一種自動(dòng)尋跡小車(chē)的設(shè)計(jì)

尚宇星

（青島工學(xué)院，山東 膠州266300）

1 設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)一個(gè)基于直流電機(jī)的自動(dòng)尋跡小車(chē)，車(chē)能夠自動(dòng)檢測(cè)地面黑色軌跡，并沿著黑色車(chē)軌跡行駛。自動(dòng)循跡小車(chē)控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測(cè)模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成。

2 系統(tǒng)工作原理

這里的循跡是指小車(chē)在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測(cè)法。

2.1 主控制電路模塊

整個(gè)系統(tǒng)主要由主控中心（單片機(jī)）、復(fù)位電路、時(shí)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(hào)燈電路等功能模塊組成。遇到特殊情況時(shí)可以通過(guò)按鍵電路控制實(shí)時(shí)交通實(shí)際情況。

2.2 紅外檢測(cè)模塊

紅外線光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。光電開(kāi)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(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化以達(dá)到探測(cè)的目的。由于光電開(kāi)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(chǎng)合得到應(yīng)用。

2.3 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊

L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。

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(diǎn)是可為專用集成電路、數(shù)字信號(hào)處理器、微處理器、存儲(chǔ)器、現(xiàn)場(chǎng)可編程門(mén)陣列及其他數(shù)字或模擬負(fù)載提供供電。一般來(lái)說(shuō)，這類(lèi)模塊稱為負(fù)載點(diǎn)，電源供應(yīng)系統(tǒng)或使用點(diǎn)電源供應(yīng)系統(tǒng)。由于模塊式結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)甚多，因此模塊電源廣泛用于交換設(shè)備、接入設(shè)備、移動(dòng)通訊、微波通訊以及光傳輸、路由器等通信領(lǐng)域和汽車(chē)電子、航空航天等。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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(gè)系列的傳感器種類(lèi)齊全、價(jià)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(cè)傳感器。

在黑線檢測(cè)的測(cè)試中，若檢測(cè)到白色區(qū)域，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒(méi)有反射到接收管，測(cè)量接收管的電壓為4.8V，若檢測(cè)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(cè)的接收管的電壓為0.5V，測(cè)試基本滿足要求。

判斷有無(wú)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(gè)接收管的參數(shù)都不一致，每個(gè)傳感器的比較基準(zhǔn)電壓也不盡相同，我們?yōu)槊總€(gè)傳感器配備了一個(gè)變阻器。

3.2 傳感器電路

通過(guò)ST188檢測(cè)黑線，輸出接收到的信號(hào)給LM324，接收電壓與比較電壓比較后，輸出信號(hào)變?yōu)楦叩碗娖?，再輸入到單片機(jī)中，用以判定是否檢測(cè)到黑線。

在小車(chē)具體的循跡行走過(guò)程中，為了能精確測(cè)定黑線位置并確定小車(chē)行走的方向，需要同時(shí)在底盤(pán)裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。4個(gè)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(jí)方向控制傳感器，X2與Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車(chē)前進(jìn)時(shí)，始終保持行走軌跡黑線在X1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車(chē)偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車(chē)的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車(chē)軌跡予以糾正。若小車(chē)回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車(chē)會(huì)繼續(xù)行走；若小車(chē)由于慣性過(guò)大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)探測(cè)器動(dòng)作，再次對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車(chē)循跡的可靠性。

3.3 控制器模塊

采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)作為主控制器。它是一個(gè)低功耗，高性能的8位單片機(jī)，片內(nèi)含32k空間的可反復(fù)擦寫(xiě)100，000次Flash讀存儲(chǔ)器，具有4K的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)I/O口，2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。

3.4 電源模塊

電源采用雙路開(kāi)關(guān)電源。明偉牌D-30W雙路開(kāi)關(guān)電源。輸出（5V、12V）。該開(kāi)關(guān)電源尺寸為12mm9×98mm×38mm，交流輸入轉(zhuǎn)換由開(kāi)關(guān)選擇，具有過(guò)流短路保護(hù)功能，能自冷散熱。低價(jià)位、高可靠。

3.5 電機(jī)模塊

電機(jī)采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)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(jī)，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100r/min。若車(chē)輪直徑為6cm，則小車(chē)的最大速度可以達(dá)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(dòng)模塊

驅(qū)動(dòng)模塊采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)。

L298N的5、7、10、12四個(gè)引腳接到單片機(jī)上，通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程就可實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速控制。

當(dāng)光電傳感器開(kāi)始接受信號(hào)，通過(guò)比較器將信號(hào)傳如單片機(jī)中。小車(chē)進(jìn)入尋跡模式，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車(chē)的狀態(tài)。單片機(jī)采用T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，通過(guò)來(lái)產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。

4 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用PWM來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度。PWM是通過(guò)控制固定電壓的直流電源開(kāi)關(guān)頻率，從而改變負(fù)載兩端的電壓，進(jìn)而達(dá)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(jī)調(diào)速、溫度控制、壓力控制等。

在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中，按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開(kāi)電源，并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)接通和斷開(kāi)時(shí)間的長(zhǎng)短。通過(guò)改變直流電機(jī)電樞上電壓的占空比來(lái)改變平均電壓的大小，從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，PWM又被稱為開(kāi)關(guān)驅(qū)動(dòng)裝置。

在脈沖作用下，當(dāng)電機(jī)通電時(shí)，速度增加；電機(jī)斷電時(shí)，速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律，改變通、斷電的時(shí)間，即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。

小車(chē)進(jìn)入尋跡模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車(chē)的狀態(tài)。

小車(chē)進(jìn)入循跡模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，即小車(chē)左半部分壓到黑線，車(chē)身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車(chē)向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級(jí)傳感器或右面第二級(jí)傳感器探測(cè)到了黑線，即車(chē)身右半部壓住黑線，小車(chē)向左偏出了軌跡，則應(yīng)使小車(chē)向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過(guò)了方向調(diào)整后，小車(chē)再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。

利用51單片機(jī)的T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，從而讓單片機(jī)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(dòng)芯片放大后控制直流電機(jī)。定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如0.1ms）比如中斷一次，就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。

5 結(jié)論

本次設(shè)計(jì)采用各個(gè)模塊分開(kāi)設(shè)計(jì)的方法，大大降低了設(shè)計(jì)的難度。主要基于STC89C52的最小系統(tǒng)，進(jìn)行外圍設(shè)備的擴(kuò)展。信號(hào)采集模塊進(jìn)行調(diào)試的時(shí)候，最重要的是電位器的調(diào)節(jié)，通過(guò)電位器的調(diào)節(jié)來(lái)控制信號(hào)采集的靈敏度。光線的不同會(huì)帶來(lái)不同的效果，所以，對(duì)于適應(yīng)環(huán)境，找到一個(gè)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(jī)轉(zhuǎn)速的占空比也很重要，因?yàn)?，盡管電機(jī)的型號(hào)完全一樣，在使用時(shí)，左右兩輪的電機(jī)還是會(huì)有差異。所以，必須經(jīng)過(guò)調(diào)試確定兩機(jī)轉(zhuǎn)速相同的占空比。如果兩機(jī)轉(zhuǎn)速不同，在行駛的過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)搖擺的狀況。