摘要：本系統基於HC08單片機的小車尋跡蔽障系統，該系統採用三個高靈敏度的紅外反射光電傳感器，對路面的黑色軌跡進行檢測，將檢測的數據送入單片機進行處理，並利用單片機產生PWM波，使小車實現尋跡。採用一組超聲波傳感器，對小車前面是否有障礙物進行檢測，將檢測結果送入單片機進行處理，使小車繞過障礙物。採用霍爾傳感器檢測帶磁石的鐵片，將檢測結果送入單片機進行處理，並利用單片機產生聲光提示。因此，本系統由紅外光電傳感器，超聲波傳感器，霍爾傳感器，單片機以及各傳感器驅動單元電路共同作用，保證小車能在預定的軌道上實現尋跡和蔽障以及檢測鐵片。
Abstract: The system is based on HC08 Microcontroller car tracing unblinded system that uses three high-sensitivity infrared reflection photoelectric sensor, the black track on the road testing, the test data into the single chip processor, produced using the single chip PWM wave , driving motor to achieve Tracing car. Using a set of ultrasonic sensors in front of the car to detect whether there are obstacles, the test results into the single chip processor, single chip implementation according to the results of tests sent to bypass obstacles. Therefore, this system consists of infrared photoelectric sensors, ultrasonic sensors, microcontroller and the sensor drive unit circuit interaction, ensure that car on track in achieving the intended search track and unblinded.
本系統設計的主要特色：
採用穩定可靠的HC08單片機
控制電路電源和電機電源隔離，信號通過光電耦合器傳輸
光電傳感器使小車尋跡，超聲波傳感器使小車躲避障礙物，霍爾傳感器檢測帶磁石的鐵片。
優化的軟件算法，智能化的自動控制，定位精確
1．方案的選擇與論證
1．1、控制器模塊選擇
方案1：採用可編程邏輯期間CPLD 作爲控制器。CPLD可以實現各種複雜的邏輯功能、規模大、密度高、體積小、穩定性高、IO資源豐富、易於進行功能擴展。採用並行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作爲大規模控制系統的控制核心。但本系統不需要複雜的邏輯功能，對數據的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經濟的角度考慮我們放棄了此方案。
方案2：採用飛思卡爾公司的8位單片機，具有體積小、可靠性高、穩定可靠、中斷處理能力強、處理速度快等特點。完全能實現小車的尋跡，避障和檢測鐵片。
綜合各方面因素，我們最終選擇了方案2。
1．2、電機選擇
方案1：採用步進電機控制的小車。步進電機的一個顯著特點就是具有快速啓動能力，步進電機可以精確的控制車輪轉動的角度，已精確地控制小車的轉動方向，從而達到要求的角度。但是步進電機造價高，對控制電路要求比較高，所以我們放棄該方案。
方案2：採用直流電機控制的小車。直流電機具有優良的調速特性，調速平滑、方便、調整範圍廣；直流電機輕便簡單，只要給出PWM波形，便可對其進行調速，造價簡單，我們對電機的轉動角度並沒有太高的要求。
綜上所述，我們選擇方案2。
1．3、電機驅動模塊選擇
方案1：採用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車的速度進行調整。這個方案的優點是電路較爲簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結構易損壞、壽命較短、可靠性不高。
方案2：利用H橋電路的電機驅動模塊。此種電路包含若干個三極管及外圍電阻等器件，通用性強，功能強大。通過對相關端口的寫入，能夠實現兩電機正反轉和PWM調速。但是，由於三極管本身工作電流的限制，此電路不能夠驅動大功率電機，並且電路暴露在外部導致穩定性不高，所以我們放棄使用該方案。
方案3：基於L298N的電機驅動模塊。L298N是一款專門用於驅動電動機的芯片，具有高集成度、高功率的特點，其輸出電流爲2A，最高電流4A，最高工作電壓50V，可以驅動大的負載，如大功率直流電機，步進電機等，較少的外圍電路（僅需要保護用的二極管）便可以很好地驅動大功率的電機。其輸入端可以與單片機直接相聯，從而很方便地受單片機控制。當驅動直流電機時，可以直接控制兩路電機，並可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。而且模塊體積小，穩定性高。
綜上所述，我們選擇L298N及外圍電路作爲電機驅動模塊。
1．4、避障模塊選擇
方案1：用激光傳感器進行避障。它由激光器、激光檢測器和測量電路組成。激光傳感器是新型測量儀表，它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等。但是激光傳感器造價高，並且外圍電路非常複雜，不適合我們的系統特點。所以我們放棄該方案。
方案2：用超聲波傳感器進行避障。超聲波傳感器是利用超聲波的特性研製而成的傳感器。超聲波是一種振動頻率高於聲波的機械波，由換能晶片在電壓的激勵下發生振動產生的。遇到障礙物後能夠返回，被傳感器接受後，然後將這信號放大後送入單片機。聲波傳感器需要精確的40KHz的方波信號來工作，HC08單片機可產生40KHZ的方波。
綜上所述，我們採取方案2
1．5、尋跡模塊選擇
方案1：採用紅外發射管和接受管自制模塊。我們獨立設計出此模塊的電路圖，發射管發射光線，根據黑色材料吸收光線而白色材料反射光線的原理，當遇到黑線時，單片機接收到高電平；不在黑線時，單片機接受的爲低電平，從而判斷智能車的位置，而做出相應的決策。但是，我們發現，此電路對黑白線檢測不時太靈敏，在黑線以外的時候也會輸出高電平，造成系統判斷失誤。同時，電路穩定性較差，會受到外界光線影響，不利於整體性能，所以，我們放棄該方案。
方案2：可見光發光二極管與光敏二極管組成的發射-接收電路。這種方案的缺點在於其他環境光源會對光敏二極管的工作產生很大幹擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判；雖然採取超高亮度發光管可以降低一定的干擾，但這又增加額外的功率損耗。
方案3：採用反射式光電傳感器 ITR20001/T ，ITR20001/T傳感器是一種集發射與接收於一體的光電傳感器，主要用於黑白線檢測。這款黑白線傳感器受可見光干擾小，輸出信號爲開關量，信號處理簡單，使用非常方便。此模塊不需外部電路，我們加入一個10K和100歐姆的上拉電阻便可使其工作正常。
基於以上情況，我們選擇了方案3。
1．6、鐵片檢測模塊選擇
對於該模塊，我們採用霍爾傳感器檢測帶磁鐵的鐵片。此模塊工作在4.5-28v，工作電流20mA，檢測到鐵片時，能夠輸出低電平給單片機，同時指示燈閃亮。該模塊符合我們的要求，故我們選擇此方案。
1.7、電源模塊選擇
1.8、小結
經過幾番仔細的論證和比較，我們決定了本系統主要模塊方案如下：
主控制器：飛思卡爾公司的HC08位單片機。
電機選擇：直流電機
電機驅動模塊：L298N集成芯片
避障模塊：超聲波傳感器進行避障
尋跡模塊：收發一體的反射式光電傳感器 ITR20001/T
鐵片檢測模塊：霍爾傳感器
2、系統硬件設計與實現
2.1 單片機最小系統設計
本系統有單片機作爲小車的控制核心，控制黑線檢測模塊，金屬探測模塊，電機驅動模塊，顯示及聲光指示模塊，超聲波探測模塊，測距模塊。
系統整體框圖如圖1所示：
圖1 系統整體框圖
單片機最小系統原理圖如圖2所示：
圖2 單片機最小系統電路原理圖
2.2 系統硬件設計
1) 路面黑線檢測模塊
我們採用收發一體的反射式光電傳感器 ITR20001/T，驅動電路原理圖如圖3，ITR20001/T可在+5V下正常工作，在沒有探測到黑線時，探頭輸出始終保持低電平。當檢測到黑線時，輸出立刻由低調變到高。爲保證小車沿黑線行駛，我們採用了三個傳感器排在車頭。在小車行走過程中，中間的傳感器一直在進行檢測，若向左方向偏離黑線，則右側的傳感器就會檢測到黑線，把信號傳給單片機，單片機接收到信號後，單片機控制車頭向右轉。
圖3 光電檢測電路原理圖
2) 超聲波探測模塊
由於小車在進入障礙區後要求準確繞過障礙物。所以我們用超聲波檢測小車前方的障礙物，如果小於一定距離，則通過軟件控制小車使其繞過障礙物。超聲波發送與接收驅動電路如圖4-1和4-2
圖4-1 超聲波發送電路原理圖
圖4-2 超聲波接收電路原理圖
3) 電機驅動模塊
我們採用L298N集成芯片如圖（5-1）來驅動直流電機。L298N驅動直流電機時（如圖5-2），可以直接控制兩路電機，並可以實現電機正轉與反轉，實現此功能只需改變輸入端的邏輯電平。而且模塊體積小，穩定性高。
圖5-1 L298N集成芯片引腳結構
圖5-2 電機驅動電路原理圖
4) 鐵片離起點距離檢測
在小車的後輪上固定一黑線，同時採用光電傳感器 ITR20001/T來檢測黑線，車輪轉動時，光電傳感器就能檢測到黑線，由此便得到通斷相間的高低電平信號。兩個相鄰的高電平或低電平就代表車輪轉動了一圈，根據車輪的半徑爲 ，可近似的算出鐵片到起點的距離。
3、系統軟件設計
控制電路主要由單片機實現，主要負責對路面的軟件檢測與糾錯，車速檢測，電機驅動，光源檢測，聲光提示。
1) 軟件的主要特色
軟件在設計時，採用C語言和彙編。底層採用彙編語言編寫，而在高層則採用C語言進行編寫。這樣不僅使程序更加簡潔，更加提高了程序的可靠性。
2) 軟件流程圖如圖6
圖6 軟件流程圖
4、系統測試
1) 測試儀器
秒錶，米尺
2) 測試方法
將小車放在起始位置，開啓電源，讓小車自由行駛，記錄全程時間及鐵片與起始點距離。與小車顯示的參數進行比較，並記錄。多次改變障礙物的位置。重複以上操作。
3) 測試結果（如下表）
| 項目 | 第一次 | 第二次 | 第三次 | 實際值 |
| 鐵片A點到起始點的距離 | ||||
| 鐵片B點到起始點的距離 | ||||
| 總時間/s |
5、參考文獻
[1]全國大學生電子設計競賽組委會. 全國大學生電子設計競賽獲獎作品選編[M] ．北京理工大學出版社,2003
[2]王宜懷、劉曉升. 嵌入式技術基礎與實踐 清華大學出版社 2007
[3]夏路易、石宗義 電路原理圖與電路板設計教程 北京希望電子出版社 2002
[4]譚浩強 C語言程序設計 清華大學出版社 2005
[5]
[6]
6、附錄
附1：部分元器件清單
附2.：程序清單
附3：實物圖
最小系統板背面
測試時候的運行狀況
在測試中的小車
