浅谈51单片机简易循迹小车制作方案

目录

省流助手（方案清单）

前言

一、小车模型

二、电机

三、电源

1、电池：

2、PCB电源选择：

 3、MCU供电方案：

 4、MCU和电机的供电方案：

四、主控MCU最小系统

五、电机驱动

        1、让电机动起来：（电机驱动芯片）

        2、电机正反转：

        3、调速：

六、光电传感器红外对管模块

七、显示器

        LCD1602.c

        LCD1602.h

八、蓝牙遥控车

九、整体小车制作与调试过程

        1、小车的组装：

        2、前进后退：

        3、加速减速：

        4、左转右转：

        5、调试过程：    

总结

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省流助手（方案清单）

        单片机：89C52或STC12足以

        电机驱动：TB6612

        红外对管：TCRT5000红外反射式光电传感器

        电压比较器：LM393或LM339

        显示器：LCD1602

        蓝牙：HC06或HC05

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前言

        循迹小车可能是很多刚学习51单片机的同学会接触到的一个项目或者比赛。对于整辆循迹小车，硬件部分和软件部分的占比是五五开的，但硬件和软件都不是很困难。下面我就分模块并结合PCB进行介绍。

        这个是小车循迹的演示：51单片机循迹小车-CSDN直播

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一、小车模型

       小车模型比较简单，我采用的是下面这一款车模，长260mm，宽140mm，高35.5mm。车身板子是亚克力材质。

        然后对于我们制作的PCB电路板要安装在小车哪个位置的问题，小车车身板子上是有预留很多M3的铜柱定位孔，制作PCB时可放置对应的定位孔以便PCB板可以用铜柱固定在小车上。这样的好处是PCB板容易拆卸，一旦PCB电路有问题方便拆下来检查和更换。

二、电机

         与上面小车模型相互配套的电机是130直流电机（带减速箱），如图

电机

        工作电压：3-6V （实测电压是可以上到12V的） ；    减速比：1：48   ；  双轴（两边白色的轴就是双轴的含义）

        这种电机是可以接测速码盘的，电机有凸起标志端为车轮安装端，另一端为测速码盘安装端，如图

三、电源

1、电池：

        这个时候，可能就有小伙伴在犹豫要用什么电池，多少伏的电池。

        首先排除一个选项：普通的5号电池。有的同学可能会去尝试把4颗5号电池串联得到6V去驱动整辆车子（其实我当时就这么干过>_<），电压虽然够了，但电流不够整辆车子运作，即使可以也支撑不了整辆车子跑完一圈。

        那么得用什么呢？18650电池是首选。正常单颗18650电池是3.7V，当然我们没必要买单一的电池和电池槽来串联得到12V，这样很麻烦而且不安全，网上有很多也很常见的现成12V或7.4V电池组，自带充电放电保护板，还有配套充电器充电。

        电池还有一个重要参数（mAh）：比如3000mAh是什么意思，指的是这颗电池可以以3000mA电流大小放电1小时。当然如果你是放电电流大小是1000mA，那么它就可以放电3小时。

（购买电池的时候记得买充电器）

2、PCB电源选择：

        上面说了常见的18650电池组有12V和7.4V两种，那么我们的PCB板子要用12V还是7.4V呢？

        一句话：“小孩子才做选择，而我全到要”。我们的PCB板可同时装载12V和7.4V的电池组接口（如图），这样如果调试的时候7.4V没法满足你的需求时，方便换上12V电池。

        警告：不要把两颗电池同时接上去，别以为同时接上去就是19.4V。-_-

 3、MCU供电方案：

        如果了解过单片机的同学可能就知道，单片机是有最大工作电压的，就STC89C52而言，它的最大输入电压为5V，这时你如果用7.4V或12V电池直接给单片机供电，很快就会闻到一股烧焦的味道（不要去尝试啊！）。

        那得怎么办，很明显我们需要把7.4V或12V的电池电压降压到5V，再给单片机供电，这里就需要介绍一下降压稳压芯片和模块了，有多个方案给大家选择。

        方案一：7805

        输入电压范围不大于35V，输入输出压差2V，最大输出电流1.5A，下图为原理图，其原理简单，使用方便。但是其不足之处就是效率低，特别是压差越大时其效率越低。可将输入芯片的7V~20V电压，稳定输出为5.0V电压。

        注意：该元件一般与散热片同步使用

   

        方案二：LM2596（我本人比较喜欢用的）

        这是一款常用的开关电源芯片，最高输入电压为40V，最高输出电压为37V，LM2596有4个版本，3个固定输出版本3.3V、5V、 12V，以及一个ADJ可调版本，最大输出电流3A，转换效率可达80%~90%左右，使用DCDC模块1205模块实现12V转5V输出，使用1205模块进行电压转换原理也简单，还有一个优点就是输入与输出隔离，该芯片输 出功率2W，最大输出电流400mA。

电路图可参考：

        5V版本：

        ADJ可调版本：

        在这个电路中，我放置了两个六角开关和两个排针充当电压检查点，这样的设计是比较安全的，电池接入时，可先用万用表测一下输入电压检测点，电池电压正常的情况下按下输入开关，电流开始流经LM2596进行降压稳压，之后再用万用表测一下输出电压检测点看看输出是否是5V，如果正常，按下输出开关，电流就可以进入你的MCU主板了。

        （做个设想，如果没有这两个六角开关和检查点，一旦电池接入后某个环节出问题，可能就会把LM2596芯片甚至连同单片机一起烧坏。）

 4、MCU和电机的供电方案：

        有人肯定会问，我单片机用5V，那我电机还怎么用7.4V或12V呢？

        这个问题很好解决的啦！如图：

         

四、主控MCU最小系统

        芯片的选型是一个工程的开始。

        对于简易循迹小车来说，普通的89C52是可以满足它的要求的，或者可以直接用STC12单片机（89C52的升级版），因为循迹小车有时候需要对车速进行控制，需要使用到PWM的知识，89C52可以通过定时器生成PWM波形的，但STC12不一样，它有几个IO口是可以直接输出PWM波形的，而且很精确，很方便我们控制小车车速。STC12完全兼容89C52的代码所有会用89C52基本就会STC12。（而且便宜，成本低^_^）。

        

        除了STC12是89C52的升级版，还有STC15，STC8（终极版）等很多型号（我本人很喜欢用STC8，如果89C52学得差不多的同学可以去入手STC8，它的功能很强大很丰富）。

        

        当然，只要钱到位，直接上STM32肯定能解决问题，不过我个人认为做一个简易的循迹小车用STM32有点杀鸡用牛刀的感觉，成本有点高（不过复杂的循迹小车比如飞卡那种，基本都是上STM32的）。

五、电机驱动

        首先说一说电机在整辆车子中需要实现的动作：加减速、正反转、停止。

        1、让电机动起来：（电机驱动芯片）

        当然是通电它就转起来了呀！

        给电机两端加上5V或者7.4V12V的电压，电机就开始嘎嘎转起来。所有这时很多同学就会根据这个原理，使用单片机的两个IO口，让一个IO口为高电平另一个为低电平，然后杜邦线接在电机上，试着给电机两端一个电压，接着就会发现电机连转都不转，理都不理你，或者也可能会非常敷衍地进行低速转动，让你感受人生的大起大落。

        （别慌！很多人都是从这样过来的，吃一堑长一智。）

        为什么不动？首先电机转动的前提是电压够，而且还得电流够，很多单片机的IO口输出电流是很小的，完全不足以驱动电机。

        “单片机是一个大脑，可以起发号施令的作用，但绝对不要让大脑来做苦力”     

        这时候就需要一个叫做电机驱动芯片或者电机驱动模块的东西了，单片机给电机驱动芯片发送命令，让电机驱动芯片为单片机做苦力，这里也有多个方案。

        方案一：ULN2003（不推荐）

        如果用过某51单片机开发板可以就会接触到这个芯片，但首先声明这个芯片主要是为步进电机服务的，它可以驱动普通的电机并控制速度，但没法让电机正反转。所有这里不做考虑。

        方案二：L298N

        L298N是一款可接受高电压、大电流双路全桥式电机驱动芯片，工作电压可达46V，输出电流最高可至4A，通过控制主控芯片上的I/O输入端，直接通过电源来调节输出电压，即可实现电机的正转、反转、停止，由于电路简单，使用方便，通常情况下L298N可直接驱动继电器（四路）、螺线管、电磁阀、直流电机（两台）以及步进电机（一台两相或四相）。

        ​​

        管脚功能和电路图如下：

        ​

         我本人是不怎么喜欢用这个芯片的，首先是因为它的模块和整体电路占的体积过大，10*10的板子至少占了四分之一。  ​

        方案二：TB6612

        TB6612FNG 是一种驱动 IC，用于带低导通电阻器的 LD MOS 结构中带输出晶体管的 DC 马达。可利用 IN1 和 IN2 这两个输入信号，选择 CW，CCW，短路制动器、和停机等四种模式的其中一种模式。

        电源电压 VM = 15 V(最大值)；输出电流 I OUT = 1.2 A(平均值)/3.2 A (峰值)；输出低导通电阻器：0.5 Ω (高+低典型值@ VM ≥ 5 V)

        

         管脚功能：

       

        控制方法：

        

        电路图（非模块）：

         

        这是我比较喜欢用的电机驱动芯片，主要是体积很小，接线方便精简，而且便宜。

        2、电机正反转：

        电机的正反转涉及到H桥的知识点，比较简单，在这里不进行介绍。

        

        我就拿TB6612电机驱动芯片举例子，一颗TB6612芯片可接两个电机。

        操作可以简单的概括为：

                当AIN1=1；AIN2=0时，电机正转                     

                当AIN1=0；AIN2=1时，电机反转。               

                 PWMA是输入PWM波形进行小车调速，当然，你如果想全速前进的话，PWMA可以直接接5V。

        3、调速：

       调速需要使用到PWM的知识，CSDN上有很多更详细的文章可以学习，这里就不做讲解了

六、光电传感器红外对管模块

        首先有一个知识点需要知道：黑色会吸收所有色光，白色反射所有色光。

        可以使用TCRT5000红外反射式光电传感器。

        TCRT5000红外反射式光电传感器也称红外对管，蓝色LED状的为红外发射管，黑色LED状的为红外接收管。

        

        红外对管的内部图：红外发射管内部是LED灯，红外接收管内部是三极管

        

        原理就是：红外发射管不断发射红外线，当红外线碰撞到白色会放射回红外线，红外接收管可以接收到反射回的红外线，其内部的三极管导通开始流过电流。当红外线碰撞到黑色不会放射回红外线，红外接收管没有接收到反射回的红外线，其内部的三极管不导通没有电流。所有，我们要做的就是用单片机检测红外接收管（三极管）的发射极有没有电压，如果没有电压则证明检测到了黑线。

        但是如果用单片机来直接采集原始的发射极电压，对于没学过ADC的同学会有点麻烦，即使学过有时也会有意想不到的问题。

        所有为了操作方便，我们需要一块芯片来单独处理三极管输出的电压，然后把三极管输出电压的高低判断转化为数字信号1和0发送给单片机，这样单片机只需要判断1和0就可以了。

        有两种芯片可以选择LM393或LM339，这两款芯片差不多，区别就是LM393一次性可以接两个红外对管，LM339一次性可以接四个红外对管。

    

        电路图如下：（使用的是LM393）

       那么对于这个电路图，可能会问的几个问题：

                （1）那个蓝白电位器是干什么的？

                  之前说LM393是用来判断三极管输出电压高低的，那么怎么样才算高，怎么样才算低。高和低的判断需要一个参考系，蓝白电位器让VCC分压给芯片通过一个参考系电压。举个例子：参考系电压为2.5V，那么这时候如果红外接收管输出电压小于2.5V，则判断为低电平，如果输出电压大于2.5V，则判断为高电平。

                （2）原理图旁边的LED灯是干什么的？

                  LM393的输出的输出数字信号1和0，那我们在芯片的输出端加上LED灯，如果输出1，LED灭；输出0，LED亮。这样的好处是方便我们观察红外对管是否检测到黑线，也方便了后面调试。（说句心里话，这个LED灯很重要，有LED灯时的调试时间至少比没有LED灯时的调试时间少一半）。

七、显示器

        在满足整辆车子能用情况下，做点拓展，可以加个显示屏显示时间，速度什么的。

        对于新手，LCD1602就很香的。当然学得深一点的可以用OLED屏幕（不过89C52好像没法用OLED，内存不够）。

        

        LCD1602.c

#include 

//引脚配置：
sbit LCD_RS=P2^6;
sbit LCD_RW=P2^5;
sbit LCD_EN=P2^7;
#define LCD_DataPort P0

//函数定义：
/**
  * @brief  LCD1602延时函数，12MHz调用可延时1ms
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void LCD_Delay()
{
	unsigned char i, j;

	i = 2;
	j = 239;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}

/**
  * @brief  LCD1602写命令
  * @param  Command 要写入的命令
  * @retval 无
  */
void LCD_WriteCommand(unsigned char Command)
{
	LCD_RS=0;
	LCD_RW=0;
	LCD_DataPort=Command;
	LCD_EN=1;
	LCD_Delay();
	LCD_EN=0;
	LCD_Delay();
}

/**
  * @brief  LCD1602写数据
  * @param  Data 要写入的数据
  * @retval 无
  */
void LCD_WriteData(unsigned char Data)
{
	LCD_RS=1;
	LCD_RW=0;
	LCD_DataPort=Data;
	LCD_EN=1;
	LCD_Delay();
	LCD_EN=0;
	LCD_Delay();
}

/**
  * @brief  LCD1602设置光标位置
  * @param  Line 行位置，范围：1~2
  * @param  Column 列位置，范围：1~16
  * @retval 无
  */
void LCD_SetCursor(unsigned char Line,unsigned char Column)
{
	if(Line==1)
	{
		LCD_WriteCommand(0x80|(Column-1));
	}
	else if(Line==2)
	{
		LCD_WriteCommand(0x80|(Column-1+0x40));
	}
}

/**
  * @brief  LCD1602初始化函数
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void LCD_Init()
{
	LCD_WriteCommand(0x38);//八位数据接口，两行显示，5*7点阵
	LCD_WriteCommand(0x0c);//显示开，光标关，闪烁关
	LCD_WriteCommand(0x06);//数据读写操作后，光标自动加一，画面不动
	LCD_WriteCommand(0x01);//光标复位，清屏
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置上显示一个字符
  * @param  Line 行位置，范围：1~2
  * @param  Column 列位置，范围：1~16
  * @param  Char 要显示的字符
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowChar(unsigned char Line,unsigned char Column,char Char)
{
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	LCD_WriteData(Char);
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始显示所给字符串
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  String 要显示的字符串
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowString(unsigned char Line,unsigned char Column,char *String)
{
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=0;String[i]!='\0';i++)
	{
		LCD_WriteData(String[i]);
	}
}

/**
  * @brief  返回值=X的Y次方
  */
int LCD_Pow(int X,int Y)
{
	unsigned char i;
	int Result=1;
	for(i=0;i0;i--)
	{
		LCD_WriteData(Number/LCD_Pow(10,i-1)%10+'0');
	}
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始以有符号十进制显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：-32768~32767
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~5
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowSignedNum(unsigned char Line,unsigned char Column,int Number,unsigned char Length)
{
	unsigned char i;
	unsigned int Number1;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	if(Number>=0)
	{
		LCD_WriteData('+');
		Number1=Number;
	}
	else
	{
		LCD_WriteData('-');
		Number1=-Number;
	}
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
		LCD_WriteData(Number1/LCD_Pow(10,i-1)%10+'0');
	}
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始以十六进制显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：0~0xFFFF
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~4
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowHexNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length)
{
	unsigned char i,SingleNumber;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
		SingleNumber=Number/LCD_Pow(16,i-1)%16;
		if(SingleNumber<10)
		{
			LCD_WriteData(SingleNumber+'0');
		}
		else
		{
			LCD_WriteData(SingleNumber-10+'A');
		}
	}
}

/**
  * @brief  在LCD1602指定位置开始以二进制显示所给数字
  * @param  Line 起始行位置，范围：1~2
  * @param  Column 起始列位置，范围：1~16
  * @param  Number 要显示的数字，范围：0~1111 1111 1111 1111
  * @param  Length 要显示数字的长度，范围：1~16
  * @retval 无
  */
void LCD_ShowBinNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length)
{
	unsigned char i;
	LCD_SetCursor(Line,Column);
	for(i=Length;i>0;i--)
	{
		LCD_WriteData(Number/LCD_Pow(2,i-1)%2+'0');
	}
}

        LCD1602.h

#ifndef __LCD1602_H__
#define __LCD1602_H__

//用户调用函数：
void LCD_Init();
void LCD_ShowChar(unsigned char Line,unsigned char Column,char Char);
void LCD_ShowString(unsigned char Line,unsigned char Column,char *String);
void LCD_ShowNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowSignedNum(unsigned char Line,unsigned char Column,int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowHexNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);
void LCD_ShowBinNum(unsigned char Line,unsigned char Column,unsigned int Number,unsigned char Length);

#endif

八、蓝牙遥控车

        有的同学可能会玩点花的，接上个蓝牙，做成蓝牙遥控车，这里蓝牙可以用HC05或HC06，需要学习到串口知识

        

         然后什么是主机从机?

        从机：从机蓝牙只能乖乖地等待别的主机蓝牙来连接它

        主机：主机蓝牙可以主动去找别的从机蓝牙连接

        主从一体机：主从一体机蓝牙可以配置为从机也可以配置为主机，通过AT指令设置（自行CSDN学习，放心，很简单）

        如果你想用手机控制，使用从机就好，手机充当主机；如果你还想搞个遥控器，那就需要买一个从机和一个主从一体机。

九、整体小车制作与调试过程

        首先整辆小车可以实现的动作有：前进后退，加速减速，左转右转

        1、小车的组装：

        买的时候是有说明书的，跟着装就对了，不过我不知道是不是我运气问题，我的车模轮子特别难装，需要暴力出奇迹。

        然后就是电机接线问题：一个TB6612可以接两个电机，但我们小车有四个轮子，怎么办呢？

        方法一：如图，这样可以确保小车两边的电机是同时转的。

        

         方法二：如图，一块TB6612不够就用两块嘛，反正又不贵-_-，而且这样可以精确控制到每个轮子，包括在转向也可以更精确，我是比较喜欢这种。

        

        2、前进后退：

        那就是把所有轮子调为全部正转或反转咯

        3、加速减速：

        得去学习PWM调速的知识

        4、左转右转：

        我使用的车模的单个车轮是不可以转向的，所有我们只能使用差速转向——比如小车右边轮子前进，左边轮子后退，那么整辆车的效果就是向右转。

        5、调试过程：    

        做任何设计，过程是非常重要，如果把整个过程划分好步骤，分为多个阶段性小过程，那对整个设计来说有事半功倍的效果。

        接下来就说说制作和调试的过程的一些阶段性步骤如图：（这是我本人制作时所使用也认为比较好，容错率比较高的一种调试过程）

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总结

        有可能调试小车的时间会比制作小车的时间长，不过都是正常现象。大家如果看其他资料可能会看到一个叫PID的东西，PID可以让小车转向很丝滑，不过可能对于新手来说有点烧脑。实现简易的循迹小车完全不用用到PID，如果你想尝试一下PID也行，不过先把小车的基本功能完全实现了再说。

        基本把整辆车子的设计方案都介绍了一下，不过都是我个人制作过程中的选型和心得看法，仅供参考，并不是专业介绍。欢迎大家提供更好的方案。