一种自动寻迹小车的设计

尚宇星

（青岛工学院，山东 胶州266300）

1 设计要求

设计一个基于直流电机的自动寻迹小车，车能够自动检测地面黑色轨迹，并沿着黑色车轨迹行驶。自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块、红外检测模块、电机及驱动模块等部分组成。

2 系统工作原理

这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。通常采取的方法是红外探测法。

2.1 主控制电路模块

整个系统主要由主控中心（单片机）、复位电路、时钟电路、按键控制电路、数码管显示电路及LED模仿交通信号灯电路等功能模块组成。遇到特殊情况时可以通过按键电路控制实时交通实际情况。

2.2 红外检测模块

红外线光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电开关是传感器大家族中的成员，它把发射端和接收端之间光的强弱变化转化为电流的变化以达到探测的目的。由于光电开关输出回路和输入回路是电隔离的，所以它可以在许多场合得到应用。

2.3 电机及驱动模块

L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。

2.4 电源模块

模块电源是可以直接贴装在印刷电路板上的电源供应器，其特点是可为专用集成电路、数字信号处理器、微处理器、存储器、现场可编程门阵列及其他数字或模拟负载提供供电。一般来说，这类模块称为负载点，电源供应系统或使用点电源供应系统。由于模块式结构的优点甚多，因此模块电源广泛用于交换设备、接入设备、移动通讯、微波通讯以及光传输、路由器等通信领域和汽车电子、航空航天等。

3 系统硬件设计

3.1 寻迹传感器模块

ST系列反射式光电传感器是经常使用的传感器。这个系列的传感器种类齐全、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。采用ST188作为红外检测传感器。

在黑线检测的测试中，若检测到白色区域，发射管发射的红外线没有反射到接收管，测量接收管的电压为4.8V，若检测到黑色区域，接收管接受到发射管发射的红外线，电阻发生变化，所分得的电压也就随之发生变化，测的接收管的电压为0.5V，测试基本满足要求。

判断有无黑线我们用的一块比较器LM324，比较基准电压由30K的变阻器调节，各个接收管的参数都不一致，每个传感器的比较基准电压也不尽相同，我们为每个传感器配备了一个变阻器。

3.2 传感器电路

通过ST188检测黑线，输出接收到的信号给LM324，接收电压与比较电压比较后，输出信号变为高低电平，再输入到单片机中，用以判定是否检测到黑线。

在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。4个红外探头，循迹传感器全部在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持行走轨迹黑线在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级探测器动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。

3.3 控制器模块

采用Atmel公司的AT89C51单片机作为主控制器。它是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含32k空间的可反复擦写100，000次Flash读存储器，具有4K的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，2个8位可编程定时计数器，且可在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。

3.4 电源模块

电源采用双路开关电源。明伟牌D-30W双路开关电源。输出（5V、12V）。该开关电源尺寸为12mm9×98mm×38mm，交流输入转换由开关选择，具有过流短路保护功能，能自冷散热。低价位、高可靠。

3.5 电机模块

电机采用直流减速电机，直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。

可选用减速比为1：74的直流电机，减速后电机的转速为100r/min。若车轮直径为6cm，则小车的最大速度可以达到V=2πr*v=2*3.14*0.03*100/60=0.31r4m/s。能够较好的满足系统的要求。

3.6 驱动模块

驱动模块采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机。

L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可实现两个直流电机的PWM调速控制。

当光电传感器开始接受信号，通过比较器将信号传如单片机中。小车进入寻迹模式，即开始不停地扫描与探测器连接的单片I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。单片机采用T0定时计数器，通过来产生PWM波，控制电机转速。

4 系统硬件设计

本系统采用PWM来调节直流电机的速度。PWM是通过控制固定电压的直流电源开关频率，从而改变负载两端的电压，进而达到控制要求的一种电压调整方法。PWM可以应用在许多方面，如电机调速、温度控制、压力控制等。

在PWM驱动控制的调整系统中，按一个固定的频率来接通和断开电源，并根据需要改变一个周期内接通和断开时间的长短。通过改变直流电机电枢上电压的占空比来改变平均电压的大小，从而控制电动机的转速。因此，PWM又被称为开关驱动装置。

在脉冲作用下，当电机通电时，速度增加；电机断电时，速度逐渐减少。只要按一定规律，改变通、断电的时间，即可让电机转速得到控制。

小车进入寻迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。

小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判断处理程序，先确定4个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果左面第一级传感器或者左面第二级传感器探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是右面第一级传感器或右面第二级传感器探测到了黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作。

利用51单片机的T0定时计数器，从而让单片机P0口的P0.4和P0.5引脚输出占空比不同的方波，然后经驱动芯片放大后控制直流电机。定时计数器若干时间（比如0.1ms）比如中断一次，就使P0.4或P0.5产生一个高电平或低电平。

5 结论

本次设计采用各个模块分开设计的方法，大大降低了设计的难度。主要基于STC89C52的最小系统，进行外围设备的扩展。信号采集模块进行调试的时候，最重要的是电位器的调节，通过电位器的调节来控制信号采集的灵敏度。光线的不同会带来不同的效果，所以，对于适应环境，找到一个合适的状态，电位器的调节就显得尤为重要了。还有，调节电机转速的占空比也很重要，因为，尽管电机的型号完全一样，在使用时，左右两轮的电机还是会有差异。所以，必须经过调试确定两机转速相同的占空比。如果两机转速不同，在行驶的过程中会出现摇摆的状况。