1
目 录
摘要 (2)
引 言 ......................................................... 2 1 Arduino 智能小车设计方案与参
数 (3)
1.1 Arduino 智能小车设计方
案简介 (3)
1.1.1 功能要求 (3)
1.1.2 基本原理 (3)
1.2 循迹小车参数 (4)
2 Arduino 与51单片机的区别 (5)
2.1 Arduino 单片机 (5)
2.1.1 Arduino 单片机的介绍 .................................. 5 2.1.2 Arduino 单片机的特色 .................................. 5 2.1.3 Arduino 单片机的功能 .................................. 5 2.2 51单片机 .. (6)
2.2.1 51单片机的介绍 ....................................... 6 2.2.2 51单片机的功能 ....................................... 6 2.3 Arduino 比51更好的地方
(7)
3 循迹小车设计 ...........................
3.1 硬件设计 .........................
3.1.1 单片机最小系统 .................
3.1.2 灰度传感器模块 .................
3.1.3 电机驱动电路 ...................
3.2 软件设计 .........................
3.2.1 系统主程序 .....................
3.2.2 本系统编译器 ...................
3.3 实物展示 .........................
3.4 部分程序展示 .....................
结 论 ...................................
致 谢 ...................................参考文献 ................................. Arduino 循迹小车设计与实现
摘要：循迹小车是Arduino 单
片机的一种典型应用。本智能小车是由ardiuno 单片机和外部电路组
成，包括检测模块，控制模块，电
源模块。循迹车设计采用Arduino
单片机作为小车的控制核心，采用
灰度传感器作为小车的检测模块
来识别绿色路面中央的黑色引导
线，采集信号并将信号转换为能被ardiuno单片机识别的数字信号；
采用驱动芯片L298N构成双H桥控
制直流电机。其中软件系统采用C
程序。
关键词：Arduino单片机，自
动循迹，驱动电路。
引言
自第一台工业机器人诞生以来，机器人的民展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能水平不断提高，并且迅速地改变着人们的生活方式。人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中，制造能替代人工作的机器一直是人类的目标。单片机是一种可通过编程控制的微处理器，虽其自身不能单独用在某项工程或产品上，但当其与外围数字器件和模拟器件结合时便可发挥强大的功能，现在单片机已广泛应用于众多领域。例如：工业自动化，智能仪器仪表，消费类电子产品，通信方面，武器装备等。
作为与自动化技术和电子密切相关的理工科学生，掌握单片机是最基础的要求。为进一步丰富和巩固单片机知识，也为能更好的联系实际应用，本次毕业设计选择了基于单片机Arduino循迹车，并做出实物。鉴于电子技术、计算机技术以及各种更先进的仿真软件的出现，使用高级语言如C代替汇编语言进行编程和控制已成为现实，单片机C语言编程相对于MC51汇
编语言编程有如下优点：
对单片机的指令系统不需要有很深的理解就可以编程操作单片机。寄存器分配、不同存储器的寻址及数据类型等细节完全由编辑器自动处理。程序有规范的结构，可分为不同的函数，可使程序结构化。库中包括许多标准子程序，具有较强的处理能力，使用方便。具有方便的模块化编程技术，使已编好的程序便于移植，可极大缩短开发时间，增加程序的可读性和可维护性。
事实上，当今许多硬件的开发都已开始用C语言编程，如各种单片机、DSP、ARM等，用C语言进行工业控制也已成为一种趋势，为了更好的适应当今社会形势，为了更好的面对挑战、把握机遇，此次毕业设计决定尝试用C语言编程完
成。也希望能在进一步熟悉单片机控制的同时，对数字电子技术、模拟电子技术、计算控制技术以及常用外围芯片有更深层次的了解，提高自己的综合能力。
1 Arduino智能小车设计方案
与参数
根据设计要求，Arduino智能小车要沿着山道环山跑一圈。
Arduino智能小车主要由四部分组成：分别为大脑-微控制器Arduino、眼睛-灰度传感器、躯体-电机驱动模块和心脏-电源模块。
1.1 Arduino智能小车方案简介
依据所需功能的要求，设计计价器系统的结构图和硬件电路，绘制出智能小车的电路图，再绘制程序框图，之后编程并烧录到单片机；将各模块组合进行调试。
3
1.1.1功能要求
小车以Arduino 为控制核心, 用单片机产生PWM波，控制小车速度。利用灰度传感器对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机内。单片机对采集到的信号予以分析判断,及时控制驱动电机以调整小车转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹自动行驶,实现小车自动寻迹的目的。
1.1.2基本原理
智能小车系统主要由四部分
组成：大脑-微控制器Arduino、眼睛-灰度传感器、手脚-电机驱动模块、能源-电源模块, 智能车循迹行驶过程是：首先灰度传感器将检测到黑线的信号传送给单片机最
小系统，然后通过单片机最小系统的控制算法对信号进行计算处理，将此信号在通过控制算法驱动电机，最后实现对智能车运动轨迹进行实时控制。
微控制器-Arduino为内部核心处理处理单元，将外部给予的电平信号通过以植入的c语言程序为主进行处理。灰度传感器为智能小车的眼睛，通过辨别地面的黑色线条的物理信号，灰度再将之转换为单片机能够处理的电平信号。单片机将信号传输给电机驱动模块，即我们小车结构的手脚接受指令运行。智能车总体模块设计图如图1-1所示。
Arduino板)和软
。它适用于爱好
"互动"
介面版，并且具
、C语言的
开发环境。
个主要的部分:硬
来做电路连接的
;另外一个则是
的计算机中的程
IDE中编写
Arduino
Arduino 5
微处理控制器 (AVR系列控制器)，可以采用USB接口供电，不需外接电源，也可以使用外部9VDC输入。Arduino支持ISP在线烧，可以将新的"bootloader"固件烧入AVR芯片。有了bootloader之后，可以通过串口或者USB to RS232线更新固件。也可依据官方提供的Eagle格式PCB和SCH电路图简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制;可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接(例如:红外线,超音波,热敏电阻,光敏电阻,伺服马达,…等)支持多种互动程序，如:Flash、MaxMsp、vvvv、PD、C、Processing等。应用方面：利用Arduino，突破以往只能使用鼠标、键盘、CCD等输入的装置的互动内容，可以更简单地达成单人或多人游戏互动。2.1.3 Arduino单片机的功能
在功能上可以快速使用Arduino与Adobe Flash, Processing, MaxMSP, Pure Data, SuperCollider等软件结合，作出互动作品。 Arduino可以使用现有的电子元件例如开关或者传感器或者其他控制器件、LED、步进马达或其他输出装置。 Arduino也可以独立运行，并与软件进行交互，例如: Macromedia Flash, Processing, MaxMSP, Pure Data, VVVV或其他互动软件等。 Arduino 的IDE界面基于开放源代码，可以免费下载使用，开发出更多令人惊艳的互动作品。
在更多功能上有基于知识共享开放元源码的电路图设计，有基于知识共享开放源码的程式开发环境。Arduino可使用ICSP线上烧
入器，将「bootloader」烧入新的IC晶片，可依据官方电路图，简化Arduino模组，完成独立运作的微处理控制，可简单地与传感器，各式各样的电子元件连接(例如:红外线，超声波，热敏电阻，光敏电阻，伺服马达等)，USB接口上，不需外接电源。另外有提供9V直流电源输入。
2.2 51单片机
2.2.1 51单片机的介绍
51单片机是对所有兼容Intel
8031指令系统的单片机的统称。该
系列单片机的始祖是Intel的8031
单片机，后来随着Flash rom技术
的发展，8031单片机取得了长足的
进展，成为应用最广泛的8位单片
机之一，其代表型号是ATMEL公司
的AT89系列，它广泛应用于工业
测控系统之中。很多公司都有51
系列的兼容机型推出，今后很长的
一段时间内将占有大量市场。51单
片机是基础入门的一个单片机，还
是应用最广泛的一种。需要注意的
是52系列的单片机一般不具备自
编程能力。
2.2.2 51单片机的功能
51单片机的功能特点分别有：8位CPU·4kbytes程序存储器(ROM)
7
(52为8K)，128bytes的数据存储器(RAM) (52有256bytes的RAM)，32条IO口线·111条指令，大部分为单字节指令，21个专用寄存器，2个可编程定时计数器·5个中断源，2个优先级(52有6个)，一个全双工串行通信口，外部数据存储器寻址空间为64kB，外部程序存储器寻址空间为64kB，逻辑操作位寻址功能·双列直插40PinDIP封装。
51单片机的内部结构分别为CPU:由运算和控制逻辑组成，同时还包括中断系统和部分外部特殊
功能寄存器;RAM:用以存放可以读写的数据，如运算的中间结果、最终结果以及欲显示的数据;ROM:用以存放程序、一些原始数据和表格;IO口:四个8位并行IO口，既可用作输入，也可用作输出；TC:两个定时记数器，既可以工作在定时模式，也可以工作在记数模式;五个中断源的中断控制系统; 一
个全双工UART(通用异步接收发送器)的串行IO口，用于实现单片机之间或单片机与微机之间的串行
通信;片内振荡器和时钟产生电路，石英晶体和微调电容需要外接。最佳振荡频率为6M-12M。
2.3 Arduino比51更好的地方
Arduino与51单片机相比：变更人性化，编程相对人性化和直观，没有单片机基础的人也能很快上手。硬件性能上，Arduino更加稳定，不会像51一样时常出现跑飞的现象。Arduino作为开源的一款的单片机，更重要的是在这个4g 时代可搜寻的学习资料是非常多的。综上所述，Arduino无疑是比51更适合新手和用于比赛专用的。
3 循迹小车设计
3.1 硬件设计
3.1.1单片机最小系统
主控机系统采用Arduino mega2560单片机，采用USB接口的核心电路板，它最大的特点就是具有多达54路数字输入输出，特别适合需要大量IO 接口的设计。Mega2560的处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP ;
}
}
if(p_3)
{
analogWrite(2,0);
analogWrite(4,0);
analogWrite(3,90);
analogWrite(5,90);
}
else if(p_4)
{
analogWrite(2,0);
analogWrite(4,0);
analogWrite(3,90);
analogWrite(5,90);
}
9
else if(p_2)
{
analogWrite(2,30); analogWrite(4,0); analogWrite(3,0); analogWrite(5,40); }
else if(p_5)
{
analogWrite(2,0); analogWrite(4,30); analogWrite(3,40); analogWrite(5,0); }
else if(p_1) {
analogWrite(2,40); analogWrite(4,0); analogWrite(3,0); analogWrite(5,50); }
else if(p_6)
{
analogWrite(2,0); analogWrite(4,40); analogWrite(3,50); analogWrite(5,0); }
}
}
void TURN_90(unsigned char e)
{
stop(rl);
delay (500);
if(e==r)
{
delay (10);
analogWrite(2,0);
analogWrite(4,70); analogWrite(3,60); analogWrite(5,0);
delay (450);
do
{
p_1=digitalRead(22);
p_2=digitalRead(24);
p_3=digitalRead(26);
p_4=digitalRead(28);
p_5=digitalRead(30);
p_6=digitalRead(32);
if(p_4||p_3)
{
delay (3);
p_1=digitalRead(22);
p_2=digitalRead(24);
11
p_3=digitalRead(26);
p_4=digitalRead(28);
p_5=digitalRead(30);
p_6=digitalRead(32);
}
} while(!(p_4||p_3)); }
else if(e==l) {
delay (10);
analogWrite(2,70);
analogWrite(4,0); analogWrite(3,0);
analogWrite(5,60);
delay (450);
do
{
p_1=digitalRead(22); 读取12位灰度
p_2=digitalRead(24);
p_3=digitalRead(26);
p_4=digitalRead(28);
p_5=digitalRead(30);
p_6=digitalRead(32);
if(p_3||p_4)
{
delay (3);
p_1=digitalRead(22); p_2=digitalRead(24);
p_3=digitalRead(26);
p_4=digitalRead(28);
p_5=digitalRead(30);
p_6=digitalRead(32);
}
} while(!(p_3||p_4));
}
stop(rl);
delay (100);
}
void loop()
{
while(1)
{
FOLL_FINE(1);
结论
经过努力《Arduino循迹小车设计与实现》实务专题的毕业设计终于接
13
近尾声。较好地实现了小车自动循迹行驶功能。但是仍旧有许多不足的地方，循迹车部分由于是遥控车改造所以无法进行大幅度的拐弯，循迹行驶的灵敏度不高，循迹部分的这两个问题造成拍摄视频时难度加大。
以为学的知识已经很完善，但是通过这次对《Arduino智能小车》实务专题的毕业设计，让我认识到自己所学的东西不过是冰山一角，认识到理论和实践相合的重要性。之后，我会更加勤奋地去学习。如果说完成毕业设计是我们这几个月艰苦奋斗的“硬件”成果，那么能够激起我对知识的不断渴求则是这几月不懈努力的“软件”成果。
通过这“最后一次的大学作业”，我深刻理解了理论和实践相结合的重要性，理论与实践相结合不仅可以巩固我们所学的的知识，还加深与巩固了原有的知识，更重要的是还拓宽了我们的知识面，学到了更多更深的东西，与此同时，自己的动手能力也大大的提高。在说明文的编写过程中，查阅了不少的相关资料，使我Arduino单片机、L298N驱动芯片、灰度传感器、光电传感器等电子元器件有了更进一步的了解和掌握，同时也衬托出自己专业知识学得还不扎实。特别是在电路制作过程中，由于缺少实际经验，对单片机的很多功能还不能熟练的掌握。所以在今后的工作和学习过程中，应加强专业知识的学习，不段以理论和实践相结合，锻炼出具有突出的专业技能，不段完善自己，拓宽知识面，最终成为复合型人才，适应社会的挑战，实现人生的自我价值。
致谢
在此次设计中，童晓薇老师作为我的指导老师，至始至终都给予我了不少帮助，从下任务书开始，就帮我制定规划，提醒我应注意的问题；借给我资料，帮我联系硬件；和我一起调程序，并提出了很多的修改意见以及完善方案；此外还认真批阅了我的论文，指出其中很多瑕疵和不清晰的地方；更重要的是在我遇到困难时对我的鼓励，让我不懈怠、不退缩、也让我更有信心；可以说我的每一点进展都与童老师的付出是分不开的。
当然在此，我还要向身边关心我的老师、同学致以诚挚的谢意！最后感谢母校对我这几年的辛勤培养。还有其他老师和同学，都帮了我不少忙，在此不再一一陈述。谨祝老师们工作顺利，万事如意，桃李满天下；同学们学业有成，前程似锦！
参考文献
[1]基于Arduino的趣味电子制作 Simon Monk、张宝玲、吴兰臻、郑海昕科学出版 [2] (英)Simon Monk，ARDUINO 编程从零开始，科学出版社
[3] 单成祥，牛彦文，传感器设计基础，北京: 国防工业出版社，2007
[4] 窦振中，单片机外围部件实用手册输出通道器件分册，北京:北京航空航天大学出版社，2003.
[5] 杨素行，模拟电子技术基础简明教程(第三版)，北京：高等教育出版社，2005
[6] 阎石，数字电子技术(第五版)，北京：高等教育出版社，2006
[7] 孙余凯，传感器应用电路300例[M]，北京: 电子工业出版社，2008.
[8] 陈晓莉，张俊涛，KEIL C51单片机仿真器的设计第二版，陕西科技大学出版社，2006:19－20
[9] 张一斌，余建坤，单片机原理课程设计，长沙:中南大学出版社，2008