基于51单单片机的自动循迹小车 - 图文

2 自动循迹小车系统方案设计

2.1 自动循迹小车基本原理

循迹就是能够沿着给定的轨迹运行，一般给定的轨迹为在白色地面上黑色轨迹。为了实现这一目的，就需要轨迹检测模块，这相当于小车的眼睛，需要将路面信息返回到大脑中，这大脑就需要有信息处理功能的微处理器来构成，处理的信息需要执行机构来执行，这就需要电机驱动模块，来实现小车的行走功能，而一个完整的系统，还需要有电源模块来提供能量。

简言之，系统的基本原理就是：循迹模块将检测到的路面信息传送给微处理器来处理，然后将处理结果送到电机驱动模块执行，达到循迹的目的。

2.2 总体方案设计

2.2.1 系统总体方案的设计

根据论文的要求，系统设计方案如下：本自动循迹小车以STC89C52单片机作为微控制器，采用RPR220型红外对管组成循迹模块，采用L298电机驱动芯片和两个直流减速电机构成电机驱动模块，以7805稳压管构成电源电路。自动循迹小车系统结构框图如图2.1所示。

7805稳压电源模块

STC89C52 单片机 电机驱动模块L298 2个电动机 轨迹探测模块 图2.1 自动循迹小车系统结构框图

2.2.2 方案选择与论证

(1)控制器的选择

方案一：STC89C52单片机作为系统的控制器。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案，stc系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试，并且价格便宜。

方案二：采用FPGA作为系统的主控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，IO口资源丰富，易于进行功能扩展，处理速度快，常用于大规模实时性要求较高的系统，但价格高，编程实现难度大。

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本系统逻辑功能简单，仅仅需要接收传感器的信号和控制电机，对控制器的数据处理能力要求不高，从性价比方面考虑选择方案一。

(2)电源模块

方案一：电脑USB串口供电。能直接为单片机提供稳定的+5V直流电压。USB串口线又容易得到。但需要很长的线，这样导致无法在室外工作。

方案二：用7.2V充电电池组作为小车供电电源。经7805稳压后给单片机供电，而7.2V电压可直接接在L298驱动芯片上作为两个直流电机的驱动电压。在不超过单片机工作电压范围的情况下，又能驱动直流电机。这个电源结构简单，价格便宜，容易得到，而且能够重复使用。

方案三：采用4节普通5号电池作为小车的供电电源。刚买的5号电池测得电压为1.7V，4节就是6.8V，单片机需要5V电源，因此用7805稳压到5V后供电，但是其放电电流不大，导致电动机转速很慢，而且在使用过程中，其电压会明显降低，普通5号电池会降到1.4V以下，这样导致经过7805稳压后电压小于5V，完全无法带动整个系统正常工作，因此放弃该方案。

综上所述，选择方案二作为小车电源模块，经济实惠。 (3)电动机的选择

方案一：采用直流电机。直流电机转动力矩大，响应快速，体积小，重量轻，直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转,能满足各种不同的特殊运行要求，价格便宜。

方案二：采用步进电机。步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的精密执行原件。控制方便，体积小，灵活性和可靠性高，具有瞬时启动和急速停止的优越性，比较适合本系统控制精度高的特点。但步进电机的抖动比较大，输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统，价格还比较昂贵，所以这里不采用此方案。

由于直流电机价格便宜、控制简单，因此本设计用方案一。 (4)电动机驱动模块的选择

方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

方案二：采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

方案三：采用专用电机驱动芯片L298作为电机驱动芯片。L298中有两套H桥电路，刚好可以控制两个电机。它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。L298的驱动功率较大，在6~46V的电压下，可以提供2A的额定电流，并且具有过热自动关断和电流反馈检测功能，安全可靠。

基于以上的分析，建议电动机驱动电路选择方案三。 (5)循迹传感器的选择

方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和

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黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。

方案二：用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。

综上所述，循迹传感器选用RPR220光电对管，经济实惠，使用方便，精确度高。

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3 系统硬件设计

3.1 自动循迹小车硬件设计

自动循迹小车的硬件电路主要由稳压电路模块、电机驱动模块、循迹模块、控制模块等组成，循

迹小车硬件电路图如图3.1所示。

图3.1 循迹小车硬件电路图

稳压模块将7.2V电压降到5V给单片机、循迹模块以及L298芯片供电，而7.2V电压则作为电机的驱动电压，时钟电路采用12Mhz晶振，提供单片机内各种微操作的时间基准，复位电路用于使单片机的片内电路初始化，循迹电路由4组RPR220型光电对管和LM393电压比较器构成，检测到黑线时输出高电平给单片机，在白线上时则输出低电平信号，单片机根据检测到这个信号相应的控制2个电动机正反转或加减速等等。

3.2 单片机控制器模块设计

STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K系统可编程Flash存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和系统可编程Flash。具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外STC89C52可降至0Hz静态逻辑操作，支持2种软件可选择节

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