智能小车自动寻迹设计

作者：张美凤等

来源：《软件导刊》2014年第08期

        摘要摘 要：针对在黑白分明的轨迹上行驶的小车，为了提高其准确度和速度，设计了以ATS52单片机为小车控制核心，以集成型红外对管作为寻迹单元传感器，单片机以电压变化为依据控制小车电机以确定行走路线。经测试证明小车的反应速度快，控制效果好。

        关键词关键词：智能小车；单片机；红外寻迹；控制核心；传感器

        中图分类号：TP319

        文献标识码：A 文章编号文章编号：16727800（2014）008008602

        基金项目基金项目：江苏省大学生实践创新训练项目（2013110550009Z）

        0 引言

        智能车系统是一个将环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能集于一体的综合系统，是典型的、多学科的、综合性的高科技和高新技术的结合体[1]。本设计主要选择通用、价廉的51系列单片机为控制平台，选择常见的电机模型车为机械平台，通过细化设计要求，结合传感器、电机控制、红外线通信、超声波测距等相关技术实现小车的各种功能。

        1 系统总体方案

        此系统以单片机为控制核心，处理执行各个外部传感器检测得到的电平信号，其中外部信号由4部分获得：红外寻迹模块、超声波避障模块、红外遥控模块、测速与里程记录模块。最后把处理结果传递给小车电机，实现相应的功能效果。总体设计框图如图1所示。

        2 单片机控制模块

        采用ATS52单片机作为整机的控制单元。红外线寻迹探头采用市面上通用的发射管与接收头，经过比较芯片LM339N调制处理后由控制系统接收。超声波测距模块对前方障碍物进行信号采集，送到单片机系统处理，同样包括红外遥控信号和测速脉冲信号。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足设计要求。

        3 自动寻迹模块

        寻迹是指小车在白色地板上循黑线行走。本系统采取的方法是红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同反射性质的特点，在小车行驶过程中不断向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光[2]。由此过程来改变接收管的输出电压，单片机以电压的变化为依据来控制小车电机以确定行走路线。

        图1 总体设计框架

        3.1 硬件设计

        3.1.1 LM339N芯片

        4路电压比较器集成电路LM339N的原理结构图如图2，其引脚功能如表1所示。

        利用集成型红外对管作为寻迹单元的传感器，其中红外线发射管发射红外线，红外线二极管进行接收。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，本方案也易于实现，比较可靠。

        当小车底部的某边红外线收发对管遇到黑带时，可以检测到输入电平为高电平，反之为低电平。结合单片机查询方式，通过程序控制小车哪边轮胎转动来改变方向。这样不断循环检测，并进行方向控制，使小车按黑线行走。

        六针接口处2～5脚分别对应4路红外线发射接收管，放置插针是为了更容易实现红外线管的放置。由于红外线接收光的变化可以让接收管上的电压发生变化，相当于可变电阻，这种特性为设计提供基本的保障。比较芯片LM339N可以根据接收管的电压和参考电压进行比较后输出相应电平。此图的比较接法为正接法，就是当红外线管遇到黑线时，反射减少，“+”端输入电压增加，这样正端口的输入电压大于负端口输入电压，则输出端输出电压为高电平，经上拉电阻RSL1、RSL2、RSL3和RSL4上拉后达到单片机有效接收电平。小车进入寻迹模式后，单片机即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判断处理程序。初始化时，先确保4个探测器都探测到了黑线，即小车在黑色跑道上，如果左面传感器（对应灯亮）探测到白线，即小车左半部分偏离黑色跑道，车身向左偏出，此时应使小车向右转；同理，如果右面传感器（对应灯亮）探测到了白线，即车身右半部压偏离黑色跑道，车身向右偏出，则应使小车向左转。在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑白线重复上述动作，实现方向控制，使其按照黑线行驶。

        图4 寻迹模块原理

        其中，R1～R8为限流电阻，防止红外线发生管因电流过大而烧坏；VB1～VB4组成的电路为参考电压电路，由于检测小车行驶的过程会因环境或黑线材料的改变使输出电压成为一个变化值，所以通过可变电阻来改变参考电压，使其能正常运行；同时RSL1、RSL2、RSL3和RSL4为上拉电阻，让输入单片机的电压达到高电平；发光二极管则能更直观地判断出各传感器所处状态。

        3.2 软件设计

        自动寻迹模块程序设计流程图如图5所示，四路寻迹的红外对管输出端连接到P1口的低四位，根据低四位高低电平的状态判断小车车身的位置，当低四位的值为1 110B、1 100B或1 000B时表示小车车身偏左，超出黑色跑道，则对应执行右转命令；当低四位的值为0 111B、0 011B或0 001时表示小车车身偏右，则对应执行左转命令；当低四位的值为1 111B时表示小车车身全部处于黑色跑道上，则执行前进命令；由于初始化时将小车置于黑色跑道上，当低四位的值为其它情况时，在小车正确寻迹时是不可能的。

        4 测试

        寻迹对管由4个组成，当4个对管都放置于黑线之外的白色地板上时，单片机对应I/O口收到的电平都为高，输入电压为4.2V左右，同时指示灯灭；当左边的红外线管进入白线范围，对应电平变低，为0.3V左右，同时对应的指示灯亮，说明要控制小车右转；当在右边时同左边情况对应，需控制左转。其中选取8次硬件测试记录如表2所示。

        由表2可以看出小车的寻迹红外线管只要放置在离地面40mm之内一般都可以实现信号输出，而实际车头离地面距离也只有20～40mm，可以实现有效控制。

        5 结语

        本文以ATS52单片机为控制核心，以集成型红外对管作为寻迹单元的传感器，单片机以电压的变化为依据来控制小车电机确定行走路线。经测试证明小车的反应速度快，控制效果好。

        参考文献参考文献：

        [1] 李亚巨，李战胜，熊碧涛，等.基于stm32f103zet6的智能小车的制作[J].电子制作，2013（19）：5253.

        [2] 安岩.自动循迹智能小车的设计[J].苏州科技学院学报，2010，23（1）：7275.

        责任编辑（责任编辑：黄 健）