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循迹避障小车的设计
作者：祝松柏
来源：《科学导报·学术》2017年第08期
摘要： 该设计研究了一款基于STC89C52的两轮智能小车，能实现智能避障与智能循迹功能。小车以单片机为控制核心，结合传感器实现智能循迹避障功能，通过红外线传感器进行寻找轨迹，并通过红外线模块探测障碍物，然后控制电机转向，完成循迹避障功能。该设计相对于其他小车相比，使用红外线传感模块降低了设计成本，具有电路简单、可靠性高的特点。 关键词： STC89C52单片机；红外传感器；智能小车；循迹避障 【中图分类号】F407.472【文献标识码】B 【文章编号】2236-1879（2017）08-0162-02 1引言
1.1研究背景及意义。
网络购物已走入寻常百姓的家庭之中，其带来了便利，也促进了经济的发展[1]。但随之带来的问题也逐渐显露出来，例如某些特大优惠活动时，包裹数急剧增加，给收发件的工作人员带来了很大的压力。若是能有一款小车，能够将包裹按照设定好的路线运到相应的仓库事先分好类，那么将提高工作效率。然而要完成这一目标，就要求小车能够识别设定的移动轨迹，且能够准确避开行驶过程中遇到的障碍物回到事先设定的轨道中，完成任务。 2系统整体设计方案
该系统实现的主要组成包含以下5个部分[2]。系统设计框图如图1所示。 （1）主要的控制系统为单片机最小系统，采用了STC89C52芯片。
（2）避障电路模块使用的是红外对管模块，通过发射并接收特定频率红外线来判断小车前方是否有障碍物[3]。
（3）循迹电路模块采用的是红外线循迹模块，通过检测小车下方的黑线来确定路线。 （4）通过L298N电机驱动模块驱动电机的运转。 （5）采用4节5号电池的供电方式。
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3系统硬件设计 3.1单片机最小系统。
STC89C52单片机与其他C51单片机比较，有着更大的应用程序储存空间，单片机上ROM也更大，我们可以直接使用串口下载用户程序，这样耗时更小[4]。单片机最小系统原理图如图2所示。 3.2循迹电路。
我们采用了集成模块式电路，该红外线避障模块内部主要采用红外对管与LM393比较器组成。传感器通过主动发射红外线进行检测，因此目标的反射率是检测距离的关键。其中黑色物体吸收红外线较强探测距离最小，白色物体吸收红外线较弱探测距离最大。当红外发射接收管检测到路线为黑线时输出为低电平，当检测到路线是白线时则输出为高电平。因为模块中含有比较器，能使信号干净，波形更好，驱动能力强。
3.3避障电路。避障电路模块对周围环境光线检测灵敏，由一对红外线发射与接收管组成。工作时，通过发射管发射出红外线，当前方遇到障碍物时，收管接收反射回来的红外线，再由比较器信号处理后，开关指示灯会亮起，同时信号输出接口输出数字信号传输到单片机[5]。当该模块检测到前方遇到障碍物时，开关指示灯点亮，OUT端口持续输出低电平信号，且该模块可以通过电位器调节检测距离，顺时针调电位器，可以使检测距离增加。逆时针调电位器，则可以使检测距离减少。红外避障电路模块如图3所示。
3.4驱动电路。L298N是一种电机驱动芯片，该模块可以用来驱动步进电机或者直流电动机。采用逻辑电平信号控制，该模块有两个使能端，在不受输入信号影响的情况下，允许器件工作只有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。驱动模块电路图如图4所示。
3.5电源电路。电源模块由7805三端稳压集成电路与两个电容组成，三端IC是指这种稳压用的集成电路，只有三条引脚输出，分别是输入端、接地端和输出端。可以利用该电源模块将4节5号电池提供的电压，稳定的降为5V，此电路结构简单，使用起来非常方便，所以采用此电路模块为电机驱动模块芯片供电。 4软件设计
4.1循迹电路模块程序设计。
智能小车底盘装有两个红外传感器模块，用来探测地面的轨迹信号，由黑线代替轨迹。假如左边检测到黑线，小车向左边行驶，右边检测到黑线，则小车向右边行驶。两个传感器持续检测轨迹，从而修正行驶方向，使小车始终保持沿正确的轨迹行驶。
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4.2驱动电路程序设计。使用L298N芯片可以驱动M1、M2两台直流电机。如果信号端IN1接低电平， IN2接高电平，则直流电机M1反转。如果要对直流电机的速递进行调制，则单片机产生的PWM信号加到L298N的两个使能端，电机的速度随着PWM的占空比的增大而增大，为了使PWM信号能够占空比更加准确故采用定时器的方法来设定PWM的占空比，利用变量来控制高电平持续时间即PWM的占空比，这种方法能够灵活的控制小车在不同状态下的速度[6]。然后又可以通过左右两个电机的速度差，来完成小车的转向动作。 4.3避障电路程序设计。
小车在前进过程中，会检测前方是否有障碍物，如果小车前方左测检测到有障碍，左侧红外避障模块将对单片机持续输出一个低电平，这时我们要控制小车按照程序往右行驶，避开障碍[7]。同理，如果小车前方右测检测到有障碍，右侧红外避障模块将对单片机持续输出一个低电平，这时我们要控制小车按照程序往左行驶，避开障碍。 结论
该设计的循迹避障小车是以STC89C52单片机为控制核心，利用了红外线发射接收传感器来实现循迹避障功能，驱动模块驱动电机使小车行驶，将软件与硬件结合起来的一款设计。小车完成了在行驶过程中，能够按照事先设定好的轨道前进，当快超出边界时，能够自动纠正偏离轨道，实现循迹行驶。当小车在行驶的过程中前方遇到障碍物时，能够智能躲避障碍物后继续行驶。小车实物图如图5所示。 参考文献
[1]顾群， 蒲双雷. 基于单片机的智能小车避障循迹系统设计[J]. 数字技术与应用， 2012， 30（05）： 23-24.
[2]姚培， 张李坚， 周晶香. 基于单片机控制的智能循迹避障小车[J]. 机电信息， 2010， 10（12）： 5192-193.
[3]张磊. 智能小车控制系统的设计[D]. 长春： 吉林大学， 2016.
[4]郑锋. 51单片机典型应用开发案例大全[M]. 北京： 中国铁道出版社， 2011. 89-95. [5]彭铁牛， 舒望. 基于STC12C5201AD系列的汽车单片机实验平台的研制[J]. 黑龙江科技信息， 2014， 18（20）： 140-141.
[6]周润景. 单片机电路设计分析与制作[M]. 北京： 机械工业出版社， 2011. 61-72. [7]丁元杰. 单片微机原理及应用[M]. 北京： 机械工业出版社， 1999. 326-337.