兩個直流電機的PWM調(diào)速控制。

當(dāng)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(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。單片機采用T0定時計數(shù)器，通過來產(chǎn)生PWM波，控制電機轉(zhuǎn)速。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)采用PWM來調(diào)節(jié)直流電機的速度。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進而達到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。PWM可以應(yīng)用在許多方面，如電機調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。

在PWM驅(qū)動控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個固定的頻率來接通和斷開電源，并根據(jù)需要改變一個周期內(nèi)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(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為開關(guān)驅(qū)動裝置。

在脈沖作用下，當(dāng)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(guī)律，改變通、斷電的時間，即可讓電機轉(zhuǎn)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(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。

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(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；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(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測黑線重復(fù)上述動作。

利用51單片機的T0定時計數(shù)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(jīng)驅(qū)動芯片放大后控制直流電機。定時計數(shù)器若干時間（比如0.1ms）比如中斷一次，就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個高電平或低電平。

5 結(jié)論

本次設(shè)計采用各個模塊分開設(shè)計的方法，大大降低了設(shè)計的難度。主要基于STC89C52的最小系統(tǒng)，進行外圍設(shè)備的擴展。信號采集模塊進行調(diào)試的時候，最重要的是電位器的調(diào)節(jié)，通過電位器的調(diào)節(jié)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(yīng)環(huán)境，找到一個合適的狀態(tài)，電位器的調(diào)節(jié)就顯得尤為重要了。還有，調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)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(jīng)過調(diào)試確定兩機轉(zhuǎn)速相同的占空比。如果兩機轉(zhuǎn)速不同，在行駛的過程中會出現(xiàn)搖擺的狀況。