CN205880662U - 基于单片机的智能循迹测速小车系统及自循迹智能小车 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于单片机的智能循迹测速小车系统，包括控制器；电机驱动模块，所述电机驱动模块与控制器电连接；直流电机，所述直流电机与所述电机驱动模块电连接；光电码盘装置，所述光电码盘装置设于所述直流电机的输出轴上，并与所述控制器信号连接；红外线反射传感器，所述红外线反射传感器与所述控制器电连接；键盘调速模块，所述键盘调速模块与所述控制器电连接；用于显示车速和路程的显示模块，所述显示模块与所述控制器电连接。本实用新型稳定性好，可靠性佳，操作使用方便，设计新颖，实用性强，易于推广应用。

Description

基于单片机的智能循迹测速小车系统及自循迹智能小车

技术领域

本实用新型涉及智能小车技术领域，尤其涉及一种基于单片机的智能循迹测速小车系统及自循迹智能小车。

背景技术

自循迹智能小车是当前研究的热门方向，通过计算机编程可以让其按照预先设定的路线运动，运动过程中不需要人为的干预，是一个集规划决策，环境感知，自动行驶等功能于一体的智能系统，广泛应用于工业，医疗，生活等领域。无人自动驾驶汽车一直是当前的热门研究，人们希望拥有一台能够自主适应各种复杂路况和能沿着指定轨迹，安全，稳定行驶的智能车辆。

随着计算机和信息技术的快速发展，汽车工业取得了重大的进步，汽车智能化的发展将有效解决汽车数量多，交通状况拥挤，交通事故频发等一系列的交通问题；另外,在特殊环境中用于消防、照明和医学领域的智能小车也引起了各界广泛的兴趣。车辆智能化是汽车工业今后的发展趋势,也是人们对安全性、智能化要求越来越高的汽车工业的发展方向。本设计将围绕智能小车这一主题，设计一种基于STC89C52单片机为主控芯片的具有循迹功能的智能小车。

自循迹智能小车，同时也属于轮式机器人，能够胜任许多人们由于环境恶劣而无法完成的工作。早在二十世纪五十年代就被开发出来充当智能型搬运机器人，装备上如光学，电磁或其他各类自动导引装置，可以沿着预选设定的引导路径行驶，实现了无需驾驶员操作，高效，快速地将货物或物料自动从起始点运送到目的地。

目前，智能小车系统成为世界各国发展智能交通的主要研究内容，这也是今后汽车工业发展的主要目标，随着生产工艺的提高和自动化技术的发展，智能小车已经在不同领域成功解决过了一个个现实问题。如应用在工业部门中，拥有比人类更好的可靠性，而且价钱低廉，替代人类在恶劣的环境中工作，既提高了工作效率，又有效避免有害物质对人体的伤害；应用在军事上，可以替代人员执行侦察任务，避免人员伤亡；应用在生活中，帮助人们完成清扫家具，控制家具，控制家电等日常活动。

目前，智能车辆已经实现了能够在具有一定标记的道路上为驾驶人员提供辅助驾驶功能，一些机构和国家甚至已经实现了全程无人驾驶，这些自主导航的智能车辆都是通过特定的标识完成对当前路况的判断，模仿人为车辆驾驶。

在我国对智能车的研究十分重视，“飞思卡尔”杯智能车便是专门为鼓励大学生研究智能小车而设立的重要赛事，于2006年在清华大学首次举办，当时全国共有57所高校的112支队伍参赛，均是国内知名高校。

国防科技大学和中国一汽集团联合研发了CITAVT型自主导航车，现在已经开发到了第四代，该智能车曾在长沙市绕城公路上成功进行了最高车速可达75.6km/h的自主试验，并具备了超车的功能，远远领先国内同行，其技术水平早已达到世界先进水平。

再者是国外对智能小车的研究，走得最远和技术最高端的当属美国，在2004，2005年他们曾先后举办过两届“机器车挑战大赛”，全程约合227公里，路况是否崎岖，赛事要求是看哪一辆无人驾驶汽车能够在10小时内最快地跑完全部路程，15支队伍参加，遗憾的是竟无一辆车跑完全程的15%，时隔一年，2005年那次，斯坦福大学的“斯坦利”车队仅用了6小时53分58秒跑完全程，速度高达19.1英里/小时，获得了冠军的荣誉。

1995年，美国高速公路系统联盟成立，主要的研究方向为智能车辆，并且能够投放到实际生产中去。德国联邦国防大学与奔驰公司进行合开发的第二代智能车辆，此智能小车实现了智能超车。交通拥挤情况下车辆自动驾驶采用低速自动驾驶。自循迹智能小车分类，在很早之前人们就对自循迹智能小车展开了研究，从最初的发明到现在可以说已经有了50多年的历史，随着种类变得越来越多样化，其应用领域在不断地扩大，不过总得来说可以概括为以下的三种类型：（1）激光式，小车上安装有可旋转的激光扫描，通过激光扫描器发射激光束，然后接受由四周定位标志发射回的激光束，控制电路对反馈到的信息进行处理，然后控制小车按制定轨迹行驶。（2）电磁感应式，当高频电流通过导线，此时电线的周围就会有电磁场流动，电磁感式就是通过在地面上沿预定路劲埋地线的方式引导小车行驶，把两个对称电磁感应传感器安装到循迹小车上。他们收到的电磁信号差异可以反映的自循迹智能小车偏离程度路径的程度。在目前商业用途的智能循迹汽车中，特别是大型和中型小车，绝大多数都采用电磁感应导航。（3）视觉式，此类智能小车配备了CCD摄像机，是当前正迅速发展并且技术较为成熟的，传感器和车载电脑，对周围的图像信息进行采集，然后提取图像信息的特征点与内置的环境图像数据库进行比较，以对当前的位置进行确认并且分析车辆周围图像信息从而对行驶的下一步进行判断。这种自循迹智能小车并不需要设置任何的人工物理路径，所以在理论上具有灵活性，在计算机存储，处理和图像采集技术快发发展的今天，这种自循迹智能小车的实用性越来越强。

自循迹智能小车的应用：自循迹智能小车相比于传统的运输设备来说，其可靠性更高，性能更强，适用范围更广，可以适应各种艰苦的环境。可以广泛运用到仓储业，危险场所特种行业，制造业等各种行业，如在仓储业中据不完全统计，目前世界上有超过了2100个厂家把大约2万多台不同类型的智能循迹汽车应用到实际用途，为自己的仓库服务；工业生产的制造业中，流水线生产工人将被自循迹智能小车取代，可以进行快速，精准，灵活地完成材料的运送任务，大大提高了生产的灵活性和效率；在军事方面，可以把自循迹智能小车用于战场的侦察和排雷等高危工种，有效提高了工作效率和减少了人员的伤亡。

现有的自循迹智能小车效率较低，该问题亟待解决。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服上述现有技术之不足而提供一种基于单片机的智能循迹测速小车系统及自循迹智能小车，本实用新型设计了一款运行速度稳定，循迹精度高的智能小车。小车核心芯片采用STC89C52，直流电机的驱动选用L298N模块，光电传感器结合光电编码盘在运动中会产生脉冲，单片机对脉冲进行采集然后处理得出当前的速度，路程并显示到LCD1602液晶模块上；小车利用红外传感器检测循迹轨道，实现了小车的自主循迹功能；实验结果表明，该智能小车各硬件模块组合合理，整体性能优良，运行效率高，控制精度高，可以准确实现循迹，测速，测距等功能，具有一定的抗干扰能力。

为实现上述目的，本实用新型提供一种基于单片机的智能循迹测速小车系统，包括：

控制器；

电机驱动模块，所述电机驱动模块与控制器电连接；

直流电机，所述直流电机与所述电机驱动模块电连接；

光电码盘装置，所述光电码盘装置设于所述直流电机的输出轴上，并与所述控制器信号连接；

红外线反射传感器，所述红外线反射传感器与所述控制器电连接；

键盘调速模块，所述键盘调速模块与所述控制器电连接；

用于显示车速和路程的显示模块，所述显示模块与所述控制器电连接。

优选的，所述控制器是STC89C52单片机。

优选的，所述显示模块是LCD1602。

优选的，所述控制器还与所述晶振电路、复位电路电连接。

优选的，所述直流电机还与轮胎驱动连接。

本实用新型还提供一种自循迹智能小车，包括：

车架；

所述车架的前方分别设有左轮和右轮；

所述车架的后方设有万向轮；

还设有电机、与电机相连的电机驱动模块；

还包括有单片机；所述车架的前方还设有三个红外线反射传感器，所述红外线反射传感器分别与所述单片机相连；

所述车架的底部设有一储水罐，所述储水罐上设有一水阀。

优选的，所述水阀是电磁阀。

优选的，还包括有供电模块，所述供电模块与所述单片机、电机驱动模块分别电连接。

优选的，还包括有跑道，所述跑道上设有可由所述红外线反射传感器识别的标志线。

本实用新型的有益效果是：

1、本实用新型设计了一款运行速度稳定，循迹精度高的智能小车。小车核心芯片采用STC89C52，直流电机的驱动选用L298N模块，光电传感器结合光电编码盘在运动中会产生脉冲，单片机对脉冲进行采集然后处理得出当前的速度，路程并显示到LCD1602液晶模块上；小车利用红外传感器检测循迹轨道，实现了小车的自主循迹功能；实验结果表明，该智能小车各硬件模块组合合理，整体性能优良，运行效率高，控制精度高，可以准确实现循迹，测速，测距等功能，具有一定的抗干扰能力。

2、本实用新型稳定性好，可靠性佳，操作使用方便，设计新颖，实用性强，易于推广应用。

3、通过设置储水罐，小车在行进过程中可以恒定流量的滴水，从而在跑道上绘制一个水的轨迹，通过比较水的轨迹与标志线的拟合程度，就可以非常简便的检查小车的精度。

附图说明

图1是本实用新型所述的一种基于单片机的智能循迹测速小车系统一实施例的整体结构示意图；

图2是图1的使用状态示意图；

图3是本实用新型所述一种自循迹智能小车的俯视示意图；

图4是图3是左视图；

图5是H桥电路原理图；

图6是L298N内部H桥驱动电路；

图7是电机正反转状态时电流流向图；

附图标记：

控制器101；

电机驱动模块102；

直流电机103；

光电码盘装置104；

红外线反射传感器105；

键盘调速模块106；

显示模块107；

车架20；

左轮201；

右轮202；

万向轮203；

储水罐204；

水阀2041。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

参照图1和图2，本实用新型提供一种基于单片机的智能循迹测速小车系统，包括控制器101；电机驱动模块102，所述电机驱动模块102与控制器101电连接；直流电机103，所述直流电机103与所述电机驱动模块102电连接；光电码盘装置104，所述光电码盘装置104设于所述直流电机103的输出轴上，并与所述控制器101信号连接；红外线反射传感器105，所述红外线反射传感器105与所述控制器101电连接；键盘调速模块106，所述键盘调速模块106与所述控制器101电连接；用于显示车速和路程的显示模块107，所述显示模块107与所述控制器101电连接。

本实用新型的一个实施例，所述控制器101是STC89C52单片机。

本实用新型的一个实施例，所述显示模块107是LCD1602。

本实用新型的一个实施例，所述控制器101还与所述晶振电路、复位电路电连接。

本实用新型的一个实施例，所述直流电机103还与轮胎驱动连接。

请参阅图3和图4，本实用新型还提供一种自循迹智能小车，包括车架20；所述车架20的前方分别设有左轮201和右轮202；所述车架20的后方设有万向轮203；还设有电机、与电机相连的电机驱动模块102；还包括有单片机；所述车架20的前方还设有三个红外线反射传感器105，所述红外线反射传感器105分别与所述单片机相连；所述车架20的底部设有一储水罐204，所述储水罐204上设有一水阀2041。

本实用新型的一个实施例，所述水阀2041是电磁阀。

本实用新型的一个实施例，还包括有供电模块，所述供电模块与所述单片机、电机驱动模块102分别电连接。

本实用新型的一个实施例，还包括有跑道，所述跑道上设有可由所述红外线反射传感器105识别的标志线。

图1中，控制器101为系统的核心元件，人机交互由键盘和显示器来完成，其中键盘可以设计自循迹智能小车的行驶速度，可分为高速档，中速档和低速档；速度检测模块（光电码盘编码器）将采集到的脉冲数反馈到控制器101中，控制器101进行处理得出小车当前的速度，行驶的路程，然后在显示模块107LCD1602中实时显示出；红外反射传感器采集地面上的黑白线信息，反馈给单片机处理，以达到循迹的效果。所述光电码盘装置104为光电码盘编码器。

采用STC89C52作为系统设计的主芯片,该芯片具有40个引脚，最高运行频率可达35MHZ,内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器,拥有更低的成本，技术也更加成熟，可以方便的找到相关的开发资料，也满足智能小车设计的要求。考虑到智能小车设计只需要显示当前的速度，路程两个信息， LCD1602具有价格更低，占用IO资源更小，编程更简单的特点，因此显示模块107选取了LCD1602。

主控制器101采用的是单片机，单片机又被称为微控制器101，英文名为Microcontrollers，它并不是仅局限完成某一逻辑功能的芯片，而是一种集成电路芯片，通过超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU，随机存储器RAM，定时器/计数器，只读存储器ROM，多种I/O口和中断系统等功能集成到一块硅片上组成完善并且功能强大的微型计算机系统，在拥有较小体积的同时，有可以完成计算机可以完成的所有功能，目前已在通讯设备、家用电器、导航系统、实时工控等多方面取得应用，由于其具有使得产品更新换代的作用，因此常在其产品前加上形容词-智能型。单片机应用系统涉及的硬件电路主要包括两个关键内容：一是单片机的系统配置，即是按要求对外围设备的配置，如数模转换（D/A），模数转换(A/D),显示器等[7]；二是单片机的拓展系统，即单片机构成最小系统后所具备的功能模块，当单片机的内部资源如RAM,ROM,GPIO,SPI，I2C,USART等各种外设不能满足项目要求时，这时就需要外部电路的拓展，根据要求选择合适的开发芯片，进而设计相应的合适电路。通过对实用新型的要求进行分析，采用宏晶科技公司的STC89C52单片机作为主芯片进行项目的开发，该单片机是CMOS8位控制器101，具有高性能，低功耗等特点，可编程Flash存储器达到8K字节容量，内核为MCS-51，在传统51单片机的基础上做了很多的改进，拥有许多51都不具备的新功能，比如在定时器上就比传统51更多。40个引脚，其中便有32位I/O口线，内置4KB EEPROM, 4个外部中断，全双工串行口,另外就是可通过软件选择空闲模式或者节电模式，工作电压在3.3V—5.5V,最高运作频率可以高达35MHz。

晶振电路在单片机最小系统中起到的作用十分大，就好比人的心脏，没有晶振电路单片机就不能正常工作，为单片机提供时钟的晶振电路要与单片机配合才能产生效果，比如说在单片机的内部就存在一个高增益反相放大器来构成振荡器，这个放大器的输出和输入引脚分别为XTAL2和 XTAL1。时钟的产生并不仅仅局限于一种，他又两种方式，分为外部方式和内部方式，总的来说一般会优先采用外部方式，因为单片机内部的时钟误差较大远远没有外部准确，稳定，可靠；内部振荡器通过XTAL1和XTAL2引脚上外接定时元件而产生自激振荡。这里所指的定时元件通常采用电容和石英晶体组成的并联谐振回路。本设计选用的是12MHZ的无源晶振，2个33PF电容，通过换算可以知道一个机器周期是1个微秒，两个电容会起到并联谐振的作用，两个电容式不可或缺的，假如没有加进这两个33PF的电容，电路就会由于没有回路停振导致电路不能正常工作，而为系统提供基本信号则是由12MHZ的晶振负责。

复位电路设计，对于一个系统来说，复位电路至关重要，单片机正常运作也是需要一个复位电路来辅助的，作用是在复位或上电过程中，可以有效地对CPU的复位状态进行控制，CPU并不是刚复位完毕或一上电就工作，而是在这段时间保持复位状态，有效起到了防止CPU误操作的作用，提供单片机工作的稳定性。就C52单片机而言，当它的RESET端口检测到高电平的时候，单片机就会进行硬复位。

本设计采用10uF电容和10K电阻，单片机复位引脚接高电平就进行复位，上电复位时，由于电容两端的电压不能跃变，所以上电瞬间res端为高电平，随着时间的推移，电源通过R9给电容充电直到充满，res端变回低电平，完成上电复位。按键复位时，RST端为低电平，当按下按键button1，res端与高电平相连，然后放开按键，res端有恢复到低电平，完成按键复位。

请参阅图5至图7，电机驱动电路设计，单片机由于本身输出电流有限，并不能直接驱动直流电机103，所以设计小车必须要解决驱动力不足和换向问题，设计一般可以采用两种方案，一种方法是采用专用的驱动芯片加以实现，另一种方法则是设计由分离元件组成的驱动电路实现；由于驱动芯片具有价钱便宜，结构简单，可靠性高，使用方便等特点。因此在电机驱动这一领域中被广泛应用。驱动芯片有很多如BST7970、L298N、MC33886等，这个智能小车项目采用的是最为常用的L298N驱动模块，MC33886，BST7970一般在电机功率较大的场合，在介绍L298N时，要先介绍下H桥电路，需要说明的是，在下面电路由于内部采用的元件是三极管，而三极管本身起到的是放大电流的作用，所以下面讲解中如何实现换向功能便是需要侧重讲解的部分。H桥电路的原理：假设开关E,H接通，电机反向转动，而开关F,G接通，此时电机就会改变转向，向正向转动，以达到电机正反转控制的效果，在实际应用中我们还可以得到其它两种状态：

1）惰行

惰行即电机断电后的惯性减速状态，可以分为成组惰行和单独惰行，成组惰行指当工作电源失去后，电机由于在短时间内有剩余电压存在，使得在一定时间内所有电机保持的转速变化基本相同。而单独惰行则是指当发生短路时，母线上的电机会迅速失去电压，各台电机将各自单独惰行而不再存在电的联系。

2）刹车

即将F、H或E、G接通，则电机惯性转动产生的电动势将被短路，形成阻碍运动的感应电流，开成“刹车”作用。

上面的电路是为了更好说明原理，实际电路中的开关一般是由四个三极管代替，电机是H中间的横线，四个三极管就是H桥的四条垂直线，只有当对角线上的一对三极管导通电机才能运转，电流流向有两种方式，从左到右或从右到左，这也决定了电机的转向，H桥因可以很方便地控制电机转向而受到广泛地应用。

ST公司推出的L298电机驱动芯片是广受欢迎的，具有大电流，高电压，输出电流瞬间峰值最大能到3A；工作电压高，最高工作电压可达46V，持续工作电流为2A，额定功率为25W，封装为15引脚，可以通过内部的两个H桥的高压大电流全桥式驱动器来驱动步进电机和直流电机103；具有两个用控制，采用的是标准的逻辑电平信号的控制方式。L298N芯片也可以说是实现了弱点控制强电，可以对两台直流电机103或者一台四相步进电机和一台两相步进电机进行，

设计中因为要实时显示当前小车的速度与路程，所以速度采集电路是整个系统不可或缺的部分。设计中选用的是最为常用的光电测速，具体做法是把一圆盘固定在电机轴上，而且其边缘上所示有个等分凹槽，把一个发光二极管固定在圆盘的一侧，让其位置对准凹槽处，光敏三极管如果接收到来自发光二极管通过缝隙照射过来的光线，此时三极管就会导通，没有的话就会截止，从图中可以看出电机每转一圈，此时对应的单片机端就会产生相应的N个低电平。跟据这样的特性，可以通过捕获单片机端口的输入脉冲来换算出电机的实时转速和路程。

在显示电路的设计上采用的是LCD1602,其可以显示的内容为16X2,即每行可以显示16个字符，可以显示两行，对于项目中要求显示速度和路程是完全足够的，它是一种专门用来显示数字，符号，字母等的点阵型液晶模块。下面也对其原理做简单介绍下。1602的显示原理就是通过电压改变填充在两块平行板之间的液晶材料内部分子的排列状况，以达到遮光和透光的目的来显示各种不同的文字和图像，如果想实现显示彩色图像，那就需要在两块平行板间加上三色的滤光层。根据液晶具有的流动性特点，如果想使液晶分子运动，只需外加很微小的力量即可，这里拿最常见的向列型液晶为例子，液晶分子的转向可以有电场作用来实现，可以借助这个来产生光学效果，而一旦加于液晶的电场移除消失时，液晶将由于其本身的弹性及黏性，此时液晶分子将十分迅速的回撤消来未加电场前的状态。

综上所述，本实用新型设计了一款运行速度稳定，循迹精度高的智能小车。小车核心芯片采用STC89C52，直流电机103的驱动选用L298N模块，光电传感器结合光电编码盘在运动中会产生脉冲，单片机对脉冲进行采集然后处理得出当前的速度，路程并显示到LCD1602液晶模块上；小车利用红外传感器检测循迹轨道，实现了小车的自主循迹功能；实验结果表明，该智能小车各硬件模块组合合理，整体性能优良，运行效率高，控制精度高，可以准确实现循迹，测速，测距等功能，具有一定的抗干扰能力。本实用新型稳定性好，可靠性佳，操作使用方便，设计新颖，实用性强，易于推广应用。通过设置储水罐204，小车在行进过程中可以恒定流量的滴水，从而在跑道上绘制一个水的轨迹，通过比较水的轨迹与标志线的拟合程度，就可以非常简便的检查小车的精度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、 或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (9)

1.一种基于单片机的智能循迹测速小车系统，其特征在于，包括：

控制器；

电机驱动模块，所述电机驱动模块与控制器电连接；

直流电机，所述直流电机与所述电机驱动模块电连接；

光电码盘装置，所述光电码盘装置设于所述直流电机的输出轴上，并与所述控制器信号连接；

红外线反射传感器，所述红外线反射传感器与所述控制器电连接；

键盘调速模块，所述键盘调速模块与所述控制器电连接；

用于显示车速和路程的显示模块，所述显示模块与所述控制器电连接。

2.根据权利要求1所述的基于单片机的智能循迹测速小车系统，其特征在于，

所述控制器是STC89C52单片机。

3.根据权利要求1所述的基于单片机的智能循迹测速小车系统，其特征在于，所述显示模块是LCD1602。

4.根据权利要求1所述的基于单片机的智能循迹测速小车系统，其特征在于，所述控制器还与晶振电路、复位电路电连接。

5.根据权利要求1所述的基于单片机的智能循迹测速小车系统，其特征在于，所述直流电机还与轮胎驱动连接。

6.一种自循迹智能小车，其特征在于，包括：

车架；

所述车架的前方分别设有左轮和右轮；

所述车架的后方设有万向轮；

还设有电机、与电机相连的电机驱动模块；

还包括有单片机；所述车架的前方还设有三个红外线反射传感器，所述 红外线反射传感器分别与所述单片机相连；

所述车架的底部设有一储水罐，所述储水罐上设有一水阀。

7.根据权利要求6所述的自循迹智能小车，其特征在于，所述水阀是电磁阀。

8.根据权利要求6所述的自循迹智能小车，其特征在于，还包括有供电模块，所述供电模块与所述单片机、电机驱动模块分别电连接。

9.根据权利要求6所述的自循迹智能小车，其特征在于，还包括有跑道，所述跑道上设有可由所述红外线反射传感器识别的标志线。