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51單片機雙輪循跡小車控制程序(注釋詳細)

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ID:1153241 發(fā)表于 2025-6-9 11:30 | 只看該作者 |只看大圖 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
一、概述
本雙輪自動尋跡小車旨在實現(xiàn)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(guī)劃算法，構建具備高穩(wěn)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(tǒng)整體的安全性，適用于智能物流、教育科研及工業(yè)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(shù)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(tǒng)電路，包括 11.0592MHz 晶振與按鍵復位電路，確保芯片穩(wěn)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(fā)射管與高靈敏度光電晶體管，檢測距離 4-13cm 可調，抗環(huán)境光干擾能力強。內置數(shù)模轉換，將紅外信號轉換為數(shù)字量，實現(xiàn)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(wěn)壓芯片，分別為電機驅動、傳感器及單片機系統(tǒng)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(wěn)定工作。

三、軟件設計方案
（一）軟件設計與代碼實現(xiàn)
軟件基于 STC89C52 單片機開發(fā)，采用 C 語言編程，通過 Keil uVision 環(huán)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(tài)編碼
代碼通過 P0 口讀取 5 路紅外傳感器狀態(tài)，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(tài)被組合為 5 位二進制數(shù)存儲于sensorValue變量，中間傳感器觸發(fā)時狀態(tài)為0b11011（對應十六進制0x1B），右側中間傳感器觸發(fā)時為0b11101（0x1D），左側雙傳感器觸發(fā)時為0b01111（0x0F）。代碼通過Sensor_Read()函數(shù)完成狀態(tài)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(jié)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(xiàn)約 100μs 定時周期，中斷函數(shù)中通過pwmCounter計數(shù)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(xiàn)轉向。
（四）路徑跟蹤邏輯實現(xiàn)
主函數(shù)循環(huán)調用XunJi()函數(shù)執(zhí)行路徑控制，通過switch-case語句匹配sensorValue狀態(tài)。當狀態(tài)為0b00000（全黑）或0b11111（全白）時執(zhí)行停車邏輯；中間傳感器觸發(fā)（0b00100對應的flag=0）時調用Forward()函數(shù)雙電機正轉；左側傳感器觸發(fā)（如0b10000對應的flag=3）時調用TurnLeft1()函數(shù)，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(fā)時則調用TurnRight1()函數(shù)，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(xiàn)轉向。



單片機源程序如下:
  1. #include <reg52.h>          // 包含STC89C52單片機寄存器定義
  2. typedef unsigned int u16;   // 定義無符號16位整數(shù)類型
  3. typedef unsigned char u8;   // 定義無符號8位整數(shù)類型

  5. // ---------------------- 硬件接口定義 ----------------------
  6. // 電機驅動模塊（L298N）接口
  7. sbit ENA = P2^0;           // 右電機使能引腳（PWM控制轉速）
  8. sbit IN1 = P2^1;           // 右電機方向控制（1=正轉，0=反轉）
  9. sbit IN2 = P2^2;           // 右電機方向控制（1=正轉，0=反轉）
  10. sbit ENB = P2^5;           // 左電機使能引腳（PWM控制轉速）
  11. sbit IN3 = P2^3;           // 左電機方向控制（1=正轉，0=反轉）
  12. sbit IN4 = P2^4;           // 左電機方向控制（1=正轉，0=反轉）

  14. // 紅外傳感器模塊（TCRT5000）接口（5路布局：左外、左中、中間、右中、右外）
  15. // *未探測到黑線時輸出高電平（默認狀態(tài)），探測到黑線時輸出低電平*
  16. sbit IR_LeftOuter = P0^0;  // 左側外端傳感器（S1）
  17. sbit IR_LeftMiddle = P0^1; // 左側中間傳感器（S2）
  18. sbit IR_Center = P0^2;     // 中間傳感器（S3）
  19. sbit IR_RightMiddle = P0^3;// 右側中間傳感器（S4）
  20. sbit IR_RightOuter = P0^4; // 右側外端傳感器（S5）

  22. // ---------------------- 全局變量定義 ----------------------
  23. u8 pwmRight = 50;          // 右電機PWM占空比（默認50%，范圍0-100）
  24. u8 pwmLeft = 50;           // 左電機PWM占空比（默認50%，范圍0-100）
  25. u8 sensorValue = 0;        // 傳感器狀態(tài)值（5位二進制，高電平=未檢測到黑線）

  27. // ---------------------- 函數(shù)聲明 ----------------------
  28. void Timer0_Init();        // 定時器0初始化（PWM生成）
  29. void Motor_Stop();         // 電機停止
  30. void Motor_Forward();      // 電機前進
  31. void Motor_TurnLeft(u8 speed); // 左轉（speed: 0-100 速度差）
  32. void Motor_TurnRight(u8 speed);// 右轉（speed: 0-100 速度差）
  33. void Sensor_Read();        // 讀取傳感器狀態(tài)
  34. void Path_Control();       // 路徑控制邏輯

  36. // ---------------------- 主函數(shù) ----------------------
  37. void main() {
  38.     Timer0_Init();          // 初始化定時器0（PWM功能）
  39.     while (1) {
  40.         Sensor_Read();      // 讀取紅外傳感器狀態(tài)
  41.         Path_Control();     // 執(zhí)行路徑跟蹤控制邏輯
  42.     }
  43. }

  45. // ---------------------- 定時器0初始化函數(shù) ----------------------
  46. void Timer0_Init() {
  47.     TMOD &= 0xF0;           // 清除定時器0模式位
  48.     TMOD |= 0x01;           // 設置為模式1（16位自動重裝）
  49.     TH0 = 0xFF;             // 配置100μs定時周期（晶振12MHz時，計數(shù)2次）
  50.     TL0 = 0xFE;
  51.     ET0 = 1;                // 使能定時器0中斷
  52.     EA = 1;                 // 使能全局中斷
  53.     TR0 = 1;                // 啟動定時器0
  54. }

  56. // ---------------------- 定時器0中斷函數(shù)（PWM生成）----------------------
  57. void Timer0_Interrupt() interrupt 1 {
  58.     static u8 pwmCounter = 0; // PWM周期計數(shù)器（0-100，對應100ms周期）
  59.    
  60.     // 右電機PWM控制
  61.     if (pwmCounter < pwmRight) {
  62.         ENA = 1;
  63.     } else {
  64.         ENA = 0;
  65.     }
  66.    
  67.     // 左電機PWM控制
  68.     if (pwmCounter < pwmLeft) {
  69.         ENB = 1;
  70.     } else {
  71.         ENB = 0;
  72.     }
  73.    
  74.     pwmCounter++;
  75.     if (pwmCounter >= 100) { // 周期結束，重置計數(shù)器
  76.         pwmCounter = 0;
  77.     }
  78.    
  79.     // 重裝定時器初值
  80.     TH0 = 0xFF;
  81.     TL0 = 0xFE;
  82. }

  84. // ---------------------- 傳感器讀取函數(shù) ----------------------
  85. void Sensor_Read() {
  86.     u8 temp = 0; // 臨時變量，存儲5路傳感器狀態(tài)（高電平=1，低電平=0）
  87.    
  88.     // 左外傳感器（P0.0）：未檢測到黑線時為1，檢測到為0
  89.     temp |= (IR_LeftOuter ? 1 : 0) << 4; // 最高位（第4位）
  90.     // 左中傳感器（P0.1）
  91.     temp |= (IR_LeftMiddle ? 1 : 0) << 3; // 第3位
  92.     // 中間傳感器（P0.2）
  93.     temp |= (IR_Center ? 1 : 0) << 2; // 第2位（中間位）
  94.     // 右中傳感器（P0.3）
  95.     temp |= (IR_RightMiddle ? 1 : 0) << 1; // 第1位
  96.     // 右外傳感器（P0.4）：最低位（第0位）
  97.     temp |= (IR_RightOuter ? 1 : 0) << 0;
  98.    
  99.     sensorValue = temp; // 賦值給全局變量
  100. }

  102. // ---------------------- 路徑控制函數(shù)----------------------
  103. void Path_Control() {
  104.     switch (sensorValue) {
  105.         // 中間傳感器觸發(fā)（二進制11011 → 十進制27 → 十六進制0x1B）
  106.         case 0x1B:  
  107.             Motor_Forward();
  108.             pwmRight = 60;
  109.             pwmLeft = 60;
  110.             break;
  111.         
  112.         // 左側單傳感器觸發(fā)（二進制11101 → 十進制29 → 十六進制0x1D）
  113.         case 0x1D:  
  114.             pwmRight = 70; // 右輪加速
  115.             pwmLeft = 50; // 左輪減速
  116.             Motor_Forward();
  117.             break;
  118.         
  119.         // 全白狀態(tài)（二進制11111 → 十進制31 → 十六進制0x1F）
  120.         case 0x1F:  
  121.             Motor_Stop(); // 停車
  122.             break;
  123.         
  124.         default:
  125.             break;
  126.     }
  127. }

  129. // ---------------------- 電機控制函數(shù) ----------------------
  130. void Motor_Forward() {
  131.     IN1 = 1;  // 右電機正轉
  132.     IN2 = 0;
  133.     IN3 = 1;  // 左電機正轉
  134.     IN4 = 0;
  135. }

  137. void Motor_Stop() {
  138.     IN1 = 0;  // 電機停轉
  139.     IN2 = 0;
  140.     IN3 = 0;
  141.     IN4 = 0;
  142. }
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(shù): 0)
原理圖:無
PCB:無

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