基于51单片机居家智能灭火机器人循迹系统的设计

【摘要】本系统的设计是使小车在预定轨道上按要求稳定、准确地运行，采用了单片机AT89C51单片机微处理器作为小车的检测和控制系统。通过红外发射和接收一体探头传感器检测路面黑色循迹线，使小车按预定轨道行驶，通过步进电机扫描系统对路径进行扫描，最终实现了小车按预定轨道行驶。

【关键词】AT89C51单片机；循迹线；红外发射接收一体探头；步进电机

随着科技的不断发展，安全隐患也日趋严重，怎样解决这一事态，一直是社会的一大难题。目前市面上的一些灭火机器人在探寻路径方面，还存在一些缺陷，凭借单一的火焰传感器去寻找火源，盲目性比较突出，而且不利于进行反复探测。本循迹系统的设计很好的解决了这一问题，采用AT89C51单片机作为微处理器，四路循迹传感器来探测路径，能及时调整电机进行反复寻找火源，具有实时性强、灵敏度高等特点。

1.循迹系统设计方案

根据本设计的基本要求，设计任务主要完成小车在规定的时间内按预定路径进行扫描、循迹。为完成相应的功能，系统可以分为以下几个基本模块：电机驱动模块，电机扫描模块、循迹线探测模块，电源模块。本设计系统框图如图1所示。

1.1 循迹线探测模块

探测路面黑色循迹线的原理：光线照射到路面并反射回来，由于黑线和白色跑道的反射系数不同，可根据接受到反射光的强弱导致传感器产生高低电平并最终通过单片机来判断是否到达黑线偏离跑道。

方案一：利用可见光型发光二极管与光敏型二极管组成的发射-接收一体电路。该方案设计成本较低，易于制作，但其致命缺点是当周围环境有其他光源存在时，会对光敏二极管的正常工作产生较大干扰，一旦外界光照条件发生改变，很有可能造成错误判断或遗漏。

方案二：采用集成式光电开关探头进行探测，该种探头具有集成度高、工作性能稳定等优点，只须调节探测电路中的一个旋钮即可以对探头进行灵敏度调节。另外，此探头能最大程度地避免普通光源（如灯光）干扰。该传感器原理图如图2所示。

鉴于以上因素考虑，本项目组采用方案二。

1.2 循迹系统电动机及其驱动模块的选择

在选用驱动模块方面有以下两种方案：

方案一：采用专用驱动芯片。该芯片集成度高，占用空间小，主要应用于电机调速场合。

方案二：采用分立三极管驱动电路。经分析此电动车所要求的功能比较简单，不需复杂的调速，用电动机专用集成驱动电路可以达到预期的目标。故本设计最后决定使用方案二。

1.3 电源模块选择

方案一：采用单一电源蓄电池供电（4节五号电池）。此供电方法比较简单，但电源供电电流较小，因其电机启动瞬间电流会迅速增大，会导致电压不够稳定、情况严重时会造成单片机系统迅速掉电，以至于不能完成相关任务。

方案二：采用可充电12v锂电池电源供电。该种电池电流大、输出功率大，能够保证提供较高的功率给电机以及驱动、传感器，提高了系统稳定性且可及时方便充电。

考虑到本设计的稳定可靠性更为重要，故拟采用方案二。

（1）小车基本模型模块设计：以合成树脂万用板为底座自己动手做一个小车，采用两轮驱动和一万向轮支撑来保证小车的平稳和转向灵活快捷。

（2）电机驱动模块设计：采用L298N芯片控制两个驱动电机的旋转时间、方向和快慢，进而控制小车的前进和转向。

1.4 电动机的驱动设计与实现

采用L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高压大电流的全桥驱动芯片，它对应频率高，一片L298N可以控制两个直流电机，而且还有控制使能端。

驱动电路的设计原理图如图3所示。

2.路面黑线检测模块电路的设计

2.1 循迹线探测电路

采用红外型光电开关传感器，该传感器探头输出端包含有三个接线端（+5v电源线、接地端、信号输出端），用导线连接信号输出端和微处理器的I/O接口，然后通过单片机不停地对I/O口进行扫描和检测，当检测到高电平时即可判断为检测到白色背景跑道，当检测到低电平时即可判断为黑色轨迹线区域。小车运行过程中，始终让小车车头正中间两个传感器保持在黑色轨迹线两端，当小车车头偏离黑色轨迹线时，一旦红外探头探测到有黑色轨迹线数据信号，微处理器就会发送指令给小车的电机控制系统，电机控制系统通过正反转再对小车运行轨迹予以纠正。当小车回到预定黑色线轨道上时，车头中间的两个红外探测器都只检测到高电平（即白色背景赛道）时，小车继续沿轨迹线运行，否则小车会不断进行调整操作，直到小车恢复正常运行。

2.2 循迹探测模块流程图（如图4所示）

3.循迹传感器模块对黑白线的检测距离

实测距离 循迹传感器实测电压 实测距离 火源传感器实测电压

5.总结

日新月异，科技在飞速发展，电子类产品也在不断更新，本设计通过采用集成式红外发射和接收一体探头以及分立式三极管驱动电路能够准确检测到预定黑色轨迹线，并最终稳定、无误的沿预定轨道线运行。本灭火系统的设计具有实时性较强、灵敏度高且稳定性好等特点，可满足用户需求，具有一定的实用价值。

参考文献

[1]郭天祥.51单片机C语言教程——入门提高、开发、拓展全攻略[M].电子工业出版社，2009.

[2]求是科技.单片机典型模块设计实例导航[M].北京：邮电出版社，2004.

[3]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，1991.

[4]林以敏.机器人制作[M].机械工业出版社，2008.

作者简介：

肖明俊（1989—），男，湖南邵阳人，工学学士，现就读于北方民族大学电气信息工程学院，主要研究方向：智能控制与通信系统。

祝玲（1978—），女，吉林吉林人，北方民族大学电气信息工程学院讲师，主要研究方向：自动控制。

刘雨（1990—），男，贵州毕节人，工学学士，现就读于北方民族大学电气信息工程学院，主要研究方向：智能控制与通信系统。

李继超（1990—），男，湖南永州人，工学学士，现就读于北方民族大学电气信息工程学院，主要研究方向：智能控制。