红外自动循迹小车实验报告

1摘要 本实验完成采用红外反射式传感器的自寻迹小车的设计与实现。采用与白色地面色差很大的黑色 路线引导小车按照既定路线前进，在意外偏离引导线的情况下自动回位，并能显示小车停止的时间。 本设计采用单片机STC89C51作为小车检测、控制、时间显示核心，以实验室给定的车架为车体， 两直流机为主驱动，附加相应的电源电路下载电路，显示电路构成整体电路。自动寻迹的功能采用 红外对管LTH1550实现，信号经三极管9012放大，经LM339电压比较器比较之后将信号送给单片机， 由单片机通过控制驱动芯片L298N驱动电动小车的电机，实现小车的动作。同时还可以将小车的停 留时间通过四位数码管显示。关键词：STC89C51单片机；红外对管LTH1550；红外传感器；寻迹2一、系统设计任务与要求 小车从上坡处开始行驶，到达坡顶停留5秒，由数码管显示停留时间，然后继续行驶，到达坡 底开始沿黑线行驶，直到终点宽黑线停止。 二、 方案分析与论证 总体方案设计：根据题目，我们设计了以下方案并进行了综合的比较论证，自动寻迹电动小车系统由小车主体 部分、微控制器模块、寻迹传感器模块、电机驱动模块、显示模块、电源模块构成。 2.1 总体方案论证与比较方案一：采用数字电路来组成小车的各部分系统，实现各部分功能。本方案电路复杂，灵活性 不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，设计困难。方案二：采用单片机来作为整机的控制单元。黑线检测采用红外对管对光源信号进行采集，再 经过三极管放大，电压比较使输出转化为数字信号送到单片机系统处理。此系统比较灵活，采用软 件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的 要求。方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。方案二的 基本结构图如下：图１ 总体系统结构框图3 ２.2 寻迹检测方案的选择 方案一：采用CCD传感器。利用CCD传感器进行自动导航的机器人已得到初步应用。但CCD传 感器价格较高，体积较大，数据处理复杂，不适合本次实验使用。 方案二：用红外对管作为寻迹传感器。红外反射式传感器由1个红外发射管(发射器)和1个光 电二极管(接收器)构成。红外发射管发出的红外光在遇到反光性较强的物体(表面为白色或近白色) 后被折回，被光电二极管接收到，引起光电二极管光生电流的增大。将这个变化转为电压信号，该 电压通过比较器LM339后转换为高电平(单片机的有效电平) ，检测出白线；若接收不到发射管发出 的光线则输出为低电压，该电压通过比较器LM339后转换为低电平(单片机的有效电平) ，检测出黑 线。方案可行，且红外对管使用方便，所以选用方案二。 原理图见图２。图２ 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、可靠等角度出发，同时在底盘装设5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。 ２.3 电机驱动方案的选择 方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的进行调整.此方案的 优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。 方案二：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动 芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片 作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 因此决定采用方案三． ２.4 电机的选择方案一：采用步进电机，步进电机具有快速启动和停止能力，其转换灵敏度比较高，正转、 反转控制灵活。但是步进电机的价格比较昂贵，且该实验对小车速度等没有特殊要求，因而，不选 用该方案。 4方案二：采用普通的直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便。调整范围 广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。可以满足实 验要求。 2.5 稳压模块的选择 7805稳压芯片使用方便，用很简单的电路即可以输入一个直流稳压电源,使其输出电压恰好为 5v，达到逻辑电路电压要求，因此，直接选用7805作为稳压芯片，将电压稳压至5V给单片机系统 和其他芯片供电。 2.6 显示模块方案的选择 方案一：使用液晶显示屏显示时间。液晶显示屏(LCD)优点是：低耗电量、无辐射危险，平面 直角显示以及影象稳定不闪烁等优势，可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等。缺 点是：液晶显示屏是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库。编程工作量大， 控制器的资源占用较多，在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护，其 成本也偏高。并且本系统只需要显示时间，信息量比较少，因此并不适于选用液晶显示屏。 方案二：使用数码管显示行驶时间。数码管具备数字接口，显示清晰，价格较低，作为时间显 示的器件性价比非常高，方便易行。 决定采用数码管显示行驶时间．5 三、 单元电路设计 3.1控制部分设计： 小车控制单元是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行的作用。本实验采用的是 STC89C51单片机。控制部分设计包括单片机的复位电路及起振电路。单片机晶体振荡模块采用最常 用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体选择11.0592MHz。具体电 路见图3。单片机启动运行时，都需要先复位，单片机本身是不能自动进行复位的，必须配合相应 的外部电路复位。复位电路采用按键手动复位，电路见图4。图3 图4 3.2寻迹部分设计题目要求小车要沿着画出的黑线运动，但在运动过程中，车体不可避免地会偏离运动轨迹，为 了能使车体在偏离后可以自动调整方向，重新回到运动轨迹上，系统需要将车体的运动状态及时地 以电信号的形式反馈到控制部分，控制部分控制两个电机的左转，右转，使小车重新回到轨迹上。 本设计中共使用５个集成的红外对管LTH1550装在车体的前方。 当检测到黑线时，红外对管的接收端接收到黑白线反射回来的红外光，其输出经LM339电压比 较器后立即发生高低电平转换，该信号经9012放大后送到单片机进行分析处理。然后将处理后的结 果发送到电机驱动模块，进行校正。电路见图５。6图5 3.3．驱动部分设计 由于单片机输出的信号不仅点压偏低，而且负载能力不够，不能用来直接驱动电机 L298N驱动芯片是性能优越的小型直流电机驱动芯片之一。它可被用来驱动二个直流电机。在 4—6V的电压下，可以提供2A的驱动电流。L298N还有过热自动关断功能，并有反馈电流检测功能， 符合电机驱动的需要。因此需要使用驱动芯片L298N，单片机输出的信号，经过L298N实现功率的放 大，从而驱动电机工作。L298N芯片是一种高压，大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL 逻辑 电平信号和驱动电感负载的．电路图见图6．