中國礦業(yè)大學（徐州） 卜文東 華 凱 馬草原 白耀武 孫榮琛

基于紅外傳感器智能小車的設計

中國礦業(yè)大學（徐州） 卜文東 華 凱 馬草原 白耀武 孫榮琛

介紹了一種基于紅外傳感器，智能循跡等功能的智能小車系統(tǒng)的設計；該智能小車的設計采用的是四輪結構（兩個驅動前輪，兩個萬象后輪），以L293為電機驅動，STC89C52單片機為整個系統(tǒng)的控制核心。在設計中，按控制要求給智能小車安裝傳感器并編程，使智能小車實現(xiàn)自動避障與智能循跡等功能；通過紅外激光傳感器探測路徑，快速準確地采集路徑信息，使小車沿著黑線自動識別方向并且行駛。

循跡；STC89C52；紅外傳感

0 引言

智能小車技術可以應用于生活中的方方面面，如在人類無法工作的地方，科學勘探，工廠中的生產(chǎn)線，物流倉庫和服務機器人等很多的領域。在所有的東西都追求智能化的時候，智能技術就顯得尤為重要，智能技術正逐步滲入到工業(yè)和社會的各個方面。

隨著科學技術的進步，智能小車飛速發(fā)展，從生活中的智能玩具到航天航空行業(yè)等其他各個行業(yè)都有涉及，并已經(jīng)基本實現(xiàn)了循跡、檢測貼片和避障等一些基本功能。目前國際上一些汽車巨頭公司已形成了智能汽車研究和開發(fā)熱潮，未來對汽車的概念將會發(fā)生根本性的變化。智能小車作為現(xiàn)代的新發(fā)明，它可以按照預先的控制模式進行操作，實現(xiàn)智能化不需要人為的管理，是以后發(fā)展的方向?；趯θ斯ぶ悄芸刂萍夹g、傳感器與檢測技術、模式識別技術等學科的掌握，針對全國電子大賽中智能小車控制方面的題目，設計了一種基于紅外傳感器，智能循跡等功能的智能小車系統(tǒng)的設計，提高自我的自主創(chuàng)新能力和編程技巧。

1 總體設計方案

智能小車的的系統(tǒng)組成簡單明白，主要由STC89C52單片機做為主控電路，通過紅外發(fā)射接收管判斷黑線路徑。L293D驅動模塊驅動電機。

1.1 系統(tǒng)基本組成

智能循跡小車主要由STC89C52單片機電路、L293D驅動模塊、紅外發(fā)射接收管直、流電機、小車底板、電源模塊、底板、輪胎等組成。

(1)單片機電路：采用STC89C52芯片作為控制單元。STC宏晶科技對8051單片機進行了全面的技術升級與創(chuàng)新，全面采用Flash技術和ISP/IAP技術。針對抗干擾進行了專門的設計。超強抗干擾，進行了特別的加密技術，對傳統(tǒng)的8051進行了全面的提速，大幅度提高了集成度。

(2) 紅外線光電傳感器,采用CC4069六反向器中的兩個與非門組成的多諧振蕩器，其振蕩頻率調整在38～40KHZ，經(jīng)過驅動，紅外發(fā)射管發(fā)出38～40KHZ的紅外光線。

(3)L293驅動模塊：體積小、控制方便。內(nèi)部電路屬于H橋集成電路。輸出電流1000mA,最高2A。最高工作電壓36V，其輸入端可以與單片機連接，可以控制兩路電機，實現(xiàn)正反轉。

(4)直流電機：只要提供一定的直流電源就能轉動。(5)電源模塊：由4個串聯(lián)1.5V干電池作為電源。

1.2 系統(tǒng)基本原理

2 單片機電路設計

2.1 最小系統(tǒng)功能特性

采用STC89C52芯片作為控制單元。STC89C52具有超強抗干擾能力，在傳統(tǒng)的8051的基礎上進行了全面的提速，指令速度提高了有24倍，通過單片機專用的串行編程接口和STC提供的專串口下載器固化程序軟件，對單片機內(nèi)部的Flash進行編程。時鐘電路采用的頻率是12MHZ的石英晶振。在復位電路中當RES為低電平時。系統(tǒng)處于工作狀態(tài)，當REST為 高電平時，系統(tǒng)處于復位或下載程序狀態(tài)，在程序下載過程中，REST引腳被拉高，下載完畢后自動拉低進入運行狀態(tài)，可以通過按下S17進行手動復位。

2.2 晶振電路

每個單片機系統(tǒng)里都有晶體震蕩器，它結合單片機內(nèi)部的電路，產(chǎn)生單片機所必須的時鐘頻率，晶振提供的時鐘頻率越高，單片機的運行速度也就越快。時鐘可以由內(nèi)外部的方式產(chǎn)生，在XTAL1和XTAL2引腳上外接定時元件，內(nèi)部振蕩器就產(chǎn)生自激振蕩。定時元件通常采用石英晶體和電容組成的并聯(lián)諧振回路，本設計選用的是12MHZ無源晶振、2個22pF電容。

2.3 復位電路

為確保系統(tǒng)中電路穩(wěn)定可靠的工作，復位電路的作用尤為關鍵。同時，由于復位電路容易受到外部噪聲干擾的原因，復位電路必須具有一定的抗干擾能力。在上電或復位過程中，控制CPU的復位狀態(tài)：這段時間內(nèi)保持復位狀態(tài)，以避免一上電或剛復位完畢就工作，讓CPU發(fā)出錯誤的指令、執(zhí)行錯誤操作。施密特觸發(fā)電路有兩個臨界電壓且形成一個滯后區(qū)，可以防止在滯后范圍內(nèi)之噪聲干擾電路的正常工作。當系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)時，且振蕩器穩(wěn)定后，如果RST引腳上有一個高電平并維持2個機器周期(24個振蕩周期)以上，則CPU就可以響應并將系統(tǒng)復位。

3 紅外傳感器

紅外輻射是一種電磁輻射，它既具有與可見光相似的特性，如反射、折射、干涉、衍射和偏振，又具有粒子性，即他可以以光量子的形式被發(fā)射和吸收。這在電子對生產(chǎn)、康普頓散射、光電效應等實驗中得到充分的證明。

紅外探測器是把紅外輻射能轉換為電能或其他便于測量的物理量的器件。最初赫歇爾發(fā)現(xiàn)紅外輻射所用的水銀溫度計是最早的熱輻射探測器。

用來檢測紅外輻射存在的物理器件稱為紅外探測器，能把接收到的紅外輻射轉變?yōu)槿菀诇y量的物理量。在小車的設計過程中利用了紅外輻射的反射特性。當紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線被黑色的跑道吸收，不能反射紅外線，接收管接收不到紅外線，L293D向直流電機持續(xù)供電，實現(xiàn)循跡。

4 電機驅動原理

4.1 電機驅動原理

L293D四倍高電流 H 橋驅動程序。L293D提供雙向驅動電流高達600毫安，電壓是從 4.5 V至36V的。

兼容所有的TTL輸入。每個輸出都是推拉式驅動電路，與達林頓三極管和偽達林源。啟用1,2EN驅動器和3,4EN驅動器。當使能輸入為高電平時，相關聯(lián)的驅動器被啟用和他們的輸出處于活動狀態(tài)。

其輸出關閉，在高阻抗狀態(tài)。用適當?shù)臄?shù)據(jù)輸入端，每對驅動程序的形式一個完整的H橋可逆驅動器適用于電磁閥或電機應用。L293D的工作溫度是從0°C至70°C。

4.2 原理圖

如圖所示，H橋電機驅動的電路中包含四個三極管和一個電機。電機在運轉的時候，必須要導通對角線上的一對三極管。根據(jù)不同的三極管對的導通情況可以控制電機的轉向，電流可以從左至右流過電機，當Q1管和Q4導通，電流從電源正極經(jīng)過Q1從左至右流過電機，在經(jīng)過Q4回到電源負極。這種的電流流向驅動電機順時針轉動。

5 軟件設計

程序的采用C語言來編寫，利用模塊化結構程序的設計，便于編寫和查找問題，同時能更方便的讓讀者理解和閱讀。模塊化的程序主要包括：主程序、定時溢出中斷服務程序，外部中斷服務程序。

C語言是一種通用的計算機語言，可以用來編寫一般的應用程序也可以用來編寫計算機的系統(tǒng)程序。C語言既具有一般高級語言的特點，又能直接對計算機的硬件進行操作。表達和運算的能力也比較強。德國的Keil Software公司一直致力于單片機C語言編譯器的研究。該公司的Keil C51是一種轉為8051單片機設計的高效率C語言編譯器，符合ANSi標準。生成的代碼運行的速度也很高。

Keil公司已經(jīng)推出了V9.0以上的版本，為8051的開發(fā)環(huán)境提供了更好的平臺，同時還具有匯編代碼高效、快速的特點。C51 已經(jīng)被完全集成到一個功能強大且全新的開發(fā)環(huán)境。

uVision4具備很強大的項目管理功能，可以十分方便的進行結構化多模塊程序設計。

6 結論

通過本次的設計以及制作，基于模塊化設計的紅外自動循跡智能小車控制系統(tǒng)，設計的系統(tǒng)具有很強的靈活性和擴展性。以STC89C52單片機作為主控系統(tǒng)進行控制處理，控制發(fā)射管進行發(fā)射紅外光，控制接收管處理反射回來的紅外線。經(jīng)過設計和制作小車可以在黑色跑道上快速較準確的自動行駛，具有較快調節(jié)時間和反應時間，扛干擾性強、等特點。

[1]郭天祥.51單片機C語言教程[M].電子工業(yè)出版社,2009.

[2]黨宏社.智能車輛系統(tǒng)發(fā)展及其關鍵技術概述[J].公路交通科技,2002(4):6-10.

[3]尹念東.智能車輛的研究及前景[J].上海汽車,2002(2):11-15.

[4]張毅剛.新編MCS-51單片機應用設計(第一版)[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社,2003:45-60.

[5]何立民.單片機應用系統(tǒng)設計[M].北京:航天航空大學出版社,2002:2-5.

[6]袁秀英,李珍.單片機原理與實驗教程[M].北京:航空航天大學出版社,2006:56-78.

[7]蔡自興編著.中國的智能循跡小車研究[J].莆田學院學報,2002,9(3):36-39.

[8]恒盛杰資訊編著．Protel電路板設計從入門到精通(第1版)[M].中國青年出版社,2006:1-148.

[9]徐愛鈞著.Keil C51單片機高級語言應用編程技術[J].北京:電子工業(yè)出版社,2015,10.

[10]王海宴編著.紅外輻射及應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2014,8.

[11]張建奇,方小平編著.西安:西安電子科技大學出版社,2004,6.

[12]何賓編著.STC單片機原理及應用:從器件、匯編、C到操作系統(tǒng)的分析和設計[M].北京:清華大學出版社,2015.

附圖1：

附圖2：

附圖3：