基于单片机的智能循迹小车设计

　　摘要：设计了一款速度快、运行稳定、循迹精度高的智能小车，首先利用5路光电对管采集路面信息；3路光电开关采集前方障碍物信息；然后，将获得的信息转化为能够被单片机识别的数字信号；最后，采用单片机为主控制芯片，根据路面信息，对直流电机进行脉宽调速，控制小车的行进、转弯和停止。由于5路光电对管分布在小车底盘的不同角度，提高了小车对不同弯度路径的判断能力，根据路径弯度调整PWM波形的占空比以达到控制小车转弯速度的目的，使小车准确沿既定路线自动行驶。实验证明采用该方法设计的智能小车在保证运行速度的前提下，可以提高循迹精度、减少漂移次数。

　　关键词：单片机；循迹；脉宽调速；

　　作者简介：裴晓敏，1981年出生，工学博士，辽宁石油化工大学讲师，主要研究方向为智能控制。

　　1引言

　　循迹小车制作是目前电子竞赛中的一个热门课题［１－２］。通常在比赛中要求小车能沿着与地面具有明显对比度的黑色或白色引导线前进，并能在前进过程中自动躲避障碍物，在意外偏离引导线的情况下自动回位，达到终点的时间和循迹效果决定竞赛成绩，时间越短，循迹过程中与引导线偏离发生的次数越少，成绩越好。

　　本设计采用单片机AT89S52作为路面信息检测、输入信号处理和电机控制的核心，根据电路功能需要设计车体，2个直流电机作为主驱动，附加相应的电源电路和下载电路构成整体电路。自动寻迹功能采用红外光电对管实现，信号经LM339电压比较器比较之后送给单片机，由单片机通过控制驱动芯片L293D驱动小车的电机，并用PWM技术对电机的速度进行调节和控制，实现小车的动作。

　　2硬件及电路

　　智能循迹小车是由单片机控制电路、循迹电路、避障电路、电动机驱动电路等部分组成的。

　　2.1循迹电路

　　用ST188型光电对管作循迹传感器。ST188是一种一体化发射型光电探测器，发射管采用一个砷化镓红外发光二极管，而接收管是一个高灵敏度、硅平面光电三极管。利用ST188红外光电对管组成寻迹电路结构比较简单、并且受光照影响小、工作稳定且实用，并通过与电压比较器配合构成循迹传感器电路。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光照射到白线后的发生漫反射，反射光被接收管接收，光敏三极管导通，比较器LM324就会输出低电平；若照射到黑色背景，则红外光被吸收，接收管接收不到发射管发出的光线，光敏三极管无法导通，比较器输出高电平。将比较器输出结果送入单片机，单片机依据比较器输出的高低电平来确定白线的位置和小车行走路线。

　　从简单、方便、可靠的角度出发，同时在底盘设5个光电循迹传感器，大大提高了其循迹的可靠性，光电对管循迹传感器在车底盘分布位置如图2所示。

　　2.2避障电路

　　用红外光电开关进行避障，工作原理是根据由投光器发出的光束被物体阻断或部分反射情况作出判断，只要是能够反射光线的物体均能检测到。光电开关电路搭接简单，使用方便。受光器接收到反射光线时，输出低电平，作为单片机的外部中断。当没有光线发射回来时，输出高电平。

　　车体前方左、中、右方向设置3组红外光电开关，可以完成对前方障碍物判断。当前方无障碍物时，没有红外光线反射回来，机器人按原来路线行走；当受光器接收到反射光线时，小车会根据预先设置的程序来实现相应的避障功能。小车在硬件设计中通过单片机的P3.0、P3.1与P3.2口与红外光电开关的接收探头连接。

　　2.3单片机控制电路

　　整个循迹小车用51单片机作为控制系统，它完成整个系统的信号处理和协调控制功能。单片机基本系统电路如图4所示，将单片机的P3.0、P3.1、P3.2端口作为避障开关输入端口，P1.0、P1.1、P1.2、P1.3、P1.4作为循迹电路输入端口，P0.1和P0.2口作为电机方向控制端口，P3.5和P3.7为电机转速控制端口。

　　2.4电机驱动电路

　　鉴于所使用的直流电机功率较小，电机部分采用由L293D驱动的直流电机。采用直流电机的原因是直流电机转动力矩较大，体积小，重量轻，装配简单，并且使用、控制都比较方便。L293D内部集成了双桥型H桥电路，通过内部逻辑生成使能信号。H桥电路的输入量可以用来设置电机转动方向，使能信号用于脉宽调整，L293D将2个H桥电路集成到1片芯片上，这样，用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN1、IN1、IN2，其中EN1是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN1引脚，通过调整PWM的占空比可以改变电机电枢电压的接通和断开时间比，进而调整直流电机电枢上的平均电压大小，从而控制电动机的转速。当小车运行的时候，遇到偏转或者转向的问题，PWM控制可以实现对电动机的转速控制，从而平稳改变转向。电机驱动电路如图5所示，IN1和IN2只有输入电平不同时才能控制电机正转或者反转，只要利用单片机的一路I/O口，接反相器74HC14之后分别接IN1和IN2引脚，即可控制电机的正反转。

　　3循迹小车软件设计

　　3.1寻迹状态分析

　　小车寻迹所需的5个红外光电对管分布如图2所示，把小车行进时分成5种状态，分别是高速左转、高速右转、低速左转、低速右转、前行；当右1检测到白线时，高速右转；当左2检测到白线时，低速左转，利用PWM调制将左侧电机速度调制低速，右侧电机全速运行；当右2检测到白线时，低速右转，从而在较短时间内完成路线的调整，高低速度调整由控制PWM波的占空比实现。寻迹子程序中红外光电对管与小车偏转方向关系如表1所示，表中数值1代表高电平，0代表低电平，根据红外光电对管原理，低电平为检测到白线。

　　3.2电机PWM调速分析

　　红外光电对管接收信号，通过比较器将信号传入单片机中，小车进入寻迹模式，单片机开始不断地扫描与探测器连接的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，单片机输出控制信号控制小车运行状态。单片机采用T0定时计数器产生PWM波，分别有P3.5、P3.7口输出PWM波，控制电机转速，由P0口输出电机方向控制信号。

　　改变单片机的定时器T0的初值使P3.5和P3.7口输出不同占空比的脉冲波型。占空比为高电平脉冲个数占1个周期总脉冲个数的百分数，调整占空比可以调整转速。1个周期加在电机两端的电压为脉冲高电压乘以占空比，占空比越大，加在电机两端的电压越大，电机转动越快。电机的平均速度等于在一定的占空比下电机的最大速度乘以占空比。

　　3.3主程序流程

　　小车进入循迹模式后，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口有信号变化，就执行相应判断程序，把相应信号发送给电动机从而控制小车运行状态。主程序流程如图6所示。

　　3.4小车循迹流程

　　小车进入循迹模式后，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5个探测器中的哪个探测到了白线，然后相应的执行前进、左转、右转操作，循迹程序流程如图7所示。

　　4实验结果

　　按照本文设计方法制作智能循迹小车，实际测试结果表明：该方法设计的小车运行平稳，在长时间工作中没有偏离白线，转弯处运行平稳，转速可随行走路径自动调整，小车整体性能稳定，未发生漂移。将本文方法设计的小车(本文小车)、3路循迹未采用PWM调速算法小车(小车1)、3路寻迹采用PWM调速算法小车(小车2)在运行速度和平稳性方面进行了比较，如表2所示。与小车1，小车2相比本文小车速度持平，但是稳定性得到大幅度提高。在相同的比赛场地中未出现漂移和偏离轨道现象，总体成绩最高。

　　5结论

　　设计一款高精度、高稳定的智能循迹小车，详细地介绍了循迹小车的硬件电路、循迹控制方法和软件实现。本文方法增加到5路循迹之后，小车对于小转弯、大转弯灵敏度更强，更容易顺利通过；小车对于斜线形转弯处理应变速度有所提高，不再出现偏离路径现象；采用PWM调速方式工作，速度更稳定。