智能尋跡小車(chē)

摘要： 本文介紹了一種基于51單片機(jī)的小車(chē)尋跡系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用兩組高靈敏度的光電對(duì)管，對(duì)路面黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè)，并利用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，控制小車(chē)速度。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠平穩(wěn)跟蹤給定的路徑。

關(guān)鍵詞： 智能小車(chē)；光電對(duì)管；尋跡；脈沖寬度調(diào)制

　　在歷屆全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中多次出現(xiàn)了集光、機(jī)、電于一體的簡(jiǎn)易智能小車(chē)題目。筆者通過(guò)論證、比較、實(shí)驗(yàn)之后，制作出了簡(jiǎn)易小車(chē)的尋跡電路系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)基于普通玩具小車(chē)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，并利用了小車(chē)的底盤(pán)、前后輪電機(jī)及其自動(dòng)復(fù)原裝置，能夠平穩(wěn)跟蹤路面黑色軌跡運(yùn)行。

總體方案

　　整個(gè)電路系統(tǒng)分為檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用光電對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)比較器處理之后，送給軟件控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)方案方框圖如圖1所示。

圖1  智能小車(chē)尋跡系統(tǒng)框圖

傳感檢測(cè)單元

　　小車(chē)循跡原理
　　該智能小車(chē)在畫(huà)有黑線(xiàn)的白紙 “路面”上行駛，由于黑線(xiàn)和白紙對(duì)光線(xiàn)的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”—黑線(xiàn)。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法——紅外探測(cè)法。

　　紅外探測(cè)法，即利用紅外線(xiàn)在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收；如果遇到黑線(xiàn)則紅外光被吸收，則小車(chē)上的接收管接收不到信號(hào)。

　　傳感器的選擇
　　市場(chǎng)上用于紅外探測(cè)法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡(jiǎn)單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能可靠的集成式紅外探頭。ST系列集成紅外探頭價(jià)格便宜、體積小、使用方便、性能可靠、用途廣泛，所以該系統(tǒng)中最終選擇了ST168反射傳感器作為紅外光的發(fā)射和接收器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路均較為簡(jiǎn)單，如圖2所示：

圖2  ST168檢測(cè)電路

　　ST168采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測(cè)方式。ST168的檢測(cè)距離很小，一般為8~15毫米，因?yàn)?毫米以下是它的檢測(cè)盲區(qū)，而大于15毫米則很容易受干擾。筆者經(jīng)過(guò)多次測(cè)試、比較，發(fā)現(xiàn)把傳感器安裝在距離檢測(cè)物表面10毫米時(shí)，檢測(cè)效果最好。

　　R1限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射管的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限輸入正向電流50mA的影響，用R1=150的電阻作為限流電阻,Vcc=5V作為電源電壓，測(cè)試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率完全能滿(mǎn)足檢測(cè)需要；可變電阻R2可限制接收電路的電流，一方面保護(hù)接收紅外管；另一方面可調(diào)節(jié)檢測(cè)電路的靈敏度。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龆说玫降氖悄M電壓信號(hào)，所以在輸出端增加了比較器，先將ST168輸出電壓與2.5V進(jìn)行比較，再送給單片機(jī)處理和控制。

　　傳感器的安裝
　　正確選擇檢測(cè)方法和傳感器件是決定循跡效果的重要因素，而且正確的器件安裝方法也是循跡電路好壞的一個(gè)重要因素。從簡(jiǎn)單、方便、可靠等角度出發(fā)，同時(shí)在底盤(pán)裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，將大大提高其循跡的可靠性，具體位置分布如圖3所示。

圖3 紅外探頭的分布圖

　　圖中循跡傳感器全部在一條直線(xiàn)上。其中X1與Y1為第一級(jí)方向控制傳感器，X2與Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線(xiàn)同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線(xiàn)的寬度。小車(chē)前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖3中所示的行走軌跡黑線(xiàn))在X1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車(chē)偏離黑線(xiàn)時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線(xiàn)，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車(chē)的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車(chē)軌跡予以糾正。第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，它的存在是考慮到小車(chē)由于慣性過(guò)大會(huì)依舊偏離軌道，再次對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，從而提高了小車(chē)循跡的可靠性。