【文章內(nèi)容簡介】 ：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。方案2：用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點：塑料透鏡可以提高靈敏度。內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。 方案3：用ST188紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但有點受外界環(huán)境因素影響，但我們從實驗室中已有的器件可以完全做出性能較穩(wěn)定的巡跡傳感器，既合理利用了實驗室現(xiàn)有的資源，又節(jié)省了我們做這個項目的開支。因此，我們選擇了這個值得我們?nèi)L試的方案。綜上所述，我們選擇了方案3。本系統(tǒng)為智能電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要。由于本實驗要實現(xiàn)對路徑的準確定位和精確測量，我們綜合考慮了一下兩種方案。方案1：采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。但它存在著直流換向問題，結(jié)構(gòu)復雜，維護檢修不方便。方案2：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。由于步進電機具有定時定位且不受負載變化的影響，所以采用步進電機能夠通過無線模塊裝置實現(xiàn)很好的控制。經(jīng)綜合比較考慮，我們選擇了此方案。為了能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們最終選擇了方案2。方案1：采用專用芯片ULN2003作為電機驅(qū)動芯片。ULN2003 是高耐壓、大電流達林頓陳列，由七個硅NPN 達林頓管組成。它的工作電壓高，工作電流大，灌電流可達500mA，并且能夠在關(guān)態(tài)時承受50V 的電壓，輸出還可以在高負載電流并行運行。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。所以有必要考慮這個方案。方案2：采用電機驅(qū)動芯片L298N。298內(nèi)部就是8個功率管加驅(qū)動電路，使用起來電路簡單，但驅(qū)動電流只能達到2A，要增加電流可用兩片并聯(lián)或選用類似的大電流的芯片，還有一點是電壓限制，298最高電壓只能用到40V，低速時電機會振動。因此，我們放棄了這種方案。方案2：對于直流電機用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路。由分立元件構(gòu)成電機驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應用中應用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。綜上所述，我們考慮選用了方案1。方案1：PT2262和PT2272無線模塊。PT2262/PT2272 是一種CMOS 工藝制造的低功耗低價位通用編解碼電路，PT2262/PT2272 最多可有12 位(A0A11)三態(tài)地址端管腳(懸空,接高電平,接低電平),任意組合可提供531441 地址碼,PT2262 最多可有6 位(D0D5)數(shù)據(jù)端管腳,設(shè)定的地址碼和數(shù)據(jù)碼從17 腳串行輸出，可用于無線遙控發(fā)射電路。該無線模塊使用方便，編程簡單實用，且遙控控制的范圍較遠。因此可考慮此方案。方案2：其他無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，如nRF40紅外線或藍牙模塊，由于其價格較昂貴，不利于調(diào)試，而且系統(tǒng)中不需傳輸大量的數(shù)據(jù)，因此我們放棄了此方案。綜上所述，我們考慮選用了方案1。 避障模塊方案1：紅外傳感器。紅外避障傳感器（以下簡稱紅外）。紅外具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到機器人主機，機器人即可利用紅外波的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。該傳感器對環(huán)境光線的適應能力比較強。我認為可考慮此方案。方案2：超聲波傳感器。超聲波是一種一定頻率范圍的聲波。它具有在同種媒質(zhì)中以恒定速率傳播的特性, 而在不同媒質(zhì)的界面處,會產(chǎn)生反射現(xiàn)象。但超聲波在應用于避障方面由于存在盲區(qū)可能會使小車無法檢測到前面的障礙物，致使無法達到避障的效果。因此，我們放棄了這種方案。通過兩種方案的比較，紅外傳感器的性能較穩(wěn)定，我們選擇了方案1。最終方案經(jīng)過反復論證，我們最終確定了如下方案：（1）車架用普通電路板手工制作。（2）采用51單片機作為主控制器。（3）用蓄鋰離子電池經(jīng)7812穩(wěn)壓后為直流電機供電，將12V電壓經(jīng)2576降壓、穩(wěn)壓后為單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。（4）用ST188光電傳感器進行尋跡。（5）采用紅外傳感器到達避障效果。（6）專用驅(qū)動芯片ULN2003作為步進電機的驅(qū)動芯片。（7）運用PT2262和PT2272L4對小車進行無線控制。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示：主控芯片51單片機ULN2003步進電動機電壓比較器光電傳感器穩(wěn)壓電源模塊無線模塊紅外傳感器 圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二、硬件實現(xiàn)及單元電路設(shè)計微控制器模塊的設(shè)計我們在開發(fā)過程中使用51單片機，方便程序的調(diào)試和整機的測試，待系統(tǒng)調(diào)試完成后，將單片機從開發(fā)板上取下，安裝在小車系統(tǒng)板的單片機座中，由于本次設(shè)計要求中，小車需要完成的任務比較簡單，因此我們只在小車系統(tǒng)板的單片機系統(tǒng)中保留了晶振和復位電路。巡跡模塊電路的設(shè)計我們設(shè)計并論證了ST188光電傳感器的檢測及調(diào)理電路，電路原理圖如下圖所示：紅外光的發(fā)送接收選用型號為ST188的對管。當小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中光敏三極管將導通，比較器輸出為低電平；當小車行駛到黑色引導線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出高電平，從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機I/O口，當I/O口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導線吸收了，表明小車處在黑色的引導線上；同理，當I/O口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。在小車具體的循跡行走過程中，為了能精確測定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時在底盤裝設(shè)4個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個紅外探頭的具體位置如圖2所示。圖中循跡傳感器共安裝4個，全部在一條直線上。其中InfraredMR與InfraredML 為第一級方向控制傳感器，InfraredSR 與InfraredSL 為第二級方向控制傳感器。小車行走時，始終保持黑線（如圖2 中所示的行走軌跡黑線）在InfraredMR和InfraredML這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑線時，第一級探測器一旦探測到有黑線，單片機就會按照預先編定的程序發(fā)送指令給小車的控 制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個探測器的探測范圍，這時第二級動作，再次對小車的運動進行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級方向探測器實際是第一級的后備保護，從而提高了小車循跡的可靠性。電機驅(qū)動電路的設(shè)計我們采用電機驅(qū)動芯片ULN2003作為電機驅(qū)動，驅(qū)動電路的設(shè)計如圖3所示：驅(qū)動電路圖 圖3ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 該電路的特點如下: ,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路 直接相連,可以直接處理原先需要標準邏輯緩沖器。 紅外具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物（反射面）時，紅外信號反射回來被接收管接收，經(jīng)過處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回到小車上的單片機的端口，機單片機即可利用紅外波的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化，從而控制小車做出相應的變向運動。該傳感器對環(huán)境光線的適應能力比較強。采用PT2262和PT2272L4的無線發(fā)射和接收模塊進行無線傳輸，該發(fā)射模塊采用315M晶振,當有高電平觸發(fā)各個數(shù)據(jù)口時發(fā)出相應的振蕩波。接收模塊采用具有鎖存功能的PT2272L4芯片,該芯片能夠較好的控制小車按預置的黑線行駛。其模塊框圖如下圖4所示。 無線發(fā)射模塊STC89C52單片機無線接收模塊 無線發(fā)射模塊 圖4三、軟件實現(xiàn)我們所設(shè)計的軟件的主程序流程圖如圖5所示：開始初始化 端口檢測小車是否偏離軌道是否遇到障礙物完成任務調(diào)用偏離糾正子函數(shù)改變行 駛軌跡無線控制無線控制小車倒退轉(zhuǎn)彎行駛函數(shù)主程序流程圖 圖5 傳感器數(shù)據(jù)處理及循跡程序流程我們用一個字節(jié)來代表車底的4個光電傳感器。用每一個位來代表當前傳感器的檢測狀態(tài)。我們把小車直線行進時分成三種狀態(tài)，當中間四個傳感器都檢測到白線時，小車在跑道的正上方，這時控制兩電機同速度全速運行。當檢測到有一個傳感器或者同側(cè)的兩個傳感器偏出白線時，小車處于微偏狀態(tài)，這時將一個電機速度調(diào)慢，另一電機速度調(diào)快，完成調(diào)整。當檢測到有三個電機偏出時，小車處于較大的偏離狀態(tài)，這時把一個電機的速度調(diào)至極低，另一電機全速運行，從而在較短時間內(nèi)完成路線的調(diào)整。用這種二級調(diào)速的尋跡算法同單純的判斷檢測到對管的位置并作出判斷的方法相