基于ＳＴＣ１２С５４１０的自动循迹运料电动车的设计

摘要：自动循迹运料电动车通过红外光电循迹，实现按照给定轨迹循迹前进、停止、后退的功能。轨迹的终点、起点及轨迹的位置可以根据需要进行任意调整，从而不需特别地进行运输轨道的设计和构造，降低了成本，提高了使用的灵活性。运料车的控制核心采用STC12С5410单片机，该单片机具备PWM功能，可以方便地控制电机调速转向，降低了编程难度。其指令系统与MCS-51系列单片机指令系统兼容，其可在线编程功能省却了烧写器的购置，大大降低了开发与应用的成本。

关键词：红外光电循迹；STC12С5410 ；PWM； MCS-51

1基本功能与硬件设计

自动循迹运料车除了能够按照给定轨迹循迹前进后退外，还应当具备自动检测物位功能，当物位到达警戒值时可以进行声光报警；具备反映工作效率的计时功能，即从小车启动运行开始计时，到终止工作停止计时。因此硬件系统除了红外循迹模块、数据处理控制模块、直流电机及驱动模块电源模块三个主要部分外，还应当包括物位检测、声光报警、计时显示等辅助功能模块，系统框图如图1所示。

1.1红外循迹模块

循迹传感器可以采用四个反射型光电探测器RPR220型光电对管。红外发射管发出红外线，当红外线被白色的平面后反射后，红外接收管能接收到反射回的光线，饱和输出低电平；若红外线照射到黑色平面，红外线将被吸收，红外光接收不到的光线则截至输出高电平，电路如图2所示。

四个光电对管安装在电动车底部，位置如图3所示。通过光电管采集到的位置信息送往控制模块进行处理。

注意光电对管的前后应当距车轮中轴远一些，这样当车行时对于给定轨迹即使有较小的偏差也会形成较明显的信号变化，即获得较高的调整灵敏度高，这样可以使小车运行轨迹得到及时调整，否则会使调整车体时车身摆幅较大，调整效果较差。

1.2直流电机及驱动模块

运料电动车应当具有较强的负载能力和灵活的转向特性，因此在电机的选择与驱动上采用左右两轮驱动，带变速箱的设计方案，这样电机转动力矩大，负载性能好，易调速，可获得较大的角度调节范围。车体的平衡采用万向轮支持实现，这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。

电机的驱动采用具有高电压大电流的全桥驱动芯片L298N，可以通过调整IN1～IN4的占空比来控制电机的转速，控制电路如图4所示。

1.3数据处理控制模块

数据处理控制模块采用stc12c5410单片机作为主控制器，主要工作是对于4个光电对管的输出进行分析处理。当四个对管都检测到白线时，小车在跑道的正上方，这时5410单片机控制两电机同速度全速运行。当检测到有一个或两个对管偏出白线时，表明小车处于偏离状态，这时控制一个电机低速运行，另一电机全速运行，从而实现循迹功能。

1.4电源模块

为保证电机具有较大的驱动电流，L298的电机驱动电源与逻辑电源应相互独立。否则电机功率较低同时还会烧毁稳压器件。例如通过稳压器件7805给逻辑电路供电，同时驱动直流电机，7805对于电机来说驱动电流较小，那么电机获得的转速就比较低，而对于7805来说给电机供电输出的功率相对较大，会致其过热烧毁，因此注意电机驱动电源与逻辑电源分别单独供电。

1.5位检测模块

物位检测有多种方法。现以液位检测为例，设计一个简单的液位检测模块。为保证液体不溢出，电动车的水箱内设有浮子，如图5所示。当液体灌注至警戒液位时，两导线被短路，单片机检测到p3.2低电平，则表明液满，启动电动车。当水位达到警戒值时，浮子带动导线p3.2与接地导线短路。为保证车离开蓄水区时，蓄水区能及时停止灌注液体，可在蓄水区设置接近开关，一旦小车与接近开关距离大于8mm，则电磁阀失电关闭，停止灌注，从而保证的液体不会因小车离开而喷撒在跑道或小车上。

2软件设计

四个光电对管的检测信号分别由P0口的低四位输入，我们用STC12C5410AD的一个字节来存储车底的4个光电传感器的输出信号。用每一个位来代表当前传感器检测的位置状态。检测到四个光电对管输出都是低电平，表明四个光电对管都位于白板区，即小车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速正转。当有一个或两个传感器进入黑线时，相应光电对管输出高电平，表明小车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，从而完成调整。子程序流程图如图6所示。

软件设计的核心是对电机的转速控制。电机转速的控制可以通过控制供给L298的IN1～IN4的占空比来实现。IN1～IN4的信号由STC12C540的PSW0～PW3来提供，这四个PSW模块的占空比可以通过编程独立控制，初始化核心语句如下：

PCA_MOD:

MOVCMOD,#80H;;PCA在空闲模式下停止 PCA计数器工作

;PCA时钟模式为fosc/12;禁止PCA计数器溢出中断

MOVCCON,#00H;禁止PCA计数器工作,清除中断标志、计数器溢出标志

MOVCL,#00H;清0计数器

MOVCH,#00H

;设置PWM0、PWM1、PWM2、PWM3;;;;;;;;;;;;;;;;;;

MOVCCAPM0,#42H;核心语句,---->0100,0010

MOVCCAPM1,#42H

MOVCCAPM2,#42H

MOVCCAPM3,#42H

Ret

PCA为四个模块共用的定时器,我们以控制一只电机的全速正转、全速反转，低速正转、低速反转和停转为例，说明电机的控制程序的编制。

2.1 PWM0(P3.7)和PWM1(P3.5)控制左轮全速正转子程序如下：

LZZ: MOV PCA_PWM0,#00H;ＰWM0输出一直是1

MOV CCAP0H,#00H

MOV PCA_PWM1,#03H;PWM1 输出一直是0

RET

2.2 PWM0,PWM1控制左轮全速反转子程序如下：

LFZ: MOV PCA_PWM1,#00H ; PWM1输出一直是1

MOV CCAP1H,#00H

MOV PCA_PWM0,#03H ; PWM0输出一直是0

RET

2.3 PWM0,PWM1控制左轮低速正转子程序如下：

LDSZ:MOV PCA_PWM0,#00H;PWM0输出一定宽度脉冲; EPCnH=0,EPCnL=0

MOV CCAP0H,#pulse_width; 调节占空比

MOV PCA_PWM1,#03H ; PWM1 输出一直是0,无脉冲;

RET

2.4 PWM0,PWM1控制左轮低速反转子程序如下：

LDSf : MOV PCA_PWM1,#00H ; PWM1输出一定宽度脉冲;

MOV CCAP1H,#pulse_width ; 调节占空比

MOV PCA_PWM0,#03H ; PWM0输出一直是0,无脉冲;

RET

2.5 电机停转控制子程序如下：

stop: MOVPCA_PWM0,#03H

MOV PCA_PWM1,#03H

MOV PCA_PWM2,#03H

MOV PCA_PWM3,#03H

ret

3 系统调试

在小车的运行调试中注意如果出现一直跑偏的情况可能是红外对管不能够循迹引起的，也可能是L298的IN1～IN4的与电机的两个端子接反。如果偏向某一个方向是可以寻迹调整回轨道，而偏向另一方向时的不能调整，则可以肯定是寻迹模块失效。除了可能红外对管损坏外，主要可能是对管安装距地面较远，不能够有效接收到反射的信号，那么通过调整与地距离就可以解决。另外对管中发射管的功率如果不够，接收管不能接收到有效反射信号也不会实现寻迹，此时可以调小发射管的串接电阻，使发射功率增强，改善不能寻迹的状况。

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