輪式移動機器人的循跡設計

摘要：本智能小車采用簡單明了的設計方案。通過循跡傳感器模塊(由光電晶體管和紅外光電二極管所構成)來判別黑色線路徑，再通過 STC89C52單片機控制L298N電機驅動模塊從而實現(xiàn)對兩個直流電機進行控制，最終完成小車的循跡。所設計的輪式移動機器人能沿黑色路徑進行自主行駛，既具備機械本體、直流電機驅動器、檢測傳感裝置和控制器，又是一種可以進行重復編程、自動控制、仿人操作及在三維空間完成靈活運動的電子自動化的生產設備。

關鍵詞：智能電動小車;單片機;自動控制

1 智能循跡小車總體設計方案

1.1 整體設計方案

1)根據(jù)設計要求，確定控制方案。

2)利用Proteus設計合理的硬件原理圖。

3)畫出程序流程圖，使用C語言進行編程。

4)在洞洞板上焊接元器件，然后往單片機內燒錄程序。

5)進行調試以實現(xiàn)控制功能。

1.2 整體控制方案確定

圖1為智能循跡小車的系統(tǒng)控制框圖。黑色引導線是小車進行跟蹤的目標，循跡傳感器對目標軌跡進行檢測，然后將得到的信息反饋給單片機進行處理，單片機處理后給電機驅動發(fā)出控制信號對兩個直流電機進行控制，從而確保小車可以沿預定的路線正確行駛。

本設計使用兩節(jié)3，7 V充電電池對整個系統(tǒng)進行供電，主控芯片為STC公司的89C52，直流電機的驅動模塊為L298N，它可改變芯片控制端的輸入電平，利用TTL進行控制，從而完成電機的正反轉以及停止操作。用光敏電阻組成光敏循跡傳感器。這樣就組成了一個如圖所示的帶有反饋信號的系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)的硬件設計

2.1 單片機電路的設計

單片機內部包括ROM、RAM以及定時器、計數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。單片機在硬件電路設計時，由于單片機內部單元不能完全滿足系統(tǒng)設計的需要，因此我們必須對其進行必要的擴展，增加相應的外圍設備，如D/A、A/D轉換器、鍵盤、顯示器等，以滿足我們的需求。本設計選擇的是STC公司的產品 STC89C52單片機。

2.1.1 晶振電路

晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，本文選用的是11.059 2 MHz無源晶振來為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號，同時為了防止振蕩電路因為回路不通而停止振蕩，導致電路不能正常工作，本文使用2個30pF電容起到并聯(lián)諧振的作用。這樣使得一個機器周期約為1μs。

2.1.2 復位電路

89系列單片機通過向RST引腳輸入復位信號到芯片內的施密特觸發(fā)器中。本文采用的電容值為10μF的電容和阻值為1 kΩ的電阻。單片機上電后，電容會進行充電，RST會持續(xù)高電平一段時間。同樣，若單片機運行中按下復位按鈕也會使得RST引腳持續(xù)高電平，這就是單片機上電和復位的操作。

2.2 光電傳感器模塊

光電傳感器循跡電路圖如2所示。循跡傳感器的工作原理：Signal端會檢測信號的輸出，當傳感器檢測黑色軌跡時，光電傳感器發(fā)出的紅外線會被黑色軌跡大量吸收導致反射回來的很弱，三極管就不導通，Signal端輸出高電平，從而發(fā)光二極管熄滅;當傳感器檢測白線時，與黑線相反，這時光電傳感器發(fā)射的紅外線被白線反射回來的很強，光敏三極管會導通，Signal輸出低電平，從而發(fā)光二極管點亮。

將程序燒錄到單片機后，小車就可以按寫入的相應程序執(zhí)行循跡功能了。小車在正常前進時，左右兩邊傳感器均產生兩個低電平。當小車向右行駛偏離黑線時，左邊傳感器會產生一個高電平，反饋給單片機處理后，單片機會給小車發(fā)出一個信號，小車向左拐。當小車向左行駛偏離黑線時，同理，右側傳感器產生高電平，小車右拐。這樣，小車一定不會偏離黑線。當兩邊的光電傳感器同時輸出的信號為高電平時，即單片機判斷的都為高電平時，小車停止前進。

2.3 電機驅動

本設計采用L298N電機驅動芯片來對兩個12V的直流電動機進行控制。L298N是ST公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46 V、2 A以下的電機。其中1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。

2.3.1 電機驅動原理

而圖3所示就是直流電機與驅動芯片接線圖，它在原有基本H橋電路的基礎上又增加了四個二極管來保護電路。一個“使能”導通信號和四個與門相接，這樣，用這一個信號我們就可以控制整個電路的開關了。

采用以上方法，電機的運轉就只需要用三個信號來控制：一個使能信號和兩個方向信號。如果DIR—L信號為“0”，DIR—R信號為“1”，并且使能信號是 “1”，那么三極管Q1和Q4導通，電流從左至右流經電機;如果DIR-L信號變?yōu)椋?ldquo;1”，而DIR—R信號變?yōu)?ldquo;0”，那么Q2和Q3將導通，電流則反向流過電機。

2.3.2 小車運動邏輯

如表1。

3 系統(tǒng)的軟件設計

本設計使用Keil軟件并采用C語言來編譯程序。

軟件的燒錄：

第一步：安裝并運行STC_ISP_V480軟件;

第二步：點擊MCU Type欄的倒三角選項;選擇對應的單片機型號STC89C52RC。

第三步：點擊打開程序文件選項選擇已經編譯好的HEX文件。

第四步：打開設備管理器找出下載端口，選擇相應的COM口，點擊“點擊Download/下載”，對話框出現(xiàn)正在嘗試與單片機握手，請上電，再給單片機供電，燒錄完成。

軟件設計系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

部分系統(tǒng)程序附錄如下：

4 結論

本設計的內容主要是智能小車的循跡系統(tǒng)。所設計小車采用四個光電傳感器來檢測循跡路線，同時對得到的數(shù)據(jù)進行融合處理。得到了以下成果：

1)小車可以在外部環(huán)境無改變時，沿著預先設定的軌道正常循跡。

2)經過數(shù)十次的測試證明，當傳感器呈M形布局時，易產生不穩(wěn)定的震蕩信號，從而影響小車行駛時的穩(wěn)定性，但M型布局最適合檢測彎道較多的軌跡。因為傳感器M形布局時，他們不在同一直線上，這樣的話小車在轉彎時，左右兩邊后部的傳感器就會有較大的采樣空間，兩邊前端的傳感器則對采集的信號有更好的前瞻性。整個布局有利于在彎道處提高小車速度。

3)小車保留了擴展功能。小車在完成預計功能前提下，預留部分軟件和硬件接口，保留一定擴展功能。