基于紅外反射式光電傳感器的智能循跡小車(chē)

摘要：介紹了一種智能尋跡小車(chē)的設計與實(shí)現。基于紅外反射式光電傳感器的尋跡原理，采用AT89C52單片機為核心控制器件，通過(guò)紅外傳感器檢測路面信息，單片機獲取路面信息后，進(jìn)行分析、處理，最后控制步進(jìn)電機調節轉向和轉速。實(shí)驗表明：該系統抗干擾能力強、電路結構簡(jiǎn)單，能夠準確實(shí)現小車(chē)沿給定的黑線(xiàn)快速、平穩行駛。
關(guān)鍵詞：AT89C52；反射式光電對管(RPR220)；步進(jìn)電機

智能汽車(chē)作為一種智能化的交通工具，體現了車(chē)輛工程、人工智能、自動(dòng)控制、計算機等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來(lái)汽車(chē)發(fā)展的趨勢。尋跡小車(chē)可以看作是縮小化的智能汽車(chē)，它實(shí)現的基本功能是沿著(zhù)指定軌道自動(dòng)尋跡行駛。目前很多尋跡小車(chē)的路徑識別方案使用CCD來(lái)實(shí)現，其優(yōu)點(diǎn)是控制精細，前瞻距離遠。但傳感器CCD價(jià)格較高、體積較大、數據處理復雜，因此在按既定路線(xiàn)行走的自尋跡小車(chē)設計中，反射式光電傳感器以其體積小、價(jià)格低、數據處理方便顯得更有優(yōu)勢。
本文所述的智能尋跡小車(chē)采用紅外光電傳感器來(lái)識別道路中央的黑色引導線(xiàn)，通過(guò)單片機來(lái)控制步進(jìn)電機調節轉向和轉速，從而實(shí)現小車(chē)快速穩定的尋跡行駛。為保證小車(chē)在行駛的過(guò)程中具有良好的操縱穩定性和平順性，本文針對道路特點(diǎn)對小車(chē)的方向控制和速度控制，以及傳感器的安裝都提出了較為理想的解決方案。

1 系統工作原理
1．1 智能小車(chē)尋跡原理
在智能車(chē)系統中，尋跡電路采用紅外光電傳感器進(jìn)行檢測并且尋跡運動(dòng)。紅外發(fā)射管發(fā)射的紅外線(xiàn)具有一定的方向性，當紅外線(xiàn)照射到白色地面時(shí)會(huì )有較大的反射，如果距離取值合適，紅外接收管接收到反射回的紅外線(xiàn)強度就較大；如果紅外線(xiàn)照射到黑色標志線(xiàn)，黑色標志線(xiàn)會(huì )吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到紅外線(xiàn)強度就很弱。尋跡時(shí)，引導線(xiàn)是黑顏色，不宜反光，當紅外發(fā)射管輸出信號照射到黑色引導線(xiàn)上時(shí)輸出一個(gè)非常微弱的低電平，這個(gè)過(guò)程是一個(gè)負跳變過(guò)程，通過(guò)對此信號高低電平的檢測就可以知道小車(chē)是正在沿著(zhù)引導線(xiàn)行駛，若不是沿著(zhù)引導線(xiàn)行駛，單片機根據傳感器送回的信號可以判斷并驅動(dòng)電機正確轉向，從而使小車(chē)沿著(zhù)正確的軌道行駛。本系統在小車(chē)的前部朝地面方向安裝了3個(gè)紅外對管，分別為左、中和右。本系統使用傳感器的型號為RPR220。
1．2 系統整體原理框圖
智能小車(chē)由車(chē)架、電源、光電傳感器、驅動(dòng)電機和主控制系統等組成，如圖1所示。智能車(chē)的工作過(guò)程是：3個(gè)光電傳感器探測路徑信息，并將這些信息輸入到單片機控制系統，單片機進(jìn)行分析，通過(guò)控制算法對驅動(dòng)系統發(fā)出控制命令，驅動(dòng)2個(gè)步進(jìn)電機，使小車(chē)沿指定的黑線(xiàn)前進(jìn)。

智能車(chē)的主控制器采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的AT89C52。系統I／O口的具體分配如下：P2．0—P2．2共3位，用于小車(chē)前面路徑識別的輸入口；P1．0一P1．2用于驅動(dòng)電路L297的半步／整步、正轉／反轉和剎?？刂菩盘栞敵?；P3．1用于驅動(dòng)電路的時(shí)鐘信號輸出。

2 路面黑線(xiàn)檢測電路
2．1 黑線(xiàn)檢測電路
黑線(xiàn)檢測電路共有3種方案，分別是圖2的(a)、(b)、(c)3個(gè)圖。圖2(a)中：RPR220光電傳感器應用時(shí)，理想的工作狀態(tài)是輸出部分處于飽和導通，查閱參數得到：UCES為0．1～0．3 V，此時(shí)IF=20 mA，IC=0．1 mA，二極管的導通電壓大約為1 V，可以計算得到：

測試數據如表1：

從表1可以看出，黑白相差的電壓值最大時(shí)，離反射面的最佳距離為6 mm，距離的調節范圍也比較大。然后將電路圖2(a)的輸出直接與單片機的P2．0口相連，此時(shí)，出現單片機接收碼出錯，分析得出：原因是單片機的P2．0口內部有自己的上拉電阻，所以出現低電平采不回去，為了克服此現象，改用圖2(b)中，去掉電路原有的上拉電阻直接與單片機相連，但是出現距離局限的問(wèn)題，即實(shí)驗數據表明：只有距離為6 mm時(shí)，效果很好，但距離稍有波動(dòng)，單片機就不能正常工作，因此，最后選用電路圖2(c)，在圖2(a)的基礎上輸出端加一個(gè)非門(mén)再接到單片機。經(jīng)過(guò)測試得到：此電路應用時(shí)，光電管距反射面的距離調節范圍比較大，能夠滿(mǎn)足系統的要求。