探索電子電路實驗項目化
——智能尋跡小車的設計＊

黃靜月，常博學，王日霞

（1.桂林電子科技大學，廣西 桂林 541004；2.桂林航天工業學院，廣西 桂林 541004）

隨著人工智能時代的到來，機器人、云計算等新一代科技將取代大部分機械勞動，智能尋跡小車又稱輪式移動機器人，是模擬無人搬運車的工作過程[1]，能夠按照預設軌跡自動移動，應用于無人駕駛動車、無人工廠及科學勘測等方面，已成為智能控制領域研究的熱點。重點研究智能尋跡小車對軌跡的自主識別與實時校正，使小車沿著軌道穩定地運動，這就要求整個小車具有較好的穩定性能和較強的抗干擾能力，并在此基礎進行升級，其研究結果在多個領域被加以推廣和應用[2]。

本文所設計的智能尋跡小車是由單片機主控模塊、二次電源模塊、電機驅動模塊及尋跡模塊等組成的。本文詳細介紹了基于單片機控制的智能尋跡小車的總體方案設計、控制過程、尋跡原理以及軟硬件設計與實現。

1 系統總體方案設計

系統由硬件部分和軟件部分組成。系統硬件模塊包括單片機主控系統、直流電機驅動電路、二次電源電路和尋跡電路。單片機主控系統作為小車的核心部件完成信息交換及智能控制，直流電機驅動電路控制電機運轉，二次電源電路提供各模塊所需電壓，光電傳感器作為路徑識別傳感器用來完成對白色底板上的黑色軌道的路面檢測及尋跡。光電傳感器檢測道路信息傳送至單片機微處理器，單片機微處理器根據道路信息驅動直流電機，控制小車穩定地尋線行駛[3]。系統軟件采用C 語言進行編程。智能尋跡小車的整體架構圖如圖1 所示。

圖1 智能尋跡小車的整體架構圖

2 系統硬件設計

2.1 電源模塊設計

電源電路提供各個模塊需要的穩定電壓，本系統采用5 節電池組作為主電源，經過L7805CⅤ穩壓塊處理后輸出5 Ⅴ電壓，為單片機、驅動電路及尋跡電路等電路提供電壓。L7805 三端穩壓器的1 腳為輸入端，2 腳為公共端（接地負極端），3 腳為輸出端（輸出ⅤDD+5 Ⅴ直流電壓）。當輸入電壓大于8 Ⅴ時，輸入到L7805 三端穩壓器的1 腳和2 腳后，經穩壓后，由2 腳和3 腳輸出穩定不變的+5 Ⅴ直流電壓。電源模塊電路圖如圖2 所示。

圖2 電源模塊電路圖

2.2 尋跡模塊設計

尋跡電路由TCRT5000 光電傳感器和LM393 電壓比較器2 部分組成，如圖3 所示。紅外光電傳感器為檢測信號工具，用黑色膠帶貼在白色的地板上作為軌 以根據接收到的反射光強弱來判斷道路。遇到黑線時光電接收管截止，輸出高電平，將會大于比較器反向輸入端電位，比較器輸出高電平，單片機根據傳送過來的信息會對小車實際狀態作出相應調整；反之，當小車在白色跑道正常行駛時，裝在車頭底部的紅外接收管接收白色跑道反射回來的信號，與比較器反向輸入端電位進行比較，輸出低電平，致使小車繼續前行。

圖3 尋跡電路圖

2.3 主控模塊設計

智能尋跡小車以單片機為控制核心，尋跡電路模塊的輸出信號送至單片機，通過單片機進行輸入/輸出口檢測信號，輸出驅動信號（高低電平信號）至驅動電路驅動2 個電機控制其前進、停止、左右轉向等行為，使其在彎、直道路上沿軌道穩定地自由行駛。單片機采用PWM 脈寬調速，實現小車在彎道上減速轉彎。

本文采用的單片機型號是STC89C52RC，p0.6、p0.7 用于接收尋跡電路傳送的信號，p0.0、p0.1 為驅動左輪電機PWM 控制信號接口，p0.2、p0.3 為驅動右輪電機PWM 控制信號接口。

2.4 驅動模塊設計

驅動模塊由驅動電路和直流電機組成。驅動電路由4 個三極管構成的H 橋驅動電路，單片機根據尋跡電路傳送過來的PWM 信息驅動電路控制電機運轉。由于單片機輸出的PWM 信號功率太小，不能直接驅動H 橋電路工作，所以在H 橋電路兩邊加上一個三極管對PWM 信號放大，才能進入H 橋驅動電路，控制道，黑色和白色對光線的反射系數不同，光電傳感器可電機穩定運轉。驅動電路圖如圖4 所示。

圖4 驅動電路圖

驅動電路工作過程：本系統使用2 個直流電機驅動小車的左右輪，p0.0、p0.1、p0.2、p0.3 分別控制小車的左右電機，完成小車的前進、左轉、右轉及停止等動作[4]。驅動電路由4 個三極管Q3、Q4、Q5、Q6組成的H 橋電路和1 個電機構成，要使電機運轉，必須導通對角線上的1 對三極管，因此Q3 和Q4、Q5和Q6 是互補對稱三極管。主控電路單片機輸出PWM1、PWM2 脈寬調速信號，經過Q1、Q2 三極管對信號進行放大。然后輸入到H 橋電路進行處理，其中PWM1 和PWM2 是互補的PWM 信號，PWM1 和PWM2 周期相同，占空比相同，極性相反，使得對角線上的2 個三極管同時導通，同時關斷。在PWM1 為高電平、PWM2 為低電平時，經過Q1 三極管對PWM1進行放大，使得Q3、Q5 都導通，Q4、Q6 都截止，電流從電源正極經過Q3，從左到右流過電機，然后經過Q5 流入電源負極，此時，直流電機正轉。在PWM1為低電平、PWM2 為高電平時，Q1 三極管對PWM2進行放大，使得Q4、Q6 都導通，Q3、Q5 都截止，電流還是從左到右流過電機，經過Q4 和Q6 形成電流回路，此時，直流電機反轉運動。

3 系統軟件設計

本系統通過C 語言編程實現系統功能，有利于單片機產品的重新選型和應用程序的移植，便于系統的后期維護和功能升級[5]。

系統流程分析：主程序關鍵作用在于導向及決策，首先初始化單片機主控系統，然后根據智能小車的狀態確定系統所要執行的任務，在行駛過程中，單片機對傳感器的信號實時判斷，左邊信號為低電平時控制左邊電機轉動，左指示燈亮；右邊信號為低電平時控制右邊電機轉動，右指示燈亮。當小車在軌道上直線行駛時，左右電機勻速轉動，左右指示燈亮；當小車在左彎道上，根據PWM 脈寬調速原理，左電機轉動的速度小于右電機轉動的速度；當小車在右彎道上，左電機轉動的速度大于右電機轉動的速度；到達終點時左右信號為高電平，電機停止轉動，指示燈滅。

4 系統測試

為驗證系統的可行性，將智能尋跡小車置于S 形軌道上進行功能及性能測試。圖5（a）、圖5（b）、圖5（c）分別是智能小車左轉、右轉及停止實物圖。實驗表明，通過左右兩輪可以實現智能尋跡小車的前進、轉彎及停止等尋跡功能，驗證了智能尋跡小車的穩定性及可靠性。

圖5 智能小車運動過程圖

5 結束語

本系統采用模塊化的設計原則，具有易擴充、易修改及相互獨立等優點。智能尋跡小車以單片機為核心部件，光電傳感器和電壓比較器共同完成智能小車的尋跡功能，單片機處理數據后，傳送給驅動電路，驅動直流電機轉動，實現小車的智能控制。