自動(dòng)巡線(xiàn)與人工遙控相結合的太陽(yáng)能運輸小車(chē)

引言

本文設計的智能小車(chē)是一種集實(shí)時(shí)采集傳感器信號、自動(dòng)方向控制及速度調節等技術(shù)于一體的自動(dòng)小車(chē)。系統通過(guò)單片機進(jìn)行采集信號和控制分析。采集的信號包括引導線(xiàn)檢測電路的信號，碼盤(pán)檢測的信號，紅外遙控的信號等。把分析結果與預設值相對比，從而控制小車(chē)的運行情況。小車(chē)可以把貨物從A地自動(dòng)運輸到B地。當小車(chē)檢測到有貨物時(shí)自動(dòng)前行，到達目的地時(shí)自動(dòng)停止。當貨物被取下時(shí)小車(chē)自動(dòng)回到原始的位置，重新開(kāi)始下一次的運輸。系統主要由以下幾個(gè)模塊組成：?jiǎn)纹瑱C模塊，驅動(dòng)電路模塊，引導線(xiàn)檢測模塊，碼盤(pán)測速模塊，太陽(yáng)能充放電控制模塊，紅外遙控信號模塊。必要時(shí)還可以將系統檢測到的信息傳遞給上位機進(jìn)行監測。系統組成原理框圖如圖1所示：

圖1 系統組成原理框圖

1.系統軟件設計

系統采用c語(yǔ)言進(jìn)行程序設計，具有很強的可操作性。并且主要有主程序和

中斷子程序構成。主程序控制框圖2所示：

圖2 系統軟件設計框圖

2.各部分硬件組成及功能實(shí)現

I太陽(yáng)能充放電控制模塊

組成：太陽(yáng)能光伏電池陣列，蓄電池，充放電控制系統，AVR單片機。

電源的選擇

太陽(yáng)能小車(chē)光伏供電系統的關(guān)鍵是太陽(yáng)能電池和蓄電池之間的合理配置。光伏電池通常由單晶硅、多晶硅、非晶硅和化合物等材料組成，目前國內光伏材料的光電轉化效率一般為14%左右。本裝置中的太陽(yáng)能電池板的型號為NZ6161，6個(gè)太陽(yáng)能電池板串聯(lián)成一組，然后兩組并聯(lián)，使太陽(yáng)能電池陣列輸出電壓達到2V*6=12V，輸出電流約為0.6A。與此相配備的蓄電池的氫鎳電池，型號為QNFZ10，其主要技術(shù)指標：額定容量為10Ah，標稱(chēng)電壓為1.2V，如果將10個(gè)蓄電池串聯(lián)成一組，然后兩組并聯(lián)，輸出電壓將達到1.2V*10=12V。

蓄電池充放電控制。為了保證蓄電池的正常工作，系統必須有自動(dòng)控制和保護功能。當有足夠的太陽(yáng)光照射時(shí)，多余的能量就給蓄電池充電；當太陽(yáng)能電池功率不足時(shí)，由蓄電池給小車(chē)供電；系統對蓄電池的過(guò)充、過(guò)放等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監控，蓄電池放過(guò)充的電路原理如圖3所示。

圖3 太陽(yáng)能充放電控制電路

U1-PA1端測得蓄電池充電的電壓值，通過(guò)A/D采樣后與門(mén)限電壓值相比較，若超過(guò)設定值時(shí)，單片機U1-PA0輸出高電平，Q1 MOSFET導通，將蓄電池切離充電回路，并熄滅充電指示燈。當U1-PA1端測得蓄電池的電壓值低于設定值時(shí)，切斷輸出回路，以避免蓄電池電量過(guò)放。

圖4 蓄電池充放電模塊軟件設計框圖

II 驅動(dòng)電路模塊

組成：L298驅動(dòng)芯片，四個(gè)電機，單片機

控制系統主要由L298驅動(dòng)芯片和7404組成。采用后輪驅動(dòng)，前面的左右兩輪控制方向的模式。前面的左右兩輪采用同種差勁運動(dòng)結構的小車(chē)，依靠輪子的速度差進(jìn)行轉向，當兩邊輪子的速度相同時(shí)向前運行，速度不同時(shí)進(jìn)行轉彎，左輪速度比右輪速度快時(shí)向右轉彎，右輪速度比左輪速度快時(shí)向左轉彎，同時(shí)選用小車(chē)時(shí)要注意小車(chē)的速度，不能選擇速度過(guò)快的小車(chē)，因為小車(chē)行駛過(guò)快，不易控制它的轉彎。驅動(dòng)電路如圖5所示。

圖5 驅動(dòng)電路控制模塊

III 引導線(xiàn)檢測模塊

組成：反射式紅外發(fā)射-接收器

這里的引導線(xiàn)檢測是指小車(chē)可以在白色地板上沿著(zhù)黑線(xiàn)行走。反射式紅外發(fā)射-接收器對黑白比較敏感，靈敏度高，且電路簡(jiǎn)單，完全滿(mǎn)足系統要求。

反射式紅外發(fā)射-接收器檢測到信號后與比較器LM324 的參考電壓相比較，當檢測不到黑線(xiàn)時(shí)，發(fā)射管發(fā)出的光經(jīng)面板反射后被接收管接收，接收管導通，LM324同向電壓低（≈0V）；當檢測到黑線(xiàn)時(shí)，發(fā)射管發(fā)出的紅外光將不被接收管接收，接收管截止，LM324同向電壓高（=Vcc)。

由于小車(chē)不可能始終保持在一個(gè)方向上，必然會(huì )偏離黑色軌道，為了使小車(chē)在偏離軌道后，能調整方向，重新回到軌道上，系統需要將路面的狀態(tài)及時(shí)的以電信號的形式反饋到控制部分，控制部分控制前輪驅動(dòng)電機，使小車(chē)重新回到軌道上來(lái)。

圖6 引導線(xiàn)檢測電路

如圖6所示，R1，R4起限流電阻的作用，紅外發(fā)射二極管發(fā)出光線(xiàn)，當反射物體為白色時(shí)，光反射到紅外接收的三極管，三極管的發(fā)射極和集電極導通，此時(shí)運算放大器的同向輸入端輸入為低電平，放大器的輸出端輸出為低電平，當反射物體為黑色時(shí)，光反射到紅外接收的三極管，三極管的發(fā)射極和集電極截止，此時(shí)運算放大器的同向輸入端為高電平，放大器的輸出端輸出為高電平，通過(guò)調節R2可以調整檢測的靈敏度。

表1 巡線(xiàn)電路輸出真值表

圖7 運行狀態(tài)指示圖

從巡線(xiàn)電路輸出真值表中可以看出，當小車(chē)行駛狀態(tài)不一樣時(shí)，三個(gè)傳感器輸出值也對應不同，單片機結合各傳感器送入的值，作出不一樣的反應，如輕微右偏時(shí)單片機控制小車(chē)向左轉彎，從而使小車(chē)回到正常的路徑上。

當小車(chē)檢測到的信號為000時(shí)，可能發(fā)生了兩種情況：

第一,小車(chē)已經(jīng)嚴重的偏離了正常的運行軌道；第二，引導線(xiàn)有暫時(shí)的中斷。對于第一種情況應該立即停車(chē)，而對于第二種情況應該進(jìn)行判斷。判斷的方法是，讓小車(chē)繼續前行，如果繼續行駛了2-3秒仍然未檢測到信號則判定為偏離軌道；如果檢測到了引導線(xiàn)信號，則可繼續前行。

IV 碼盤(pán)測速模塊：

儀器：紅外光電碼盤(pán)

安裝在車(chē)后輪上，用來(lái)測定小車(chē)速度，如有必要可通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信系統傳遞給上位機，進(jìn)行分析和處理。

圖8 紅外光電碼盤(pán)

V 紅外遙控模塊

組成：遙控器，紅外線(xiàn)接收器

信號接收裝置主要有二極管、TSOP34836芯片及相應的電路構成。電路圖如圖9所示：

圖9紅外信號接收電路

軟件設計：

紅外線(xiàn)遙控器通過(guò)RC5代碼傳輸數據，而RC5數據包包含了設備地址、鍵盤(pán)編碼器和一個(gè)觸發(fā)器。5位的設備地址告訴哪個(gè)設備被遙控器控制。而對于本文的使用，設備地址也可以用來(lái)滿(mǎn)足一些單獨設備的使用。6位的編碼器附和按鍵遙控允許傳輸其他的數據，但對于每個(gè)傳輸僅僅提供6位編碼器附和按鍵遙控。

在A(yíng)VR—GCC環(huán)境下。RC5數據包可以通過(guò)使用void IRCOMM—sendRC5(unit8_t adr，unit8_t data)函數傳輸。其中，adr相當于設備地址；data相當于鍵盤(pán)編碼器。參數adr允許在重要的位(MSB)通過(guò)申請常量TOGGLEBIT來(lái)設置觸發(fā)位，方式如下：IRCOMM sendRC5 （12lTOG．GLEBIT，40)；這個(gè)指令將通過(guò)地址12傳輸一個(gè)RC5數據包給設備，激活觸發(fā)位并且以40作為數據值，如IRCOMM—sendRC5(12，40)。

事件處理程序可以管理RC5的數據接收，只要RC5數據包接收，事件處理程序將自動(dòng)地被task ACS0函數調用。例如寫(xiě)一個(gè)程序，程序的要求是如果機器人接收到鍵盤(pán)編碼4號鍵，小車(chē)會(huì )向左轉；接收到鍵盤(pán)編碼6號鍵則向右轉。

對于事件處理程序規定必須相應采用void receiveRC5Data(RC5data_t rc5data)形式，但也可以自由地命名函數?？梢酝ㄟ^(guò)IRCOMM_setRC5DataReadyHandler(receiveRC5Data)函數允許記錄一個(gè)預定的事件處理程序。在這之后，專(zhuān)用的函數將被每個(gè)有效的RC5接收的代碼調用。值得一提的是：RC5data_t是專(zhuān)門(mén)的預定義的數據類(lèi)型．包含RC5設備地址、觸發(fā)位和鍵盤(pán)編碼(分別有對應的值）?？梢酝ㄟ^(guò)標識符rc5data．device、rc5data．toggle_bit、rc5data．key_codet21就像使用變量一樣地使用這些數據。程序流程圖如圖10所示：

圖10紅外檢測電路軟件設計框圖

結束語(yǔ)

近年來(lái)，太陽(yáng)能”綠色交通工具“被公認為很有發(fā)展前途，并迅速發(fā)展，被廣泛應用于家庭、休閑、公園等場(chǎng)所。本次設計的小車(chē)將集成化和智能化的理念較好地融入到控制系統設計中，所采用的AVR單片機其電路簡(jiǎn)單、故障率低、可靠性高，成本低廉，并且高速、低耗、保密。結合太陽(yáng)能與AVR單片機兩者的優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現了造價(jià)低廉，功能實(shí)用，節能節源的目的。本次設計的小車(chē)只是一個(gè)自動(dòng)運輸電動(dòng)汽車(chē)的縮影，今后可推廣應用于大功率太陽(yáng)能電瓶車(chē)或電動(dòng)汽車(chē)的控制場(chǎng)合，實(shí)現自動(dòng)運輸功能。