基于单片机控制循迹小车的模块教学研究

谢元成

广州工程技术职业学院机电工程学院，广东广州，510075

0 引言

单片机的学习跟平常学习的很多课程是完全不一样的，它既要求学习者掌握相关的硬件知识，还要求学习者必须掌握相关的软件知识，而且还必须对硬件和软件相结合后多实践。对于想掌握单片机技术的初学者或者其他工程技术人员，可以通过学习单片机控制循迹小车的方式，理解和掌握单片机技术的基本规律及应用。

1 单片机概述

1.1 整体控制设计思路

以单片机为核心控制器件，在选择单片机的过程中，最好选择带有模数转换处理的芯片。单片机控制的优势就是接口丰富，可以根据需要编写程序，电路简洁实用，很多其他的芯片都可以直接跟单片机对接。红外识别模块主要用于路径的识别，循迹路径用对比度大的黑白路径，根据反射光的强弱来分辨路径。电机驱动模块除了提供动力外，可以实现前进、后退功能，如果安装“麦克纳姆”轮，还可以实现整车的原地掉头及横向运行。防撞避障模块可以采用超声波或者红外线对管，以判断障碍物的距离，从而实现防撞和避障功能。数码显示模块可以选用简单的数码管，也可以选用相对复杂的LCD显示器件，主要功能就是显示小车目前的运行状态。声光报警模块可以采用简单的蜂鸣器和LED二极管，以实现声光报警和提醒功能。远程遥控模块采用普通的红外遥控器，以增加控制的便利性和趣味性。

1.2 单片机就是最小的计算机

计算机包括五个组成部分，分别是中央控制器、存储器、时钟器、总线、接口。随着工业的发展、制造工艺的提升，计算机的体积越来越小，现在已经可以把计算机的五个组成部分集成在一块芯片上，这种芯片就是单片机[1]。由于可以编写程序实现不同的控制功能，它可以让电脑设计变得简洁高效，所以在工业控制、家用电器、智能汽车、电子通信等领域都有广泛的应用。

1.3 单片机的基本工作原理

（1）中央处理器：中央处理器也就是CPU，它主要负责从存储器中读取指令、运算和处理指令及数据，根据处理和运算的结果向其他部件发送控制信号，中央处理器的作用类似于人类的大脑。

（2）存储器：存储器用来存储代码和数据。存储器主要分两种，即程序存储器和随机存储器，存储器的容量也就是能够存储数据的单元容量，每个存储单元都有一个对应的地址编码，数据的存放和读取都要进行寻址，C语言在编写程序时基本不需要考虑存储单元的地址编号，软件会自动执行存储单元的寻址。

（3）时钟器：时钟器的主要作用是产生时钟信号，时钟信号经过处理以后也就可以用作定时信号，可以用来作为跟时间相关的基本信号。时钟信号也是数字电路中所有器件统一工作的节拍器，它的快慢决定着整个计算机处理的节拍和快慢[2]。

（4）总线：总线的主要作用是把计算机内部的各个组成部分连接成一个有机的整体。各个部件之间数据的传送依靠总线来进行，总线又分为控制总线和数据总线，分别用来传输控制信号和数据信号。总线传输信号的公共通道还简化了计算的硬件设计和系统结构，使得系统的性能和扩充性更好。

（5）接口：初学者很多时候认为计算机的组成中一定有显示器和键盘，其实显示器和键盘并不是计算机五个组成部分之一，计算机需要显示时可以通过接口连接显示器件，根据显示内容的复杂性选择相应的显示器件。单片机通过接口来与外界进行相应的通信[3]。

1.4 单片机的基本工作条件

（1）电源：所有的电子器件只有在提供相应电源的情况下才能正常工作，这个条件也是所有电子设备的基本条件。

（2）时钟信号：时钟信号是单片机的节气器，也是单片机中定时信号的基本素材，没有时钟信号，单片机是没有办法正常工作的。

（3）复位电路：复位电路确保单片机在通电时从默认的状态开始工作，或者在整个电路死机的情况下，从默认的状态下开始工作。复位电路主要有两种，即上电复位和按键复位。

2 红外检测模块原理及应用

2.1 红外对管的工作原理

红外光是波长介于0.76微米至1000微米的不可见光，红外发射二极管所发出的红外光集中在800微米至1000微米。红外对管在设计时可以根据需要采用直射式和反射式，红外发射管一般是二极管，而接收管一般是晶体三极管。当红外接收管接收到发射二极管的红外光时，接收管控制电路输出端会产生明显的电平跳变，利用这个跳变信号，来控制相应的设备，实现一定程度的自动控制[4]。

2.2 路径识别的工作原理及应用

循迹小车上面安装的红外对管一般采用的方式是反射式红外对管，小车的地面路径一般是在白色地面上画一条黑色的路径，红外发射二极管发射的红外光碰到白色地面或者黑色地面时，所反射回来的红外光光量有着明显的差别，红外晶体接收管接收到的红外光光量，也就随着地面路径颜色的不同而有着明显的区别。为了确保循迹小车沿着规划的路径运行，在循迹小车上的左右两侧各装一对红外发射接收管。当循迹小车向左偏移轨迹时，右侧的红外管可以识别到，同理，当循迹小车向右偏移轨迹时，左侧的红外管可以识别到。

2.3 红外模块的学习与检测

红外对管的工作原理很简单，有二极管和三极管的基础之后，很容易理解红外对管的工作原理。在具体学习的过程中，可以先搭建一个具体的电路，通过对具体电路的输入输出电平进行测量，来判断红外管的工作状态。

3 动力电机模块的原理及应用

3.1 直流电机

直流电机是一种将直流电直接转换成机械转矩的电机，直流电机调速性能好，在负载较大的情况下，可以通过改变直流电机的转速，达到均匀、平滑无级的调速，调速范围也比较宽。直流电机的另外一个特点就是起动转矩比较大，能够带动较大的负载。直流电机控制容易，结构简单，在很多地方有着广泛的应用，在循迹小车的电机选择中，很多就选择了直流电机。

3.2 步进电机

步进电机是一种精密的控制仪器，在工业中应用十分广泛，例如工业机器人、打印机、机械硬盘等。步进电机的工作原理是让步进电机的定子产生一个旋转的磁场，这个旋转磁场跟三相异步电机原理是有区别的。三相异步电机的旋转磁场是通过加入三相交流电来实现的，而步进电机定子的旋转磁场是通过给定的脉冲来实现的。三相异步电机的转速和转动的角度是很难直接控制的，而在步进电机中，这些很容易实现，只需要通过给定脉冲的“个数”就可以控制步进电机的精确转动角度，通过改变给定脉冲的频率就可以改变步进电机的转速[5]。但是，步进电机的体重相对比较大，它的转动速度较慢，价格也比较高。

3.3 伺服电机

伺服电机是依靠脉冲来进行定位的，可以简单理解为每输入一个脉冲就可以旋转一个脉冲的角度，从而实现准确的位移。但与步进电机不一样的地方是伺服电机本身可以发出脉冲，每旋转一个角度，可以发出对应的脉冲。这样就可以形成一种“闭环控制”，相对步进电机的“开环控制”，伺服电机的位移角度控制也就更加精确。伺服电机在控制精确度、运行性能各方面都是优于步进电机的，但是价格较高。在循迹小车的设计过程中，考虑到速度要求、精度要求、成本问题、重量要求，选择了简单的直流电机。

3.4 电机驱动模块的选择

在设计中，可以选择应用广泛且较经典的L293D芯片模块。该模块有四个输入端和四个输出端，通过单片机向L293D的输入端发出高低控制电平，它的四个输出端可以输出相应的高低电平，四个输出端可以连接两个直流电机。在初学者学习时，首先构建一个独立的学习电路，这个电路要求尽量简单，与系统里面的其他电路尽量是分隔的，以方便进行单个模块的测试与学习，在实际实验测试之前，可以通过仿真软件先进行仿真测试，仿真测试通过之后再进行实际测试[6]。

单片机通过接收高低电平来检测SW1的接通与闭合，从而决定向L293D发出正反转信号，实现电机的正转或者反转。电阻R1模拟一个可调电阻，输出电压通过单片机内部的模数转换电路，转换成相应大小的数据。通过这个数据向L293D电机模块发出相应脉冲宽度，控制电机转动速度。这样一个简单的电路，可以实现电机的转动方向与转动速度的模拟与检测。

4 超声波模块

基于单片机的超声波测距系统，是利用单片机编程产生频率为40kHz的方波，经过发射驱动电路放大，使超声波传感器发射端振荡，发射超声波。超声波经反射物反射回来后，由传感器接收端接收，再经接收电路放大、整形，控制单片机中断口。这种以单片机为核心的超声波测距系统通过单片机记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波的反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离，结果输出给LED显示。利用单片机准确计时，测距精度高，而且单片机控制方便，计算简单。许多超声波测距系统都采用这种设计方法。

5 软件的编写

5.1 流程图的绘制

学生在绘制流程图的时候，选择一款自己喜欢的流程图绘制软件，可以提高自己的绘图效率，用电脑绘制的流程图也清晰、整洁，容易更改。在流程图的绘制过程中，如果使用C语言进行程序编写，要遵守流程图的绘制规范，比如“矩形”“菱形”等，所表示的含义是不一样的，“菱形”表示判断，即“是”或者“否”。另外就是在流程图绘制的时候，有主流程图和子流程图，最好分开绘制，子流程图又有普通子流程图和中断子流程图。主流程图一般都是“闭合的”“循环的”，而子流程图一般是流程式的，一般是可以“返回”的。

5.2 代码的编写

在单片机控制系统中，程序常用C语言编写，汇编语言使用较少。C语言编写程序相对简单，不需要记住111条指令。编写程序时，应先编写并调试单个模块，确保每个模块正常运行后再编写和调试整个系统程序。

6 结语

循迹小车作为一种典型且实用的学习项目，可以使完成任务的过程中更加具有趣味性。学习者在完成循迹小车的具体项目任务时，不仅能够提高对学习内容的理解和掌握水平，还能够培养分析问题、解决问题的思维能力和实践操作的技能。