基于单片机的简易寻迹小车设计
图3.4 80C51复位电路
CRSTRSRK3) 程序存储器
MCS-51具有64kB程序存储器寻址空间，可以分为片内ROM空间和片外ROM空间，主要用于存放程序（可执行的二进制代码映像文件，包括程序中的数据信息）以及初始化代码等软件。在MCS-51系列中，8051/89C51片内分别驻留最低地址空间的4KB的ROM/EPROM， MCS-51系列的程序计数器PC是16位的寄存器，它具有64KB的寻址能力。在使用逻辑地址寻址程序存储器时，不分内部和外部，CPU会自动按指定地址去片内或片外读取程序的指令代码。但是MCS-51不会把程序的执行从程序存储器地址空间转移到数据存储器地址空间，它不提供这种转移指令[5]。
3.3 前向通道设计
单片机用于测控系统时，总要有与被测对象相联系的前向通道[5]。因此，前向通道设计与被测对象的状态、特征、所处环境密切相关。在前向通道设计时要考虑到传感器或敏感元件选择、通道结构、信号调节、电源配置、抗干扰设计等。在通道电路设计中还涉及到模拟电路诸多问题。
1) 前向通道的含义
当将单片机用作测控系统时，系统中总要有被测信号输入通道，有计算机拾取必要的输入信息。作为测试系统，对被测对象拾取必要的原始参量信号是系统的核心任务，对控制系统来说，对被控对象状态的测试以及对控制条件的监测也是不可缺少的环节。在前向通道中，传感器、敏感元件及其相关电路占有重要地位。
对被测对象的信号的拾取其主要任务就是最忠实地反映被测对象的真实状态，它包括实时性与测量精度。同时使这些测量信号能满足计算机输入接口的电平要求。
因此，单片机应用系统中的前向通道体现了被测对象与系统相互联系的信号
10
基于单片机的简易寻迹小车设计
输入通道，原始参数输入通道。由于在该通道中主要是传感器与传感器有关的信号调节、变换电路，故也可称为传感器接口通道[7]。
2) 前向通道的设计
本设计采用ST188红外传感器作为探测行车路径的检测元件。红外线传感器采用反射接收原理，其应用电路如图3.5所示。红外线发射器通电后不断会发射一定强度的红外线照射物体。红外线接收器在接受到一定强度的红外线会后导通。如图通过在红外线的正极接出一个信号来观察红外线接收器是否导通。当红外线接收器导通时，输出信号为0；反之则为1。红外线在不同颜色的物体上反射程度是不同的，当红外线传感器在黑色物体时，黑色物体吸收大量红外线，反射少量红外线，红外线接收其不足以导通，输出信号为1。当红外线传感器在白色物体上时，输出信号为0。因此本设计采用红外线传感器模块与有黑线的路面组合使用。
3) 红外传感器ST188简介
ST188含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管），实物如图3.6。通过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。A、K之间接发光二极管，C、E之间接光敏三极管（二者在电路中均正接，但要串联一定阻值的电阻），其特点如下：
① 采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。 ② 检测距离：4--13mm。
G N DV C CR1220R215K输出信号红外线发射器红外线接收器图3.5 红外线传感器的应用电路
图3.6 ST188实物图
11
基于单片机的简易寻迹小车设计
4) 传感器的安装
在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。这4个红外探头的具体位置如图3.7所示：
图3.7 传感器安装图 左轮 左 X 2 左 X 1 右 Y 1 右 Y 2 右轮 图中循迹传感器全部在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级探测器动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。
由于光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰，在本设计中可利用滞回比较器来解决简单电压比较器抗干扰能力差的问题，使其不会因为输入信号因受干扰在阈值附近变化时比较器输出会反复的从一个电平跳到另一个电平。
滞回比较器有两个数值不同的阈值，当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时，只要变化量不超过两个阈值之差，滞回比较器的输出电压就不会来回变化，抗干扰能力强。
12
基于单片机的简易寻迹小车设计
+4.6V
+4.0V
+5.0V
图3.8 迟滞比较器
在本设计中选用放大器LM324[12]，其简介如下：
LM324为四运放集成电路，采用14脚双列直插塑料封装。内部有四个运算放大器，有相位补偿电路。电路功耗很小，工作电压范围宽，可用正电源3～30V，或正负双电源±1．5V～±15V工作。
在黑线检测电路中用来确定红外接收信号电平的高低，以电平高低判定黑线有无。在电路中，LM324的一个输入端需接滑动变阻器，通过改变滑动变阻器的阻值来提供合适的比较电压。
5vR11220R710KR151k4U3:A31P0.0P0.0U41652SW-SPST4OPTOCOUPLER-NPN2LM32411SW6R1610kR46.6k左1
图3.9 前向通道电路结构
13
基于单片机的简易寻迹小车设计
3.4 后向通道设计
3.4.1 后向通道简介
在工业控制系统中，单片机总要对控制对象实现操作，因此，在这样的系统中，总要有后向通道。后向通道是计算机实现控制运算处理后，对控制对象的输出通道接口。
根据单片机的输出和控制对象实现控制信号的要求，后向通道具有以下特点： 1) 小信号输出、大功率控制。根据目前单片机输出功率的限制，不能输出控
制对象所要求的功率信号。
2) 是一个输出通道。输出伺服驱动系统控制信号，而伺服驱动系统中的状态
反馈信号通常是作为检测信号输入前向通道。
3) 接近控制对象，环境恶劣。控制对象多为大功率伺服驱动机构，电磁、机
械干扰较为严重。但后向通道是一个输出通道，而且输出电平较高，不易受到直接损害。但这些干扰易从系统的前向通道窜入。
单片机在完成控制处理后，总是以数字信号通过I/O口或数据总线送给控制对象。这些数字信号形态主要有开关量、二进制数字量和频率量，可直接用于开关量、数字量系统及频率调制系统，但对于一些模拟量控制系统，则应通过数／模转换成模拟量控制信号。
根据单片机输出信号形态及控制对象要求，后向通道应解决：
1) 功率驱动。将单片机输出信号进行功率放大，以满足伺服驱动的功率要求。 2) 干扰防治。主要防治伺服驱动系统通过信号通道﹑电源以及空间电磁场对
计算机系统的干扰。通常采用信号隔离﹑电源隔离和对功率开关实现过零切换等方法进行干扰防治。
3) 数/模转换。对于二进制输出的数字量采用D/A变换器；对于频率量输出则
可以采用PWM变换器。
3.4.2 后轮电机驱动模块设计
前面已经提到过，由于单片机的驱动能力不足，无法驱动像电机这样的大功率外部器件，因此必须外加驱动电路。电机常用的驱动芯片很多，在本设计中选用硬件设计简单，驱动效率较高的L298N 作为电机驱动芯片，在介绍L298N 之前有必要介绍一下H 桥电路[11]。
H 桥驱动电路是较为常见的一种，图3.7 所示为一个典型的直流电机控制电
14