一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车的制作方法

1.本实用新型涉及涉及自动控制系统领域，尤其涉及一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车。


背景技术：

2.自动化和信息化是当今世界的发展趋势,伴随着自动化和信息化技术的不断进步,出现了机器人技术。各科研机构和学术单位陆续研发出各种类型的工业机器人,智能小车作为工业机器人中一个重要研究方向,日益引起人们的关注。一般来说,智能小车可以实现按照预先设定的轨迹自动完成循迹功能,在一些复杂恶劣以及人类无法正常工作的环境中,智能小车可以进行此类探测任务。目前,智能小车广泛应用于国防科技、工业生产、仓储、物流等相关领域,并且发挥了巨大的作用。
3.而市面上已出现的小车多以循迹功能为主，即按照既定路线行驶，功能较为单一，且无法避开障碍物。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题是针对背景技术中功能较为单一，且无法避开障碍物的问题提供一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车。
5.本实用新型为解决上述技术问题采用以下技术方案：
6.一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车，包含电源模块、循迹模块、避障模块、单片机控制模块、直流电机及电机驱动模块；电源模块产生稳定的直流电源为其他模块提供动力，单片机控制模块的输入端与电源模块连接；单片机控制模块的输出端分别与循迹模块的输入端、避障模块的输入端以及直流电机及电机驱动模块的输入端连接；所述循迹模块用于采集路径的信息，所述避障模块用于小车对路径上障碍物的躲避，所述直流电机及电机驱动模块接收单片机传输的控制信号，电机驱动模块控制电机的转速，从而精确的控制小车的运动，所述单片机控制模块通过接收到的路径信息，实时分析路况信息，并根据信息采用合适的控制算法发出指令给电机驱动模块，来控制小车的运动。
7.作为本实用新型一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车的进一步优选方案，所述电源模块包含芯片u1、电源b1、电容c1、电容c2、电感l1、稳压二极管d1；其中，芯片u1的引脚1分别与电源b1的正极、电容c1的一端，电源b1的负极接地，电容c1的另一端接地，芯片u1的引脚3接地，芯片u1的引脚5接地，芯片u1的引脚2分别与稳压二极管d1的负极、电感l1的一端，稳压二极管的正极接地，电感l1的另一端分别与电容c2的一端、芯片u1的引脚4以及output输出端连接，电容c2的另一端接地。
8.作为本实用新型一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车的进一步优选方案，所述单片机控制模块包含芯片u2、电容c3、电容c4、电容c5、晶振x1、开关s1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4；其中，电容c3的一端分别与晶振x1的一端、芯片u2的引脚19连接，晶振x1的另一端分别与电容c4的一端、芯片u2的引脚18连接，电容c3的另一端接地，电容c4的
另一端接地，电阻r5的一端分别与电容c5的一端、开关s1的一端、芯片u2的引脚9连接，电阻r5的另一端接地，电容c5的另一端分别与vcc端、开关s1的另一端连接，电阻r1的一端与芯片u2的引脚39连接，电阻r1的另一端与vcc端连接，电阻r2的一端与芯片u2的引脚38连接，电阻r2的另一端与vcc端连接，电阻r3的一端与芯片u2的引脚37连接，电阻r3的另一端与vcc端连接，电阻r4的一端与芯片u2的引脚36连接，电阻r4的另一端与vcc端连接。
9.作为本实用新型一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车的进一步优选方案，所述循迹模块包含红外光电传感器模块包含电阻r5、电阻r6、滑动变阻器rv1、电压比较器q1、红外光电模块u3；其中，电阻r5的一端与红外光电模块u3的引脚1连接，电阻r5的另一端分别与电阻r6的一端、电压比较器q1的正电源端连接，红外光电模块u3的引脚2接地，红外光电模块u3的引脚4接地，红外光电模块u3的引脚5分别与电阻r6的另一端、电压比较器q1的同相输入端连接，电压比较器q1的反相输入端与滑动变阻器rv1的引脚1连接，滑动变阻器rv1的引脚2与vcc端连接，滑动变阻器rv1的引脚3与电压比较器q1的负电源端连接，电压比较器q1的输出端与gd连接。
10.作为本实用新型一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车的进一步优选方案，所述避障模块选用hc_sr04模块用于主动避障，hc_sr04有4个引脚，分别是：vcc—电源端、gnd—接地端、trig—触发控制信号输入端、echo—回响信号输出端。
11.作为本实用新型一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车的进一步优选方案，所述直流电机及电机驱动模块包含电机驱动u4、电容c6、电容c7、电容c8、二极管d2、二极管d3、直流电机m1、直流电机m2；其中，电机驱动u4的引脚1、引脚15、引脚8接地，电容c6的一端分别与电机驱动u4的引脚9、引脚4以及vcc端连接，电容c6的另一端接地，直流电机m1的一端分别与电容c8的一端、电机驱动u4的引脚2、二极管d2的正极连接，直流电机m1的另一端分别与电容c8的另一端、电机驱动u4的引脚3连接，电机驱动u4的引脚13分别与二极管d3的正极、电容c7的一端、直流电机m2的一端连接，电机驱动u4的引脚14分别与电容c7的另一端、直流电机m2的另一端连接，二极管d2的负极接地，二极管d3的负极接地。
12.作为本实用新型一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车的进一步优选方案，所述芯片u1的型号为lm2596；所述芯片u2的型号为stc89c52；所述电压比较器q1的型号为lm339；所述红外光电模块u3的型号为tcrt5000；所述电机驱动u4的型号为l298n。
13.本实用新型采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
14.1.本实用新型除了在既定直线路径下，能够稳定的循迹行驶；
15.2.本实用新型在曲线路径下，可以控制好车速，并平稳的循迹运行；
16.3.本实用新型能够精确的躲避障碍物，反应迅速；
17.4.本实用新型结构简单、功耗低、可靠性高。
附图说明
18.图1是本实用新型的结构图；
19.图2是本实用新型电源模块的电路图；
20.图3是本实用新型的单片机控制模块的电路图；
21.图4是本实用新型的红外光电传感器电路图；
22.图5是本实用新型的超声波模块的引脚接电图
23.图6是本实用新型的超声波模块工作流程；
24.图7是本实用新型的电机驱动模块电路图。
具体实施方式
25.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
26.如图1所示，一种基于单片机及红外光电传感器的智能小车，是一个综合运用传感器、控制器、电机驱动等模块，具有高度智能化的系统，通过光学、电磁等自动导引模块装置，能够按照要求沿着预先设定的路径自动行驶；
27.包含电源模块、循迹模块、避障模块、单片机控制模块、直流电机及电机驱动模块；
28.电源模块产生稳定的直流电源为其他模块提供动力，单片机控制模块的输入端与电源模块连接；单片机控制模块的输出端分别与循迹模块的输入端、避障模块的输入端以及直流电机及电机驱动模块的输入端连接；所述循迹模块用于采集路径的信息，所述避障模块用于小车对路径上障碍物的躲避，所述直流电机及电机驱动模块接收单片机传输的控制信号，电机驱动模块控制电机的转速，从而精确的控制小车的运动，所述单片机控制模块通过接收到的路径信息，实时分析路况信息，并根据信息采用合适的控制算法发出指令给电机驱动模块，来控制小车的运动。如图2所示，电源模块包含芯片u1、电源b1、电容c1、电容c2、电感l1、稳压二极管d1；所述芯片u1的型号为lm2596；其中，芯片u1的引脚1分别与电源b1的正极、电容c1的一端，电源b1的负极接地，电容c1的另一端接地，芯片u1的引脚3接地，芯片u1的引脚5接地，芯片u1的引脚2分别与稳压二极管d1的负极、电感l1的一端，稳压二极管的正极接地，电感l1的另一端分别与电容c2的一端、芯片u1的引脚4以及output输出端连接，电容c2的另一端接地。
29.考虑到智能循迹小车是运动的系统，且单片机系统、红外光电循迹模块是 5v电源供电，电机驱动模块可由 5v或 12v供电，每个18650锂电池的标称电压为3.7v，lm2596是3a电流输出降压开关型集成稳压芯片，它内置有固定频率为150khz的振荡器和1.23v的基准稳压器，并具有热关断电路保护、过流保护、过压保护等保护电路，且通过该芯片和极少量的电容、电阻等外围器件就可以构成稳定、高效的稳压电路模块。lm2596拥有很好的线性和负载调节特性，固定输出的可以输出3.3v、5v、12v，可调节的可以输出0到37v的电压。所以电源模块用18650锂电池和lm2596及少量的外围元器件构成。采用3节18650锂电池串联，得到约 12v的直流电压，然后通过可调电压型芯片lm2596稳压输出 5v电压。
30.如图3所示，所述单片机控制模块包含芯片u2、电容c3、电容c4、电容c5、晶振x1、开关s1、电阻r1、电阻r2、电阻r3、电阻r4；其中，所述芯片u2的型号为stc89c52；电容c3的一端分别与晶振x1的一端、芯片u2的引脚19连接，晶振x1的另一端分别与电容c4的一端、芯片u2的引脚18连接，电容c3的另一端接地，电容c4的另一端接地，电阻r5的一端分别与电容c5的一端、开关s1的一端、芯片u2的引脚9连接，电阻r5的另一端接地，电容c5的另一端分别与vcc端、开关s1的另一端连接，电阻r1的一端与芯片u2的引脚39连接，电阻r1的另一端与vcc端连接，电阻r2的一端与芯片u2的引脚38连接，电阻r2的另一端与vcc端连接，电阻r3的一
端与芯片u2的引脚37连接，电阻r3的另一端与vcc端连接，电阻r4的一端与芯片u2的引脚36连接，电阻r4的另一端与vcc端连接。
31.本系统的控制模块核心器件所选用的是stc89c52单片机。stc89c52属于51系列单片机，它相对于stc89c51等其它51系列单片机具有：能耗低、运行速度快、能实现isp在线编程、较强的抗干扰能力以及具有两个16位可编程定时计数器的等优点。
32.并且stc89c52指令系统能够很好地完全兼容一般的51系列单片机指令系统，内部含有8k的flash程序存储空间以及512bytes的随机数据存储器（ram），且其价格也较低廉，其最小系统的外围电路简单。通过多次试验，测试结果表明：stc89c52的运算速度和精确度等性能指标是完全能够很好地满足智能循迹小车系统的要求。
33.如图4所示，所述循迹模块包含红外光电传感器模块包含电阻r5、电阻r6、滑动变阻器rv1、电压比较器q1、红外光电模块u3；所述电压比较器q1的型号为lm339；所述红外光电模块u3的型号为tcrt5000；其中，电阻r5的一端与红外光电模块u3的引脚1连接，电阻r5的另一端分别与电阻r6的一端、电压比较器q1的正电源端连接，红外光电模块u3的引脚2接地，红外光电模块u3的引脚4接地，红外光电模块u3的引脚5分别与电阻r6的另一端、电压比较器q1的同相输入端连接，电压比较器q1的反相输入端与滑动变阻器rv1的引脚1连接，滑动变阻器rv1的引脚2与vcc端连接，滑动变阻器rv1的引脚3与电压比较器q1的负电源端连接，电压比较器q1的输出端与gd连接。
34.智能循迹小车与所设定的黑色路径的相对位置的信号采集获取部分是小车对路径信息获取从而实现循迹的关键性部分，通过它完成对所设置的黑色路径的识别，根据识别的结果产生高、低电平信号，然后把该信号传递到stc89c52，stc89c52根据所获取到的信号发出相应的控制指令传递给电机驱动模块，并通过电机驱动模块控制直流电动机的转动状态，从而完成智能循迹小车的自动循迹过程。
35.而利用红外光电传感器实现循迹，其原理是通过黑、白不同颜色的物体对红外线的反射能力各不相同，传感器将接收到的反射回来的不同强弱的红外线驱动其内部的光敏二极管或光敏三极管，产生相应的不同强弱的电流信号，然后再利用其内部的电流
‑
电压转换电路把电流转换成高低电平，这高低电平的电信号供单片机stc89c52完成使用，从而完成智能循迹过程。
36.本实用新型在小车前面安装了四个完全相同的红外光电模块用于检测左右电平的变化，该红外光电模块采用tcrt5000和lm339及少量外围元器件构成。tcrt5000是一种基于红外光学反射原理的传感器，它包含一个红外发光二极管和一个光敏三极管，光敏三极管内部覆盖了用于阻挡可见光的材质。
37.工作时，tcrt5000的红外发光二极管不断发射红外线（不可见光）波长为950nm，当发射的红外线没有被障碍物反射回来或者反射强度不足时，光敏三极管不工作，当红外线的反射强度足够且同时被光敏三极管接收到时，光敏三极管处于工作状态，并提供输出。光敏三极管在工作时其集电极电流值ic约为1ma。tcrt5000红外传感器的工作范围约为0.2~15mm。
38.lm339芯片内部主要由四个独立的电压比较器构成，这些电压比较器具有以下特点：典型失调电压值为2mv，比较小的失调电压；具有较宽的工作电源电压范围，其单电源供电范围为2
‑
36v；具有很大的共模范围；差动输入电压范围可小于等于电源电压；输出端电
位可非常灵活、非常方便地选用。它可以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。lm339内部的每个比较器都有独立的同相输入端（“ ”），反相输入端（
“‑”
），以及输出端。用它组成比较时，它的同相输入端入端和反相输入端都可分别接到固定的电压上，并且把它作为参考电压，而另一输入端接待比较的电压信号。只要同相输入端入端和反相输入端的电压差大于10mv，就能实现输出状态的转换。因此在弱信号检测场合中，使用lm339是非常恰当的。该系统设计中，lm339“ ”输入端接tcrt5000输出的待比较信号，
“‑”
输入端接电源通过滑动变阻器rv1分压所得到的电压，作为比较器lm339的基准电压。滑动变阻器rv1可以通过改变基准电压的大小实现系统灵敏度调节。当光电传感器所探测到的是黑线时，lm339输出高电平；当光电传感器所探测到的是白线时，lm339输出低电平。
39.如图5、图6，本实用新型具有主动避障功能，主动避障即小车能够主动躲避行进道路上的的障碍物。
40.超声波避障技术的基础是超声波测距技术，超声波测距装置的基本组成有两部分，一部分是超声波发射器和超声波接收器，另一部分是控制器。发射器不断的发射超声波信号，这种波是一种频率高于20khz且不能被人耳听到的声波。该信号的指向性和耐消耗性好，超声波接收器很容易的接收到被运动的骑车反射的超声波，测距装置多次记录超声波由发射到接收的时间，控制器通过计算节能得出汽车的行驶速度。
41.超声波避障功能原理与测速装置原理相似。智能小车的单片机控制超声波传感器向某一方向发射超声波，同时开启内部定时器用于记录超声波由发射到接收的时间，超声波遇到障碍物后被反射会被超声波接收器接收到，单片机一旦检测到发射回来的超声波就立即关闭定时器。利用超声波在空气中传播速度与单片机定时器定时时间相乘，相乘的结果是超声波传感器与障碍物距离的两倍，利用公式能得到超声波传感器与障碍物的距离。
42.本实用新型选用hc_sr04模块用于主动避障，hc_sr04性能良好，稳定可靠，盲区范围符合设计要求，hc_sr04有4个引脚，分别是：vcc—电源端、gnd—接地端、trig—触发控制信号输入端、echo—回响信号输出端；其中电源端（ 5v）和接地端可以和智能小车单片机的电源以及接地共用。
43.hc_sr04的基本工作原理是：分别将触发控制信号输入端（trig端）和回响信号输出端（echo端）与单片机端口相连，单片机给超声波触发端口（trig端）一个持续按时≥10us的高电平，然后超声波模块自动发射超声波信号，此超声波信号是8个40khz的方波。若有信号被障碍物反射回来，超声波模块自动产生一个高电平信号通过回响信号输出端（echo）送给单片机，高电平的持续时间就是超声波从反射到返回的时间，单片机读出这个高电平时间就能容易的计算出超声波模块的探测距离。
44.单片机启动测距程序后就等待启动定时器，定时器启动后开始测量echo端高电平持续时间，即超声波传输时间。如果定时器定时时间超过1470us说明超声波没有反射或是探测距离超出了范围，此时单片机应强行关闭定时器停止定时，并发出探测失败信息。只有在超声波模块探测范围内才能对障碍物准确的测距。
45.本实用新型采用的单片机带负载能力较弱，不能直接驱动直流电机，所以需要选择合适的电机驱动器，电机驱动器能够增加电机的控制电流，l298n是成熟的h桥集成电路，操作简单，只需接好电源、电机和单片机的控制端就可以使用，在额定电压和额定电流内性能可靠、使用方便。
46.如图7所示，所述直流电机及电机驱动模块包含电机驱动u4、电容c6、电容c7、电容c8、二极管d2、二极管d3、直流电机m1、直流电机m2；其中，电机驱动u4的引脚1、引脚15、引脚8接地，电容c6的一端分别与电机驱动u4的引脚9、引脚4以及vcc端连接，电容c6的另一端接地，直流电机m1的一端分别与电容c8的一端、电机驱动u4的引脚2、二极管d2的正极连接，直流电机m1的另一端分别与电容c8的另一端、电机驱动u4的引脚3连接，电机驱动u4的引脚13分别与二极管d3的正极、电容c7的一端、直流电机m2的一端连接，电机驱动u4的引脚14分别与电容c7的另一端、直流电机m2的另一端连接，二极管d2的负极接地，二极管d3的负极接地。
47.最后应说明的几点是：首先，在本技术的描述中，需要说明的是，除非另有规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变，则相对位置关系可能发生改变；
48.其次：本实用新型公开实施例附图中，只涉及到与本公开实施例涉及到的结构，其他结构可参考通常设计，在不冲突情况下，本实用新型同一实施例及不同实施例可以相互组合；
49.最后：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。