自主循迹智能小车硬件设计

1、本科毕业设计(论文)题目 自主循迹智能小车硬件设计 学院名称 电气工程与自动化学院 专业班级 学生姓名 导师姓名 2021年 6 月 1 日摘 要本文论述了基于单片机的智能循迹小车的控制过程。智能循迹是基于自动引导机器人系统，用以实现小车自动识别路线，以及选择正确的路线。智能循迹小车是一个运用传感器、单片机、电机驱动及自动控制等技术来实现按照预先设定的模式下，不受人为管理时能够自动实现循迹导航的高新科技。该技术已经应用于无人驾驶机动车，无人工厂，仓库，效劳机器人等多种领域。本设计采用STC89C52单片机作为小车的控制核心；采用TCRT5000红外反射式开关传感器作为小车的循迹模块来识别白色路

2、面中央的黑色引导线，采集信号并将信号转换为能被单片机识别的数字信号；采用驱动芯片L298N构成双H桥控制直流电机，其中软件系统采用C程序，本设计的电路结构简单，容易实现，可靠性高。关键词：单片机；自动循迹；驱动电路AbstractThis paper discusses the intelligent tracing electric trolley control process. Automatic tracing is used to make the car indentify route automatically , and choosing the right route, ba

3、sed on the automatic guide robot system. Intelligent tracing electric trolley is an advanced technology to realize automatic tracing navigation. It is out of human management but under the designed mode that use of the use of a transducer, single chip, motor drive and automatic control .This technol

4、ogy has been applied in unmanned vehicle, unmanned factory, warehouse, service robot and many other fields.During the design of Intelligent tracing electric trolley, STC89C52 single clip is used as the control core; at the same time with TCRT5000 reflective infrared transducer switch to identify the

5、 black guide line at the central of the white road, which used as the car tracing module, it can gather the signal and transfer it into digital signal that can be recognized by single chip. And the driving chip L298N constitute the double H bridge constitute of driving chip L298N can control direct

6、current motor. Among which the software system is using C program. In a nutshell, the design of the circuit has the advantages of simple structure, easy implementation, and high reliability.Key words：single chip microcomputer; automatic tracing; driving circuit目 录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc321

7、412989 1 绪 论5 HYPERLINK l _Toc321412990 第一章 智能循迹小车概述5 HYPERLINK l _Toc321412991 1.1.1 循迹小车的开展历程回忆5 HYPERLINK l _Toc321412992 1.1.2 智能循迹分类6 HYPERLINK l _Toc321412993 1.1.3 智能循迹小车的应用7 HYPERLINK l _Toc321412994 1.2 智能循迹小车研究中的关键技术8 HYPERLINK l _Toc321412995 第二章 智能循迹小车总体设计方案9 HYPERLINK l _Toc321412996 2.

8、1 整体设计方案9 HYPERLINK l _Toc321412997 2.1.1 系统设计步骤9 HYPERLINK l _Toc321412998 2.1.2 系统根本组成9 HYPERLINK l _Toc321412999 2.2 整体控制方案确定10 HYPERLINK l _Toc321413000 3 系统的硬件设计10 HYPERLINK l _Toc321413001 3.1 单片机电路的设计10 HYPERLINK l _Toc321413002 3.1.1 单片机的功能特性描述10 HYPERLINK l _Toc321413003 3.1.2 晶振电路12 HYPERL

9、INK l _Toc321413004 3.1.3 复位电路12 HYPERLINK l _Toc321413005 3.2 传感器模块14 HYPERLINK l _Toc321413006 3.2.1 传感器模块的一般工作原理14 HYPERLINK l _Toc321413007 14 HYPERLINK l _Toc321413008 3. 传感器模块的整体电路15 HYPERLINK l _Toc321413009 3.3 电机驱动电路16 HYPERLINK l _Toc321413010 3.3.1L298N引脚结构17 HYPERLINK l _Toc321413011 电机驱

10、动原理18 HYPERLINK l _Toc321413012 电源模块21 HYPERLINK l _Toc321413013 小车运动逻辑22 HYPERLINK l _Toc321413014 第四章 小车硬件的组装与调试 PAGEREF _Toc321413014 h 22 HYPERLINK l _Toc321413015 4.1 小车的组装 PAGEREF _Toc321413015 h 22 HYPERLINK l _Toc321413016 4.2 小车的硬件测试26 HYPERLINK l _Toc321413017 结 论27 HYPERLINK l _Toc3214130

11、18 致 谢27 HYPERLINK l _Toc321413019 参考文献28 HYPERLINK l _Toc321413020 附录A 原理图30 HYPERLINK l _Toc321413021 附录B 程序代码 PAGEREF _Toc321413021 h 32 HYPERLINK l _Toc321413022 附录C 硬件实物图 PAGEREF _Toc321413022 h 371 绪 论进入二十一世纪，随着计算机技术和科学技术的不断进步，机器人技术较以往已经有了突飞猛进的提高，智能循迹小车即带有视觉和触觉的小车就是其中的典型代表。1.1 智能循迹小车概述智能循迹小车又被

12、称为Automated Guided Vehicle，简称AGV，是二十世纪五十年代研发出来的新型智能搬运机器人。智能循迹小车是指装备如电磁，光学或其他自动导引装置，可以沿设定的引导路径行驶，平安的运输车。工业应用中采用充电蓄电池为主要的动力来源，可通过电脑程序来控制其选择运动轨迹以及其它动作，也可把电磁轨道黏贴在地板上来确定其行进路线，m t _blank 无人搬运车通过电磁轨道所带来的讯息进行移动与动作，无需驾驶员操作，将货物或物料自动从起始点运送到目的地。智能循迹小车的另一个特点是高度自动化和高智能化，可以根据仓储货位要求、生产工艺流程等改变而灵活改变行驶路径，而且改变运行路径的费用与传

13、统的输送带和传送线相比非常低廉。智能循迹小车一般配有装卸机构，可与其它物流设备自动接口，实现货物装卸与搬运的全自动化过程。此外，智能循迹小车依靠蓄电池提供动力，还有清洁生产、运行过程中无噪音、无污染的特点，可用在工作环境清洁的地方。1.1.1 循迹小车的开展历程回忆随着社会的不断开展，科学技术水平的不断提高，人们希望创造出一种来代替人来做一些非常危险，或者要求精度很高等其他事情的工具，于是就诞生了机器人这门学科。世界上诞生第一台机器人诞生于1959年，至今已有50多年的历史，机器人技术也取得了飞速的开展和进步，现已开展成一门包含：机械、电子、计算机、自动控制、信号处理，传感器等多学科为一体的性

14、尖端技术。循迹小车共历了三代技术创新变革： 第一代循迹小车是可编程的示教再现型，不装载任何传感器，只是采用简单的开关控制，通过编程来设置循迹小车的路径与运动参数，在工作过程中，不能根据环境的变化而改变自身的运动轨迹。支持离线编程的第二代循迹小车具有一定感知和适应环境的能力，这类循迹小车装有简单的传感器，可以感觉到自身的的运动位置，速度等其他物理量，电路是一个闭环反应的控制系统，能适应一定的外部环境变化。第三代循迹小车是智能的，目前在研究和开展阶段，以多种外部传感器构成感官系统，通过采集外部的环境信息，精确地描述外部环境的变化。智能循迹小车，能独立完成任务，有其自身的知识根底，多信息处理系统，在

15、结构化或半结构化的工作环境中，根据环境变化作出决策，有一定的适应能力，自我学习能力和自我组织的能力。为了让循迹小车能独立工作，一方面应具有较高的智慧和更广泛的应用，研究各种新机传感器，另一方面，也掌握多个多类传感器信息融合的技术，这样循迹小车可以更准确，更全面的获得所处环境的信息1。1.1.2 智能循迹分类智能循迹小车从创造至今已经有50多年的历史，随着应用领域范围的不断扩大，其种类和形式也变得更加多样化。一般根据行驶的导航方式将智能循迹小车分为以下几种类型：(1)电磁感应式电磁感应式引导一般在地面上，沿预定路径埋电线，当高频电流通过导线，电线周围产生电磁场流动，智能循迹小车上安装两个对称的电

16、磁感应传感器，他们收到的电磁信号差异可以反映的智能循迹小车偏离程度路径的程度。智能循迹小车自动化控制系统，基于这种偏差值，以控制车辆的转向，连续的动态的闭环控制设置能够保证智能循迹小车对设定路径的稳定自动跟踪。在目前商业用途的智能循迹小车中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航。(2)激光式安装有可旋转的激光扫描器的智能循迹小车，可安装在墙壁或有高反射激光定位标志的支柱上或者路径上运行，智能循迹小车依靠激光扫描器发射激光束，然后接收由四周定位标志反射回的激光束，车载计算机，计算出当前车辆的位置和运动方向，通过内置的数字地图和校准位置相比，以实现自动处理。目前，这种智能循迹小车类型的

17、应用比拟广泛。基于同样的原理，如果激光扫描仪被红外线发射器，或超声波发射取代，激光制导的智能循迹小车可以转变为红外引导和超声引导的智能循迹小车。(3)视觉式视觉引导式智能循迹小车是的迅速开展和比拟成熟的智能循迹小车，这种智能循迹小车配备CCD摄像机，传感器和车载电脑，在车载计算机中设置有智能循迹小车欲行驶路径周围环境图像数库。在智能循迹小车的行驶过程中，相机得到的图像与图像数据库进行比拟，以确定当前位置和车辆周围的图像信息并对驾驶下一步做出决定。这种智能循迹小车并不需要设置任何的人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机图像采集，存储和处理技术飞速开展的今天，这种类型的智能循迹小车实用性越

18、来越强。此外，还有铁磁陀螺惯性引导式智能循迹小车、光学引导式智能循迹小车等多种形式的智能循迹小车。1.1.3 智能循迹小车的应用智能循迹小车开展历史及主要应用场所如下：(1)仓储业1954年，来自美国南卡罗来纳州的Mercury Motor Freight公司成为第一批把智能循迹小车的应用到仓库的使用者，来实现出入库货物的自动处理。至今世界上有超过2100个厂家把大约2万台大型或小型的智能循迹小车应用到自己的仓库中。中国的海尔集团在2000年把9台智能循迹小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的智能循迹小车自动数据库处理系统，轻松地完成了每天至少33500的储存和装卸货物的任务。(2)制造业在

19、制造业的生产线中智能循迹小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运送任务。由多台智能循迹小车组成的物流运输处理系统，较人工搬运系统来说更灵活，运输路线可以根据生产过程及时调整，使一条生产线，生产十几个产品，大大提高了生产的灵活性，企业的竞争力。在1974年瑞典的沃尔沃卡尔马的汽车组装厂，提高了运输系统的灵活性，使用以智能循迹小车为载运工具的装配线，采用该装配线后，减少了20%装配时间、减少了39%组装错误，减少了57%投资资金回收时间以及减少了5%的员工费用。目前，在世界主要的汽车生产厂家，如通用、丰田、克莱斯勒、群众智能循迹小车已被广泛应用。近年来，作为CIMS(Computer Inte

20、grated Manufacturing Systems，直译为基于计算机的现代集成制造系统)的根底搬运工具，智能循迹小车已经深入到机械加工，家电制造，微电子制造，烟草等行业，生产业和加工业已成为智能循迹小车使用最广泛的领域。(3)邮局、图书馆、港口码头和机场在邮局，图书馆，码头和机场候机楼等人口密集的公众场所，存在着大量的物品的运送工作，充满不定性和动态性强的特点，搬运过程往往也很单一。智能循迹小车有着可并行工作、自动化、智能化和处理灵活的特点，可以很好的满足这些场合的运输要求。1983年瑞典的大斯得哥尔摩邮局，1988年日本东京的多摩邮局，1990年中国上海的邮政相继开始使用智能循迹小车来

21、完成邮品的搬运工作。在荷兰的鹿特丹港口，50辆被称为“院子里的拖拉机的智能循迹小车每天都在把集装箱从船边运送到几百米以外的仓库中。(4)烟草、医药、化工、食品对于处理一些需要在清洁、平安、无排放污染等其他特殊环境要求的产品生产如烟草、制药、食品、化工等产品时应考虑智能循迹小车的应用。在全国许多卷烟企业，如青岛颐中集团、玉溪红塔集团、红河卷烟厂、淮阴卷烟厂，应用激光引导式智能循迹小车完成托盘货物的搬运工作。(5)危险场所和特种行业在军事方面，以智能循迹小车为根底有着自动驾驶和检测功能的设备，可用于战场侦察和扫雷，英国军方正在开发MINDER侦察系统，这是一种具有地雷探测、销毁和路线验证能力自动型

22、侦察车。在钢铁厂，智能循迹小车负责炉料运输，大大降低了工人们的劳动强度。在核电厂的核储存地点使用智能循迹小车，以防止辐射的危险。智能循迹小车可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料3。1.2 智能循迹小车研究中的关键技术现在全世界越来越多的国家都在做着研究智能化、多样化的自动汽车导航的工作。自动汽车导航是一个非常复杂的系统，它不仅应具有正常的运动功能的成分，而且还应具有任务分析，路径规划，信息感知，自主决策等类似人类的智能行为。人类可以利用自己的听觉、视觉、味觉、触觉等功能获取事物的信息，人类的大脑再根据已经掌握的知识对这些信息进行综合分析，从而全面了解认知事物。这样一个认识事物、分析事物和处理信

23、息的过程称之为信息融合过程。多传感器信息融合的根本原理就是模仿人类大脑的这个过程，得到一个对复杂对象的一致性解释或结论。多传感器信息融合是协调多个分布在不同地点，相同或不同种类的传感器所提供的局部不完整观测量信息加以综合，协调使用，消除可能存在的冗余和矛盾，并加以互补，以减少不确定性，得到对物体或环境的一致性描述的过程4。多传感器信息融合具有许多性能上的优点：(1)增加了系统的生存能力；(2)减少了信息的模糊性；(3)扩展了采集数据覆盖范围；(4)增加了可信度；(5)改善了探测性能；(6)提高了空间的分辨力；(7)改善了系统的可靠性(8)信息的低本钱性5。2 智能循迹小车总体设计方案2.1 整

24、体设计方案本系统采用简单明了的设计方案。通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模块判断黑线路经，然后由STC89C52通过IO口控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。2.1.1 系统设计步骤(1)根据设计要求，确定控制方案。(2)利用Protel 99se设计合理的硬件原理图。(3)自己用万用板焊接简单的线路板。(4)组装小车的各局部模块。(5)进行调试以实现控制功能。2.1.2 系统根本组成智能循迹小车主要由STC89C52单片机电路、传感器模块、电机驱动模块、直流电机、小车底板、电源模块等组成。电机驱动模块直流电机红外对管传感器模块电

25、源模块单片机电路路 径小车图智能循迹小车控制系统结构框图(1)单片机电路：采用STC89C52芯片作为控制单元。STC89C52单片机具有低本钱、高性能、抗干扰能力强、超低功耗、低电磁干扰，并且与传统的8051单片机程序兼容，无需改变硬件，支持在系统编程技术。配合单片机开发系统可以简单的实现小车程序的烧录、修改、调速都很方便。(2)传感器循迹模块：采用一个高发射功率的红外线发光二极管和一个高灵敏度的红外线接受管，通过发射接受组成小车的眼睛，当发射管的红外信号经黑线反射被接收管接收后，接收管的电阻会发生变化，在电路上一般会以电压的形式出现，而经过LM393等电路的整形后得到处理输出结果电平给安片

26、剂，然后单片机生成指令来控制驱动模块来控制两个直流电机的工作状态，来完成自动循迹。其中，接收管的电阻变化取决于接收的红外线的信号强度，常表现在反射面的颜色和反射面接收管的距离两方面。 (3)L298N驱动模块：采用L298N作为电机驱动芯片。L298N具有高电压、大电流、响应频率高的全桥驱动芯片，一片 L298N可以分别控制两个直流电机，并且带有控制使能端。该电机驱动芯片驱动能力强、操作方便，稳定性好，性能优良。L298N的使能端可以外接电平控制，也可以利用单片机进行软件控制，满足各种复杂电路的需要。另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够

27、的问题。(4)直流电机：采用双直流电动机。直流电动机的控制方法比异步电动机简单，只需给电机两条控制线加上适当的电压就能使电机旋转，在正常工作电压范围，电压越高直流电机转速越高。直流电动机调速方法分为两种：一种是直接调整电压，另一种通过PWM调速。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压波形为矩形波，改变矩形波的占空比就能实现电压的改变，从而实现电机转速的改变。(5)电源模块：由八节1.5V干电池作为电源。通过7805稳压芯片稳压。2.2 整体控制方案确定。引导线是小车跟踪的目标，检测系统检测车的相对路径，然后将此信息输入到单片机，单片机处理此信息后，将控制命令输出到驱动模块，以控制小车的直流电机

28、，保证小车快速平稳地沿预先设定好的路线行驶。黑色引导线单片机光电循迹传感器驱动模块和直流电机智能循迹小车系统控制框图由八节1.5V干电池作为电源，通过7805稳压芯片稳压作为主电源。STC89C52单片机作为主控制器。因为小车电机内部装有减速齿轮组，所以不需考虑调速功能，采用电机驱动芯片L298N控制直流电机，而不使用步进电机。L298N是利用TTL电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作，亦能满足直流减速电机的要求，用该芯片作为电机驱动具有的操作方便、稳定性好等优点。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，

29、光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。这样单片机和循迹传感器组成了一个带有反应信号的系统。3 系统的硬件设计3.1 单片机电路的设计一个单片机应用系统的硬件电路设计包含两局部内容：一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM、RAM、I/O、定时器/计数器、中断系统等不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路；二是系统的配置，即按照系统功能要求配置外围设备，如键盘、显示器、A/D、D/A转换器等。3.1.1 单片机的功能特性描述单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。概括的讲：一块芯片就成了一台计算机。它的

30、体积小、质量轻、价格廉价。单片机内部也有和电脑功能类似的模块，比方CPU，内存，并行总线，还有和硬盘作用相同的存储器件。单片机是一种集成电路芯片，采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。本课题选择了STC公司的生产的STC89C52单片机。STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，是带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器。一个芯片上拥有8位CPU，并且在系统可编程

31、Flash。STC89C52提供应为众多嵌入式控制应用系统高灵活、超有效的解决方案。 STC89C52具有以下标准功能:8k字节Flash，512字节RAM，32位I/O口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，两个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。此外，空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。表3.1 STC89C52单片机和AT89S52单片机的比照STC89C52单片机AT89S52单片机序存储空间8K字节8K字节数据存储空

32、间512字节256字节EEPROM存储空间内带4K字节无是否可以直接使用串口下载可以不可以3.1.2 晶振电路在STC89C52单片机上内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。在XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间选择，电容值在530PF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路那么需要XTAL1接地，XTAL2接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求

33、保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟p1和p2，供单片机使用。本设计选用的是12MHZ无源晶振、2个22pF电容，使得一个机器周期是1s。晶振的作用是为系统提供根本的时钟信号，而两个电容那么是起到并联谐振的作用，如果没电容，振荡电路会因为没有回路而停振，电路不能正常工作。图3.2 单片机晶振电路图3.1.3 复位电路复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把pc初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，但由于程序出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。复位电

34、路的作用是在上电或复位过程中，控制CPU的复位状态：这段时间内让CPU保持复位状态，而不是一上电或刚复位完毕就工作，防止CPU发出错误的指令、执行错误操作，也可以提高电磁兼容性能。89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。施密特触发电路是一种波形整形电路，当任何波形的信号进入电路时，输出在正、负饱和之间跳动，产生方波或脉波输出。不同于比拟器，施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区，可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。如遥控接收线路，传感器输入电路都会用到它整形。当系统处于正常工作状态时，且振荡器稳定后，如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(

35、24个振荡周期)以上，那么CPU就可以响应并将系统复位。本设计采用的电容值为10F的电容和电阻采用1.5K和200的电阻。如图3.3所示上电后，由于电容充电，使RST持续一段高电平时间。当单片机已在运行之中时，按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平，从而实现上电且开关复位的操作6 7。图3.3 单片机复位电路图传感器模块3.2.1 传感器模块的一般工作原理：循迹光电传感器原理，就是利用黑线对红外线不同的反射能力通过光敏二极管或光敏三极管，接收反射回的不同光强信号，把不同光强转换为电流信号，最后通过电阻，转换为单片机可识别的上下电平。3.2.2红外对管的介绍：人们习惯把红外线发射管和红外线接

36、收管称为红外对管。红外线对管的外形与普通圆形的发光二极管类似。初接触红外对管者，较难区分发射管和接收管，在此介绍已一种简单的识别方法。根据内部结构识别，如图，红外对管的内部结构如下图ab所示。上图a是红外发射管，管芯中央凹陷，类似聚光照的形状。上图b是红外接收管，管芯中央的平台上有红外感光电极。红外对管的两引脚一长一短，长引脚是正极，和普通发光管相同。3.2.3传感器模块整体电路：整体电路图右上图可知，传感器模块中主要有电阻、电容、探头使用红外线发射和接收管等分立元器件间组成、LM393电压比拟器等组成。并在比拟器之后参加了一级反射器，使输出信号更加干净。LM393在此组成一个滞回电压比拟器也

37、称作施密特触发器电路，通过R4引入电压正反应，电压比拟器在输入Uin=U- =U+时发生跳变。与无正反应的单限比拟器相比当输入信号在门限值附近有微小扰动时，输出电压就不会产生相应的抖动，如果接单片机不会造成信号扰动。同相输入端电位有两种可能的取值，U上限和U下限，而输出端那么是Uoh和Uol，U上限和U下限只差称为滞回宽度，只要干扰信号不超过滞回宽度，输出的电压值就是稳定的，因而抗干扰能力强。右上图b可知，当Uin由小变大变化过U上限时输出电压由Uoh跳变到Uol，当Uin由大变小变化过U下限时输出电压由Uol跳变到Uoh。传感器模块的的工作原理：当电路通电，每一路的传感器的红外发射管不断发射

38、红外线，当发射出的红外线没有被反射回来或者被反射回来但强度不够大时，红外接收管一直处于关断状态，此时模块的TTL输出端为高电平，即接近VCC的电平，相应指示二极管一直处于熄灭状态；当被检测物体出现在检测范围时，红外线被反射回来且强度足够大，红外接收管导通，此时同相端电压相当于被加强，是输入端变化大于滞回电压，此时模块的TTL输出端为低电平，指示二极管被点亮。3.3 电机驱动电路本设计采用L298N电机专用驱动芯片带动两个12V的直流电动机。直流电机由 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1620215.htm t _blank 定子和转子两大局部组成。直流电机运行时静止

39、不动的局部称为 HYPERLINK :/baike.baidu /view/509193.htm t _blank 定子，定子的主要作用是产生 HYPERLINK :/baike.baidu /view/351.htm t _blank 磁场，由机座、主 HYPERLINK :/baike.baidu /view/129754.htm t _blank 磁极、换向极、端盖、轴承和 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1058552.htm t _blank 电刷装置等组成。运行时转动的局部称为 HYPERLINK :/baike.baidu /view/110429.h

40、tm t _blank 转子，其主要作用是产生 HYPERLINK :/baike.baidu /view/2462579.htm t _blank 电磁转矩和感应电动势，是直流电机进行能量转换的枢纽，通常又称为 HYPERLINK :/baike.baidu /view/303142.htm t _blank 电枢，由转轴、电枢铁心、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/962375.htm t _blank 电枢绕组、 HYPERLINK :/baike.baidu /view/1929.htm t _blank 换向器等组成。其中L298N是ST公司的产品，比拟常

41、见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部包含4通道逻辑驱动电路。可以驱动两个直流电机或驱动两个二相电机，也可单独驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V。直接通过电源来调节输出电压，直接通过单片机的IO端口提供信号，使得电路简单，使用更方便。L298N可接受标准的TTL逻辑电平信号VSS，VSS通常接4.57V的电压。4脚VS接电压源，VS可接电压范围VIH为2.546V。L298N芯片输出电流可达2.5 A，可驱动电感负载。L298N是一个内部有两个H桥的高电压大电流全桥式驱动芯片，可以用来驱动直流电动机、步进电动机。使用标准逻辑电平信号控制，直接连接单片机管脚，具有两个使能控制

42、端，使能端在不受输入信号影响的情况下不允许器件工作。L298N有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路局部在低电压下工作。L298N引脚结构图3.5 L298N 驱动芯片表3.3 L298N引脚编号与功能引脚编号名称功能1电流传感器A在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流2输出引脚1内置驱动器A的输出端1，接至电机A3输出引脚2内置驱动器A的输出端2，接至电机A4电机电源端电机供电输入端,电压可达46V5输入引脚1内置驱动器A的逻辑控制输入端16使能端A内置驱动器A的使能端7输入引脚2内置驱动器A的逻辑控制输入端28逻辑地逻辑地9逻辑电源端逻辑控制电路的电源输入端为5V10输入引脚3内置驱动器

43、B的逻辑控制输入端111使能端B内置驱动器B的使能端12输入引脚4内置驱动器B的逻辑控制输入端213输出引脚3内置驱动器B的输出端1，接至电机B14输出引脚4内置驱动器B的输出端2，接至电机B15电流传感器B在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流3.3.2 电机驱动原理电路的形状很像字母H。四个三极管就是H桥的四条垂直线，而电机就是H中的横线。图3.6 L298N内部H桥驱动电路图3.6为一个典型的直流电机的控制电路。被命名为“H桥驱动电路主要是因为电路的形状很像字母H。四个三极管就是H桥的四条垂直线，而电机就是H中的横线。如下图，H桥电机驱动电路包含四个三极管和一个电机。电机运转，必须遵

44、循导通对角线上的一对三极管。基于不同三极管对的导通情况可以控制电机的转向，电流可可以从左至右流过电机，也可以从右至左流过电机。如图3.6所示，当Q1管和Q4管导通时，电流就从电源正极经Q1从左至右流过电机，然后再经Q4回到电源负极，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。下面分析另一对三极管Q2和Q3，当两个三极管同时导通的情况下，电流将从右至左流过电机。从而驱动电机沿逆时针方向转动。驱动电机时，保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管Q1和Q2同时导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任何负载，因此电路上的电流就可能到达最大值，该电流

45、仅受电源性能限制，可能烧坏三极管。基于上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。下列图ab为电机驱动模块的主要电路图：a单片机的信号通过 IN输入端输入到L298N模块中，再由OUT端口输出，通过此局部控制电机的转动。电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。板子上的ENA和ENBA为高电平时有效，这里的电平值指的是TTL电平。ENA为A1和A2的使能端，ENB为B1和B2的使能端。板上的ENA与ENB为高电平时有效，这里的电平指的是TTL电平。ENA为A1和A2的使能端，ENB为B1和IB2的使能端。b在电机驱动模块中自带78M05稳压模块，使得电

46、压值更加的稳定。首先我们想到的是稳压电源供电，稳压电源供电稳定方便调试，但是稳压电源体积大，只适合调试阶段的使用。其次就是干电池供电，相对于稳压电源来说体积小，电压也比拟稳定，方便小车移动，所以我们采用8节1.5V干电池供电，电压到达12V左右给直流电机供电，然后用7805降压、稳压后给单片机系统供电。对于此模块线路相对简单，器件很容易买到，所以此局部电路的设计主要是通过从网上查找资料，然后自己到电子市场买回器件，按照适宜的线路图自己焊制。在焊接过程中尤其注意电解电容的极性，不要因极性接反烧毁器件。表3.4 小车运动逻辑使能端A使能端B左电机右电机左电机运行状态右电机运行状态小车运行状态IN1

47、IN2IN3IN4111010正转正转前行111001正转反转右转111011正转停止以右电机为中心原地右转110110反转正转左转110101反转反转后退111110停止正转以左电机为中心原地左转电机控制逻辑如下：以电机A为例，当使能端EN A为高电平时，如果输入引脚IN1为低电平而输入引脚IN2为高电平，电机A反转；如果输入引脚IN1为高电平而输入引脚IN2为低电平，电机A正转。在本案中，小车硬件共分为四个大的模块，分别是单片机模块、电源模块、电机驱动模块、传感器模块。4.1小车的组装：按照所买器件组装小车。小车车模清单：亚力克底盘1个 TT电机2个 65MM轮子2个 高质量的万向轮1个

48、亚力克电机支架4个 铜柱4个 螺丝3*30MM4根 螺帽3MM4个 大圆头螺丝3*8 MM4个单片机模块主要是有购置的51单片机开发板和89C52单片机组成。在安装单片机到开发板的时候尤其注意正确安装，否那么容易将单片机烧坏。电源模块组成：电池盒、电池、万用板，7805芯片，电阻，电容导线组成电机驱动模块：主要是有L298N直流电机驱动板、杜邦线组成。传感器模块：集成好的红外循迹传感器、杜邦线如干将上面的器件合理布局，用胶固定在小车车模上，对于红外对管的固定不能太牢固，为了以后调试小车方便。将组装好的小车按模块用导线连接好，首先进行的是电源的测试，将电池安装好，用导线连接到7805稳压模块，用万用表测试输出是否为+5V，是否稳定。此模块是关键，如果电压不稳定或者输出高于+5V，很可能会造成后面期间的烧毁。待电源模块测试完毕后，将整个小车线路用杜邦线连接好，给小车上电，首先测试的传感器模块，用黑色的胶带感应红外对管，看传感器局部的发光二极管是否被点亮，如果能，那么成长，如果不能可能是红外对管有问题在安装红外对管时要注意正负，在实际操作过程中由于没有意识到这点，将一对红外对管烧毁。对于电机驱动模块的测试那么需要按照该模块所带参数用万用表测量，看是否所测数据在参数范围内，模块集成好的发光二极管是否能被点亮。对于单片机模块的测试主要是测试