循迹小车

摘要

介绍了一种智能循迹小车的制作方法，给出了控制系统的硬件设计和软件设计。控制系统的硬件电路部分主要包括控制器、传感器、电机驱动芯片。控制器和传感器分别采用8位的51系列单片机STCC51和光电判断器ST178。循迹小车采用的直流电机。

关键词：STCC51 智能循迹小车 传感器 电机驱动芯片

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智能循迹小车的设计与制作

目 录

第一章 前 言 ........................................................ 3 第二章 设计原理 ..................................................... 5

2.1直流调速系统 ................................................. 5 2.2 检测系统 ..................................................... 6 第三章 硬件设计 ..................................................... 8

3.1 80C51单片机硬件结构 ......................................... 8 3.2最小应用系统设计 ............................................. 9 3.3 系统原理图 ................................................... 9 第四章 软件设计 .................................................... 11

4.1 流程图 ...................................................... 12 4.2 控制程序 .................................................... 13 第五章 电路的安装与调试 ............................................ 18 第六章 体会 ....................................................... 19 参 考 文 献 ........................................................ 20

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第一章 前 言

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，指导教师已经有充分的准备。本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。

根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。

这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。以80C51为控制核心，利用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。80C51是一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代单片机的代表。

第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品，如8ｘC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8ｘC451﹑8ｘC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展，以实现Microcomputer完善的控制功能为己任，将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA(可编程计数器阵列)﹑WDT(监视定时器)﹑高速I/O口﹑计数器的捕获/比较逻辑等。这一代单片机中，在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线，为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。Philips公司还为这一代单片机80C51系列8ｘC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN(Controller Area Network BUS).

新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构，为系统的扩展与配置打下了良好的基础。

本设计就采用了比较先进的STCC51为控制核心，C51采用CHOMS工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是

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在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。

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第二章 设计原理

2.1．直流调速系统

方案一：串电阻调速系统。

方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。 方案三：脉宽调速系统。

旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。

V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。

采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。

与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：

（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。

（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。

（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。 根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本

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设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。

脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。

脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。

2.2、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

直走

左转

图一 光电检测原理

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图二 光电检测原理图

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第三章 硬件设计

3.1、 STCC51单片机硬件结构

STCC51单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上[2]。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

1、 微处理器

该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了

运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。

2、数据存储器

片内为128个字节，片外最多可外扩至k字节，用来存储程序在运行期间的

工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。

3、程序存储器

由于受集成度，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容

量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至k字节。

4、中断系统

具有5个中断源，2级中断优先权。 5、 定时器/计数器

片内有2个16位的定时器/计数器， 具有四种工作方式。 6、 串行口

1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O

口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。

7、 P1口、P2口、P3口、P4口 为4个并行8位I/O口。 8、 特殊功能寄存器

共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些

控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。

由上可见，STCC51单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这

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个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。MCS-51单片机中8位机和1位机的硬件资源复合在一起，二者相辅相承，它是单片机技术上的一个突破，这也是MCS-51单片机在设计的精美之处。

3.2、 最小应用系统设计

80C51是片内有ROM/EPROM的单片机，因此，这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用80C51单片机构成最小应用系统时，只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可，如图3.1 80C51单片机最小系统所示。由于集成度的，最小应用系统只能用作一些小型的控制单元。其应用特点：

(1) 有可供用户使用的大量I/O口线。 (2) 内部存储器容量有限。 (3) 应用系统开发具有特殊性。

1、时钟电路

STCC51虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，必须外部附加电路。80C51单

片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。

本设计采用内部时钟方式，利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计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。振荡晶体可在1.2MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，CX1、CX2可在20pF到100pF之间取值，但在60pF到70pF时振荡器有较高的频率稳定性。所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择65pF。

在设计印刷电路板时，晶体和电容应尽可能靠近单片机芯片安装，以减少寄生电容，更好的保证振荡器稳定和可靠地工作。为了提高温度稳定性，应采用NPO电容。

2、复位电路

80C51的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器

用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。

复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。

最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实

现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用6MHZ时C取22uF,R取1KΩ。

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除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按

键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。按键手动复位电路见图3.2。时钟频率选用6MHZ时，C取22uF,Rs取200Ω，RK取1KΩ。

图二 复位的电路接法

图（二）是智能循迹小车的硬件结构，它是由控制器、驱动芯片和传感器等部分组成。结构原理图如附录1.

光电检测： ST178传感器 控制器：STCC51，判断直走、左右转信号，送出电机控制信号 左、右直流电机 电机驱动：L298

图三 循迹小车原理框图

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图四 最小系统原理图

1.1控制器

采用STCC51 单片机作为循迹小车的控制器。STCC51是一个8位（数据线是8位）单片机，片内有256字节RAM及4K字节ROM。处理器单元完成运算和控制功能。内部数据存储器共256个单元，访问它们的地址是00~FFH，其中用户使用前128个单元（00~FFH），后128个单元被专用寄存器占用。内部的两个16位计数器/定时器用作定时或计数，并可用定时或计数的结果实现控制功能。STCC51有四个8位并行口（P0、P1、P2、P3），用以实现地址输出及数据输入/输出。片内还有一个时钟振荡器，外部只需接入石英晶体就可振荡。 1.2 传感器

智能循迹小车采用的是2个相同的光电判读器，它是一种反射式光电判读器，其原理是发光元件发出的光被物体发射后到达感光元件。由此判断物体是否存在。它的内部是可见光隔离或过滤器、克服外界光线的干扰引出的误动作、所以性能比较稳定。 1.3 电机驱动

循迹小车的本体结构采用轮式驱动，两个主动后轮分别由两个小型的直流电机驱动，一个万向轮位于车体前方的中部，起支撑作用，可以随意转向而不影响主动轮的行走和转向。小型直流电机的转速高、力矩小，需要通过减速机构进行减速增矩。电机的驱动部分采用电机驱动芯片L298N，可与单片机直接连接，用高低电平来控制电机正反转及停止，使用非常方便，并可以简化电路。STCC51单片机的P1.0、P1.1、P1.2分别与L298N的

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IN1、IN2和EN A相连接，P1.3、P1.4、P1.5分别与L298N的IN3、IN4和EN B相连接，而L298N的2、3脚与左电机相连接，13、14与右电机相连接。

图三 电机驱动原理图

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第四章 软件设计

系统软件主要由传感器检测和电机控制处理主程序以及表示检测结果的子程序组成，程序流程框图如下图所示。

图五 程序设计流程图

程序如下： #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int

sbit ls=P2^6; //左侧传感器检测信号 sbit rs=P2^7; //右侧传感器检测信号 sbit left=P1^2; //左电机控制端 sbit right=P1^5;//右电机控制端

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void init1(); void init2();

uchar z,tt=0; uchar scan(); uchar put(); void main() { init1(); while(1) { switch(scan()) { case 1: P1=0xed;break;

case 2: init2(); while(ls==1&&rs==0) { left=put(); right=1;

}

break; case 3: init2();

while(ls==0&&rs==1)

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//直走

//左转

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} }

}

{

left=1; right=put();

} break;

//右转

//停止

case 4: P1=0xc9; break;

void init1() { ls=1; rs=1; P1=0xed; } void init2() {

TMOD=0x01;

TH0=(65536-1000)/256; TL0=(65536-1000)%256; EA=1; ET0=1;

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TR0=1; }

uchar scan() {

if(ls==1&&rs==1) z=1;//直走 /*轨道检测*/

else if(ls==1&&rs==0) else if(ls==0&&rs==1) else return(z); }

uchar put() {

uchar pwm ; if(tt<=2)

pwm=1;

else

pwm=0;

if(tt==10) tt=0;

return(pwm);

}

void timer0() interrupt 1

z=2;//左转 z=3;//右转 z=4;//停止 //PWM波模拟

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{

TH0=(65536-100)/256; TL0=(65536-100)%256; tt++; }

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第五章 安装与测试

3.1 电路的安装

电路安装要注意几个原则：

1. 先装矮后装高、先装小后装大、先装耐焊的等；

2. 布线尽量使电源线和地线靠近实验电路板的周边，以起一定的屏蔽作用； 3. 最好分模块安装等等。

此外焊接时不能出现虚焊、假焊、漏焊，更不能出现过焊，因为有些器件，不能耐高温，比如焊接三极管时，电烙铁绝对不能停留太久。

3.2 电路的调试

调试时应小心谨慎，电路安装完毕后，首先应检查电路各部分的接线是否正确，检查

电源、地线、信号线、元器件的引脚之间有无短路，器件有无接错。再接入电路所要求的电源电压，观察电路中各部分器件有无异常现象。如果出现异常现象，应立即关断电源，待排除故障后方可重新通电。

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第六章 体 会

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，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。

在这次设计与制作中，电机的控制采用了模拟PWM波来控制，PWM调速的基本原理和思想是通过反复循环改变ON/OFF的时间分配。但小车无法借助循环处理实现PWM，需要通过中断处理方式实现。设计靠的是STCC51的两个定时器模拟实现的，需要对定时器设定中断周期，也就是PWM的频率。PWM的频率即时达到数十千赫兹也能满足平滑控制的要求，但会产生一个很大的弊端，就是中断次数过多，导致CPU大部分时间都在处理中断，实时检测和控制不能很快的响应和处理。而且电机也存在一个变化速率匹配的问题，所以需要通过不断的尝试，适当地改变上述设定值以便得到最佳的效果。 要做好本次的课程设计，熟练地掌握课本上的理论知识是前提。这样才能对试验中出现的问题进行一定的分析和解决。

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！！！

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参考文献

[1] 万福君，潘松峰.单片微机原理系统设计及应用[M] 合肥：中国科学技术大学出版社，2001

[2] 黄俊，王兆安.电力电子技术（第三版）[M] 北京：机械工业出版社，1999 [3] 李华.MCS-51实用接口技术[M]北京：北京航空航天大学出版社，1996

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