基于光电传感器的循迹小车设计

肖 谊

（山西大同大学物电学院，大同　037009）

随着智能化程度的深入，智能小车的受欢迎程度也在升温。以微型计算机为核心的物联网技术将越来越普及，带给人们意想不到的时代改变。

1　整体设计方案

1.1　设计整体方案

循迹小车系统采用STC89S52单片机作为控制核心，连接的外围电路有ST188红外线循迹模块、双电源供电电路、L298电机驱动电路、LM016液晶显示电路、PWM检测电路等组成的这样一个系统。系统的整体设计方案如图1。

图1　系统整体设计方案图

1.2　器件的选取

1.2.1控制器的选择

STC89S52单片机是一款低功耗节能型的高性能的51系列的增强型单片机，稳定性高，软件编程灵活。单片机内部含有高达8K字节的只读存储器，该存储器可以支持上千次的擦写。该单片机的指令系统能够兼容传统得51系列单片机的指令系统，很大程度上方便了移植各种模块的驱动程序，也减小了整个系统的设计的难度，所以本设计中选取STC89S52单片机为控制芯片。

1.2.2光电传感器选取

ST188光电传感器芯片既可以作为放出光线的源头，也可以作为接收器接受反射回来的光线，减少了元器件的个数。这种方法可以检测一定距离的光线反射，被称作非接触检测方式，常用于传真机纸张检测、位置检测等。ST188光电传感器产品体积小，好安装，另外具有很高的灵敏度，因此可以分辩出不同的各种颜色，是超高频光电传感器。该传感器检测时间非常短相当于1秒的1%，这样的速度用在超高速运转的机器上也可以精准的检测出来。所以本设计中选用ST188光电传感器。

1.2.3电机驱动芯片的选取

单片机输出的信号功率比较弱，不足以带动电机，因此需要加入电机驱动芯片才能使小车运行。根据需要本设计选择了L298N驱动芯片，这样的一块芯片就能够驱动两个直流电机转动。另外它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机发出PWM进行软件控制，进一步简化操作，使电路更加简洁方便。

2　硬件设计介绍

2.1　硬件总体介绍

系统采用STC89S52单片机通过ST188反射传感器和L298驱动电机对小车的运行方向、运行状况进行自动控制，很大程度上提升了整个系统控制的精确性和实时性。该系统利用了STC89S52单片机控制系统的精确性和实时性的特点对小车的运行轨道进行监控，使小车的运行保持在一定的范围内，以便于小车按照预定的路线行走。系统控制方法如下：通过ST188光电传感器组成的循迹模块检测黑色路经，单片机经过扫描连接传感器的端口获取信息，判断小车的状态；通过ST188传感器组成的循迹模块检测黑色路经，单片机通过不断扫描I/O口获得ST188传感器收集的信息，判断小车的状态再通过录入单片机的程序，进去相应的模块控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，实现小车左右转弯，最终实现小车沿轨迹行进。

小车行进过程中，当遇到转弯处时，三个反射式传感器就会检测到不同的数据，同时传递给单片机，通过单片机的分析判定小车是否偏离原有的直线轨道，使其能根据不同的情况采取相应的程序，使小车沿着轨道行驶。若遇到向左的弯道，传感器会将检测到的数据传给单片机，经过分析判定情况后驱动系统传给减速机，驱动机便会对左轮的电机进行减速，使小车向左开始转弯。

2.2　驱动设计

逻辑驱动电路在L298芯片内包括4个，还佩戴有减速齿轮组，减速齿轮组的作用就是利用两个轮子的转速来调节小车的行驶方向，从而使小车按我们设定的方向行驶。二相和四相电机通常安装L298N作为专用驱动器。L298N驱动芯片发出TTL逻辑电平，它的作用就是用信号控制电机，驱动46V、2A的电机是L298N最大的能力。STC89S51单片机P1口的第四位分别连接L298N驱动芯片的5、7、10、12端口，驱动芯片的OUT1和OUT2之间连接直流电机1；OUT3和OUT4端口之间接直流电动机2，分别控制电机的正反转和启动停止。

2.3　传感器电路设计

本设计采用常用的ST反射传感器中的ST188反射式光电传感器，它是由两个独立的器件发光二极管和光敏三极管组成，两个部件分别相当于反射模块和接收模块。ST188光电传感器循迹原理就是利用不同的颜色对红外线的反射能力不同，发光二极管发出光线，遇到不同颜色的物体，返回来的红外线光线强弱也不同。当光敏三极管接收到反射回来的光线时，就会把不同光弱强度的光转换为电压或电流信号，最后通过电阻和比较器LM324，转换为能被单片机识别的高低电平。ST188反射传感器、LM324电压比较器和电阻组成了循迹小车的检测模块。

2.4　液晶显示

实际的制作中采用的是TFT彩屏，但在protues仿真软件中没有彩屏模块，因此在仿真中采用了LM016L液晶液晶显示器。LM016L液晶显示器能一次性的将所有的参数显示出来，因为其用作字符型显示器时，可以做到同时显示2行字符，并且每行可达20个字符。LM016L液晶显示器不仅是一种字符型的显示器，也可以做点阵显示器，大大增加了显示的内容，提高了用户体验度。

3　软件系统设计

3.1　软件设计整体思路

智能循迹小车各个模块结合控制的系统工作流程如下；首先初始化各个模块，使各个模块进入等待状态，小车进入循迹模式后，即开始不停的扫描与探测器连接的传感器，一旦检测到有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号传递给单片机，判断应该并执行指定程序，进而L298驱动电动会通过控制小车两个轮子的速度纠正小车的运行状态。软件设计流程如图2。

3.2　循迹传感器原理及其使用

设计采用了3路传感器排成一排。一般来说，传感器越多，循迹效果越好。本设计采用的是3个ST188传感器，它既可以发射光也可以接收反射回来的光，使小车的系统更加简洁。

传感器通过深颜色对象时，由于发射的光大部分都被吸收，所以反射光就会弱，接收到的光线就更少；反之，当传感器通过浅颜色物体时，被吸收的光就少，能反射出来的光线就多，能被传感器接收到的光线也随之增多。判断传感器接触到的是黑色的线还是白色的板，是根据传感器随接收到的光线强弱而发生电压或电流参数高低变化判定的。当光电传感器开始接收信号，通过比较器将信号传递到单片机中，单片机根据接收到的信息判断应该进行哪个程序。赛道做成黑底白线或白底黑线原因是让电参数变化差异增大，便于判断。

图2　软件设计流程

4　结束语

循迹小车系统采用STC89S52单片机作为重要芯片，整个系统软硬件都是从简洁和方便易操作等方面入手的，利用串口连接PC机，可更有效的改变小车。另外通过扩展无线传输模块，让小车代替人们做很多事情，不仅减少了人们去做危险的机率，还会给我们带来意想不到的惊喜。

[1]石为人，周学益.室内清洁机器人避障路径规划研究.计算机应用，2007，27（6）：378.379.