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[摘 要]本设计是一种基于单片机控制的自动控制小车系统，包括小车系统构成软硬件设计方法。小车以89C51单片机为控制核心，利用LDC1314电感数字转换器对黑带轨迹进行检测，并将路面检测信号反馈到单片机。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带轨迹行驶并使小车运行时必须保持轨迹黑带位于小车垂直投影之下达到自动控制的作用。在小车两侧安装微型高清摄像头用于拍摄周围环境，同时拍摄装置系统与微机建立联系，拍摄的图像传输到计算机中进行3D打印，以此勘察周围环境完成作业。
[关键词]STC89C51单片机，LDC1314电感数字转换器，直流减速电机，微型高清摄像头，3D打印技术
中图分类号：TH857 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
0 引言
智能小车作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、CPU、执行部分。机器人要实现自动循迹功能，还可以扩展避障等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可。
3D打印机又称三维打印机（3DP），是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软。我们将此项技术应用到自动循迹小车上，通过高清摄像头的拍摄将图像信息反映到3D打印的物体上，实现对周围物体的勘察，可应用于一些高危工作（如：火灾时可以将小车放进去进行作业，看看有没有易爆物品，减少损失）
1 系统方案选择与论证
1.1 核心控制单片机模块的选择
方案一：STC89C51单片机。采用STC公司的89C51单片机作为主控制器，价格便宜，控制简单，为我们平时实验所熟用。在系统内可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，该器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，具有在系统可编程特性。
方案二：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系統。
方案比较：STC89C51可以方便地实现对各个部分的控制和外接，而FPGA的高速处理能力得不到充分发挥且价格较贵，所以我们选择方案一。
1.2 自动循迹模块
采用TI公司的LDC1314电感数字转换器探测，与单片机实现连接，通过单片机里面的代码使小车完成自动循迹任务。
1.3 电动机的选择
采用直流减速电动机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。最大转速可达30cm/s，能够较好的满足系统的要求。
1.4 电机驱动模块
方案一：驱动模块采用专用芯片L293D作为电机驱动芯片，L293D是一个具有高电压大电流的驱动芯片，响应频率高，一片L293D可以分别控制两个直流电机，具有输出电流大，功率强，过流保护等特点，并且使用方便。
方案二：采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车速度的调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是繼电器的响应时间长，不可用于高速，频繁的开关切换操作，易损坏，寿命较短，可靠性不高。
为了保证电机正常稳定工作，我们选择方案一L293D电机驱动模块。
2 理论分析与计算
2.1 硬件相关参数设计
（1）电源模块
电源模块要为单片机，传感器，舵机和驱动电机供电，采用两块12v可充电式锂电池给直流减速电机供电，将12v电压经LM2940稳压器 稳压后为单片机系统和其他芯片充电。锂电池的电量足，可充电而且可以重复利用。
（2）单片机控制系统模块（图1）
（3）直流电机驱动模块
参数：
输入逻辑电压：5.0v
输入电机电压：5.0v～36.0v
输入驱动电流：1000mA
尺寸：（长）35mm*（宽）20mm*（高）10mm
连接方式：
P1：控制M1电机PWM1输入引脚。
D1：控制M1电机转向输入引脚。
P2：控制M2电机PWM2输入引脚。
D2：控制M2电机转向输入引脚。
L293D： EN A（B） IN1（IN3） IN2（IN4） 电机运行情况
H H L 正转
H L H 反转
H 同IN2（IN4） 同IN1（IN3） 快速停止
L X X 停止
L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。选择一路I/O口，经反向器74HC14分别接IN1和IN2引脚，控制电机的正反转（图2）。 （4）电感数字转换器模块
LDC1314-Q1是用于电感感测解决方案的4通道12位电感数字转换器（LDC）。由于具备多通道且支持远程感测，LDC1314-Q1能以最低的成本和功耗实现高性能且可靠的电感感测。此类产品使用简便，仅需要传感器频率处于1kHz至10MHz的范围内即可开始工作。由于支持的传感器频率范围1kHz至10MHz较宽，因此还支持使用非常小的PCB线圈，从而进一步降低感测解决方案的成本和尺寸。
2.2 液晶显示器
液晶显示其实是对屏幕的每个点的扫描，带字库的液晶内部自带控制芯片，直接对它操作就可以显示出汉子字符，需要读写命令和数据，才能达到对液晶控制器的操作。我们这次是要把小车行驶的路程和时间显示出来即可。
3 电路与程序设计
3.1 89C51RC单片机电路
51单片机原理图如图3所示。
3.2 电机驱动电路及原理图
电机驱动原理图如图4所示。
3.3 传感电路
（1）传感电路
传感电路原理图如图5所示。
（2）程序功能描述与设计思路
程序要的任务是，让单片机查询传感器模块发出的路面信号，根据信号做出反应，控制电动机工作实现自动循迹。其程序流程图如图6所示。
4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案
（1）硬件测试：分别对每个模块做相应的测试。
（2）软件测试：使用IAR Embedded Workbench 软件进行仿真。
（3）硬件软件联调：对自动控制系统的测试是在一个自制的符合设计任务要求的场地中测试的，逐步按要求进行测试。
4.2 测试环境与仪器
测试条件：电池供电，符合题目要求的黑带轨道。
测试仪器：自制跑道，秒表，数字万用表
4.3 测试结果分析
（1）测试结果
本设计的小车跑道轨迹图如图7所示，通过实验得到的对应数据如表1所示。
（2）数据分析
依据实验得：
（1）小车依据跑道上设置的黑带标识，可以自动绕跑道跑完一圈，并且時间没有超过10分钟。小车运行时能保持轨迹黑带位于小车垂直投影之下。
（2）能够实时显示小车行驶的距离和运行时间。
（3）当小车路过硬币时能够发现并发出声音提示。
5 3D应用
众所周知，3D技术应用比较普遍，为了让它更好地服务于我们，我们需要做出一些改良。此项智能小车设计使3D打印上升了一个台阶，实现了无人操作拍摄自动打印的功能。
上图8向我们简单介绍了3D打印流程，我们可以看到应用了CAD软件进行建模，采集到二维图形信息后进行三维模型打印。
6 结束语
配合3D打印的自动循跡小车基于单片机控制，LDC1314电感数字转换器感应，3D打印技术辅助的多体系结构系统。可实现的功能很多，理想应用的领域范围为一些人们无法直接到达的高位环境，通过微机控制，传感器感应，摄像头拍摄并传导，3D技术处理集合为一体，借助计算机通信实现交流，以此完成作业。
参考文献
[1] 黄智伟，编著.《全国大学生电子设计竞赛系统设计（第二版）》北京航空航天大学出版社，2011.2.
[2] 康华光，主编.《电子技术基础模拟部分和数字部分》（第五版）高等教育出版社，2010.5.
[3] 杨和平，编著.《单片机原理与应用》机械工业出版社，2009.7.
[关键词]STC89C51单片机，LDC1314电感数字转换器，直流减速电机，微型高清摄像头，3D打印技术
中图分类号：TH857 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）32-0000-01
0 引言
智能小车作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、CPU、执行部分。机器人要实现自动循迹功能，还可以扩展避障等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可。
3D打印机又称三维打印机（3DP），是一种累积制造技术，即快速成形技术的一种机器，它是一种数字模型文件为基础，运用特殊蜡材、粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过打印一层层的粘合材料来制造三维的物体。现阶段三维打印机被用来制造产品。逐层打印的方式来构造物体的技术。3D打印机的原理是把数据和原料放进3D打印机中，机器会按照程序把产品一层层造出来。3D打印机与传统打印机最大的区别在于它使用的“墨水”是实实在在的原材料，堆叠薄层的形式有多种多样，可用于打印的介质种类多样，从繁多的塑料到金属、陶瓷以及橡胶类物质。有些打印机还能结合不同介质，令打印出来的物体一头坚硬而另 一头柔软。我们将此项技术应用到自动循迹小车上，通过高清摄像头的拍摄将图像信息反映到3D打印的物体上，实现对周围物体的勘察，可应用于一些高危工作（如：火灾时可以将小车放进去进行作业，看看有没有易爆物品，减少损失）
1 系统方案选择与论证
1.1 核心控制单片机模块的选择
方案一：STC89C51单片机。采用STC公司的89C51单片机作为主控制器，价格便宜，控制简单，为我们平时实验所熟用。在系统内可编程芯片，最高工作时钟频率为80MHz，该器件兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，具有在系统可编程特性。
方案二：采用FPGA（现场可编辑门列阵）作为系统控制器。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用EDA软件进行仿真和调试。FPGA采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时性要求较高的系統。
方案比较：STC89C51可以方便地实现对各个部分的控制和外接，而FPGA的高速处理能力得不到充分发挥且价格较贵，所以我们选择方案一。
1.2 自动循迹模块
采用TI公司的LDC1314电感数字转换器探测，与单片机实现连接，通过单片机里面的代码使小车完成自动循迹任务。
1.3 电动机的选择
采用直流减速电动机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。最大转速可达30cm/s，能够较好的满足系统的要求。
1.4 电机驱动模块
方案一：驱动模块采用专用芯片L293D作为电机驱动芯片，L293D是一个具有高电压大电流的驱动芯片，响应频率高，一片L293D可以分别控制两个直流电机，具有输出电流大，功率强，过流保护等特点，并且使用方便。
方案二：采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车速度的调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是繼电器的响应时间长，不可用于高速，频繁的开关切换操作，易损坏，寿命较短，可靠性不高。
为了保证电机正常稳定工作，我们选择方案一L293D电机驱动模块。
2 理论分析与计算
2.1 硬件相关参数设计
（1）电源模块
电源模块要为单片机，传感器，舵机和驱动电机供电，采用两块12v可充电式锂电池给直流减速电机供电，将12v电压经LM2940稳压器 稳压后为单片机系统和其他芯片充电。锂电池的电量足，可充电而且可以重复利用。
（2）单片机控制系统模块（图1）
（3）直流电机驱动模块
参数：
输入逻辑电压：5.0v
输入电机电压：5.0v～36.0v
输入驱动电流：1000mA
尺寸：（长）35mm*（宽）20mm*（高）10mm
连接方式：
P1：控制M1电机PWM1输入引脚。
D1：控制M1电机转向输入引脚。
P2：控制M2电机PWM2输入引脚。
D2：控制M2电机转向输入引脚。
L293D： EN A（B） IN1（IN3） IN2（IN4） 电机运行情况
H H L 正转
H L H 反转
H 同IN2（IN4） 同IN1（IN3） 快速停止
L X X 停止
L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H-桥电路，所有的开量都做成n型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区：低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。H-桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整（PWM）。另外，L293D将2个H-桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN12、IN1、IN2，其中EN12是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN12引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。选择一路I/O口，经反向器74HC14分别接IN1和IN2引脚，控制电机的正反转（图2）。 （4）电感数字转换器模块
LDC1314-Q1是用于电感感测解决方案的4通道12位电感数字转换器（LDC）。由于具备多通道且支持远程感测，LDC1314-Q1能以最低的成本和功耗实现高性能且可靠的电感感测。此类产品使用简便，仅需要传感器频率处于1kHz至10MHz的范围内即可开始工作。由于支持的传感器频率范围1kHz至10MHz较宽，因此还支持使用非常小的PCB线圈，从而进一步降低感测解决方案的成本和尺寸。
2.2 液晶显示器
液晶显示其实是对屏幕的每个点的扫描，带字库的液晶内部自带控制芯片，直接对它操作就可以显示出汉子字符，需要读写命令和数据，才能达到对液晶控制器的操作。我们这次是要把小车行驶的路程和时间显示出来即可。
3 电路与程序设计
3.1 89C51RC单片机电路
51单片机原理图如图3所示。
3.2 电机驱动电路及原理图
电机驱动原理图如图4所示。
3.3 传感电路
（1）传感电路
传感电路原理图如图5所示。
（2）程序功能描述与设计思路
程序要的任务是，让单片机查询传感器模块发出的路面信号，根据信号做出反应，控制电动机工作实现自动循迹。其程序流程图如图6所示。
4 测试方案与测试结果
4.1 测试方案
（1）硬件测试：分别对每个模块做相应的测试。
（2）软件测试：使用IAR Embedded Workbench 软件进行仿真。
（3）硬件软件联调：对自动控制系统的测试是在一个自制的符合设计任务要求的场地中测试的，逐步按要求进行测试。
4.2 测试环境与仪器
测试条件：电池供电，符合题目要求的黑带轨道。
测试仪器：自制跑道，秒表，数字万用表
4.3 测试结果分析
（1）测试结果
本设计的小车跑道轨迹图如图7所示，通过实验得到的对应数据如表1所示。
（2）数据分析
依据实验得：
（1）小车依据跑道上设置的黑带标识，可以自动绕跑道跑完一圈，并且時间没有超过10分钟。小车运行时能保持轨迹黑带位于小车垂直投影之下。
（2）能够实时显示小车行驶的距离和运行时间。
（3）当小车路过硬币时能够发现并发出声音提示。
5 3D应用
众所周知，3D技术应用比较普遍，为了让它更好地服务于我们，我们需要做出一些改良。此项智能小车设计使3D打印上升了一个台阶，实现了无人操作拍摄自动打印的功能。
上图8向我们简单介绍了3D打印流程，我们可以看到应用了CAD软件进行建模，采集到二维图形信息后进行三维模型打印。
6 结束语
配合3D打印的自动循跡小车基于单片机控制，LDC1314电感数字转换器感应，3D打印技术辅助的多体系结构系统。可实现的功能很多，理想应用的领域范围为一些人们无法直接到达的高位环境，通过微机控制，传感器感应，摄像头拍摄并传导，3D技术处理集合为一体，借助计算机通信实现交流，以此完成作业。
参考文献
[1] 黄智伟，编著.《全国大学生电子设计竞赛系统设计（第二版）》北京航空航天大学出版社，2011.2.
[2] 康华光，主编.《电子技术基础模拟部分和数字部分》（第五版）高等教育出版社，2010.5.
[3] 杨和平，编著.《单片机原理与应用》机械工业出版社，2009.7.