红外自动循迹小车试验报告

1、摘要本实验完成采用红外反射式传感器的自寻迹小车的设计与实现。采用与白色地面色差很大的黑色路线引导小车按照既定路线前进，在意外偏离引导线的情况下自动回位，并能显示小车停止的时间。本设计采用单片机 STC89C51作为小车检测、控制、时间显示核心，以实验室给定的车架为车体， 两直流机为主驱动， 附加相应的电源电路下载电路，显示电路构成整体电路。自动寻迹的功能采用红外对管LTH1550实现，信号经三极管 9012放大，经LM339电压比较器比较之后将信号送给单片机， 由单片机通过控制驱动芯片L298N驱动电动小车的电机，实现小车的动作。同时还可以将小车的停留时间通过四位数码管显示。关键词：STC89

2、C51单片机；红外对管 LTH1550;红外传感器；寻迹22一、系统设计任务与要求小车从上坡处开始行驶，到达坡顶停留5秒，由数码管显示停留时间， 然后继续行驶，到达坡底开始沿黑线行驶，直到终点宽黑线停止。二、方案分析与论证总体方案设计：根据题目，我们设计了以下方案并进行了综合的比较论证，自动寻迹电动小车系统由小车主体 部分、微控制器模块、寻迹传感器模块、电机驱动模块、显示模块、电源模块构成。2.1总体方案论证与比较方案一：采用数字电路来组成小车的各部分系统，实现各部分功能。本方案电路复杂，灵活性 不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，设计困难。方案二：采用单片机来作为整机的控制单元。黑线检测采

3、用红外对管对光源信号进行采集，再经过三极管放大，电压比较使输出转化为数字信号送到单片机系统处理。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。方案二的基本结构图如下：图1总体系统结构框图2 .2 寻迹检测方案的选择方案一：采用CCD专感器。利用CCD专感器进行自动导航的机器人已得到初步应用。但CCD专感 器价格较高，体积较大，数据处理复杂，不适合本次实验使用。方案二：用红外对管作为寻迹传感器。 红外反射式传感器由1个红外发射管（发射器）和1个光电 二极管

4、（接收器）构成。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体（表面为白色或近白色）后被折回，被光电二极管接收到，引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化转为电压信号，该电压通过比较器LM339后转换为高电平（单片机的有效电平），检测出白线；若接收不到发射管发出的光线则输出为低电压，该电压通过比较器LM339后转换为低电平（单片机的有效电平），检测出黑线。方案可行，且红外对管使用方便，所以选用方案二。原理图见图2。图2正确选择检测方法和传感器件是决定循迹效果的重要因素，而且正确的器件安装方法也是循迹电路好坏的一个重要因素。从简单、方便、可靠等角度出发，同时在底盘装设5个红外探测头，进行两级方向纠

5、正控制，将大大提高其循迹的可靠性。2 .3 电机驱动方案的选择方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的进行调整.此方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案二：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，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为 电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。因此决定采用方案三.2 .4电机的选择方案一：采用步进电机，步进电机具有快速启动和停止能力，其转换灵敏度比较高，正转、反 转控制灵活。但是步进电机的

6、价格比较昂贵，且该实验对小车速度等没有特殊要求，因而， 不选用该方案二：采用普通的直流电机。 直流电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， 可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。可以满足实验要求。2.5稳压模块的选择7805稳压芯片使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源，使其输出电压恰好为5v,达到逻辑电路电压要求，因此， 直接选用7805作为稳压芯片，将电压稳压至5V给单片机系统和 其他芯片供电。2.6显示模块方案的选择方案一：使用液晶显示屏显示时间。液晶显示屏（LC。优点是：低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影象稳定不闪烁等优势

7、，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等。缺点 是：液晶显示屏是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库。编程工作量大，控制器的资源占用较多，在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护，其成本也 偏高。并且本系统只需要显示时间，信息量比较少，因此并不适于选用液晶显示屏。方案二：使用数码管显示行驶时间。数码管具备数字接口，显示清晰，价格较低，作为时间显示 的器件性价比非常高，方便易行。决定采用数码管显示行驶时间.三、单元电路设计3.1控制部分设计:小车控制单元是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行的作用。本实验采用的是 STC89C51单片机。控制

8、部分设计包括单片机的复位电路及起振电路。单片机晶体振荡模块采用最常 用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体选择11.0592MHz。具体电路见图3。单片机启动运行时，都需要先复位，单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应的 外部电路复位。复位电路采用按键手动复位，电路见图4。图3RESET3.2寻迹部分设计题目要求小车要沿着画出的黑线运动，但在运动过程中，车体不可避免地会偏离运动轨迹，为了能使车体在偏离后可以自动调整方向，重新回到运动轨迹上，系统需要将车体的运动状态及时地以电信号的形式反馈到控制部分，控制部分控制两个电机的左转，右转，使小车重新回到轨迹上。本设计中

9、共使用5个集成的红外对管LTH1550装在车体的前方。当检测到黑线时，红外对管的接收端接收到黑白线反射回来的红外光，其输出经LM339电压比较器后立即发生高低电平转换，该信号经9012放大后送到单片机进行分析处理。然后将处理后的结果发送到电机驱动模块，进行校正。电路见图5。wccvccLTH1550GNPGNDR41 I*vcc图53.3 .驱动部分设计由于单片机输出的信号不仅点压偏低，而且负载能力不够，不能用来直接驱动电机L298N动芯片是性能优越的小型直流电机驱动芯片之一。它可被用来驱动二个直流电机。在46V的电压下，可以提供2A的驱动电流。L298观有过热自动关断功能，并有反馈电流检测功

10、能，符 合电机驱动的需要。因此需要使用驱动芯片L298N,单片机输出的信号，经过 L298N实现功率的放大，从而驱动电机工作。L298N芯片是一种高压，大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的.电路图见图6.54321OU 14V V « 1 IX IX pppvssMOTOR 1LN2 PL3ENA Pl.2CJI 1.1OUT2nrTTL298NGNDCl104vsGNDR1IKGND图63.4稳压部分设计直流电机需要6V供电，但是单片机需要的电压是5V,这就需要稳压片将 6V左右的电压较为准确的控制为5V,而6V的电压直接给直流电机供电，保证用

11、一路信号实现两路功能。首先将电压源输 出的6V转换为5V直流稳压电源，实现方法是应用滤波电路 （电解电容）使电压变为平稳的直流电，然后通过稳压电路即 7805使输出5V直流稳压供给单片机及驱动芯片的相应电压。电路见图7。5V7805V VIN OUTCl :104C31 OOuFTlOi 示C2lOuFGNDGND3.5显示部分设计本实验采用四位共阳极数码管进行数码显示，它有四个位选，由于本实验只需显示小车停止行驶的时间，因而只需选通一位位选线，当各段阴极上的电平为“0”时，该段点亮，电平为“ 1”时，该段熄灭。数码管与单片机之间通过反相器74LS04连接，具体电路见图 8。pin二电Pllp

12、ojaPllPO.lPllP02Pl.4P03P15P0.4P1j5P03Pl.7ESTPD.7RKDEATKDALEINTOPSENTIHT)P2.7TOP2j®T1P2SWRPl.*RDP23KTAL2:PZSTALLP2.1国肋4h顿3810IT1920VUC1089C51g1Y3A6A2Y5¥3A5A3Y4YMW4AVCCI* T1174LS043.6下载电路设计下载电路用来下载程序，其中用为标准的TTL电平(5V)。电路见图电平转化MAX23攻现电平转化，将 PC机输出的 RS-232 (12V) 9。=C4104Cl104GNDvccCAP-CAP +CAP 2

13、+CAP 1 +CAP 2-CAP卜RT-OUT1T-IN1RT-OUT2T-IN2RR-IN1R-OUT1RR-IN2R-OUT2MAX232104GND四、系统软件设计4.1主程序流程图开始系统初始化前进坡顶停留5秒继续前进沿黑市寻迹否寻迹子程序中红外对管与小车偏转方向关系如表对管编号电动判点12345前进00100左偏00001左偏00010右偏10000右偏01000停止11111表五、系统功能测试5.1 测试仪器及设备测试仪器及设备如表2:仪器名称型号数量电源HH1713直流稳压电源1双踪示波器COS5040CH1电脑方正科技1万用表DT9025A1导线5.2安装调试及测量数据分析整

14、机焊接完毕，首先对硬件进行检查联线有无错误，再逐步对各模块进行调试。我负责的电源部分，驱动部分，黑线寻迹部分，具体测试过程如下：1. 电源测试过程6V电压输入，经稳压片 7805之后的电压为4 .80 V,电压在4.85.2V之间，所以该部分符合要 求。2. 驱动部分测试过程将驱动部分与单片机正确连接之后，在单片机中写入电机控制小程序，控制其转动与停止，用万用表测试输出电压正常。3. 黑线寻迹部分测试首先，通过调每一路的电位器（50K），使9012的C管脚输出电压为 4.7V4.8V,然后调节10K的电位器，使其两端的电压为 2.9V左右，作为阈值电压。设置好阈值电压之后，将电路板上有红外对管

15、 的那一面朝下，分别对着白纸和黑线，测每个红外对管的输出信号经电压比较器之后的电压，数据记录如表3:红外对管白纸电压（v）黑带电压（v）最左边10.054.95左边20.054.93中间30.054.95右边40.054.91最右边50.054.93且相差较大，经反表3由测量结果可知，每个红外对管检测到白纸和黑线的输出电压均位于阈值电压两侧, 相器比较后可以立即发生高低电平的转换，符合要求。至此，这三部分硬件调试完毕。整体综合调试将所有模块连接（加入最小系统，显示部分），检查连接无误之后， 写入总程序。开始整车测试, 数码管有显示，但是小车电机不转， 但有很轻的声音从电机中发出，想到可能是驱动

16、电路部分电压不够，在输入电压加到 6.4V后测试过程一切正常。六.结论完成了控制部分各模块的焊制及连接，以及51版的程序下载，数码管按照既定的计划轮换闪亮七：结束语在实验过程中，由于焊接的工艺不是很到位，初次完成电路板的焊制并下载程序后 ，数码管并没有 亮，通过检查焊点并更换排针排线 ，克服了接触不良的故障，由于是自己完成实验的控制部分 ，故小车 实际上并没有真正按照设计目的行驶 ，但同样在这次实验中，熟悉了 MCS51的功能及焊制方法，以及程 序的下载方法，在老师的帮助下，感觉收获很大.八.附录1.总电路图（见图 9,图10）mffi血ffl 4b£ B*e。-TJn.L TJ42

17、.兀件表（见表三）图10表三 兀件表元件名称规格数量STC89C511MAX232174LS041四位一体数码管 LG5641BH19针串口1晶振11.0592MHz1按键1直流电机6V2L298N1W78051LED1电源开关1LM3392红外对管LTH15505三极管90125电阻2405电阻5K5电阻1K6电位器50K5电位器10K1电解电容100uF1电解电容10uF1电容1046电容30pF23.程序#include <reg51.h>#include <intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint uns

18、igned int /定义用uint表示无符号整形常量sbit wei0=P2A0;sbit wei1=P2Al；sbit wei2=P2A2;sbit wei3=P2A3;/* 电机控制部分的数据定义*/sbit a0=P1A0;/分别用 a0,b0,a1,b1 替代/P3引脚P1 口的 P0 至ij sbit b0=P1A1;sbit a1=P1A2; sbit b1=P1A3;/*寻迹部分的变量定义sbit lefter_det=P3A2;P3A2sbit left_det=P3A3;P3A3*/sbit mid_det=P3A4;P3A4sbit right_det=P3A5;P3A5

19、sbit righter_det=P3A6;P3A6bit mid,left,lefter,right,righter, stop;示偏向哪边，从而做出适当的调整/最左边的红外信号传给/左边的红外信号传给/中间的红外信号传给/右边的红外信号传给/最右边的红外信号传给/ 一些标志位，用来表void status(void);void run_forward(void);void turn_left (void);void turn_lefter(void);void turn_righter(void);void turn_right(void);void stop_run(void);ucha

20、r code dis_710=(0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82, 0xF8,0x80,0x90;/*寻迹模块 */高电平说明检测到信号void status(void) (全都检测到信号，说明小车到达终点if(lefter_det&&righter_det) /(left=0;lefter=0;mid=0;right=0;righter=0;stop_run();else if(mid_det)left=0;lefter=0;mid=1;right=0;righter=0;run_forward();else if(left_det)left=0;lefter=0;mid=0;right=1;righter=0;turn_left();else if(right_det)left=1;lefter=0;mid=0;right=0;righter=0;turn_right();else if(lefter_det)left=0;lefter=0;mid=0;right=0;righter=1;t