基于51单片机和红外传感器的智能循迹小车

步入大学，开始了全新的生活和学习，单片机渐渐开始步入了我们的学习之中。不错，很多人要问了，什么是单片机呢，什么是红外传感器呢，他们之间是如何进行合作分工的呢？今天开始，我来一点点解决大家的疑惑。

51单片机芯片

首先来普及一下什么是单片机，和咱们用的手机。电脑有什么联系呢？

单片机，全称单片微型计算机（英语：single-chip microcomputer），又称微控制器（microcontroller），是把中央处理器、存储器、定时/计数器（timer/counter）、各种输入输出接口等都集成在一块集成电路芯片上的微型计算机。与应用在个人电脑中的通用型微处理器相比，它更强调自供应（不用外接硬件）和节约成本。它的最大优点是体积小，可放在仪表内部，但存储量小，输入输出接口简单，功能较低。由于其发展非常迅速，旧的单片机的定义已不能满足，所以在很多应用场合被称为范围更广的微控制器；由于单片机微电脑常用于当控制器故又名single chip microcontroller。“单芯片”是台湾对单片机的称呼；中国大陆主要采用“单片机”的称呼，英文缩写为MCU。

看了这个官方的介绍是不是有一点懵？简单来说，单片机就是将我们的所有计算机硬件集合在了一起，现在人人都说的CPU，ROM，RAM等等这些。（SOC在手机领域用的比较多，SOC不同于CPU，如果说中央处理器CPU是大脑,那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。SOC集成了许多的功能，包括基带。）

51单片机的开发板

单片机的种类太繁多了，不同的单片机种类也不相同，集成的功能也不一样，指令和使用的方法各不相同，咱们主要说的就是Intel公司推出的51单片机系列。到后来，英特尔将51的内核使用权以专利的形式转让给世界上许多的IC制造厂商，所以有了咱们现在这么多的种类。

英特尔

单片机到底是干什么的呢？不错，很多人有这个疑问，单片机由于体积小，功耗低，易于产品化，在控制和抗干扰方面强于咱们的一般微机，所以广泛的应用于各种控制系统和分布式系统，说到底，他就是用在一些工业自动化，智能仪表，计算机的外部设备和接口（类似于协调处理器，降低功耗）还有咱们的家用电器。

最小系统

到现在，繁冗的解释是不是头都要大了呢？没关系的，只要有这个大体的概念就可以：

什么是单片机？ 单片机就是一个小型的电脑，配合时序电路就可以工作的电脑主机。

单片机用来干什么？单片机用在工业的方面比较多，因为稳定，耐高温，耐灰尘等等，强于咱们的手机电脑（性能当然是反比了）

看到这里，不少人心中一笑，这家伙写的还没我好呢。当然了，我只是一个学生，学习的路还很漫长，还望各位高人指点。初衷只不过是和大众普及一下单片机的一些功能和用法的，让单片机更广为人知的，也希望去制作一些属于自己的小玩意。

超声波测距

到现在，基本是让大家对单片机有了一定的概念，也明白了和手机SOC的区别，因为在我认识的不少人都会拿手机的处理器和单片机进行对比，这样是错误的。

骁龙865

由于51单片机现在的功能较ARM架构单片机匮乏，所以一般不在工业上应用。51单片机应用于日常教学，现在的芯片的更为智能，不需要开发者去写一些基本的程序去驱动，这也使得51单片机作为了最基本的教学工具。

明天开始51单片机的最小组成单元——最小系统。

金属丝循迹检测智能小车设计

曾宪阳1,杨红莉2,郑子超1

(1.南京工程学院 工业中心，江苏 南京 211167；2.南京工程学院 数理部，江苏 南京 211167)

：智能小车稳定快速循迹一直是学者们研究的热门话题，能在直径0.8 mm左右的铁丝形成的轨迹上稳定快速循迹已成为研究的难点。选用STM32高速单片机作为控制核心，选用LDC1314结合四组电感线圈形成四路金属检测循迹传感器，根据传感器返回数据参数的不同即可识别区分金属丝与硬币，从而实现循迹与报警两种不同的任务。给出了快速循迹的算法思路。实验结果表明，设计的智能小车可以稳定快速循迹，在遇到硬币后能发出声光报警信号，并且小车能实时显示行驶速度、里程与时间。

：智能小车；STM32单片机；LDC1314；金属丝；快速循迹

：TP216+.1文献标识码：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2016.24.029

引用格式 ：曾宪阳,杨红莉,郑子超. 金属丝循迹检测智能小车设计［J］.微型机与应用，2016,35（24）：101-104.

0引言

机器人循迹小车一直是国内近年来智能小车研究的热门课题，目前各大高等院校都在开展这方面的研究。每年的全国、省大学生电子设计竞赛以及机器人大赛等，都涉及了循迹机器人小车题型。该题型学生容易上手，控制思路明确，学生对此兴趣十分浓厚。其中机器人小车在金属丝围成的轨道上循迹是2016年新出现的研究方向，金属丝直径有0.8 mm左右，在金属丝轨道旁边还有1角硬币，要求小车在快速循迹的过程中能识别出硬币，并发出声光报警信号，同时小车不得冲出跑道。这就要求传感器不仅具有高灵敏度识别判断能力，并且控制系统还要具有较强的稳定性。基于此，本文设计了一套满足要求的金属丝智能机器人循迹小车，并且给出了一定的分析与论证。

1系统设计思路

选用STM32单片机组成最小系统电路作为主控制模块以提高控制速度；采用TI公司提供的高灵敏度传感器LDC1314来检测金属丝的位置；采用多个三极管形成H桥作为电机驱动电路；OLED液晶模块用来实时显示小车当前行驶的时间、里程、速度等信息［12］，因此系统主要由控制核心模块、电机驱动模块、循迹模块、编码测速模块、按键显示模块、声光报警模块等几部分组成，系统框图如图1所示。

2硬件电路设计

2.1主控制系统模块设计

方案比较与选择：

方案一：选用目前较常用的51单片机作为控制核心进行控制。51单片机虽然比较常用，但控制速度较慢，且实际控制中对单片机片内资源要求较高，如PWM脉宽调制模块在51单片机内部并不具备，因此需要占用单片机定时器，这会造成资源短缺，所以舍弃该方案。

方案二：选用STM32F103系列单片机［35］进行控制。该方案使用时下较为流行的STM32单片机作为主控芯片，其片内集成了非常丰富的外设，非常利于资源开发，因此本方案采用STM32F103C8T6单片机作为主控芯片，设计的电路如图2所示。

2.2驱动电路模块设计

方案比较与选择：

方案一：选用L298N电机驱动模块。虽然L298N电机驱动模块比较常用，但是该方案在实践过程中发现，由于电机所需电流较大，因此L298N对电源电压的影响比较大，容易引起电源电压波动，造成其他模块的供电不稳定现象，还会引起单片机频繁复位，所以该方案不可取。

方案二：选用TB6612电机驱动模块。它是一款新型直流电机驱动器件，内部具有大电流MOSFETH桥结构，能独立控制2个直流电机的正反转，能同时提供两路足够的输出电流。它具有很高的集成度，在集成化、小型化的电机控制系统中，它可以作为理想的电机驱动器件，无论在性能和体积上都占绝对优势，综合考虑选择使用该电机驱动模块。

2.3 金属丝检测电路模块设计［6-8］

方案比较与选择：

方案一：选用TI公司生产的LDC1000电路。LDC1000可用来检测金属物体，但该模块的局限性在于它为单通道器件，只能外接一个金属线圈作为传感器，要想完成循迹任务就显得力不从心，所以该方案被舍弃。

方案二：选用TI公司生产的LDC1314电路。该方案中，LDC1314同样是TI公司推出的金属检测感应线圈，相对于LDC1000来说，它具有4个检测通道，可同时外接4个感应线圈作为传感器，对于循迹来说，非常合适，能够达到循迹的目的。综合考虑选择LDC1314模块电路，设计的电路原理图如图3所示。

LDC1314通过电感线圈通入变化的电流形成变化的磁场，如果在该交变磁场中放入金属，产生的阻抗会改变该磁场数值的大小，通过检测磁场变化量的大小来判断金属是否存在，也可识别该金属的大小，从而区分铁丝与硬币。

2.4声光报警电路模块设计

选用有源蜂鸣器及发光二极管作为声光报警装置，考虑到I/O口驱动能力，单片机将以灌电流形式控制蜂鸣器发声，因此采用8550三极管作为驱动，设计的原理图如图4所示。当单片机I/O口为低电平时，蜂鸣器发声，发光二极管发光，高电平时，蜂鸣器停止发声，二极管熄灭。

2.5显示电路模块设计

显示模块选用OLED液晶显示器，可用来显示汉字、字符及图形，其体积小、重量轻、使用方便、功耗极低，采用3.3 V电压供电，便于与单片机I/O口电平匹配。其电路原理图如图5所示。

2.6计数模块电路设计［9 10］

计数模块用来实时检测小车行驶过程中的速度、里程。选用光电对管ITR9702作为传感器，结合码盘完成计数检测，由运放LM393组成比较器对检测到的波形进行整形，后经电容滤波得到脉冲信号，送给单片机计数引脚。单片机在一定的时间内通过检测脉冲信号的个数来计算小车行驶的速度，结合定时器计时即可算出小车行驶的里程，再通过显示屏实时显示出来，设计的计数测速模块电路如图6所示。

3软件程序设计

单片机软件系统要完成的任务主要包括初始化、传感器数据读取与处理、循迹控制、速度里程检测与计算、实时显示、声光报警等任务，由于传感器数据读取与处理、循迹控制任务为紧急任务，并且具有一定的周期性，因此将此任务放在定时器T0中断程序中执行，但须保证程序执行时间远远小于定时器的中断周期。考虑到数据读取与处理、循迹控制任务的执行总时间约为3 ms左右，因此定时器中断周期可选择为每隔6~8 ms中断一次。速度里程检测计算任务放在另一定时器中断中进行，实时显示及报警任务通过主程序循环调用执行，其中主程序流程图如图7所示。

4系统测试与分析

4.1硬件测试

首先使用示波器对LDC1314的起振及电感线圈的工作进行测试，LDC1314能够正常起振时方可进行下一步调试，如果不能正常工作，应当重新调整初始化参数，结合示波器观察，使其达到最佳工作效果。

4.2软件仿真测试

使用STLINK作为仿真器，当LDC1314在检测金属的有无、硬币的有无时，将检测到的数据进行对比，然后在软件中设置变化阈值，进行大概的区分判别，用以识别铁丝与硬币。

使用STLINK仿真器对电机输出的PWM波进行调试，查看PWM波变化范围是否满足需要，增减量是否符合常理，会不会出现大的波动。通过设置发现，当基础PWM（满PWM为1 000）分别设置为 220、300、400时，PWM的波动情况均符合控制要求。

4.3软硬件联调测试

通过以上测试获得LDC1314的变化阈值，将程序编译下载到单片机，手握小车，使用传感器检测铁丝和硬币，查看小车转动的变化逻辑，以及检测到硬币时蜂鸣器是否正常发声，如果不符合要求，需重新对阈值进行修改，直至满足要求为止。

4.4快速循迹算法设计与分析［11 13］

传感器与铁丝的位置情况主要有5种：4个线圈均未检测到铁丝、左边第一个线圈检测到铁丝、左边第二个线圈检测到铁丝、右边第一个线圈检测到铁丝、右边第二个线圈检测到铁丝。

如果4个线圈均未检测到铁丝，这种状态可能是左边第二个线圈刚刚偏离铁丝形成，也可能是左边第一个线圈刚刚偏离铁丝形成。如果是从左边第二个线圈偏离，那么说明是小车完全偏离了跑道，那么小车应当重复上次的运行状态。如果小车从左边第一个线圈偏离，那么说明此时铁丝正好位于两组传感器中间，这时小车可以加速行驶，加快直线循迹的速度。

如果小车在左边第二个线圈上偏离出去，此时小车应重复上一次的运行状态，并且需要做大角度转向。

如果小车正好处在左边第二个线圈上，那么一个轮子应作适当加速，另一个轮子应适当减速，进行状态校正。

如果小车在左边第一个线圈上偏离出去，那么可以认为小车属于正常状态，因此加速前进，在基础油门上，增加120个PWM占空比油门，这时可以保证极为稳定的循迹和较为快速前进。右边线圈与铁丝的位置状态分析与此类似。

图8为本文设计的循迹小车实物图，其中直径0.8 mm铁丝粘贴在黑胶带下面。

5结论

采用LDC1314四通道金属检测感应传感器对0.8 mm直径的铁丝形成的跑道进行了快速循迹，对几个模块的选型进行了比较与论证，分析了各个模块的工作原理，对循迹算法做了详细设计与分析，保证了循迹的可靠性，同时也提升了小车循迹的速度。最终结果表明，设计的循迹小车可以快速稳定地循迹，在检测到硬币时能发出报警声，而且小车在行驶过程中可实时显示行驶速度、里程与时间，满足设计要求。

参考文献

［1］ 刘涛,吕勇,刘立双.智能车路径识别与控制性能提高方法研究及实现［J］.电子技术应用,2016,42(1):54 57.

［2］ 朱丹峰,葛主冉,林晓雷.基于 Android 平台的无线遥控智能小车［J］.电子器件,2013,36(3):408 412.

［3］ 王海,张李超,周伟光.基于STM32与PCAP01的激光切割头随动系统设计［J］.电子技术应用,2016,42(6):52 55.

［4］ 陈致远,朱叶承,周卓泉，等.一种基于STM32的智能家居控制系统［J］.电子技术应用,2012,38(9):138 140.

［5］ 何川,李智,王勇军.基于 STM32 的四旋翼飞行器的姿态最优估计研究［J］.电子技术应用,2015,41(12):6164.［6］ 李艳红,李自成,孙仕琪.基于STM32单片机的金属物体探测定位器系统的设计与实现［J］.仪表技术与传感器,2016(4):63 66.

［7］ 王丽君,马龙升,钟皇平，等.可自主移动的金属物体探测定位仪设计及开发［J］.实验技术与管理,2015,32(5):107 114.

［8］ 黄虎,汤惠.一种金属物体探测定位系统装置的设计［J］.电子技术应用,2016,42(3):54 60.

［9］ 康华光.电子技术基础［M］.北京:高等教育出版社,2003.

［10］ 单成祥.传感器的理论与设计基础及应用［M］.北京:国防工业出版社,1999.

［11］ 单以才,李奇林,秦剑华.基于红外传感器的自主循迹小车控制算法设计与实现［J］.机床与液压,2010,38(14):79 82.

［12］ 吕云芳,陈帅帅,郝兴森.基于C51高级语言程序控制的智能循迹小车设计与实现［J］.实验室研究与探索,2015,34(3):143 145.

［13］ 黄刚.实时修正偏移量的循迹机器人控制系统研究与实现［J］.仪器仪表学报,2015,36(11):2538 2547.

相关问答

单片机寻迹是指利用单片机控制系统来实现对特定路径的跟踪和追踪。通常使用红外传感器或光电传感器来检测路径上的标记或线条,然后通过单片机的程序控制电机或...

我用51单片机做的智能小车有遥控,循迹,避障三个功能,用什么样的程序能够达到功能切换代码放在一起,在main处按条件进入不同分支啊你确定这三个功能的代码是...

如果是毕业项目,确实不适合太难的,淘宝有许多组件,什么循迹小车,循迹雷达等等很多,可以买回来,自己组装一下,编编程序,试验一下,这种组件里面一般都会有...如果...

五年之前那是在大学期间,距离现在大约有4年了吧,教我们单片机的老师要离我们而去了,因为她要去她的城市教书去了。怎么形容她呢?那是一个风度翩翩,很有才华...2...

原理一:AGV自动导引车采用发光二极管发光,用光敏二极管接收。当发光二极管发出的可见光照射到黑带时,光线被黑带吸收,光敏二极管为检测到信号,呈高阻抗,使...

单片机应用广泛,学会单片机很有发展前景。学习单片机主要包含硬件学习和软件/程序学习两个方面,这两个方面都会涉及到相应的软件。1.单片机硬件学习单片机在...

[回答]鸡我知道也来新视野咯林肯在树林里啃单片机最小系统很简单啊,包括复位电路(可以使上电复位,也可以是按键和上电均有效的复位电路)、晶振...

[回答]因为已知连杆的转角范围和路径,所以连杆长度和连杆转角极限位置都是已知的。假设连杆两端是A点和B点,B点连接滑块,A点连接曲柄1.在连杆转角的两个极...

[回答]标准板由四块或者八块精选的白板和灰板组成,反射比值2%、5%、10%、20%、40%、60%、80%、99%等可选。在有效光谱范围内,具有高朗伯(Lambertian)特性,...