51單片機雙輪循跡小車控制程序(注釋詳細)

ID:1153241 · 發表于 2025-6-9 11:30

一、概述

本雙輪自動尋跡小車旨在實現對任意給定軌跡的快速精準跟蹤，基于單片機控制技術，整合傳感器檢測、電機驅動及路徑規劃算法，構建具備高穩定性的自動尋跡小車。實物設計聚焦于硬件可靠性、軟件邏輯的高效性及系統整體的安全性，適用于智能物流、教育科研及工業巡檢等場景。

二、硬件設計方案

（一）主控芯片

選用STC89C52RC 單片機（STC 品牌，型號 89C52RC），其具備 8KB Flash ROM、256B RAM、3 個 16 位定時器 / 計數器及 6 個中斷源，支持最高 24MHz 晶振頻率，可滿足多任務實時處理需求。搭配最小系統電路，包括 11.0592MHz 晶振與按鍵復位電路，確保芯片穩定運行。程序下載通過MAX232 電平轉換芯片（MAXIM 品牌，型號 MAX232）連接 PC 端串口，支持 STC-ISP 軟件離線下載。

（二）傳感器模塊

采用TCRT5000 反射式紅外光電傳感器，內置高功率紅外發射管與高靈敏度光電晶體管，檢測距離 4-13cm 可調，抗環境光干擾能力強。內置數模轉換，將紅外信號轉換為數字量，實現對黑色軌跡線的精準識別。

（三）電機驅動模塊

選用L298N 電機驅動芯片，支持雙直流電機驅動，工作電壓 5-46V，最大輸出電流 2A。搭配12V/2000mAh 鋰電池供電，通過 PWM 控制電機轉速。電機選型為RS370直流減速電機（電壓 12V，轉速 3000rpm），滿足雙輪小車的驅動力與速度要求。

（四）電源模塊

12V 鋰電池經 7809（輸出 9V）、7805（輸出 5V）穩壓芯片，分別為電機驅動、傳感器及單片機系統供電。電容濾波網絡（10μF 貼片電容 + 0.1μF 瓷片電容）降低電源紋波，確保各模塊穩定工作。

三、軟件設計方案

（一）軟件設計與代碼實現

軟件基于 STC89C52 單片機開發，采用 C 語言編程，通過 Keil uVision 環境編譯生成 HEX 文件，利用 STC-ISP 工具下載至單片機。代碼核心邏輯圍繞 5 路紅外傳感器（P0.0-P0.4）的信號采集、電機差速控制及 PWM 調速。

（二）傳感器信號采集與狀態編碼

代碼通過 P0 口讀取 5 路紅外傳感器狀態，未檢測到黑線時引腳為高電平（邏輯 1），檢測到黑線時為低電平（邏輯 0）。傳感器狀態被組合為 5 位二進制數存儲于sensorValue變量，中間傳感器觸發時狀態為0b11011（對應十六進制0x1B），右側中間傳感器觸發時為0b11101（0x1D），左側雙傳感器觸發時為0b01111（0x0F）。代碼通過Sensor_Read()函數完成狀態采集，采用逐位賦值方式避免sbit類型直接移位運算，確保邏輯正確性。

（三）電機驅動與 PWM 調速

電機驅動采用 L298N 模塊，通過 P2 口控制轉向邏輯（IN1-IN4），并利用定時器 0 生成 PWM 信號調節轉速（ENA/ENB）。定時器 0 工作于模式 1（16 位自動重裝），配置初值實現約 100μs 定時周期，中斷函數中通過pwmCounter計數器（0-100）生成 100Hz PWM 波形。左右電機占空比由cntPWM1（右電機）和cntPWM2（左電機）控制，直行時占空比設為 40%（cntPWM1=40、cntPWM2=40），偏左時右電機占空比提高至 55%-70%、左電機降低至 40%-55%，通過差速實現轉向。

（四）路徑跟蹤邏輯實現

主函數循環調用XunJi()函數執行路徑控制，通過switch-case語句匹配sensorValue狀態。當狀態為0b00000（全黑）或0b11111（全白）時執行停車邏輯；中間傳感器觸發（0b00100對應的flag=0）時調用Forward()函數雙電機正轉；左側傳感器觸發（如0b10000對應的flag=3）時調用TurnLeft1()函數，右電機正轉、左電機反轉并設置較大轉速差（cntPWM1=55、cntPWM2=70）；右側傳感器觸發時則調用TurnRight1()函數，通過右電機反轉、左電機正轉糾正偏移。代碼通過固定轉速差策略實現轉向。

單片機源程序如下:

#include <reg52.h> // 包含STC89C52單片機寄存器定義
typedef unsigned int u16; // 定義無符號16位整數類型
typedef unsigned char u8; // 定義無符號8位整數類型
// ---------------------- 硬件接口定義 ----------------------
// 電機驅動模塊（L298N）接口
sbit ENA = P2^0; // 右電機使能引腳（PWM控制轉速）
sbit IN1 = P2^1; // 右電機方向控制（1=正轉，0=反轉）
sbit IN2 = P2^2; // 右電機方向控制（1=正轉，0=反轉）
sbit ENB = P2^5; // 左電機使能引腳（PWM控制轉速）
sbit IN3 = P2^3; // 左電機方向控制（1=正轉，0=反轉）
sbit IN4 = P2^4; // 左電機方向控制（1=正轉，0=反轉）
// 紅外傳感器模塊（TCRT5000）接口（5路布局：左外、左中、中間、右中、右外）
// *未探測到黑線時輸出高電平（默認狀態），探測到黑線時輸出低電平*
sbit IR_LeftOuter = P0^0; // 左側外端傳感器（S1）
sbit IR_LeftMiddle = P0^1; // 左側中間傳感器（S2）
sbit IR_Center = P0^2; // 中間傳感器（S3）
sbit IR_RightMiddle = P0^3;// 右側中間傳感器（S4）
sbit IR_RightOuter = P0^4; // 右側外端傳感器（S5）
// ---------------------- 全局變量定義 ----------------------
u8 pwmRight = 50; // 右電機PWM占空比（默認50%，范圍0-100）
u8 pwmLeft = 50; // 左電機PWM占空比（默認50%，范圍0-100）
u8 sensorValue = 0; // 傳感器狀態值（5位二進制，高電平=未檢測到黑線）
// ---------------------- 函數聲明 ----------------------
void Timer0_Init(); // 定時器0初始化（PWM生成）
void Motor_Stop(); // 電機停止
void Motor_Forward(); // 電機前進
void Motor_TurnLeft(u8 speed); // 左轉（speed: 0-100 速度差）
void Motor_TurnRight(u8 speed);// 右轉（speed: 0-100 速度差）
void Sensor_Read(); // 讀取傳感器狀態
void Path_Control(); // 路徑控制邏輯
// ---------------------- 主函數 ----------------------
void main() {
Timer0_Init(); // 初始化定時器0（PWM功能）
while (1) {
Sensor_Read(); // 讀取紅外傳感器狀態
Path_Control(); // 執行路徑跟蹤控制邏輯
}
}
// ---------------------- 定時器0初始化函數 ----------------------
void Timer0_Init() {
TMOD &= 0xF0; // 清除定時器0模式位
TMOD |= 0x01; // 設置為模式1（16位自動重裝）
TH0 = 0xFF; // 配置100μs定時周期（晶振12MHz時，計數2次）
TL0 = 0xFE;
ET0 = 1; // 使能定時器0中斷
EA = 1; // 使能全局中斷
TR0 = 1; // 啟動定時器0
}
// ---------------------- 定時器0中斷函數（PWM生成）----------------------
void Timer0_Interrupt() interrupt 1 {
static u8 pwmCounter = 0; // PWM周期計數器（0-100，對應100ms周期）
// 右電機PWM控制
if (pwmCounter < pwmRight) {
ENA = 1;
} else {
ENA = 0;
}
// 左電機PWM控制
if (pwmCounter < pwmLeft) {
ENB = 1;
} else {
ENB = 0;
}
pwmCounter++;
if (pwmCounter >= 100) { // 周期結束，重置計數器
pwmCounter = 0;
}
// 重裝定時器初值
TH0 = 0xFF;
TL0 = 0xFE;
}
// ---------------------- 傳感器讀取函數 ----------------------
void Sensor_Read() {
u8 temp = 0; // 臨時變量，存儲5路傳感器狀態（高電平=1，低電平=0）
// 左外傳感器（P0.0）：未檢測到黑線時為1，檢測到為0
temp |= (IR_LeftOuter ? 1 : 0) << 4; // 最高位（第4位）
// 左中傳感器（P0.1）
temp |= (IR_LeftMiddle ? 1 : 0) << 3; // 第3位
// 中間傳感器（P0.2）
temp |= (IR_Center ? 1 : 0) << 2; // 第2位（中間位）
// 右中傳感器（P0.3）
temp |= (IR_RightMiddle ? 1 : 0) << 1; // 第1位
// 右外傳感器（P0.4）：最低位（第0位）
temp |= (IR_RightOuter ? 1 : 0) << 0;
sensorValue = temp; // 賦值給全局變量
}
// ---------------------- 路徑控制函數----------------------
void Path_Control() {
switch (sensorValue) {
// 中間傳感器觸發（二進制11011 → 十進制27 → 十六進制0x1B）
case 0x1B:
Motor_Forward();
pwmRight = 60;
pwmLeft = 60;
break;
// 左側單傳感器觸發（二進制11101 → 十進制29 → 十六進制0x1D）
case 0x1D:
pwmRight = 70; // 右輪加速
pwmLeft = 50; // 左輪減速
Motor_Forward();
break;
// 全白狀態（二進制11111 → 十進制31 → 十六進制0x1F）
case 0x1F:
Motor_Stop(); // 停車
break;
default:
break;
}
}
// ---------------------- 電機控制函數 ----------------------
void Motor_Forward() {
IN1 = 1; // 右電機正轉
IN2 = 0;
IN3 = 1; // 左電機正轉
IN4 = 0;
}
void Motor_Stop() {
IN1 = 0; // 電機停轉
IN2 = 0;
IN3 = 0;
IN4 = 0;
}

復制代碼

以上Keil代碼下載:

雙輪循跡小車.7z (20.25 KB, 下載次數: 0)
原理圖:無
PCB:無

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