智能尋跡小車

摘要： 本文介紹了一種基于51單片機的小車尋跡系統。該系統采用兩組高靈敏度的光電對管，對路面黑色軌跡進行檢測，并利用單片機產生PWM波，控制小車速度。測試結果表明，該系統能夠平穩跟蹤給定的路徑。

關鍵詞： 智能小車；光電對管；尋跡；脈沖寬度調制

　　在歷屆全國大學生電子設計競賽中多次出現了集光、機、電于一體的簡易智能小車題目。筆者通過論證、比較、實驗之后，制作出了簡易小車的尋跡電路系統。整個系統基于普通玩具小車的機械結構，并利用了小車的底盤、前后輪電機及其自動復原裝置，能夠平穩跟蹤路面黑色軌跡運行。

總體方案

　　整個電路系統分為檢測、控制、驅動三個模塊。首先利用光電對管對路面信號進行檢測，經過比較器處理之后，送給軟件控制模塊進行實時控制，輸出相應的信號給驅動芯片驅動電機轉動，從而控制整個小車的運動。系統方案方框圖如圖1所示。

圖1  智能小車尋跡系統框圖

傳感檢測單元

　　小車循跡原理
　　該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數不同，可根據接收到的反射光的強弱來判斷“道路”—黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法——紅外探測法。

　　紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發生漫發射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號。

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

圖2  ST168檢測電路

　　ST168采用高發射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測方式。ST168的檢測距離很小，一般為8~15毫米，因為8毫米以下是它的檢測盲區，而大于15毫米則很容易受干擾。筆者經過多次測試、比較，發現把傳感器安裝在距離檢測物表面10毫米時，檢測效果最好。

　　R1限制發射二極管的電流，發射管的電流和發射功率成正比，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，測試發現發射功率完全能滿足檢測需要；可變電阻R2可限制接收電路的電流，一方面保護接收紅外管；另一方面可調節檢測電路的靈敏度。因為傳感器輸出端得到的是模擬電壓信號，所以在輸出端增加了比較器，先將ST168輸出電壓與2.5V進行比較，再送給單片機處理和控制。

　　傳感器的安裝
　　正確選擇檢測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重要因素。從簡單、方便、可靠等角度出發，同時在底盤裝設4個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，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上。其中X1與Y1為第一級方向控制傳感器，X2與Y2為第二級方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進時，始終保持(如圖3中所示的行走軌跡黑線)在X1和Y1這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到黑線，把檢測的信號送給小車的處理、控制系統，控制系統發出信號對小車軌跡予以糾正。第二級方向探測器實際是第一級的后備保護，它的存在是考慮到小車由于慣性過大會依舊偏離軌道，再次對小車的運動進行糾正，從而提高了小車循跡的可靠性。