2024年7月31日发(作者：集品韵)
第２１卷 第３期
Ｖｏｌ＿２１ Ｎｏ．３
电子设计工程
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１３年２月
Ｆｅｂ．２０１３
基亏红外传感器ＳＴ１８８的自动循迹小车设计
兰羽
（陕西工业职业技术学院电气学院，陕西成阳７１２０００）
摘要：设计了一种以红外传感器ＳＴ１８８、ＡＴ８９Ｓ５１为控制核心的自动循迹小车．系统采用单片机ＡＴ８９Ｓ５ｌ产生ＰＷＭ
波调控小车速度．红外传感器ＳＴＩ８８对路面黑色轨迹进行检测，并将检测到的信号反馈给微控系统ＡＴ８９Ｓ５１．
ＡＴ８９Ｓ５１由采集到的信号发出指令，控制小车电机驱动电路以调整行驶方向．从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行
驶 实现小车自动循迹的目的。
关键词：红外传感器ＳＴ１８８；光电检测电路；ＡＴ８９Ｓ５ｌ；电机驱动电路
中图分类号：ＴＮ２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１３）０３—００６４—０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ＳＴ１８８
ＬＡＮ Ｙｕ
（Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｓｈａｎｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｉｎｇ ｅａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ＳＴ１ ８８ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＡＴ８９Ｓ５ ｌ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ ｉｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ＡＴ８９Ｓ５１ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ＰＷＭ ｗａｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ａ ｃａｒ．ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｏｎ ｔｈｅ
ＳＴ１ ８８ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｂｌａｃｋ ｌＯＣＵＳ ｉＳ ｄｅｔｅｃｔｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｓｉｇｎａｌｉＳ ｆｅｄ ｂａｃｋ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｅｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ＡＴ８９Ｓ５ １．ＡＴ８９Ｓ５ ｌ
ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｉｓｓｕｅｓ ａｎ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｃａｒ ｃａｎ ｒｕｎ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｂｌａｃｋ ｐａｔｈ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ＳＴ１８８；ｐｈｏｔｏｅｌｅｅｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ；ＡＴ８９Ｓ５ｌ；ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
自动循迹小车控制系统。也就是最简单的轮式机器人，
适合在一些特殊环境中工作，因其成本低廉，目前已在许多
工业场合已获得广泛应用。例如高温高压环境、有毒有害气
体环境以及外星探测等都有机器人的应用ｌｌ＿．所有这些应用
正逐步渗入到工业生产和我们日常生活的各个层面。本文采
用红外传感器ＳＴ１８８，单片机ＡＴ８９Ｓ５１为控制核心，设计了
一
图ｌ循迹小车系统框图
Ｆｉｇ．１ Ｃａｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ
种具有自动寻迹功能的小车系统。
１ 系统方案
自动循迹小车控制系统由红外传感器检测模块、主
控电路模块、电源模块、电机及驱动模块等部分组成，控
制系统的结构框图如图１所示。循迹是指小车在白色地
板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系
数不同．控制芯片根据接收到的反射光的强弱来判断
“道路”情况。小车在行驶过程中不断地向地面发射红外
光．当红外光遇到白色纸质地板时产生漫反射，反射光
被小车上的红外传感器ＳＴ１８８接收；如果遇到黑线则红
２硬件电路
２
１光电检测模块
．
１）ＳＴ１８８红外传感器
红外传感器ＳＴ１８８属于ｓＴ系列反射式光电传感器，其在
红外检测方面应用非常广泛。这个系列的传感器种类齐全、价
格便宜、体积小、使用方便、质量可靠闭。图２是其实物及结构
图，其含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏 ｉ
极管）。通过发射红外信号，由接收到的信号变化情况判断检
测物体状态的变化。Ａ、Ｋ之间是发光二极管，Ｃ、Ｅ之间是光敏
三极管（二者在电路中均正接，但要串联一定阻值的电阻）。
外光被吸收，小车上的传感器接收不到红外光，单片机
以是否接收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的
位置和小车的行走路线。
２）光电检测电路
图３为光电检测电路，其主要有光电模块和比较器构
成。红外传感器ＳＴ１８８检测黑线，把接收到的信号送给运放
————
－
ｊ ｐ￣Ａ７４１，信号经电压比较器后，产生电平信号，再输入到单
基金项目：陕西工业职业技术学院院级２０１１教研项目（Ｊｒ１２—１８）
作者简介：兰羽（１９７５一），男，陕西柞水人，硕士，副教授。研究方向：电子电路设计与应用。
６４－
兰羽 基于红外传感器ＳＴ１８８的自动循迹小车设计
Ｐ１．０ Ｖｃｃ
Ｃ Ｅ Ｋ Ａ
ｖ
检测信号＝ Ｐ１．１ ＰＯ．０
｝ 一 Ｐ１．２ ＰＯ．１
Ｐ１．３ ＰＯ
．
２
路 ＡＴ８９Ｓ５１ ＰＯ０．３４５
６
ＰＷＭ波
．
｝ＲＳＴ ＰＯ．７
图２ ＳＴ１８８管脚图及实物图
ＸＴＡＬ２
Ｆｉｇ．２ ＳＴ１８８ ｐｉｎ ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍａｐ
片机中，用以判定是否检测到黑线。测试中，若检测到白色区
噼 ＸＴＡＬ１
域，接收管的电压为４．８ Ｖ；若检测到黑色区域，接收管的电
图５时钟电路和复位电路
压为０．５ Ｖ：二者均满足测试要求。由ＩｘＡ７４１构成比较器，其
Ｆｉｇ．５ Ｃｌｏｃｋｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｒｅｓｅｔ ｃｉｒｃｕｉｔ
基准电压由３Ｏ Ｋ的电位器调节。每个传感器的基准电压都
率高，一片Ｌ２９８Ｎ可以控制２个直流电机。表１为Ｌ２９８Ｎ功
有差别，为此我们为每个传感器配备了一个电位器［３】。
能表。Ｌ２９８Ｎ的５、７、１０、１２ ４个引脚接到单片机上，通过对单
３）ＴＳ１８８红外传感器的安装
片机编程就可实现两个直流电机的ＰＷＭ调速控制［６１，其驱动
图４为４个ＳＴ１８８红外探头的具体位置，小车在循迹运 电路的设计如图６所示。
行过程中，为了能精确定位黑线位置并确定小车行走的方
表１ Ｌ２９８Ｎ输入输出关系
向。需要同时在底盘装设４个红外ＳＴＩ８８探测头，进行两级
Ｔａｂ．１ Ｌ２９８Ｎ ｉｎｐｕｔ ｏｕｔｐｕｔ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ
方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。
ｌ２Ｖ
接
Ｖｃｃ Ｖｓ
ＩＮ１
盟
片
机
ＰＷＭ
图３光电检测电路
波
涨 ｕＵ；
ＳＡ
Ｆｉｇ．３ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
ｓＢ ＧＮＤ
Ｍ
图６ Ｌ２９８Ｎ电机驱动电路
圉圉 日圉
Ｆｉｇ．６ Ｌ２９８Ｎ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
２）电机
电机采用直流减速电机，其具有转动力矩大、装配简单、
重量轻、体积小，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原
图４传感器安装图
始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。在此选
Ｆｉｇ．４ Ｓｅｎｓｏｒ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ
用减速比为１：７４的直流电机。减速后电机的转速为１００ ｒ／ｍｉｎ。
２．２控制器模块 选择车轮直径为６ ｃｍ，则小车的最大速度可以达到Ｖｎｍ＝
控制器模块采用ＡＴ８９Ｃ５１单片机作为主控制器。它是一
２￣ｒｒｖｘ３．１４ｘ０．０３ ｘｌ００ｌ，６０＝０．３１４ ｍ／ｓ。
个低功耗，高性能的８位单片机，具有２个８位可编程定时
２．４系统电源模块
计数器，４ ｋ的随机存取数据存储器（ＲＡＭ），３２个Ｉ，０口，且 在图７中，２２０ Ｖ市电经２２０ Ｖ／１７．５ Ｖ变压器降压后得
可在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试 。 到的＋１７．５ Ｖ交流电压。经过整流滤波后得到＋１８ Ｖ两路电
其最小控制系统如图５所示，采用按键复位和外部时钟，晶 压。其中＋１８ Ｖ经三端稳压器ＬＭ７８１２得到＋１２ Ｖ，再经过
振频率为１２ ＭＨｚ。
ＬＭ７８０５得到＋５ Ｖ的电压：一１８ Ｖ经三端稳压器ＬＭ７９ｌ２得
２．３驱动及电机模块
到一１２ Ｖ电压，以作为系统本身的工作电源。
１）驱动电路
驱动模块采用专用芯片Ｌ２９８Ｎ作为电机驱动芯片，
３系统软件设计
Ｌ２９８Ｎ是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片．其响应频 本系统采用ＰＷＭ来调节直流电机的速度，通过控制５１
－
６５－
《电子设计工程｝２０１３年第３期
１ ２Ｖ
上
００ ｕ】
２５Ｖ
２５ＷＬ
２５Ｖ
１００ Ｕ Ｆ
１ ００ Ｆ
———
ｏ一１２Ｖ
Ｕ—Ｎ
图７
州
系统电源模块
㈣
Ｆｉｇ．７ Ｓｙｓｔｅｍ ｐｏｗｅｒ
㈣。 叽一２
ｓｕｐｐｌｙ ｍｏｄｕｌｅ
单片机的定时器ＴＯ的初值，使单片机的ＰＯ．４和Ｐｏ．５输出口
输出不同占空比的方波脉冲，来调节加在电机两端的电压，从
而控制电机速度。小车进入寻迹模式后，即开始不停地扫描
与红外探测器连接的单片Ｉ／Ｏ口，一旦检测到某个Ｉ／Ｏ口有信
号变化．就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电
动机从而纠正小车的运行状态。小车循迹流程图如图８所示。
图８小车循迹流程图
Ｆｉｇ．８ Ｃａｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｈａｒｔ
４系统测试
为了测试智能小车系统的正常运动情况，设计场景对循
迹小车系统进行测试。测试轨道距离如图９所示，轨道采用
环形的深色轨道。系统测试中，采取顺时针和逆时针两个方
向运行的测试方法。以此来检测智能小车左右转的效果。经
过在轨道Ａ点、Ｂ点顺时针、逆时针各２次，每次２圈的实际
测试，测试数据结果如表２所示。
Ａ点
Ｂ点
图９测试场景参数
Ｆｉｇ．９ Ｔｅｓｔ ｓｃｅｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
５ 结束语
文中设计的循迹小车，采用红外传感器ＳＴ１８８为循迹模
块、单片机ＡＴ８９Ｓ５ｌ为控制模块。小车使用单元模块化的电
－
６６．．
表２循迹小车测试结果
Ｔａｂ．１ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃａｒ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ
路设计，使得系统简洁，响应快、性能稳定。经测试表明：小车
实现了预期设定的循迹功能，并在规定的按时内．沿设定路
径完成循迹功能。为了使小车更加智能化，还可为小车扩展
避障、自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车
速检测和巡航控制等功能。
参考文献：
【ｌ１宋健，姜军生，赵文亮．基于单片机的直流电动机ＰＷＭ调
速系统『Ｊ１．农机化研究，２００６（１）：１０２—１０３．
ＳＯＮＧ Ｊｉａｎ，ＪＩＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ－ｊｕｎ，ＺＨＡＯ Ｗｅｎ—ｌｉａｎｇ．ＰＷＭ
ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０ｏ６（１）：１ ０２—１０３。
【２】边春元，李文涛，江杰．Ｃ５１单片机典型模块设计与应用【Ｍ】．
北京：机械工业出版社．２００８．
［３】兰羽，卢庆林．仪表放大器在激光外差玻璃测厚系统中的
应用［Ｊ１．国外电子测量技术，２０１２，３ｌ（３）：７９—８２．
ＬＡＮ Ｙｕ．ＬＵ Ｑｉｎｇ—ｌｉｎ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ
ｉｎ ｇｌａｓｓ—ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ［Ｊ］．
Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０ １ ２，３ ｌ（３）：
７９－８２．
【４】兰羽，周茜．超声波测距系统接收电路研究…．电子设计
工程，２０１２，２０（２４４）：８ｌ一８３．
ＬＡＮ Ｙｕ，ＺＨＯＵ Ｑｉａｎ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ
ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，２０（２４４）：８１—８３．
【５］董涛，刘进英，蒋苏．基于单片机的智能小车的设计与制
作［Ｊ１．计算机测量与控制，２００９（２）：３８０—３８２．
ＤＯＮＧ Ｔａｏ，ＬＩＵ Ｊｉｎ—ｙｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｓｕ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
ｓｍａｒｔ ｃａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆
Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００９（２）：３８０—３８２．
【６］鲁庆．基于栅格法的机器人路径规划［Ｊ】．电脑与信息
技术，２００７，１５（６）：２４—２７．
ＬＵ Ｑｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ｃａｒ—ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ
ｏｎ ｇｒｉｄ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ】．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ，
２００７，１５（６）：２４—２７．
［７】杨兵，刘伟杰．一种基于可视图的机器人避障路径规划【Ｊ１．
电脑知识与技术，２００９（２）：４３４—４３５．
ＹＡＮＧ Ｂｉｎ，ＬＩＵ Ｗｅｉ－ｊｉｅ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｐａｔｈ
ｐｌａｎｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９（２）：
４３４－４３５．
2024年7月31日发(作者：集品韵)
第２１卷 第３期
Ｖｏｌ＿２１ Ｎｏ．３
电子设计工程
Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ
２０１３年２月
Ｆｅｂ．２０１３
基亏红外传感器ＳＴ１８８的自动循迹小车设计
兰羽
（陕西工业职业技术学院电气学院，陕西成阳７１２０００）
摘要：设计了一种以红外传感器ＳＴ１８８、ＡＴ８９Ｓ５１为控制核心的自动循迹小车．系统采用单片机ＡＴ８９Ｓ５ｌ产生ＰＷＭ
波调控小车速度．红外传感器ＳＴＩ８８对路面黑色轨迹进行检测，并将检测到的信号反馈给微控系统ＡＴ８９Ｓ５１．
ＡＴ８９Ｓ５１由采集到的信号发出指令，控制小车电机驱动电路以调整行驶方向．从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行
驶 实现小车自动循迹的目的。
关键词：红外传感器ＳＴ１８８；光电检测电路；ＡＴ８９Ｓ５ｌ；电机驱动电路
中图分类号：ＴＮ２９ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７４—６２３６（２０１３）０３—００６４—０３
Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ＳＴ１８８
ＬＡＮ Ｙｕ
（Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ ＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＤｅｐａｒｔｍｅｎｔ，Ｓｈａｎｘｉ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉａｎｙａｎｇ ７１２０００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ａｕｔｏｍａｔｉｃ ｔｒａｃｉｎｇ ｅａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ＳＴ１ ８８ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ＡＴ８９Ｓ５ ｌ ａｓ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｃｏｒｅ ｉｓ
ｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｄｏｐｔｓ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ ＡＴ８９Ｓ５１ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ＰＷＭ ｗａｖｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｓｐｅｅｄ ｏｆ ａ ｃａｒ．ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ｏｎ ｔｈｅ
ＳＴ１ ８８ ｐａｖｅｍｅｎｔ ｂｌａｃｋ ｌＯＣＵＳ ｉＳ ｄｅｔｅｃｔｅｄ．ａｎｄ ｔｈｅ ｄｅｔｅｃｔｅｄ ｓｉｇｎａｌｉＳ ｆｅｄ ｂａｃｋ ｔｏ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｅｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ＡＴ８９Ｓ５ １．ＡＴ８９Ｓ５ ｌ
ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｃｏｌｌｅｃｔｅｄ ｓｉｇｎａｌ ｉｓｓｕｅｓ ａｎ ｉｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ ｔｈｅ ｃａｒ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｄｒｉｖｉｎｇ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ
ｃａｒ ｃａｎ ｒｕｎ ａｌｏｎｇ ｔｈｅ ｂｌａｃｋ ｐａｔｈ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｔｒａｃｋｉｎｇ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃａｒ．
Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄ ｓｅｎｓｏｒ ＳＴ１８８；ｐｈｏｔｏｅｌｅｅｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ；ＡＴ８９Ｓ５ｌ；ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
自动循迹小车控制系统。也就是最简单的轮式机器人，
适合在一些特殊环境中工作，因其成本低廉，目前已在许多
工业场合已获得广泛应用。例如高温高压环境、有毒有害气
体环境以及外星探测等都有机器人的应用ｌｌ＿．所有这些应用
正逐步渗入到工业生产和我们日常生活的各个层面。本文采
用红外传感器ＳＴ１８８，单片机ＡＴ８９Ｓ５１为控制核心，设计了
一
图ｌ循迹小车系统框图
Ｆｉｇ．１ Ｃａｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ
种具有自动寻迹功能的小车系统。
１ 系统方案
自动循迹小车控制系统由红外传感器检测模块、主
控电路模块、电源模块、电机及驱动模块等部分组成，控
制系统的结构框图如图１所示。循迹是指小车在白色地
板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系
数不同．控制芯片根据接收到的反射光的强弱来判断
“道路”情况。小车在行驶过程中不断地向地面发射红外
光．当红外光遇到白色纸质地板时产生漫反射，反射光
被小车上的红外传感器ＳＴ１８８接收；如果遇到黑线则红
２硬件电路
２
１光电检测模块
．
１）ＳＴ１８８红外传感器
红外传感器ＳＴ１８８属于ｓＴ系列反射式光电传感器，其在
红外检测方面应用非常广泛。这个系列的传感器种类齐全、价
格便宜、体积小、使用方便、质量可靠闭。图２是其实物及结构
图，其含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏 ｉ
极管）。通过发射红外信号，由接收到的信号变化情况判断检
测物体状态的变化。Ａ、Ｋ之间是发光二极管，Ｃ、Ｅ之间是光敏
三极管（二者在电路中均正接，但要串联一定阻值的电阻）。
外光被吸收，小车上的传感器接收不到红外光，单片机
以是否接收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的
位置和小车的行走路线。
２）光电检测电路
图３为光电检测电路，其主要有光电模块和比较器构
成。红外传感器ＳＴ１８８检测黑线，把接收到的信号送给运放
————
－
ｊ ｐ￣Ａ７４１，信号经电压比较器后，产生电平信号，再输入到单
基金项目：陕西工业职业技术学院院级２０１１教研项目（Ｊｒ１２—１８）
作者简介：兰羽（１９７５一），男，陕西柞水人，硕士，副教授。研究方向：电子电路设计与应用。
６４－
兰羽 基于红外传感器ＳＴ１８８的自动循迹小车设计
Ｐ１．０ Ｖｃｃ
Ｃ Ｅ Ｋ Ａ
ｖ
检测信号＝ Ｐ１．１ ＰＯ．０
｝ 一 Ｐ１．２ ＰＯ．１
Ｐ１．３ ＰＯ
．
２
路 ＡＴ８９Ｓ５１ ＰＯ０．３４５
６
ＰＷＭ波
．
｝ＲＳＴ ＰＯ．７
图２ ＳＴ１８８管脚图及实物图
ＸＴＡＬ２
Ｆｉｇ．２ ＳＴ１８８ ｐｉｎ ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｐｈｙｓｉｃａｌ ｍａｐ
片机中，用以判定是否检测到黑线。测试中，若检测到白色区
噼 ＸＴＡＬ１
域，接收管的电压为４．８ Ｖ；若检测到黑色区域，接收管的电
图５时钟电路和复位电路
压为０．５ Ｖ：二者均满足测试要求。由ＩｘＡ７４１构成比较器，其
Ｆｉｇ．５ Ｃｌｏｃｋｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ａｎｄ ｒｅｓｅｔ ｃｉｒｃｕｉｔ
基准电压由３Ｏ Ｋ的电位器调节。每个传感器的基准电压都
率高，一片Ｌ２９８Ｎ可以控制２个直流电机。表１为Ｌ２９８Ｎ功
有差别，为此我们为每个传感器配备了一个电位器［３】。
能表。Ｌ２９８Ｎ的５、７、１０、１２ ４个引脚接到单片机上，通过对单
３）ＴＳ１８８红外传感器的安装
片机编程就可实现两个直流电机的ＰＷＭ调速控制［６１，其驱动
图４为４个ＳＴ１８８红外探头的具体位置，小车在循迹运 电路的设计如图６所示。
行过程中，为了能精确定位黑线位置并确定小车行走的方
表１ Ｌ２９８Ｎ输入输出关系
向。需要同时在底盘装设４个红外ＳＴＩ８８探测头，进行两级
Ｔａｂ．１ Ｌ２９８Ｎ ｉｎｐｕｔ ｏｕｔｐｕｔ ｒｅｌａｔｉｏｎｓｈｉｐ
方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。
ｌ２Ｖ
接
Ｖｃｃ Ｖｓ
ＩＮ１
盟
片
机
ＰＷＭ
图３光电检测电路
波
涨 ｕＵ；
ＳＡ
Ｆｉｇ．３ Ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ
ｓＢ ＧＮＤ
Ｍ
图６ Ｌ２９８Ｎ电机驱动电路
圉圉 日圉
Ｆｉｇ．６ Ｌ２９８Ｎ ｍｏｔｏｒ ｄｒｉｖｅ ｃｉｒｃｕｉｔ
２）电机
电机采用直流减速电机，其具有转动力矩大、装配简单、
重量轻、体积小，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原
图４传感器安装图
始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。在此选
Ｆｉｇ．４ Ｓｅｎｓｏｒ ｉｎｓｔａｌｌａｔｉｏｎ ｄｉａｇｒａｍ
用减速比为１：７４的直流电机。减速后电机的转速为１００ ｒ／ｍｉｎ。
２．２控制器模块 选择车轮直径为６ ｃｍ，则小车的最大速度可以达到Ｖｎｍ＝
控制器模块采用ＡＴ８９Ｃ５１单片机作为主控制器。它是一
２￣ｒｒｖｘ３．１４ｘ０．０３ ｘｌ００ｌ，６０＝０．３１４ ｍ／ｓ。
个低功耗，高性能的８位单片机，具有２个８位可编程定时
２．４系统电源模块
计数器，４ ｋ的随机存取数据存储器（ＲＡＭ），３２个Ｉ，０口，且 在图７中，２２０ Ｖ市电经２２０ Ｖ／１７．５ Ｖ变压器降压后得
可在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试 。 到的＋１７．５ Ｖ交流电压。经过整流滤波后得到＋１８ Ｖ两路电
其最小控制系统如图５所示，采用按键复位和外部时钟，晶 压。其中＋１８ Ｖ经三端稳压器ＬＭ７８１２得到＋１２ Ｖ，再经过
振频率为１２ ＭＨｚ。
ＬＭ７８０５得到＋５ Ｖ的电压：一１８ Ｖ经三端稳压器ＬＭ７９ｌ２得
２．３驱动及电机模块
到一１２ Ｖ电压，以作为系统本身的工作电源。
１）驱动电路
驱动模块采用专用芯片Ｌ２９８Ｎ作为电机驱动芯片，
３系统软件设计
Ｌ２９８Ｎ是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片．其响应频 本系统采用ＰＷＭ来调节直流电机的速度，通过控制５１
－
６５－
《电子设计工程｝２０１３年第３期
１ ２Ｖ
上
００ ｕ】
２５Ｖ
２５ＷＬ
２５Ｖ
１００ Ｕ Ｆ
１ ００ Ｆ
———
ｏ一１２Ｖ
Ｕ—Ｎ
图７
州
系统电源模块
㈣
Ｆｉｇ．７ Ｓｙｓｔｅｍ ｐｏｗｅｒ
㈣。 叽一２
ｓｕｐｐｌｙ ｍｏｄｕｌｅ
单片机的定时器ＴＯ的初值，使单片机的ＰＯ．４和Ｐｏ．５输出口
输出不同占空比的方波脉冲，来调节加在电机两端的电压，从
而控制电机速度。小车进入寻迹模式后，即开始不停地扫描
与红外探测器连接的单片Ｉ／Ｏ口，一旦检测到某个Ｉ／Ｏ口有信
号变化．就执行相应的判断程序，把相应的信号发送给电
动机从而纠正小车的运行状态。小车循迹流程图如图８所示。
图８小车循迹流程图
Ｆｉｇ．８ Ｃａｒ ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃｈａｒｔ
４系统测试
为了测试智能小车系统的正常运动情况，设计场景对循
迹小车系统进行测试。测试轨道距离如图９所示，轨道采用
环形的深色轨道。系统测试中，采取顺时针和逆时针两个方
向运行的测试方法。以此来检测智能小车左右转的效果。经
过在轨道Ａ点、Ｂ点顺时针、逆时针各２次，每次２圈的实际
测试，测试数据结果如表２所示。
Ａ点
Ｂ点
图９测试场景参数
Ｆｉｇ．９ Ｔｅｓｔ ｓｃｅｎｅ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ
５ 结束语
文中设计的循迹小车，采用红外传感器ＳＴ１８８为循迹模
块、单片机ＡＴ８９Ｓ５ｌ为控制模块。小车使用单元模块化的电
－
６６．．
表２循迹小车测试结果
Ｔａｂ．１ Ｔｒａｃｋｉｎｇ ｃａｒ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ
路设计，使得系统简洁，响应快、性能稳定。经测试表明：小车
实现了预期设定的循迹功能，并在规定的按时内．沿设定路
径完成循迹功能。为了使小车更加智能化，还可为小车扩展
避障、自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车
速检测和巡航控制等功能。
参考文献：
【ｌ１宋健，姜军生，赵文亮．基于单片机的直流电动机ＰＷＭ调
速系统『Ｊ１．农机化研究，２００６（１）：１０２—１０３．
ＳＯＮＧ Ｊｉａｎ，ＪＩＡＮＧ Ｓｈｅｎｇ－ｊｕｎ，ＺＨＡＯ Ｗｅｎ—ｌｉａｎｇ．ＰＷＭ
ｓｐｅｅｄ ｒｅｇｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ＤＣ ｍｏｔｏｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ
ｏｆ Ａｇｒｉｃｕｌｔｕｒａｌ Ｍｅｃｈａｎｉｚａｔｉｏｎ Ｒｅｓｅａｒｃｈ，２０ｏ６（１）：１ ０２—１０３。
【２】边春元，李文涛，江杰．Ｃ５１单片机典型模块设计与应用【Ｍ】．
北京：机械工业出版社．２００８．
［３】兰羽，卢庆林．仪表放大器在激光外差玻璃测厚系统中的
应用［Ｊ１．国外电子测量技术，２０１２，３ｌ（３）：７９—８２．
ＬＡＮ Ｙｕ．ＬＵ Ｑｉｎｇ—ｌｉｎ．Ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔａｔｉｏｎ ａｍｐｌｉｉｆｅｒ
ｉｎ ｇｌａｓｓ—ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ ｍｅａｓｕｒｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｉｎｇ ｌａｓｅｒ ｈｅｔｅｒｏｄｙｎｅ［Ｊ］．
Ｆｏｒｅｉｇｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２０ １ ２，３ ｌ（３）：
７９－８２．
【４】兰羽，周茜．超声波测距系统接收电路研究…．电子设计
工程，２０１２，２０（２４４）：８ｌ一８３．
ＬＡＮ Ｙｕ，ＺＨＯＵ Ｑｉａｎ．Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ ｒｅｃｅｉｖｉｎｇ ｃｉｒｃｕｉｔ ｏｆ
ｕｌｔｒａｓｏｎｉｃ ｄｉｓｔａｎｃｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｄｅｓｉｇｎ
Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１２，２０（２４４）：８１—８３．
【５］董涛，刘进英，蒋苏．基于单片机的智能小车的设计与制
作［Ｊ１．计算机测量与控制，２００９（２）：３８０—３８２．
ＤＯＮＧ Ｔａｏ，ＬＩＵ Ｊｉｎ—ｙｉｎｇ，ＪＩＡＮＧ Ｓｕ．Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｅ
ｓｍａｒｔ ｃａｒ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｉｎｇｌｅ ｃｈｉｐ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ＆
Ｃｏｎｔｒｏｌ，２００９（２）：３８０—３８２．
【６］鲁庆．基于栅格法的机器人路径规划［Ｊ】．电脑与信息
技术，２００７，１５（６）：２４—２７．
ＬＵ Ｑｉｎｇ．Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｆ ｐａｔｈｐｌａｎｎｉｎｇ ｆｏｒ ｃａｒ—ｌｉｋｅ ｒｏｂｏｔ ｂａｓｅｄ
ｏｎ ｇｒｉｄ ｍｅｔｈｏｄ［Ｊ】．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ ａｎｄ Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇ，
２００７，１５（６）：２４—２７．
［７】杨兵，刘伟杰．一种基于可视图的机器人避障路径规划【Ｊ１．
电脑知识与技术，２００９（２）：４３４—４３５．
ＹＡＮＧ Ｂｉｎ，ＬＩＵ Ｗｅｉ－ｊｉｅ．Ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｏｆ ｒｏｂｏｔ ｐａｔｈ
ｐｌａｎｎｉｎｇ［Ｊ］．Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｋｎｏｗｌｅｄｇｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００９（２）：
４３４－４３５．