基于紅外光電傳感技術(shù)自動(dòng)循跡小車小車系統(tǒng)

1、基于紅外光電傳感器的自動(dòng)循跡小車系統(tǒng)基于紅外光電傳感器的自動(dòng)循跡小車系統(tǒng)摘要：本方案是一種基于紅外光電傳感技術(shù)的自動(dòng)循跡小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，包括小車系統(tǒng)構(gòu)成、光電傳感器原理及系統(tǒng)軟硬件設(shè)計(jì)方法。小車以紅外光電傳感器為檢測(cè)模塊，單片機(jī)STC12C5A60S2 為控制核心, 產(chǎn)生PWM波，控制小車速度。利用紅外光電傳感器對(duì)路面黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè),并將路面檢測(cè)信號(hào)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析判斷,及時(shí)控制舵機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠沿著黑色軌跡自動(dòng)行駛,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。關(guān)鍵詞：紅外光電傳感器 STC12C5A60S2 自動(dòng)循跡小車Abstract : This is a des

2、ign of a smart auto-tracking vehicle which based on infrared photoelectric sensor technology. The construction of the car , the principle of photoelectric sensor and methods of hardware and software design are included. The car use infrared photoelectric sensor as detecting module and STC12C5A60S2 a

3、s heart of control in this system. Then using PWM waves produced by MCU to control the car speed. By using infraraed sensor to detect the information of black track,the smart vehicle acquires the information and sends them to the Servo. Then the Servo analyzes the signals and controls the movements

4、of the motors,which make the smart vehicle move along the given black line antomaticly.Keywords: Infrared photoelectric sensor STC12C5A60S2 auto-tracking vehicle目錄1.背景及思路21.1背景21.2 整體方案22.紅外光電傳感器32.1紅外光電傳感器原理32.2紅外光電傳感器在本方案中的應(yīng)用43.硬件設(shè)計(jì)43.1主控電路模塊53.2紅外檢測(cè)模塊63.2.1紅外檢測(cè)模塊電路圖73.2.2紅外檢測(cè)模塊的安裝73.3舵機(jī)83.4電源模塊93

5、.5整體電路圖104.軟件設(shè)計(jì)104.1 PWM控制104.2主程序流程圖114.3小車循跡流程圖125.總結(jié)與展望146參考文獻(xiàn)151.背景及思路 1.1背景 自動(dòng)循跡小車可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)避開障礙，選擇正確的行進(jìn)路線等功能。在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域有廣泛商用價(jià)值，可應(yīng)用于自動(dòng)裝配線，生產(chǎn)線的物料自動(dòng)運(yùn)轉(zhuǎn)等。循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”。1.2 整體方案小車?yán)眉t外光電傳感器對(duì)路面黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè),并將路面檢測(cè)信號(hào)反饋給單片機(jī)STC12C5A60S2,單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析判斷,產(chǎn)生PWM波

6、，控制小車速度。同時(shí)及時(shí)控制舵機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠沿著黑色軌跡以設(shè)定速度自動(dòng)行駛,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。系統(tǒng)方案方框圖如圖1-1所示。檢測(cè)（黑線）舵機(jī)軟件控制控制小車圖1-1 系統(tǒng)方案方框圖2.紅外光電傳感器 2.1紅外光電傳感器原理目前，市場(chǎng)上常用的紅外線光電傳感器，是利用物體對(duì)近紅外線光束的反射原理，由同步回路感應(yīng)反射回來(lái)的光，據(jù)其強(qiáng)弱來(lái)檢測(cè)物體的存在與否，光電傳感器首先發(fā)出紅外線光束到達(dá)或透過目標(biāo)物體，物體或鏡面對(duì)紅外線光束進(jìn)行反射，光電傳感器接收反射回來(lái)的光束，根據(jù)光束的強(qiáng)弱判斷物體的存在。下圖左為紅外光電傳感器的原理圖，二極管作為信號(hào)發(fā)射器發(fā)射紅外信號(hào)，經(jīng)過地面的反射，

7、產(chǎn)生了三極管的基極電流，因此在回路中產(chǎn)生了電壓。右圖為紅外光電傳感器的實(shí)物圖，白色的部位是紅外信號(hào)發(fā)射器，黑色的部位是接收器。圖2-1 紅外光電傳感器原理圖和實(shí)物圖2.2紅外光電傳感器在本方案中的應(yīng)用本方案中，利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。 圖2-2 紅外光電傳感器在本方案中的應(yīng)用3.硬件設(shè)計(jì) 自動(dòng)循跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、

8、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測(cè)模塊、舵機(jī)等部分組成,硬件連接圖如圖3-1 所示。 穩(wěn)壓電源模塊主控芯片STCL298舵機(jī)紅外檢測(cè)模塊 YYL-70電壓比較器圖3-1 紅外光電傳感器在本方案中的應(yīng)用1.主控制電路模塊：STC12C5A60S2、復(fù)位電路，時(shí)鐘電路2.紅外檢測(cè)模塊：YL-703.舵機(jī)：DS08-NFA（L298：放大電流功能）4.電源模塊：雙路開關(guān)電源3.1主控電路模塊 主控電路由單片機(jī)、復(fù)位電路、時(shí)鐘電路組成，采用Atmel 公司的STC12C5A60S2 單片機(jī)作為主控制器。它是一個(gè)低功耗，高性能的8 位單片機(jī)，片內(nèi)含32k 空間的可反復(fù)擦寫100,000 次Flash 只讀存儲(chǔ)器，具

9、有4K 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32 個(gè)I/O口，2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器，且可在線編程、調(diào)試，方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。時(shí)鐘電路和復(fù)位電路，如圖3-2（與單片機(jī)構(gòu)成最小系統(tǒng)）1）采用外部時(shí)鐘，晶振頻率為12MHZ2）采用按鍵復(fù)位圖3-2 時(shí)鐘電路和復(fù)位電路3.2紅外檢測(cè)模塊本方案選用紅外檢測(cè)模塊YL-70，此模塊是為智能小車、機(jī)器人等自動(dòng)化機(jī)械裝置提供一種多用途的紅外線探測(cè)系統(tǒng)的解決方案。該傳感器模塊對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，其具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外線反射回來(lái)被接收管接收，經(jīng)過比較器電路處理之后，同時(shí)信號(hào)輸

10、出接口輸出數(shù)字信號(hào)（一個(gè)低電平信號(hào)），可通過電位器旋鈕調(diào)節(jié)檢測(cè)距離，有效距離范圍260cm，工作電壓為3.3V-5V。該傳感器的探測(cè)距離可以通過電位器調(diào)節(jié)、具有干擾小、便于裝配、使用方便等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡等眾多場(chǎng)合。3.2.1紅外檢測(cè)模塊電路圖紅外檢測(cè)模塊由四個(gè)小板組成，每個(gè)小板的電路圖如圖3-3所示，紅外傳感器的發(fā)射端發(fā)射的信號(hào)經(jīng)過接收端的接收，在回路中產(chǎn)生了電壓，再經(jīng)過電壓比較器LM324，將正弦信號(hào)轉(zhuǎn)化為同頻率的方波。四個(gè)小板的輸出端信號(hào)分別接到單片機(jī)的輸入端上，單片機(jī)再對(duì)方波信號(hào)進(jìn)行處理。圖3-3 YL-70小板電路圖3.2.2紅外檢測(cè)模

11、塊的安裝四個(gè)小板的安裝如圖3-4所示，并列排成一條直線在小車的底部。其中X1與Y1為第一級(jí)方向控制傳感器，X2與Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖3-4中所示的行走軌跡黑線)在X1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)探測(cè)器動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌

12、道上去?？梢钥闯?，第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。 圖3-4 紅外光電傳感器的安裝3.3舵機(jī) 本方案中舵機(jī)選用DS08-NFA,兩個(gè)舵機(jī)分別帶動(dòng)兩個(gè)輪子轉(zhuǎn)動(dòng)。本方案中，通過控制PWM波的高電平占空比就可以達(dá)到控制舵機(jī)轉(zhuǎn)速的目的，左右輪子的轉(zhuǎn)速不同，就可以實(shí)現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)彎。信號(hào)端只要輸入一個(gè)50HZ的方波信號(hào)，然后控制信號(hào)周期的高電平脈沖持續(xù)的時(shí)間就可以控制速度和正反轉(zhuǎn)及停轉(zhuǎn)。一個(gè)高電平脈沖持續(xù)的時(shí)間對(duì)應(yīng)一個(gè)速度。高電平為1毫秒1.5毫秒時(shí)，舵機(jī)正轉(zhuǎn)(1毫秒時(shí)正轉(zhuǎn)速度最快，越接近1.5毫秒越慢，1.5毫秒時(shí)舵機(jī)停轉(zhuǎn))，高電平為1.5毫秒2毫秒時(shí)舵機(jī)反轉(zhuǎn)(1.5毫

13、秒時(shí)舵機(jī)停轉(zhuǎn)，越接近2毫秒反轉(zhuǎn)的速度越快，2毫秒時(shí)以最快的速度反轉(zhuǎn))。而單片機(jī)電流太小，驅(qū)動(dòng)不了電機(jī)，因此選用 L298芯片起放大電流的作用，L298輸入口接PWM信號(hào)，輸出口用來(lái)驅(qū)動(dòng)舵機(jī)。圖3-5舵機(jī)與L298的連接3.4電源模塊系統(tǒng)中使用到最小系統(tǒng)板，需使用到5V電壓供電。將開關(guān)電源12V電壓輸出經(jīng)過7805降壓模塊轉(zhuǎn)換為5V電壓源。 圖3-6 7805降壓模塊3.5整體電路圖 如圖3-7所示，當(dāng)光電傳感器開始接受信號(hào)，通過比較器將信號(hào)傳如單片機(jī)中。小車進(jìn)入尋跡模式，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O 口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O 口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電

14、動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。單片機(jī)采用T0定時(shí)計(jì)數(shù)器，通過來(lái)產(chǎn)生PWM波，控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。圖3-7 整體電路圖4.軟件設(shè)計(jì)4.1 PWM控制本方案采用PWM來(lái)調(diào)節(jié)直流電機(jī)的速度。PWM是通過控制固定電壓的直流電源開關(guān)頻率,從而改變負(fù)載兩端的電壓,進(jìn)而達(dá)到控制要求的一種電壓調(diào)整方法。在PWM驅(qū)動(dòng)控制的調(diào)整系統(tǒng)中,按一個(gè)固定的頻率來(lái)接通和斷開電源,并根據(jù)需要改變一個(gè)周期內(nèi)“接通”和“斷開”時(shí)間的長(zhǎng)短。通過改變直流電機(jī)電樞上電壓的“占空比”來(lái)改變平均電壓的大小,從而控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。在脈沖作用下,當(dāng)電機(jī)通電時(shí),速度增加；電機(jī)斷電時(shí),速度逐漸減少。只要按一定規(guī)律,改變通、斷電的時(shí)間,即可讓電機(jī)轉(zhuǎn)速得到控制。

15、本系統(tǒng)中通過控制51單片機(jī)的定時(shí)器T0的初值，從而可以實(shí)現(xiàn)P0.4和P0.5輸出口輸出不同占空比的脈沖波形。定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如0.1ms）中斷一次, 就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。占空比為高電平脈沖個(gè)數(shù)占一個(gè)周期總脈沖個(gè)數(shù)的百分?jǐn)?shù)。一個(gè)周期加在電機(jī)兩端的電壓為脈沖高電壓乘以占空比。占空比越大, 加在電機(jī)兩端的電壓越大, 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)越快。電機(jī)的平均速度等于在一定的占空比下電機(jī)的最大速度乘以占空比。當(dāng)我們改變占空比時(shí), 就可以得到不同的電機(jī)平均速度, 從而達(dá)到調(diào)速的目的。4.2主程序流程圖小車進(jìn)入尋跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O 口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O 口

16、有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖4-1所示：系統(tǒng)初始化任務(wù)計(jì)數(shù)器歸零是否完成全部任務(wù)？循跡子函數(shù)是否完成本次任務(wù)？結(jié)束開始NYNY圖4-1主程序流程圖4.3小車循跡流程圖小車進(jìn)入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；如果是右面第一級(jí)傳感器或右面第二級(jí)傳感器探測(cè)到了黑線，即車身右半部壓住黑線，小車向左偏出了軌跡，

17、則應(yīng)使小車向右轉(zhuǎn)。在經(jīng)過了方向調(diào)整后，小車再繼續(xù)向前行走，并繼續(xù)探測(cè)黑線重復(fù)上述動(dòng)作。循跡流程圖如圖4-2所示啟動(dòng)循跡模式探測(cè)黑線是否檢測(cè)到黑線判斷處理程序向左轉(zhuǎn)Turn_left2向左轉(zhuǎn)Turn_left1向右轉(zhuǎn)Turn_right1向右轉(zhuǎn)Turn_Lright2繼續(xù)前進(jìn)NY圖4-2循跡流程圖由于第二級(jí)方向控制為第一級(jí)的后備，則兩個(gè)等級(jí)間的轉(zhuǎn)向力度必須相互配合。第二級(jí)通常是在超出第一級(jí)的控制范圍的情況下發(fā)生作用，它也是最后一層保護(hù)，所以它必須要保證小車回到正確軌跡上來(lái)，則通常使第二級(jí)轉(zhuǎn)向力度大于第一級(jí)，即Turn_left2 > Turn_left1,Turn_right2 >

18、Turn_right1 (其中Turn_left2，Turn_left1, Turn_right2 , Turn_right1為小車轉(zhuǎn)向力度，其大小通過改變單片機(jī)輸出的占空比的大小來(lái)改變)，具體數(shù)值需要在實(shí)驗(yàn)中得到。5.總結(jié)與展望本方案是基于紅外光電傳感技術(shù)的自動(dòng)循跡小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，紅外光電傳感器的未來(lái)朝著利用新的材料，數(shù)字化方向和嵌入式方向發(fā)展，高的可靠性和低功耗甚至無(wú)源也是未來(lái)要努力的方向。自動(dòng)循跡小車目前廣泛應(yīng)用于機(jī)器人避障、避障小車、流水線計(jì)數(shù)及黑白線循跡。若在此方案的設(shè)計(jì)中增加避障，避崖等功能，應(yīng)用于無(wú)人駕駛技術(shù)中。未來(lái)的發(fā)展中，也可以針對(duì)不同的領(lǐng)域，給此類智能小車增加更多的功能，以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等領(lǐng)