1、基于单片机智能循迹小车课程名称： 基于单片机智能循迹小车摘 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，服务机器人等多种领域。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L2
2、98N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：STC89C52 智能循迹小车 TCRT5000传感器 电机驱动目录1引言 42 需求分析 42.1 智能循迹小车概述 42.2 循迹小车的发展历程回顾 52.3智能循迹小车的应用 52.4 智能循迹小车研究中的关键技术 73系统设计 84详细设计 84.1 硬件设计 84.1.1电路原理图 94.1.2 器件选择 104.1.2.1 智能循迹小车的主控芯片的选择 104.1.2.2 智能循迹小车电源模块的选择 114.1.2.3 智能循迹小车电机驱动电路的选择 114.1.2.4 智能小
3、车循迹模块的选择 114.1.3 模块设计 124.1.3.1电机驱动模块电路 124.1.3.2光电传感器模块 134.2 软件设计 154.2.1程序流程图 164.2.2实现主要代码 175 实验结果 185.1设计实现 185.2出现的问题和解决的方法 195.3电路实物图展示： 196 结束语 207.参考文献 201引言随着控制技术及计算机技术的发展，寻迹小车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的角色。本文所述小车寻迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的黑线，并以最短的时间完成寻迹。采用一定的算法使得小车在直道上加速行驶，在弯道又可以减速转弯。为了使小车快速、平稳地行驶，系统必
4、须把路径识别、相应的转向电机控制以及直流驱动电机控制准确地结合在一起。自动寻轨小车的工作原理是以单片机为控制核心的一阶闭环控制系统。在实验室条件下，在一张白纸上用黑色胶纸制出机器车预先设定的运行轨迹。由于本次采用的前端传感器具有识别黑、白颜色的能力。因此，由前端光电传感器，单片机和驱动单元共同作用，保证小车能够在预先设定的轨迹上行驶。2 需求分析2.1 智能循迹小车概述智能循迹小车又被称为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，安全的运输车。工业应
5、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，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。AGV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统的输送带和传送线相比非常低廉。AGV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，AGV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。2.2 循迹
6、小车的发展历程回顾随着社会的不断发展，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发展和进步，现已发展成一门包含：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
7、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，电路是一个闭环反馈的控制系统，能适应一定的外部环境变化。第三代循迹小车是智能的，目前在研究和发展阶段，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，有其自身的知识基础，多信息处理系统，在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
8、准确，更全面的获得所处环境的信息1。2.3智能循迹小车的应用智能循迹小车发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AGV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AGV小车应用到自己的仓库中。中国的海尔集团在2000年把9台AGV小车投产到了自己的仓库区，形成一个灵活的AGV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)制造业在制造业的的生产线中AGV小车大显身手，快速，精确，灵活的完成材料的运送任务。由多
9、台AGV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AGV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、大众AGV小车已被广泛应用。近年来，作为CIMS(Computer Integrated Manufacturing Systems，直译为基于计算机的现代集成制
10、造系统)的基础搬运工具，AGV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AGV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。AGV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AGV小车来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AGV小车每天都在把集装箱从船
11、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、安全、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AGV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AGV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AGV小车为基础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侦察车。在钢铁厂，AGV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AGV小车，以避免
12、辐射的危险。AGV小车可在黑暗环境中，准确、可靠的运输物料3。2.4 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、分析事物和处理信息的过程称之为信息融合过程。多传感器信息融合的基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
13、。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)信息的低成本性5。本文主要由五章组成，第1章为绪论，主要讲述循迹小车的发展历程及在目前所应用领域中的作用。第2章为总体规划智能循迹小车系统的设计，包含主系统流程图。第3章是系
14、统的硬件设计，其中包含单片机电路的设计，光电传感器模块和电机驱动电路。第4章为系统的软件设计，主要介绍的是软件实现过程的框图。第5章是对硬件和软件的调试，最终保证了系统的正常运行。3系统设计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。系统设计方案方框图4详细设计4.1 硬件设计4.1.1电路原理图此设计的整体方案是：用AT89C51单片机做信号的采集和处理。在AT89C51芯片的P0口连接信号的采集；经过单片机的处理，然后在P1
15、口输出处理后的信号，送给驱动电路（驱动电动机的芯片）。整体设计框图如图所示：系统的总体架构图最小系统用的元器件有：电阻（100和8.2k各一个）、晶振（12MHZ）、瓷片电容（30pF，两个）、电解电容（10F一个）。单片机最小系统电路图如下：单片机最小系统图整体电路如图所示:整体转换电路图4.1.2 器件选择4.1.2.1 智能循迹小车的主控芯片的选择方案一：采用Atmel公司的AT89S52单片机作为智能小车的主控芯片， AT89S52 是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，工作电压为5V，32个I/O口，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。该芯片价格便宜，应用广泛，操作简单，
16、硬件与软件设计相对简单。大学生广泛用于单片机学习与创作。资源足够用于智能小车的设计。因此，本设计选择了此芯片。方案二：采用德州仪器公司生产的F系列单片机MSP430F1611作为智能小车的主控芯片，MSP430F1611是一款超低功耗单片机，工作电压范围为1.8V-3.6V,48 位I/O 口线，16-Bit RISC 架构，但相应硬件复杂，软件编写相对难度大，而且价格昂贵，用于智能小车资源过剩，造成浪费。经过讨论，我们放弃了此方案。4.1.2.2 智能循迹小车电源模块的选择方案一：直接用直流电源供电。采用LM7812和LM7805稳压后产生12V和5V的直流电压，供给系统各个模块用。虽然直接
17、用直流电源供电，功率大，但由于有电源供电线的限制，这样就会对小车的行动造成诸多不便，为了能使小车能够简便地行驶，只能放弃这一方案。方案二:采用容量为9000mA的锂电池供电，锂电池质量轻，容量大，能为小车较长时间地供电，更重要的是它体积小安装方便，因此，本设计选择了这一方案。4.1.2.3 智能循迹小车电机驱动电路的选择方案一：采用分立元件制作而成的H桥驱动电路作为电机的驱动电路。由分立元件制作的H桥驱动电路虽然可以驱动电机，成本也低廉，但是由于各个元件的参数不一样，稳定性难以保证，因此本设计放弃了这一方案。方案二：采用专门的电机驱动芯片L298N驱动电机，性能稳定，经过不断试验，L298N能
18、够很稳定地驱动电机的转动，也易于控制，所以，本设计采用了这一方案。 4.1.2.4 智能小车循迹模块的选择方案一：采用红外对管进行黑线检测。红外对管的工作原理是：由红外发射管发出红外线，红外线遇到黑线后反射回来，再被红外接收管接收，再经过电压比较器输出高低电平给单片机识别。该方案受外界影响小，使用简单。方案二：采用交流调制红外避障电路。其工作原理是，使音频锁相环芯片LM567发出调制脉冲驱动红外发射管发射红外线，然后再给红外接收管接收信号，再经过信号放大，输入到音频锁相环芯片LM567，如果LM567接收到的信号的频率和它本身产生的频率相同，则LM567输出一个低电平，否则，输出高电平。然后再
19、给单片机识别。但是，示波器检测一直有低电平跳变，电路在受到外界红外线的干扰。因此，这一方案不可靠。综上考虑，根据小车的需要，本设计选择了红外对管进行黑线检测。4.1.3 模块设计4.1.3.1电机驱动模块电路电机驱动模块采用专用驱动芯片L298N作为电机的驱动芯片。L298N是一种具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它的响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流减速电机，而且还带有控制使能端，用它作为驱动芯片，操作方便，稳定，性能优良。L298N的5、7引脚为一个电机的控制信号输入端，10、12引脚为另一个电机的控制信号输入端，2、3引脚为一个电机的控制信号输出端，13、14引脚为另一个电机的
20、控制信号输出端，通过单片机对L298N的输入端进行指令控制，就能实现直流减速电机的正转和反转，从而控制小车前进和后退。电机驱动电路原理图。电机驱动电路原理图L298N4.1.3.2光电传感器模块原理：采用红外对管制作循迹电路，当检测到黑线时，红外接受管导通，否则红外对管截止，通过比较器LM393电压比较，把电平状态送给单片机进而单片机处理。本设计采用反射型光电传感器，型号为TCRT5000，TCRT5000型反射型光电传感器技术指标如下：光强度曲线如图所示： TCRT5000光强度曲线图元件封装如图所示：TCRT5000元件封装图检测系统：智能循迹迹小车能够沿着引导线自主前进，它是通过车体前部
21、横向排列的N个光传感器检测引导线条，发送信号到微控制器。微控制对检测信号进行处理，并控制电机校正偏移量，从而实现巡线行走。图（一）解释了智能循迹小车的动作原理。如果前部的两个传感器都检测到引导线条，传感器将发出“有线”信号，则后轮的两台电机继续接通运转，驱动车体前行；但如果左右传感器中的任意一个检测到引导条，则此传感器输出信号，这时，该侧的驱动电机继续运行，另一侧的 电机停止运行，以此达到校正方向的目的。右转 直转 左转图一 光电检测原理图二 光电检测原理图传感器的安装：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
22、等角度出发，同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，将大大提高其循迹的可靠性，具体位置分布如图所示。 红外探头的分布图图中循迹传感器全部在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持(如图3中所示的行走轨迹黑线)在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，它的存在是考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车的运动
23、进行纠正，从而提高了小车循迹的可靠性。4.2 软件设计小车通过光电传感器获得路径信息，通过AT89C51进行判断小车所处的状态，通过控制H桥驱动芯片来控制前进电机前行及转向电机进行相应的动作。小车的前行通过光电对管（TCTR5000）采集信号控制进行改变工作状态。4.2.1程序流程图此部分是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。由于51单片机具有价格低廉是使用简单的特点，这里选择了ATMEL公司的AT89S51作为控制核心部件，其程序控制方框图如图所示。系统的程序流程图小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一
24、旦检测到某个I/O口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。4.2.2实现主要代码#includesbit INA=P30;sbit INB=P31;sbit INC=P32;sbit IND=P33;sbit L=P10;sbit M=P11;sbit R=P12;void main() while(1) if(L=1&M=1&R=1|L=0&M=0&R=0)/后退 INA=0; INB=1; INC=0; IND=1; if(L=0&M=1&R=0)/前进 INA=1; INB=0; INC=1; IND=0; if(L=1&M=1&R=0|L=0&M=
25、0&R=1)/向左 INA=1; INB=0; INC=0; IND=1; if(L=0&M=1&R=1|L=1&M=0&R=0)/向右 INA=0; INB=1; INC=1; IND=0; 5 实验结果5.1设计实现本课题研究的内容主要是智能小车的循迹系统。以实验组装小车为基础，使用了4个光电传感器来探测周围环境，同时对采集到的数据信息进行融合。取得了以下成果：(1)小车可以实现按照预定轨道在无外部环境影响或改变时，小车将一直沿着黑色标记线运动。(2) 经过二十次的测试证明，当四个循迹传感器呈M型布局时最适合检测多弯道的轨迹。由于传感器不在同一直线上，故小车转弯时，左右两边后部的传感器有较
26、大的采样空间，两边前端的传感器则对采集的信号有更好的前瞻性。整个布局有利于在弯道处提高小车速度。但相对一字型布局，M型布局容易产生不稳定信号，从而产生信号震荡，影响小车行驶的稳定性。 (3)小车保留了扩展功能。循迹小车在完成设计预想的前提下，主要考虑了车体结构设计的简单化，降低了制作成本，使之更具有普及性。由于设计要求并不复杂，没有在电路中增加冗余的功能，但是保留了各种硬件接口和软件子程序接口，方便以后的扩展和进一步的开发。智能循迹小车属于应用开发项目，涉及了多种学科，由于本课题的试验性和不完善性。智能循迹小车在以下两个方面还有提升的空间：(1)环境信息采集功能：环境信息采集的实时性和完整性。
27、(2)增加避障控制功能：包括避障的精确性和灵活度这两个指标。5.2出现的问题和解决的方法出现的问题：焊脚太大或太小，电路出现连接的时连接的现象焊出来的板子出现虚焊，电路有时无法导通。解决的方法：焊接前，应对元器件引脚或电路板的焊接部位进行处理，一般有“刮”、“镀”、“测”三个步骤：“刮”：就是在焊接前做好焊接部位的清洁工作。一般采用的工具是小刀和细砂纸，对集成电路的引脚、印制电路板进行清理，去除其上的污垢，清理完后一般还需要往待拆元器件上涂上助焊剂。“镀”：就是在刮净的元器件部位上镀锡。具体做法是蘸松香酒精溶液涂在刮净的元器件焊接部位上，再将带锡的热烙铁头压在其上，并转动元器件，使其均匀地镀上
28、一层很薄的锡层。“测”：就是利用万用表检测所有镀锡的元器件是否质量可靠，若有质量不可靠或已损坏的元器件，应用同规格元器件替换5.3电路实物图展示：6 结束语本次制作是本人到目前为止觉得最有意义也是收获最大的一次实习。身为电子系的学生，设计是我们将来必需的技能。而这次制作恰恰给我们提供了一个应用自己所学知识的平台，通过这次的制作，可以考察自己在自学单片机中，收获了那些知识。从通过理论设计，到仿真软件仿真，再到确定具体方案，再到安装实际电路，最后到调试电路、成型。整个过程都需要我充分利用所学的知识进行思考、借鉴。可以说，本次制作是针对前面所学的知识进行的一次比较综合的检验。总的来说，这次制作虽然累
29、，但非常充实。 在这次实习中，正确的思路是很重要的，只有你的设计思路是正确的，那你的设计才有可能成功。因此我们在设计前必须做好充分的准备，认真查找详细的资料，为我们设计的成功打下坚实的基础。 如果说前面电路的理论设计是一件多么令人头痛的事，那么安装、焊接过程则是一个考验人耐心的过程，对电路的安装、焊接、分析、调试要一步一步来，不能急躁。因为是在仿真软件上较理论上还是存在一定的差距，仿真能出来结果的在实际电路不一定就能出来，这就需要我们有耐心，寻找一个比较正确的调试方法。通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，能比较流畅的沿着黑线运动。小车在直道上可以加速行驶，在弯道又可以减速转弯。如增加传感器的个数可以实现更为精确的黑线识别，使得小车跑的更快更稳。当然能完成本次设计，更离不开老师辛勤地指导，老师能在百忙中来指导本人，使本人能更好地完成设计。总之，感谢老师的指导！7.参考文献1 罗志增蒋静坪编著.循迹小车感觉与多信息融合M.北京:机械工业出版社,2003:1-10.2 蔡自兴编著. 中国的智能循迹小车研究J. 莆田学院学报, 2002,9 (3):36-39.3 江思敏，陈明编著Protel电路设计教程. 第1版. 清华大学出版社，2006:1-296
