一、系統(tǒng)設(shè)計
1、設(shè)計要求
（1）自動尋跡小車開始處于設(shè)置模式下，通過按鍵設(shè)置運行時間，完成設(shè)置時間后，按下開始鍵小車啟動，同時顯示當前運行的時間。
（2）小車按指定路線運行，自動區(qū)分直線軌道和彎路軌道，在指定彎路處拐彎，實現(xiàn)靈活前進、轉(zhuǎn)彎等功能。
（3）小車行走在預設(shè)的時間后，自動停止，數(shù)碼管顯示行走的時間，3秒后顯示行走距離。
（4）中途可以按右鍵強制停止，提前結(jié)束，顯示行走時間，距離。
2、小車循跡的原理
這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，通常采取的方法是紅外探測法。
紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過3cm。
3、模塊方案比較與論證
根據(jù)設(shè)計要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、直流電機及其驅(qū)動模塊、電壓比較模塊等模塊構(gòu)成。
為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計了幾種方案并分別進行了論證。
3.1車體設(shè)計
方案1：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅(qū)動電路。但是一般的說來，玩具電動車具有如下缺點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動，不能適應該題目的方格地圖，不能方便迅速的實現(xiàn)原地保持坐標轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電機，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動車一般都價格不菲。因此我們放棄了此方案。
方案2：自己制作電動車。經(jīng)過反復考慮論證，我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動，前萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本相同的直流電機進行驅(qū)動，車體首部裝一個萬向輪。由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標不變的90度轉(zhuǎn)彎。
在安裝時我們保證兩個驅(qū)動電機同軸。當小車前進時，左右兩驅(qū)動輪與前萬向輪形成了三點結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)后輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，前萬向輪起支撐作用。
對于車架材料的選擇，我們經(jīng)過比較選擇了鋁合金。用有鋁合金做的車架比塑料車架更加牢固，比鐵制小車更輕便，美觀。
綜上考慮，我們選擇了方案2。小車底盤如圖2所示：
3.2控制器模塊
方案1：采用stc宏晶公司的stc89c52單片機作為主控制器。stc89c5是一個低功耗，高可*性，超低價，無法解密，高性能的8位單片機，片內(nèi)含32k空間的可反復擦寫100,000次的Flash只讀存儲器， 32個IO口，且stc系列的單片機可以在線編程、調(diào)試，方便地實現(xiàn)程序的下載與整機的調(diào)試。
從方便使用的角度考慮，我們選擇了此方案。
3.3電源模塊
方案1：采用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便，但由于我們的車體設(shè)計時留出了足夠的空間，并且蓄電池的價格比較低。因此我們選擇了此方案。
綜上考慮，我們選擇了此方案。
3.4穩(wěn)壓模塊
方案1：用一個7805直接降壓，用大散熱片。雖然結(jié)構(gòu)，原理簡單，但電流過大，使電路不穩(wěn)定，容易燒壞穩(wěn)壓塊我們放棄了此方案。
方案2：直接用兩7805把電壓直接穩(wěn)壓到5V，理論上由于降壓過大容易燒穩(wěn)壓塊，用兩個7805并聯(lián)。但兩個穩(wěn)壓塊出現(xiàn)饋贈問題，后用修改電路解決此問題，我們最后選擇了此方案
3.5尋跡傳感器模塊
方案1：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。
但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。
方案2：用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。
RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點：
塑料透鏡可以提高靈敏度。
內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。
體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。
當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，經(jīng)過lm339電壓比較芯片，通過對門限電壓進行比較，輸出高低電平，通過調(diào)整門限電壓可以調(diào)整傳感器單元的靈敏度。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。
因此我們選擇了方案2。
3.6電機模塊
本系統(tǒng)為智能電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要。由于本實驗要實現(xiàn)對路徑的準確定位和精確測量，我們綜合考慮了一下兩種方案。
方案1：采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。
我們所選用的直流電機減速比為1：2，減速后電機的轉(zhuǎn)速為50r/min。我們的車輪直徑為6cm，因此我們的小車的理論最大速度可以達到
V=2πr•v=3.14*0.08*50/60=0.1570m/s
因我們用軟件對電機調(diào)速，實際值要比這小一些
注意：在實際計算時用的是理論值。
能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。
3.7電機驅(qū)動模塊
方案1：采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。
方案2：對于直流電機用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路。由分立元件構(gòu)成電機驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應用中應用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。
因此我們選用了方案1。
4、最終方案
經(jīng)過反復論證，我們最終確定了如下方案：
（1）車體用鋁合金車架手工制作。
（2）采用stc89c52單片機作為主控制器。
（3）用12V蓄電池為直流電機供電，將12V電壓經(jīng)7805（帶大散熱片）降壓、穩(wěn)壓后為單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。
（4）用RPR220型光電對管進行尋跡。
（5）L298N作為直流電機的驅(qū)動芯片。
二、硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計
1、傳感器模塊的設(shè)計
因此我們考慮用比較器的方案。
在圖中，可調(diào)電阻RV1可以調(diào)節(jié)比較器的門限電壓，而且經(jīng)試驗驗證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與調(diào)理電路。
2、尋跡光電對管的安裝
考慮到設(shè)計要求，本次設(shè)計僅用4對光電傳感器就能完成設(shè)計要求，采用直線型排列，中間2對傳感器用來校正小車的尋跡路線，保證小車運行的直線性。兩側(cè)的傳感器用來檢測小車過線，可以實現(xiàn)小車的轉(zhuǎn)彎。
4、電機驅(qū)動電路的設(shè)計
我們采用電機驅(qū)動芯片L298N作為電機驅(qū)動，驅(qū)動電路的設(shè)計如圖7所示：
L298N的5、7、10、12四個引腳接到單片機上，通過對單片機的編程就可以實現(xiàn)兩個直流電機的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)等功能。這里的二極管作用是釋放電機線圈的自感電能
電容c3起緩沖作用，經(jīng)過試驗在調(diào)速時下方的電機接收的是一個高脈沖的電流，由于直流電機靈敏性不是很好，我們也考慮用周期長的脈沖，但由于掃描數(shù)碼管就會慢，數(shù)碼管就會出現(xiàn)顫動。綜合考慮，我們選擇接電容起緩沖作用。
4、測量距離設(shè)計
我們采用用一個光電對管感應輪子黑白條來算出輪子轉(zhuǎn)動的角度間接測出行走的距離。
（考慮輪子的打滑問題，需要多次進行測試，由于經(jīng)驗不足，整體調(diào)試周期過長，在本文結(jié)束之前未能得到最終的結(jié)果，應以實際為準，對此表示歉意。）
三、軟件實現(xiàn)
我們所設(shè)計的部分軟件請從這里下載：http://www.torrancerestoration.com/ziliao/file/xiaoc05.rar
四、心得
P0 要想用做io口時必須加上拉電阻，即使用上拉電阻驅(qū)動能力也不怎么好。本作品用共陰數(shù)碼管，驅(qū)動電路設(shè)計比較復雜，數(shù)字不夠亮，最好用共陽數(shù)碼管，加上三極管驅(qū)動可能效果會好一些。
本作品改進了lm339電壓比較器接控制門限電壓的電阻的方式，沒有采用接4個變阻器，用的是統(tǒng)一接一個變阻器，這樣方便調(diào)整靈敏度。在光電對管傳感器電路上也有改變，直接把發(fā)射極和集電極接在5V電源上，這樣可以使電流更大，試驗證明當接通時電流不足以燒壞三極管。
直流并聯(lián)了電容，電容c3起緩沖作用，經(jīng)過試驗在調(diào)速時下方的電機接收的是一個高脈沖的電流，由于直流電機靈敏性不是很好，我們也考慮用周期長的脈沖，但由于掃描數(shù)碼管也會慢，數(shù)碼管就會出現(xiàn)顫動，我們同時考慮用時鐘中斷掃描刷新數(shù)碼管，但那樣使中斷頻繁發(fā)生（大約50ms）而且數(shù)碼管刷新一次用時也會很長（大約24ms），造成中斷過長，那樣會大大加大整個循環(huán)周期，基本看不到數(shù)碼管顯示連續(xù)的數(shù)。綜合考慮，我們選擇接電容起緩沖作用。
由于單片機高頻的對數(shù)碼管進行掃描，在程序設(shè)計的時候就要求主程序的周期不能過長，這對于我們小車執(zhí)行尋跡，調(diào)速，定時，計時，測距，直角轉(zhuǎn)彎等功能的程序要求是非常高的，經(jīng)過我綜合考慮后決定主函數(shù)只有刷新數(shù)碼管和探測黑線的功能剩下的所有功能都用中斷處理，同時要求產(chǎn)生的中斷時間不能過長。這些就造就了我的程序到目前為止已經(jīng)有350行的長度。
在整個測試階段我們充分考慮程序功能的連續(xù)性和兼容性，由于89c52單片機速度的局限，同時程序需要實時對數(shù)碼管高速的刷新頻率我們不能設(shè)計車太高的速度。經(jīng)過反復測試綜合考慮我們采用目前的方案
五、結(jié)束語
我們的尋跡小車在完成設(shè)計要求的前提下，充分考慮到了外觀、成本等問題，在性能和價格之間作了比較好的平衡。由于設(shè)計要求并不復雜，我們沒有在電路中增加冗余的功能。
由于作者水平的局限性，部分觀點存在錯誤，希望指正，指教，對此表示感謝。
特別感謝：
張洪軍老師和實驗室老師的指導，及接偉權(quán)，張新濤，黃紹軍等學長的建議和指教，還有陳振宇，吳曠和全組成員，沒有你們就沒有我們今天。
程序片段
/*******************************************
數(shù)碼管刷新函數(shù)
********************************************/
void display(uchar qw,uchar bw,uchar sw,uchar gw)//顯示函數(shù)
{
P2=0xe0;
P1=tabledu[qw];
delay(6);
P2=0xd0;
P1=tabledu[bw];
delay(6);
P2=0xb0;
P1=tabledu[sw];
delay(6);
P2=0x70;
P1=tabledu[gw];
delay(6);
P2=0x0f;//
}
/*******************************************
任務初始化函數(shù)
********************************************/
void init0()//任務1初始化函數(shù)
{
EA=1;
EX0=1;
EX1=1;
IT1=IT0=1;
P0=0x00;
flag=1;
jishu=0;//
}
void init()//任務2初始化函數(shù)
{
TH0=(65536-50000)/256;//初始化加1計數(shù)器
TL0=(65536-50000)%256;
TH1=(65536-50000)/256;//初始化加1計數(shù)器
TL1=(65536-50000)%256;
ET1=1;
TR1=1;
EA=1;
ET0=1;
TR0=1;
TMOD=0x11;
dsh=(qw*10+bw)*60;//
jishu=1;//
}
void jiesu()//終止函數(shù)
{
if(flag6==0)
{
flag5=1;
flag6=1;
cnt1=0;
}
ET0=0;
P0=0;
display(qw,bw,sw,gw);
}