基于单片机的智能小车的开发与设计

news2024/11/15 8:49:30

摘要：本文论述了基于 STC89C52 单片机的智能小车的开发与设计过程。该设计采用单片机、电机驱动及光电循迹等技术，保证小车在无人管理状态下，能按照预先设定的线路实现自动循迹功能。在电路结构设计中力求方便，可操作，实用性强。本产品电路结构设计简单明了，系统可操作性和实用性强，故障率低，具有良好的应用前景。

关键词：单片机；光电循迹；驱动电路； C 程序；智能小车

智能小车是一种使用充电蓄电池作为动力来源的新型小车，工作中零噪音、零污染，对工作环境清洁度要求高的企业亦能适用。因此，智能循迹小车的相关研究，对未来工业、农业、制造业、服务等行业都拥有重要意义，是提升国家综合竞争力的重要体现[1] 。该方案应用单片机做作为主发与设计实现小车的相关功能。采用红外光电二极管和光电晶体管系统跟踪传感器模块，使用该模块对黑色轨迹预设的判断，再由单片机发出指令控制驱动系统，改变直流电机的现有工作状态，最终实现小车的自动循迹运行。

1 系统的基本构成

该智能循迹小车主要五大模块组成，如图 1 所示。单片机控制系统充当循迹小车的大脑，负责接收和下达指令，光电循迹系统充当循迹小车的触角，直流电机模块充当循迹小车的双脚。曲线所在位置可由检测系统检测出来并输出相应的信号，对该部分信号进行分析、处理后将信号输入至单片机，进而单片机按照输入信息进行处理，通过控制电机驱动模块和电机轨迹检测模块对小车进行判断，从而实现小车寻迹。

2 系统硬件设计

本设计整体方案的主控模块选用单片机 STC89C52 控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。为了达到更好的控制和驱动直流电动机目的，驱动模块选用L9110 。红外寻迹模块选用TCRT5000 的红外反射式开关，通过对接收管上是否接收到红外光来判断小车得的行进路线。循迹过程是黑色引导线制作成不规则行进路线，检测系统对黑色路径进行检测，并将相应路径检测信息传输到单片机模块进行信息进行信号分析处理，再将控制命令输出到系统驱动模块，达到调控直流电机转向目的，使小车能在黑色引导线上循迹自动行驶[2] 。

2.1单片机模块与循迹模块设计

STC89C52 单片机 [3] 程序兼容传统的 8051 单片机，通过 ISP可在PCB 板上直接编写、修改，不需编程器，不需改变硬件，不仅不占用用户资源，而且功耗较低，抗干扰能力较强。图2 为单片机系统模块图。

2.2 光电循迹模块

光电循迹模块就是利用红外线对黑颜色漫反射的反射程度差异，再通过光敏二极或三级管所接收漫反射的程度不同，产生强弱不同的光信号，转换为电流信号通过电阻作用，将电流信号转换为高低电平进而可被单片机识别。小车行行驶过程中不断向附近地面发射红外光线，红外光探测白色地面时发生漫反射，小车上的接收管会接收这些漫反射红外光：当红外光照射到黑线时被吸收，小车的接收管无反射光信号接收。发射管与 330Ω 的电阻串联发射红外线，接收管与 47KΩ 的电串联接收信号。当红外光被吸收接收管未收到漫反射时，其阻状态显示高阻态，TX 则为高电平输出。当接收管接收到反射光时，接收管导通，并且电阻非常小，TX 低电平输出 [4] 。下图为循迹模块电路图，如图3 所示。

图 3 循迹模块电路图

2.3 电机驱动原理

下图为小车运动逻辑。电机的运转就只需要用两个信号控制：如果 IB 为“ 0 ”， IA 信号为“ 1 ”，电机正转；如果 IB 信号变为：“1 ”，而 IA 信号变为“ 0 ”，电机反转。电机控制逻辑以电机 A为例如表1 所示。如果输入引脚 IA 为低电平而输入引脚 IB 为高电平，电机A 反转；相反情况时，电机 A 正转。

2.4 系统设计的结构

单片机模块分别与循迹模块和电动驱动模块构成了系统的整体设计结构，具体如图4 所示。

3 系统软件设计

单片机模块系统分别为数据处理和过程控制两个过程。其中数据处理过程包括数据信息的采集、数字滤波和标度变换三方面内容。过程控制程序重点是保证单片机遵循固定的方式进行计算，再将结果输出，实现控制生产目的。本系统软件采用模块化结构，由整体主程序和子程序构成。由于采用程序控制小车的行驶方向，因此软件的设计在整个系统中的地位也很重要。如图5 所示软件设计系统主程序流程图。