基于寻迹 遥控 避障的智能小车

摘要：本智能小车是以有机玻璃为车架，51单片机为控制核心，加以步进电动机、发射式光电传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由51单片机通过IO口控制小车的前进后退以及转向。寻迹由ST188光电传感器完成。

关键词：ATmage32L  直流电机  光电传感器  自动寻迹电动车

Abstract: The smart car is aluminum alloy for the chassis, 51 MCU as its core, including stepper motor and servo, plus photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power circuit. MCU controls the car turning back forward or running on the white line. RPR220 reflective photo sensor seeks the trace. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current status. The system transmits information through DF module. The car’s status will be transmitted to the Remote Console..

Keywords: 51MCU  Stepper Motor   Servo   Photo sensor   Electrical fire engines  

一、系统设计

1、设计要求

（1）自动寻迹小车从安全区域启动。

（2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯、倒退等功能，在轨道上划出设定的地图。

   （3）小车在行驶过程中若遇到障碍物能够自动避让，绕过障碍物后将会自动安全行驶。

  （4）即使小车在行驶过程中偏离预置的轨道，还可通过无线装置控制使小车按着预定的路线行走来达到小车完全被控制。

2、小车循迹的原理

这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。
    红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过15cm。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。

 3、模块方案比较与论证

根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。

为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。

3.1车体设计

方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。

方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。

在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。

综上考虑，我们选择了方案2。小车底盘如图1所示：

图1车体底盘图

3.2控制器模块

方案1：采用可编程逻辑期间CPLD       作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。

方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。

本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。

方案3：AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案。

从方便使用的角度考虑，我们选择了方案3。

3.3电源模块

由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。

方案1： 采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。

方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案可行。再说实验室里已有锂电池没必要再花钱买干电池或蓄电池，能够节省开支，因此，我们选择了这种方案。

综上考虑，我们选择了方案2。

3.4稳压模块

方案1： 采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用一片7809将电压稳定至9V，最后经7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电，但7809和7805压降过大，使7809和7805消耗的功率过大，导致7809和7805发热量过大，因此，我们放弃了这种方案。

方案2：采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用2576将电压稳至5V。2576的输出电流最大可至3A，完全满足系统要求。

综上考虑，我们选择了方案2。

3.5寻迹传感器模块

方案1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。

但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。

方案2：用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。

内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。

 方案3：用ST188红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但有点受外界环境因素影响，但我们从实验室中已有的器件可以完全做出性能较稳定的巡迹传感器，既合理利用了实验室现有的资源，又节省了我们做这个项目的开支。因此，我们选择了这个值得我们去尝试的方案。

综上所述，我们选择了方案3。

3.6电机模块

本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。

方案1：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。但它存在着直流换向问题，结构复杂，维护检修不方便。

方案2：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。由于步进电机具有定时定位且不受负载变化的影响，所以采用步进电机能够通过无线模块装置实现很好的控制。经综合比较考虑，我们选择了此方案。

为了能够较好的满足系统的要求，因此我们最终选择了方案2。

3.7电机驱动模块

方案1：采用专用芯片ULN2003作为电机驱动芯片。ULN2003 是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN 达林顿管组成。它的工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流并行运行。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。所以有必要考虑这个方案。

方案2：采用电机驱动芯片L298N。298内部就是8个功率管加驱动电路，使用起来电路简单，但驱动电流只能达到2A，要增加电流可用两片并联或选用类似的大电流的芯片，还有一点是电压限制，298最高电压只能用到40V，低速时电机会振动。因此，我们放弃了这种方案。

方案2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。

综上所述，我们考虑选用了方案1。

3.8无线发射接收模块

方案1：PT2262和PT2272无线模块。PT2262/PT2272 是一种CMOS 工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/PT2272 最多可有12 位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),任意组合可提供531441 地址码,PT2262 最多可有6 位(D0-D5)数据端管脚,设定的地址码和数据码从17 脚串行输出，可用于无线遥控发射电路。该无线模块使用方便，编程简单实用，且遥控控制的范围较远。因此可考虑此方案。

方案2：其他无线数据收发模块，如nRF401、红外线或蓝牙模块，由于其价格较昂贵，不利于调试，而且系统中不需传输大量的数据，因此我们放弃了此方案。

综上所述，我们考虑选用了方案1。

3.9 避障模块

方案1：红外传感器。红外避障传感器（以下简称红外）。红外具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。该传感器对环境光线的适应能力比较强。我认为可考虑此方案。

方案2：超声波传感器。超声波是一种一定频率范围的声波。它具有在同种媒质中以恒定速率传播的特性, 而在不同媒质的界面处,会产生反射现象。但超声波在应用于避障方面由于存在盲区可能会使小车无法检测到前面的障碍物，致使无法达到避障的效果。因此，我们放弃了这种方案。

通过两种方案的比较，红外传感器的性能较稳定，我们选择了方案1。

4、最终方案

经过反复论证，我们最终确定了如下方案：

（1）车架用普通电路板手工制作。

（2）采用51单片机作为主控制器。

（3）用蓄锂离子电池经7812稳压后为直流电机供电，将12V电压经2576降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。

（4）用ST188光电传感器进行寻迹。

（5）采用红外传感器到达避障效果。

（6）专用驱动芯片ULN2003作为步进电机的驱动芯片。

（7）运用PT2262和PT2272-L4对小车进行无线控制。

系统的结构框图如图2所示：

   图2 系统结构框图

二、硬件实现及单元电路设计

1、微控制器模块的设计

我们在开发过程中使用51单片机，方便程序的调试和整机的测试，待系统调试完成后，将单片机从开发板上取下，安装在小车系统板的单片机座中，由于本次设计要求中，小车需要完成的任务比较简单，因此我们只在小车系统板的单片机系统中保留了晶振和复位电路。

2、巡迹模块电路的设计

我们设计并论证了ST188光电传感器的检测及调理电路，电路原理图如下图所示：红外光的发送接收选用型号为ST188的对管。当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图中光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。

在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。这4个红外探头的具体位置如图2所示。图中循迹传感器共安装4个，全部在一条直线上。其中InfraredMR与InfraredML 为第一级方向控制传感器，InfraredSR 与InfraredSL 为第二级方向控制传感器。小车行走时，始终保持黑线（如图2 中所示的行走轨迹黑线）在InfraredMR和InfraredML这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级探测器一旦探测到有黑线，单片机就会按照预先编定的程序发送指令给小车的控 制系统，控制系统再对小车路径予以纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。

3、电机驱动电路的设计

我们采用电机驱动芯片ULN2003作为电机驱动，驱动电路的设计如图3所示：

驱动电路图 图3

ULN2003是高耐压、大电流达林顿陈列,由七个硅NPN达林顿管组成。 该电路的特点如下: ULN2003的每一对达林顿都串联一个2.7K的基极电阻,在5V的工作电压下它能与TTL和CMOS电路 直接相连,可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器。

4.红外传感器避障电路设计

           红外具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率

的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到小车上的单片机的端口，机单片机即可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化，从而控制小车做出相应的变向运动。该传感器对环境光线的适应能力比较强。

5.无线控制电路设计

采用PT2262和PT2272-L4的无线发射和接收模块进行无线传输，该发射模块采用315M晶振,当有高电平触发各个数据口时发出相应的振荡波。接收模块采用具有锁存功能的PT2272-L4芯片,该芯片能够较好的控制小车按预置的黑线行驶。其模块框图如下图4所示。

                                   

无线发射模块  图4

三、软件实现

3.1主程序流程图

我们所设计的软件的主程序流程图如图5所示：

主程序流程图  图5

3.2 传感器数据处理及寻迹程序流程

我们用一个字节来代表车底的4个光电传感器。用每一个位来代表当前传感器的检测状态。

我们把小车直线行进时分成三种状态，当中间四个传感器都检测到白线时，小车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速运行。当检测到有一个传感器或者同侧的两个传感器偏出白线时，小车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。当检测到有三个电机偏出时，小车处于较大的偏离状态，这时把一个电机的速度调至极低，另一电机全速运行，从而在较短时间内完成路线的调整。

用这种二级调速的寻迹算法同单纯的判断检测到对管的位置并作出判断的方法相比，程序思路清晰，程序执行结果较好。

该检测传感器子程序的流程图如图6所示：

图6 传感器信息处理子程序流程图

四、系统功能测试

4.1测试仪器及设备

表1  测试仪器设备清单

4.2功能测试

小车从启动区开始行驶能够较好的按着预置的黑线轨迹运动，且在遇到障碍物时有着较好的避障的效果，在偏离轨迹较大时可以通过无线很好的控制它，使它从新按着黑线行驶，从而做到了完全控制小车按巡迹要求行驶，达到了该项目设计之初的任务。

五、结论

测试表明，小车能够较好的完成实验的基本要求和发挥部分。同时作为我们的特色的远程显示台的工作正常，绘图显示清楚，寻迹误差较小。

六、结束语

我们的寻迹小车在完成设计要求的前提下，充分考虑到了外观、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。由于设计要求并不复杂，我们没有在电路中增加冗余的功能，但是我们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。

七、总结和心得

通过这次的项目实训，我学习到了很多的电子知识，这些知识不是平时课本上所能学到的。这次实训加强了我实践动手能力，特别培养了出现问题、分析问题、解决问题的能力，我相信这些能力的提高对我以后在从事任何工作都将会有极大的帮助。这次的项目实训让我感触最深的是：作为电子爱好者，电子制作中不管遇到什么问题和困境都要有一颗平静的心和坚持不懈的精神，一颗浮躁的心是不会到达成功的彼岸。在此，还感谢下指导老师尽心的指导和学长们热心的帮助。

八、参考文献

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