2015年湖北省职业技能大赛
智能循迹壁障小车
2015年11月21日
摘要：随着现代化的不断发展，自动化越来越普及，对传感器的应用越来越多，要求精度越来越搞高，本设计面向机械自动化发展，采用了STC12C5A60S2单片机作为控制核心，利用红外对管传感器检测黑线达到循迹，超声波检测障碍物避开障碍物的目的，以及自动停车，自动寻迹，整体系统的电路结构简单，可靠性能高。
采用技术主要有：
（1）STC12C5A60S2单片机应用；
（2）L298电机驱动及PWN电机调速；
（3）传感器的有效应用；
（4）程序算法的应用；
关键字：STC12C5A60S2 红外对管循迹 L298N PWM调速 18B20
1、 系统方案的选择
1.1 智能循迹小车的主控芯片的选择
方案一：采用ST公司的STC12C5A60S2单片机作为智能小
车的主控芯片，STC12C5A60S2 是一种低功耗、高性能CMOS8
位微控制器，工作电压为5V，32个I/O口，具有 8K 在系统可
编程Flash 存储器。该芯片价格便宜，应用广泛，操作简单，
硬件与软件设计相对简单。大学生广泛用于单片机学习与创作。
资源足够用于智能小车的设计。因此，本设计选择了此芯片。
方案二：采用德州仪器公司生产的F系列单片机
MSP430F1611作为智能小车的主控芯片，MSP430F1611是一款超
低功耗单片机，工作电压范围为1.8V-3.6V,48 位I/O 口线，
16-Bit RISC 架构，但相应硬件复杂，软件编写相对难度大，而
且价格昂贵，用于智能小车资源过剩，造成浪费。经过讨论，我
们放弃了此方案。
1.2智能循迹小车电源模块的选择
方案一：直接用直流电源供电。采用LM7812和LM7805稳压
后产生12V和5V的直流电压，供给系统各个模块用。虽然直接
用直流电源供电，功率大，但由于有电源供电线的限制，这样就
会对小车的行动造成诸多不便，为了能使小车能够简便地行驶，
只能放弃这一方案。
方案二:采用容量为9000mA的充电电池供电，充电电池质量
轻，容量大，能为小车较长时间地供电，更重要的是它体积小安
装方便，因此，本设计选择了这一方案。
1.3 智能循迹小车电机驱动电路的选择
方案一：采用分立元件制作而成的H桥驱动电路作为电机
的驱动电路。由分立元件制作的H桥驱动电路虽然可以驱动电
机，成本也低廉，但是由于各个元件的参数不一样，稳定性难以
保证，因此本设计放弃了这一方案。
方案二：采用专门的电机驱动芯片L298N驱动电机，性能
稳定，经过不断试验，L298N能够很稳定地驱动电机的转动，也
易于控制，所以，本设计采用了这一方案。
1.4 智能小车循迹模块的选择
方案一：采用红外对管进行黑线检测。红外对管的工作原理
是：由红外发射管发出红外线，红外线遇到黑线后反射回来，再
被红外接收管接收，再经过电压比较器输出高低电平给单片机识
别。该方案受外界影响小，使用简单。
方案二：采用交流调制红外避障电路。其工作原理是，使音
频锁相环芯片LM567发出调制脉冲驱动红外发射管发射红外
线，然后再给红外接收管接收信号，再经过信号放大，输入到音
频锁相环芯片LM567，如果LM567接收到的信号的频率和它本
身产生的频率相同，则LM567输出一个低电平，否则，输出高
电平。然后再给单片机识别。但是，示波器检测一直有低电平跳变，电路在受到外界红外线的干扰。因此，这一方案不可靠。
综上考虑，根据小车的需要，本设计选择了红外对管进行黑线检测。
1.5 温度测量模块
该方案采用温度传感器DH11AS 18B20测量温度，DS18B20是Dallas公司生产的数字温度传感器，具有体积小、可靠性强，适用电压宽、经济灵活的特点。
本设计选择了18B20进行测量温度。
1.6 超声波测距模块
该方案采用超声波传感器HC-SR04测量距离，该传感器具有体积小、可靠性强，适用电压宽、经济灵活的特点。
最终方案的选择:
经过反复的比较论证，本设计最终确定了以下方案：
（1） 采用
（2） 采用AT89S52作为主控芯片。 L298N作为电机驱动模块的主芯片。
（3） 采用红外对管制作黑线检测模块。
（4） 采用容量为9000mA的充电电池作为小车的供电电源。
DH11AS 18B2测量温度
HC-SR04测障碍物 （5） 采用温度传感器（6） 采用超声波模块
2 硬件的设计与实现
2.1 主控芯片AT89S52单片机最小系统板电路
2.2 电机驱动模块电路
电机驱动模块采用专用驱动芯片L298N作为电机的驱动芯片。L298N是一种具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它的响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流减速电机，而且还带有控制使能端，用它作为驱动芯片，操作方便，稳定，性能优良。L298N的5、7引脚为一个电机的控制信号输入端，10、12引脚为另一个电机的控制信号输入端，2、3引脚为一个电机的控制信号输出端，13、14引脚为另一个电机的控制信号输出端，通过单片机对L298N的输入端进行指令控制，就能实现直流减速电机的正转和反转，从而控制小车前进和后退。
电机驱动电路原理图表1。
电机驱动电路原理图
2.3 红外对管制作黑线检测模块电路
采用红外对管制作循迹电路，当检测到黑线时，红外接受管导通，否则红外对管截止，通过比较器LM393电压比较，把电平状态送给单片机进而单片机处理。原理图附表1。
红外对管电路
2.4 温度传感模块设计
DS18B20是Dallas公司生产的数字温度传感器，具有体积小、适用电压宽、经济灵活的特点。它内部使用了onboard专利技术，全部传感元件及转换电路集成在一个形如三极管的集成电路内。DS18B20有电源线、地线及数据线3根引脚线，工作电压范围为3～5.5 V，支持单总线接口。
准确的温度测量是很多嵌入式系统中重要的一点。在Linux操作系统下使用数字温度传感器DS18B20，不仅可以得到高精度的温度测量值，而且硬件简单可靠。
DS18B20的外部结构如图1所示。其中，VDD为电源输入端，DQ为数字信号输入／输出端，GND为电源地。
2.5超声波模块HC-SR04
本模块性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小。 产品应用领域： 机器人避障 物体测距 液位检测 公共安防 停车场检测 。
2.5 整体实物图
2015年湖北省职业技能大赛
智能循迹壁障小车
2015年11月21日
摘要：随着现代化的不断发展，自动化越来越普及，对传感器的应用越来越多，要求精度越来越搞高，本设计面向机械自动化发展，采用了STC12C5A60S2单片机作为控制核心，利用红外对管传感器检测黑线达到循迹，超声波检测障碍物避开障碍物的目的，以及自动停车，自动寻迹，整体系统的电路结构简单，可靠性能高。
采用技术主要有：
（1）STC12C5A60S2单片机应用；
（2）L298电机驱动及PWN电机调速；
（3）传感器的有效应用；
（4）程序算法的应用；
关键字：STC12C5A60S2 红外对管循迹 L298N PWM调速 18B20
1、 系统方案的选择
1.1 智能循迹小车的主控芯片的选择
方案一：采用ST公司的STC12C5A60S2单片机作为智能小
车的主控芯片，STC12C5A60S2 是一种低功耗、高性能CMOS8
位微控制器，工作电压为5V，32个I/O口，具有 8K 在系统可
编程Flash 存储器。该芯片价格便宜，应用广泛，操作简单，
硬件与软件设计相对简单。大学生广泛用于单片机学习与创作。
资源足够用于智能小车的设计。因此，本设计选择了此芯片。
方案二：采用德州仪器公司生产的F系列单片机
MSP430F1611作为智能小车的主控芯片，MSP430F1611是一款超
低功耗单片机，工作电压范围为1.8V-3.6V,48 位I/O 口线，
16-Bit RISC 架构，但相应硬件复杂，软件编写相对难度大，而
且价格昂贵，用于智能小车资源过剩，造成浪费。经过讨论，我
们放弃了此方案。
1.2智能循迹小车电源模块的选择
方案一：直接用直流电源供电。采用LM7812和LM7805稳压
后产生12V和5V的直流电压，供给系统各个模块用。虽然直接
用直流电源供电，功率大，但由于有电源供电线的限制，这样就
会对小车的行动造成诸多不便，为了能使小车能够简便地行驶，
只能放弃这一方案。
方案二:采用容量为9000mA的充电电池供电，充电电池质量
轻，容量大，能为小车较长时间地供电，更重要的是它体积小安
装方便，因此，本设计选择了这一方案。
1.3 智能循迹小车电机驱动电路的选择
方案一：采用分立元件制作而成的H桥驱动电路作为电机
的驱动电路。由分立元件制作的H桥驱动电路虽然可以驱动电
机，成本也低廉，但是由于各个元件的参数不一样，稳定性难以
保证，因此本设计放弃了这一方案。
方案二：采用专门的电机驱动芯片L298N驱动电机，性能
稳定，经过不断试验，L298N能够很稳定地驱动电机的转动，也
易于控制，所以，本设计采用了这一方案。
1.4 智能小车循迹模块的选择
方案一：采用红外对管进行黑线检测。红外对管的工作原理
是：由红外发射管发出红外线，红外线遇到黑线后反射回来，再
被红外接收管接收，再经过电压比较器输出高低电平给单片机识
别。该方案受外界影响小，使用简单。
方案二：采用交流调制红外避障电路。其工作原理是，使音
频锁相环芯片LM567发出调制脉冲驱动红外发射管发射红外
线，然后再给红外接收管接收信号，再经过信号放大，输入到音
频锁相环芯片LM567，如果LM567接收到的信号的频率和它本
身产生的频率相同，则LM567输出一个低电平，否则，输出高
电平。然后再给单片机识别。但是，示波器检测一直有低电平跳变，电路在受到外界红外线的干扰。因此，这一方案不可靠。
综上考虑，根据小车的需要，本设计选择了红外对管进行黑线检测。
1.5 温度测量模块
该方案采用温度传感器DH11AS 18B20测量温度，DS18B20是Dallas公司生产的数字温度传感器，具有体积小、可靠性强，适用电压宽、经济灵活的特点。
本设计选择了18B20进行测量温度。
1.6 超声波测距模块
该方案采用超声波传感器HC-SR04测量距离，该传感器具有体积小、可靠性强，适用电压宽、经济灵活的特点。
最终方案的选择:
经过反复的比较论证，本设计最终确定了以下方案：
（1） 采用
（2） 采用AT89S52作为主控芯片。 L298N作为电机驱动模块的主芯片。
（3） 采用红外对管制作黑线检测模块。
（4） 采用容量为9000mA的充电电池作为小车的供电电源。
DH11AS 18B2测量温度
HC-SR04测障碍物 （5） 采用温度传感器（6） 采用超声波模块
2 硬件的设计与实现
2.1 主控芯片AT89S52单片机最小系统板电路
2.2 电机驱动模块电路
电机驱动模块采用专用驱动芯片L298N作为电机的驱动芯片。L298N是一种具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它的响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流减速电机，而且还带有控制使能端，用它作为驱动芯片，操作方便，稳定，性能优良。L298N的5、7引脚为一个电机的控制信号输入端，10、12引脚为另一个电机的控制信号输入端，2、3引脚为一个电机的控制信号输出端，13、14引脚为另一个电机的控制信号输出端，通过单片机对L298N的输入端进行指令控制，就能实现直流减速电机的正转和反转，从而控制小车前进和后退。
电机驱动电路原理图表1。
电机驱动电路原理图
2.3 红外对管制作黑线检测模块电路
采用红外对管制作循迹电路，当检测到黑线时，红外接受管导通，否则红外对管截止，通过比较器LM393电压比较，把电平状态送给单片机进而单片机处理。原理图附表1。
红外对管电路
2.4 温度传感模块设计
DS18B20是Dallas公司生产的数字温度传感器，具有体积小、适用电压宽、经济灵活的特点。它内部使用了onboard专利技术，全部传感元件及转换电路集成在一个形如三极管的集成电路内。DS18B20有电源线、地线及数据线3根引脚线，工作电压范围为3～5.5 V，支持单总线接口。
准确的温度测量是很多嵌入式系统中重要的一点。在Linux操作系统下使用数字温度传感器DS18B20，不仅可以得到高精度的温度测量值，而且硬件简单可靠。
DS18B20的外部结构如图1所示。其中，VDD为电源输入端，DQ为数字信号输入／输出端，GND为电源地。
2.5超声波模块HC-SR04
本模块性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小。 产品应用领域： 机器人避障 物体测距 液位检测 公共安防 停车场检测 。
2.5 整体实物图