自動巡線與人工遙控相結(jié)合的太陽能運(yùn)輸小車

引言

本文設(shè)計(jì)的智能小車是一種集實(shí)時(shí)采集傳感器信號、自動方向控制及速度調(diào)節(jié)等技術(shù)于一體的自動小車。系統(tǒng)通過單片機(jī)進(jìn)行采集信號和控制分析。采集的信號包括引導(dǎo)線檢測電路的信號，碼盤檢測的信號，紅外遙控的信號等。把分析結(jié)果與預(yù)設(shè)值相對比，從而控制小車的運(yùn)行情況。小車可以把貨物從A地自動運(yùn)輸?shù)紹地。當(dāng)小車檢測到有貨物時(shí)自動前行，到達(dá)目的地時(shí)自動停止。當(dāng)貨物被取下時(shí)小車自動回到原始的位置，重新開始下一次的運(yùn)輸。系統(tǒng)主要由以下幾個(gè)模塊組成：單片機(jī)模塊，驅(qū)動電路模塊，引導(dǎo)線檢測模塊，碼盤測速模塊，太陽能充放電控制模塊，紅外遙控信號模塊。必要時(shí)還可以將系統(tǒng)檢測到的信息傳遞給上位機(jī)進(jìn)行監(jiān)測。系統(tǒng)組成原理框圖如圖1所示：

圖1 系統(tǒng)組成原理框圖

1.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用c語言進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，具有很強(qiáng)的可操作性。并且主要有主程序和

中斷子程序構(gòu)成。主程序控制框圖2所示：

圖2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

2.各部分硬件組成及功能實(shí)現(xiàn)

I太陽能充放電控制模塊

組成：太陽能光伏電池陣列，蓄電池，充放電控制系統(tǒng)，AVR單片機(jī)。

電源的選擇

太陽能小車光伏供電系統(tǒng)的關(guān)鍵是太陽能電池和蓄電池之間的合理配置。光伏電池通常由單晶硅、多晶硅、非晶硅和化合物等材料組成，目前國內(nèi)光伏材料的光電轉(zhuǎn)化效率一般為14%左右。本裝置中的太陽能電池板的型號為NZ6161，6個(gè)太陽能電池板串聯(lián)成一組，然后兩組并聯(lián)，使太陽能電池陣列輸出電壓達(dá)到2V*6=12V，輸出電流約為0.6A。與此相配備的蓄電池的氫鎳電池，型號為QNFZ10，其主要技術(shù)指標(biāo)：額定容量為10Ah，標(biāo)稱電壓為1.2V，如果將10個(gè)蓄電池串聯(lián)成一組，然后兩組并聯(lián)，輸出電壓將達(dá)到1.2V*10=12V。

蓄電池充放電控制。為了保證蓄電池的正常工作，系統(tǒng)必須有自動控制和保護(hù)功能。當(dāng)有足夠的太陽光照射時(shí)，多余的能量就給蓄電池充電；當(dāng)太陽能電池功率不足時(shí)，由蓄電池給小車供電；系統(tǒng)對蓄電池的過充、過放等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，蓄電池放過充的電路原理如圖3所示。

圖3 太陽能充放電控制電路

U1-PA1端測得蓄電池充電的電壓值，通過A/D采樣后與門限電壓值相比較，若超過設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)U1-PA0輸出高電平，Q1 MOSFET導(dǎo)通，將蓄電池切離充電回路，并熄滅充電指示燈。當(dāng)U1-PA1端測得蓄電池的電壓值低于設(shè)定值時(shí)，切斷輸出回路，以避免蓄電池電量過放。

圖4 蓄電池充放電模塊軟件設(shè)計(jì)框圖

II 驅(qū)動電路模塊

組成：L298驅(qū)動芯片，四個(gè)電機(jī)，單片機(jī)

控制系統(tǒng)主要由L298驅(qū)動芯片和7404組成。采用后輪驅(qū)動，前面的左右兩輪控制方向的模式。前面的左右兩輪采用同種差勁運(yùn)動結(jié)構(gòu)的小車，依靠輪子的速度差進(jìn)行轉(zhuǎn)向，當(dāng)兩邊輪子的速度相同時(shí)向前運(yùn)行，速度不同時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)彎，左輪速度比右輪速度快時(shí)向右轉(zhuǎn)彎，右輪速度比左輪速度快時(shí)向左轉(zhuǎn)彎，同時(shí)選用小車時(shí)要注意小車的速度，不能選擇速度過快的小車，因?yàn)樾≤囆旭傔^快，不易控制它的轉(zhuǎn)彎。驅(qū)動電路如圖5所示。

圖5 驅(qū)動電路控制模塊

III 引導(dǎo)線檢測模塊

組成：反射式紅外發(fā)射-接收器

這里的引導(dǎo)線檢測是指小車可以在白色地板上沿著黑線行走。反射式紅外發(fā)射-接收器對黑白比較敏感，靈敏度高，且電路簡單，完全滿足系統(tǒng)要求。

反射式紅外發(fā)射-接收器檢測到信號后與比較器LM324 的參考電壓相比較，當(dāng)檢測不到黑線時(shí)，發(fā)射管發(fā)出的光經(jīng)面板反射后被接收管接收，接收管導(dǎo)通，LM324同向電壓低（≈0V）；當(dāng)檢測到黑線時(shí)，發(fā)射管發(fā)出的紅外光將不被接收管接收，接收管截止，LM324同向電壓高（=Vcc)。

由于小車不可能始終保持在一個(gè)方向上，必然會偏離黑色軌道，為了使小車在偏離軌道后，能調(diào)整方向，重新回到軌道上，系統(tǒng)需要將路面的狀態(tài)及時(shí)的以電信號的形式反饋到控制部分，控制部分控制前輪驅(qū)動電機(jī)，使小車重新回到軌道上來。

圖6 引導(dǎo)線檢測電路

如圖6所示，R1，R4起限流電阻的作用，紅外發(fā)射二極管發(fā)出光線，當(dāng)反射物體為白色時(shí)，光反射到紅外接收的三極管，三極管的發(fā)射極和集電極導(dǎo)通，此時(shí)運(yùn)算放大器的同向輸入端輸入為低電平，放大器的輸出端輸出為低電平，當(dāng)反射物體為黑色時(shí)，光反射到紅外接收的三極管，三極管的發(fā)射極和集電極截止，此時(shí)運(yùn)算放大器的同向輸入端為高電平，放大器的輸出端輸出為高電平，通過調(diào)節(jié)R2可以調(diào)整檢測的靈敏度。

表1 巡線電路輸出真值表

圖7 運(yùn)行狀態(tài)指示圖

從巡線電路輸出真值表中可以看出，當(dāng)小車行駛狀態(tài)不一樣時(shí)，三個(gè)傳感器輸出值也對應(yīng)不同，單片機(jī)結(jié)合各傳感器送入的值，作出不一樣的反應(yīng)，如輕微右偏時(shí)單片機(jī)控制小車向左轉(zhuǎn)彎，從而使小車回到正常的路徑上。

當(dāng)小車檢測到的信號為000時(shí)，可能發(fā)生了兩種情況：

第一,小車已經(jīng)嚴(yán)重的偏離了正常的運(yùn)行軌道；第二，引導(dǎo)線有暫時(shí)的中斷。對于第一種情況應(yīng)該立即停車，而對于第二種情況應(yīng)該進(jìn)行判斷。判斷的方法是，讓小車?yán)^續(xù)前行，如果繼續(xù)行駛了2-3秒仍然未檢測到信號則判定為偏離軌道；如果檢測到了引導(dǎo)線信號，則可繼續(xù)前行。

IV 碼盤測速模塊：

儀器：紅外光電碼盤

安裝在車后輪上，用來測定小車速度，如有必要可通過無線通信系統(tǒng)傳遞給上位機(jī)，進(jìn)行分析和處理。

圖8 紅外光電碼盤

V 紅外遙控模塊

組成：遙控器，紅外線接收器

信號接收裝置主要有二極管、TSOP34836芯片及相應(yīng)的電路構(gòu)成。電路圖如圖9所示：

圖9紅外信號接收電路

軟件設(shè)計(jì)：

紅外線遙控器通過RC5代碼傳輸數(shù)據(jù)，而RC5數(shù)據(jù)包包含了設(shè)備地址、鍵盤編碼器和一個(gè)觸發(fā)器。5位的設(shè)備地址告訴哪個(gè)設(shè)備被遙控器控制。而對于本文的使用，設(shè)備地址也可以用來滿足一些單獨(dú)設(shè)備的使用。6位的編碼器附和按鍵遙控允許傳輸其他的數(shù)據(jù)，但對于每個(gè)傳輸僅僅提供6位編碼器附和按鍵遙控。

在AVR—GCC環(huán)境下。RC5數(shù)據(jù)包可以通過使用void IRCOMM—sendRC5(unit8_t adr，unit8_t data)函數(shù)傳輸。其中，adr相當(dāng)于設(shè)備地址；data相當(dāng)于鍵盤編碼器。參數(shù)adr允許在重要的位(MSB)通過申請常量TOGGLEBIT來設(shè)置觸發(fā)位，方式如下：IRCOMM sendRC5 （12lTOG．GLEBIT，40)；這個(gè)指令將通過地址12傳輸一個(gè)RC5數(shù)據(jù)包給設(shè)備，激活觸發(fā)位并且以40作為數(shù)據(jù)值，如IRCOMM—sendRC5(12，40)。

事件處理程序可以管理RC5的數(shù)據(jù)接收，只要RC5數(shù)據(jù)包接收，事件處理程序?qū)⒆詣拥乇籺ask ACS0函數(shù)調(diào)用。例如寫一個(gè)程序，程序的要求是如果機(jī)器人接收到鍵盤編碼4號鍵，小車會向左轉(zhuǎn)；接收到鍵盤編碼6號鍵則向右轉(zhuǎn)。

對于事件處理程序規(guī)定必須相應(yīng)采用void receiveRC5Data(RC5data_t rc5data)形式，但也可以自由地命名函數(shù)?？梢酝ㄟ^IRCOMM_setRC5DataReadyHandler(receiveRC5Data)函數(shù)允許記錄一個(gè)預(yù)定的事件處理程序。在這之后，專用的函數(shù)將被每個(gè)有效的RC5接收的代碼調(diào)用。值得一提的是：RC5data_t是專門的預(yù)定義的數(shù)據(jù)類型．包含RC5設(shè)備地址、觸發(fā)位和鍵盤編碼(分別有對應(yīng)的值）?？梢酝ㄟ^標(biāo)識符rc5data．device、rc5data．toggle_bit、rc5data．key_codet21就像使用變量一樣地使用這些數(shù)據(jù)。程序流程圖如圖10所示：

圖10紅外檢測電路軟件設(shè)計(jì)框圖

結(jié)束語

近年來，太陽能”綠色交通工具“被公認(rèn)為很有發(fā)展前途，并迅速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用于家庭、休閑、公園等場所。本次設(shè)計(jì)的小車將集成化和智能化的理念較好地融入到控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，所采用的AVR單片機(jī)其電路簡單、故障率低、可靠性高，成本低廉，并且高速、低耗、保密。結(jié)合太陽能與AVR單片機(jī)兩者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了造價(jià)低廉，功能實(shí)用，節(jié)能節(jié)源的目的。本次設(shè)計(jì)的小車只是一個(gè)自動運(yùn)輸電動汽車的縮影，今后可推廣應(yīng)用于大功率太陽能電瓶車或電動汽車的控制場合，實(shí)現(xiàn)自動運(yùn)輸功能。