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摘 要：本文是基于单片机控制的一款智能循迹避障小车，由传感模块、电源模块、驱动模块、调试模块和单片块组成。利用单片机控制、电源驱动电路、红外对管和超声波检测黑线与障碍物，当右侧传感器检测到黑线时，小车往右侧偏转，左侧的传感器检测到黑线时，小车往左侧偏转，并能控制电动小车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。
关键词：避障；循迹；智能小车
1
1.1 总体设计思路
本系统采用集成设计方案。通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模块判断黑线路经，然后由STC单片机通过IO口控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。
1.2小车循迹避障部分设计思路
小车循迹避障部分是能够采集周围环境障碍物的信息，并返回至单片机进行处理，其组成部分包括：环境信息采集电路、放大电路、单片机控制电路。
路线采集电路一般有脉冲调制的反射式红外发射接收器和信号放大器组成，脉冲调制的反射式红外发射接收器根据不同颜色对光的反射程度不同，将路线信息送至放大器，放大器可作为比较器可作简单的滤波，放大器将从脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号转化为单片机可识别的电平信号后送入单片机。STC单片机可根据接收的信息判断路线的信息，实现对左右两侧直流电机工作状态的控制，以实现左右转向，最终实现循迹功能。
2 小车的硬件电路设计
2.1 单片机的选型
选择一款8051系列速度快、功耗低、抗干扰性好的单片机。它的高效寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器（PWM）等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价。
2.2 微处理器模块电路
微处理器用STC单片机构成的最小系统组成，其包括晶振、一个复位电路和一个小车运行模式选择按键。其中晶振大小为16MHz，复位开关为微动开关，模式选择开关则为带锁开关，可实现模式选择的锁定，以便主程序查询。
2.3电源模块电路
电源可以采用8节1.5V电池直接供电，其中4节电池作为备用电池，但是6V的电压不能同时给单片机与电机供电，并且由于小车电机功耗大，这种方案中电源容易受电路的影响，因此在此系统中采用LM2940来供电。
LM2940是最大输入电压26V；工作温度-40～+125℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路、输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压5V，输出电流1A；输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8V；该模块采用LM2940作为稳压芯片，其输入用6节干电池供电，输出为+5V，为整个系统提供稳定的+5V电源，该设计可以提高系统的稳定性以及降低系统对工作环境的要求。电路中加入带锁按键可以在停止工作时切断电源，以节省电源，并且在输入输出端分别加入了显示指示灯，指示电源的工作状态。2.4 循迹模块电路
寻迹模块需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机输入信号的要求。脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号较弱，且直接输入给单片机的话容易产生误判，而对信息处理出现错误的分析，以致出现循迹的错误，因此，本文采用的LM339比较器实现滤波及电平调整。常见的运算放大器中，LM339价格低廉、使用简单等优点比较突出，因此本设计中的信号处理、电平调整用LM339作为电路的比较器。
LM339是四电压比较器集成电路。其工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作。LM393/339是高增益，宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。
2.5驱动模块电路
利用单片机控制、电源驱动电路、红外对管和超声波检测黑线与障碍物，本文设计的小车采用直流电机提供动力，并且电机均接有具有保护作用的大电感。小车采用直流电机提供动力，I1、I2两个大电感对电机其保护作用。由有L298驱动模塊驱动电机，L298N是一种内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，可分别独立驱动两个直流电机，本设计即用了这样的连接方式驱动左右两个电机，E1、E2接控制使能端，控制电机的停转；P2.1-P2.4接单片机的输出端，用于控制电动机转向。
3 小车软件设计论证
由循迹子程序、传感模块子程序、驱动模块子程序、按键模块子程序、调试模块子程序和主程序模块组成。首先单片机初始化，包括对定时器及IO端口的初始化，然后检测模式选择按键的情况。当其为循迹模式，则进入循迹子程序，查询循迹传感器的状态，进行循迹处理；当其为避障模式，则进入子程序，对壁障传感器进行查询处理。并且每次都需要检测按键状态，保证小车的运行模式正确无误。小车根据按键状态识别运行模式，当按键闭合时进入避障模式子程序，当按键断开时，小车为循迹模式，执行循迹子程序。
总结
本论文通过硬件电路设计和软件优化，实现了小车的避障及循迹，以STC单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为CPU、电源模块、循迹模块、避障模块、显示模块、外围辅助模块六部分。软件设计由循迹子程序、传感模块子程序、驱动模块子程序、按键模块子程序、调试模块子程序和主程序模块组成。
参考文献
[1] 雷钢.王宏远.基于AVR单片机的控制系统设计【J】.华中科技大学学报，2006
[2] 张军.AVR单片机应用系统开发典型实例【M】.北京：中国电力出版社，2005
[3] 彭南华.经济型喷漆机器人轨迹规划及关节控制研究【D】.湖南：中南大学，2009，（4）：3-7
[4] 沈文.AVR单片机C 语言开发入门指导【M】.北京：清华大学出版社，2003
[5] 蔡自兴.21世纪机器人技术的发展趋势【J】.南京化工大学报，2000，22（4）：73-79
[6] 高枫.基于ARM 的智能寻迹小车的设计【D】.山西：中北大学 2012.6
关键词：避障；循迹；智能小车
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1.1 总体设计思路
本系统采用集成设计方案。通过高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的传感器循迹模块判断黑线路经，然后由STC单片机通过IO口控制L298N驱动模块改变两个直流电机的工作状态，最后实现小车循迹。
1.2小车循迹避障部分设计思路
小车循迹避障部分是能够采集周围环境障碍物的信息，并返回至单片机进行处理，其组成部分包括：环境信息采集电路、放大电路、单片机控制电路。
路线采集电路一般有脉冲调制的反射式红外发射接收器和信号放大器组成，脉冲调制的反射式红外发射接收器根据不同颜色对光的反射程度不同，将路线信息送至放大器，放大器可作为比较器可作简单的滤波，放大器将从脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号转化为单片机可识别的电平信号后送入单片机。STC单片机可根据接收的信息判断路线的信息，实现对左右两侧直流电机工作状态的控制，以实现左右转向，最终实现循迹功能。
2 小车的硬件电路设计
2.1 单片机的选型
选择一款8051系列速度快、功耗低、抗干扰性好的单片机。它的高效寻址方式、大容量Flash、EEPROM、A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器（PWM）等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合。而且在功能同样的情况下，管脚较少封装体积小，价格比其他型号便宜，因此具有很好的性价。
2.2 微处理器模块电路
微处理器用STC单片机构成的最小系统组成，其包括晶振、一个复位电路和一个小车运行模式选择按键。其中晶振大小为16MHz，复位开关为微动开关，模式选择开关则为带锁开关，可实现模式选择的锁定，以便主程序查询。
2.3电源模块电路
电源可以采用8节1.5V电池直接供电，其中4节电池作为备用电池，但是6V的电压不能同时给单片机与电机供电，并且由于小车电机功耗大，这种方案中电源容易受电路的影响，因此在此系统中采用LM2940来供电。
LM2940是最大输入电压26V；工作温度-40～+125℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路、输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压5V，输出电流1A；输出电流1A时，最小输入输出电压差小于0.8V；该模块采用LM2940作为稳压芯片，其输入用6节干电池供电，输出为+5V，为整个系统提供稳定的+5V电源，该设计可以提高系统的稳定性以及降低系统对工作环境的要求。电路中加入带锁按键可以在停止工作时切断电源，以节省电源，并且在输入输出端分别加入了显示指示灯，指示电源的工作状态。2.4 循迹模块电路
寻迹模块需要经过前置电路对其进行放大、滤波、电平调整，满足单片机输入信号的要求。脉冲调制的反射式红外发射接收器返回的信号较弱，且直接输入给单片机的话容易产生误判，而对信息处理出现错误的分析，以致出现循迹的错误，因此，本文采用的LM339比较器实现滤波及电平调整。常见的运算放大器中，LM339价格低廉、使用简单等优点比较突出，因此本设计中的信号处理、电平调整用LM339作为电路的比较器。
LM339是四电压比较器集成电路。其工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作。LM393/339是高增益，宽频带器件，像大多数比较器一样，如果输出端到输入端有寄生电容而产生耦合，则很容易产生振荡。
2.5驱动模块电路
利用单片机控制、电源驱动电路、红外对管和超声波检测黑线与障碍物，本文设计的小车采用直流电机提供动力，并且电机均接有具有保护作用的大电感。小车采用直流电机提供动力，I1、I2两个大电感对电机其保护作用。由有L298驱动模塊驱动电机，L298N是一种内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机，可分别独立驱动两个直流电机，本设计即用了这样的连接方式驱动左右两个电机，E1、E2接控制使能端，控制电机的停转；P2.1-P2.4接单片机的输出端，用于控制电动机转向。
3 小车软件设计论证
由循迹子程序、传感模块子程序、驱动模块子程序、按键模块子程序、调试模块子程序和主程序模块组成。首先单片机初始化，包括对定时器及IO端口的初始化，然后检测模式选择按键的情况。当其为循迹模式，则进入循迹子程序，查询循迹传感器的状态，进行循迹处理；当其为避障模式，则进入子程序，对壁障传感器进行查询处理。并且每次都需要检测按键状态，保证小车的运行模式正确无误。小车根据按键状态识别运行模式，当按键闭合时进入避障模式子程序，当按键断开时，小车为循迹模式，执行循迹子程序。
总结
本论文通过硬件电路设计和软件优化，实现了小车的避障及循迹，以STC单片机为中央处理器，对硬件电路进行设计和改进，使其功能更加完善。系统硬件电路主要分为CPU、电源模块、循迹模块、避障模块、显示模块、外围辅助模块六部分。软件设计由循迹子程序、传感模块子程序、驱动模块子程序、按键模块子程序、调试模块子程序和主程序模块组成。
参考文献
[1] 雷钢.王宏远.基于AVR单片机的控制系统设计【J】.华中科技大学学报，2006
[2] 张军.AVR单片机应用系统开发典型实例【M】.北京：中国电力出版社，2005
[3] 彭南华.经济型喷漆机器人轨迹规划及关节控制研究【D】.湖南：中南大学，2009，（4）：3-7
[4] 沈文.AVR单片机C 语言开发入门指导【M】.北京：清华大学出版社，2003
[5] 蔡自兴.21世纪机器人技术的发展趋势【J】.南京化工大学报，2000，22（4）：73-79
[6] 高枫.基于ARM 的智能寻迹小车的设计【D】.山西：中北大学 2012.6