基于52单片机的智能循迹小车的设计与制作
谭世伟07081201 张云07081223
哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院 070812班
摘要：以自主设计的底盘为基础，以直流减速电机及其控制电路为驱动，以AT89S52单片机为控制核心，以红外对管为探测系统，加以外围电路组成的智能小车在特定的程序下实现走“8”字及循迹的功能；基于阿克曼原理设计的平面等腰梯形连杆机构及差速器能够实现小车的完美转向；基于52单片机、光耦、L298、稳压器7805的控制电路能够实现对直流减速电机与舵机的整体控制；电路部分与机械部分的有机结合在特定程序下经过多次调试便能实现上述功能。
关键词：AT89S52；L298；直流电机；
平面等腰梯形连杆机构；红外放射式原理
引言：
随着控制技术及计算机技术的发展，智能车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的
角色，是以后的发展方向。
智能小车的巡线功能在生产生活中都有着广泛的用途。例如：可以用在大的生产车间的物流系统中，按照预先设定的路线来传输货物；可以用在赛车比赛中能够按照轨道行驶，从而更加安全；还可以用在导航系统中等等。
国内高校间年年举办的机器人大赛大多选择以小车为载体来实现特定功能，小车这种简单而又
常
见
的
玩
具
得
到
了
越
来
越
多
的
。
随着大学期间知识的积累，所学的东西完全可以在程控小车这个项目上得到实现。
本次设计的简易智能小车采用AT89S52单片机为小车的检测和控制核心，辅以L298、光耦、7805等器件构成的外围电路能够实现对直流减速电机与舵机的控制。随着编程语言的导入，及多次的调试，小车便能实现走“8”字的功能。在此基础上安装红外对管组成的探测系统，可以把反馈的信号送入单片机，使单片机按照预定的工作模式控制小车沿着设置的黑线行驶，便完成了循迹的功能。
本设计结构简单，较容易实现，但具有高度的智能化、人性化，一定程度上体现了智能化。 1.设计任务
要求：用已有器件设计一个简易智能小车，其行驶路线满足要求。
2.总体设计方案
根据设计任务要求及扩展功能，智能小车是以AT89S52单片机为检测和控制核心，由轨迹探测模块、后轮驱动模块和前轮导向模块及电源模块等四大模块组成。设计如图1所示：
图1 智能小车系统结构模块
2.1轨迹探测模块
该模块采用红外对管GP2A25来检测信号送给单片机，其原理图接线如图2所示： 图2 红外对管引脚接线 红外对管构成的探测系统原理如图3所示：
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图3 探测系统电路图 2.2前轮驱动模块
该模块是以平面等腰梯形连杆机构为机械机构，由舵机进行控制驱动。 连杆转向机构及驱动体系的工作的原理框图如图4所示：
图4 连杆转向机构
2.3后轮驱动模块
该模块以差速器为机械基础，由电机来驱动。差速器结构图5所示：
图5 差速器结构图
2.4整体装配图：
有了驱动系统与转向系统，加上其它小车零件，就可以的到如图6所示的程控小车装配图。
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图6 整体装配图
3.程序框图：
3.1走8字型程序流程图如图7所示：
图7 程序流程图
其中子函数drive决定舵机的转向转角和电机的转速转向；子函数init0_time是定时器0初始化函数，在设计中使定时器0每100Us中断一次；子函数motor_run决定电机的转速和转向；子函数time0_pwm为定时器0中断服务程序，包括舵机部分、直流电机PWM调速部和较精确延时部分。 2．循迹程序流程图如图8所示：
图8
4.方案的论证与实现 4.1轨迹探测模块
该智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”——黑线．判断信号可通过单片机控制驱动模块修正前进方向，以使其保持沿着黑线行进。
所用的黑线宽度大约为1 cm，判断黑线的方案采用红外反对管作为传感器，三个红外对管并排放置于小车的前部进行线路跟踪——正常行驶时，中间一个红外对管都应位于黑线之内，而左右两个红外对管应位于白色轨道上。
电开关脱离轨道时，等待外面任意一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线(即回到轨道)再恢复正向行驶。
4.2后轮驱动模块 小车的主体结构包括底盘、车身、转向机构等，对于小车而言，转向机构与驱动系统的设计是很重要的，只有严格按照阿克曼原理设计出合理的零件长度才能使小车平稳的转向，而不至于出现打滑现象。由于平面等腰梯形连杆机构最常见且加工方便，所以设计采用平面等腰梯形连杆机构小车的转向机构。
转向机构的设计能够实现所采用的原理——阿克曼原理 阿克曼原理：
沿着弯道转弯时，利用四连杆的相等曲柄使内侧轮的转向角比外侧轮大大约2~4度，使四个轮子路径的圆心大致上交会于后轴的延长线上瞬时转向中心，让车辆可以顺畅的转弯。
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公式：cotβ-cotδ=M/L;
β：外轮轴线与后轮轴线之间的夹角； δ：内轮轴线与后轮轴线之间的夹角； M：前车轮之间的距离； L:前轴与后轴之间的距离； 其具体的参数如图9所示：
当汽车转向时,内轮轴心与后轮轴线之间的夹角δ大于外轮轴心与后轮轴线之间的夹角β时,就能保证车轮与地面之间为纯滚动,汽车便能够平稳实现转向。
图9
按照阿克曼原理设计出连杆、连架杆的具体长度之后，选取合适的板料即可加工出转向机构所需的全部零件。 4.3后轮驱动模块
该模块以差速器机械机构为基础，由直流电机驱动。普通差速器由行星齿轮、行星齿轮架、半轴齿轮等部件组成。
发动机的动力经传动轴进入差速器，直接驱动行星轮架，再由行星轮带动左、右两条半轴，分别驱动左、右车轮。差速器的设计要求满足：（左半轴转速）+（右半轴转速）=2（行星轮架转速）。
后轮支座设计时应该注意的细节：
后轮支座由于内部要安装轴承，轴承与后轮支座之间采用的是过盈配合，所以设计加工时应该特别注意。
后轮支座的零件图如图10所示：
图10
具体加工的时候选取52×52×10的铝板作为材料，选取铣床位加工机床，按照图示的规格进行铣削加工即可得到支座的外形，然后用钻孔工具按照要求钻孔即可得到所需的零件。
其它容易加工的零件，按照设计图纸进行加工，并将所需的标准件及库存零件列表，到库房
领取即可。所有的机械零件都有后，按照整体的装配图进行装配即可。 4.4电控部分总体方案
智能小车采用AT89S52单片机作为控制器，通过控制电路控制舵机转向和直流减速电机的转速、转动方向，使小车能够按照预设定的路径行驶。
系统控制框图如图11所示：
图11 系统控制框
智能小车电控部分电路图如图12所示，现介绍能够实现小车按照预设定路径行驶所用的关键器件的作用：
图12 电路图
1) 单片机：
单片机是此电路的核心部分。设计采用的52单片机，其工作电压为5V（20引脚接5V，40引脚
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接地）。单片机根据程序输出逻辑电压从而完成控制作用。本设计使用单片机的P0.0到P0.6引脚，其中P0.2和P0.3,P0.0和P0.1为直流减速电机的控制线接口，分别控制左右电机的正转、反转和刹停；P0.4和P0.5为电机的使能端接口，分别控制左右电机的转速；P0.6为舵机的控制线接口，控制舵机的转向及转角大小。 2) 光耦：
光耦的作用是隔离数字电路和模拟电路。设计采用的光耦是TLP521-4，它主要由发光二极管和光敏三极组成。其工作原理如下：当光耦的输入端（如IN1）接收到高电压时，发光二极管没有导通不发光，光敏三极管呈高阻态（可以认为其为断路），此时输出端（如OUT1）输出高电压；当光耦的输入端接收到低电压时，发光二极管导通发光，光敏三极管导通呈低阻态（可以认为其短路），此时输出
端输出低电压。由此可以看出通过光耦可以顺利地将数字电路的逻辑电压信号转换到模拟电路中。 3) 7805：
7805是一种固定电压(5V)三端集成稳压器，其适用于很多应用场合。其卓越的内部电流限制和热关断特性使之特别适用于过载的情况。在此电路中78L05的作用是保证提供给L298的电压是稳定5V以使L298正常工作。 4) L298：
L298是双H高电压大电流功率集成电路．直接采用TTL逻辑电平控制．可以驱动继电器、直流电动机、步迸电动机等电感性负载。在此电路中L298连接保护电路根据单片机提供的逻辑电压对电机进行驱动。具体驱动方式如下：当使能端为高电平时．输人端1N1(IN3) 为高电平信号，IN2(IN4)为低电平信号时，电机正转；输人端IN1
（IN3)为低电平信号，IN2(IN4)为高电平信号时，电机反转；IN1(IN3)与IN2（IN4)相同时，电机快速停止。当使能端为低电平时．电动机停止转动。将上述原理总结如表1所示（其中1代表高电平，0代表低电平）：
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