基于紅外線傳感器的智能尋跡小車設計

趙旭東 魏慧竹 李曦

（沈陽理工大學 遼寧沈陽 110159）

基于紅外線傳感器的智能尋跡小車設計

趙旭東 魏慧竹 李曦

（沈陽理工大學 遼寧沈陽 110159）

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。

智能小車；光電對管；尋跡；脈沖寬度調制

0 前言

智能車即輪式移動機器人，是一種集環境感知、決策規劃、自動行駛等功能于一體的綜合智能系統、智能車集中地運用了自動控制、模式識別、傳感器技術、汽車電子、電氣、機械等多個學科的知識。隨著控制技術、計算機技術和信息技術的發展，智能車在工業生產和日常生活中已經扮演了非常重要的角色，今年來，智能車在野外、道路、生產制造中有著廣泛的應用，已經成為人工智能領域研究和發展的熱點。目前，智能車領域的研究已經能夠在具有一定標記的道路上為司機提供輔助駕駛的功能，這些智能車的設計通常依靠特定的道路標記完成識別，進行行駛0。本文所設計的智能小車硬件部分主要由單片機控制模塊、驅動轉向模塊等組成，軟件部分主要又C語言編寫實現的0。

1 系統方案設計

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

當電路接通電源時，由小車主板的穩壓電源電路穩定輸出5 伏電壓為小車下部的光探測電路提供電源使二極管發光，當路面是白色時，二極管發出的光大部分被反射，光敏電阻就接收到比較強的光照射，阻值變小，流過光敏電阻的電流變大。由于電阻的分壓作用，使得光敏電阻的輸出電壓較小，約為1.5V 左右。當路面是黑色時，由于黑色對光有吸收作用，

使得二極管發出的光大部分被吸收，只有小部分被反射，光敏電阻接收到的光照就比較小，阻值變大，流過光敏電阻的電流變小，光敏電阻的輸出電壓變大,約為2.5V 左右。共有五個光敏電阻也就是有五個數據輸出。這五個信號通過數據線與單片機的PA 口相連，最左邊的電阻連接PA 口的最低位PA0,依次類推,一直連到PA4 口。

2 硬件設計

關于智能車的硬件的設計主要包括：傳感器、單片機、電機驅動單元、電機速度控制；各個部分的具體選型如下：

傳感器：市場上用于紅外探測法的器件比較多，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。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。

單片機：單片機是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有運行狀態的作用。由于51單片機具有價格低廉、使用簡單的特點，這里選擇了ATMEL公司的AT89S51作為控制核心部件，當小車進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，程序就進入判斷程序，把相應的信號發送給電動機從而糾正小車的狀態。

電機驅動單元：從單片機輸出的信號功率很弱，即使在沒有其它外在負載時也無法帶動電機，所以在實際電路中我們加入了電機驅動芯片提高輸入電機信號的功率，從而能夠根據需要控制電機轉動。根據驅動功率大小以及連接電路的簡化要求選擇L298N。一塊L298N芯片能夠驅動兩個電機轉動，它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復雜電路需要。另外，L298Nde驅動功率較大，能夠根據輸入電壓的大小輸出不同額電壓和功率，解決了負載能力不夠這個問題。

車速的控制：車速調節的方法有兩種：一是用步進電機代替小車上原有的直流電機；二是在原有直流電機的基礎上，采用PWM調速法進行調速。考慮到機械裝置不便于修改等因素，這里選擇后者，利用單片機輸出端輸出高電平的脈寬及其占空比的大小來控制電機的轉速，從而控制小車額速度。經過多次試驗，最終確定合適的脈寬和占空比，基本能保證小車在所需要的速度范圍內平穩前行。

圖2 硬件總體設計框圖

3 軟件設計

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。其軟件系統框圖如下圖3所示。

圖3 軟件系統框圖

小車進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，程序就進入判斷程序，把相應的信號發送給電動機從而糾正小車的狀態。

4 結語

此方案選擇的器件比較簡單，實際中也很容易實現。經過多次測試，結果表明在一定的弧度范圍內，小車能夠沿著黑線軌跡行進，達到了預期目標。不足之處，由于小車采用直流電機，其速度控制不夠精確和穩定，不能實現急轉和大弧度的拐彎。

[1]徐友春,王榮本,李兵,李斌.世界智能車輛近況綜述[J].汽車工程,2001,05: 289-295.

[2]萬亮.智能小車運行控制系統的研究[J].電子制作,2014,12:58-59.

[3]姚佳.智能小車的避障及路徑規劃[D].東南大學,2005.

TU7

B

1007-6344（2016）10-0042-01

趙旭東（1995.12--）男，北京市人，本科學歷，專業：電子信息科學與技術。

魏慧竹（1995.03-）女，遼寧省沈陽市人，本科學歷，專業：電子信息工程。

李曦 (1997.02--）女，遼寧省沈陽市人，本科學歷，專業：計算機科學與技術。