基于紅外反射式光電傳感器的智能循跡小車

摘要：介紹了一種智能尋跡小車的設計與實現。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，通過紅外傳感器檢測路面信息，單片機獲取路面信息后，進行分析、處理，最后控制步進電機調節轉向和轉速。實驗表明：該系統抗干擾能力強、電路結構簡單，能夠準確實現小車沿給定的黑線快速、平穩行駛。
關鍵詞：AT89C52；反射式光電對管(RPR220)；步進電機

智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是未來汽車發展的趨勢。尋跡小車可以看作是縮小化的智能汽車，它實現的基本功能是沿著指定軌道自動尋跡行駛。目前很多尋跡小車的路徑識別方案使用CCD來實現，其優點是控制精細，前瞻距離遠。但傳感器CCD價格較高、體積較大、數據處理復雜，因此在按既定路線行走的自尋跡小車設計中，反射式光電傳感器以其體積小、價格低、數據處理方便顯得更有優勢。
本文所述的智能尋跡小車采用紅外光電傳感器來識別道路中央的黑色引導線，通過單片機來控制步進電機調節轉向和轉速，從而實現小車快速穩定的尋跡行駛。為保證小車在行駛的過程中具有良好的操縱穩定性和平順性，本文針對道路特點對小車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 智能小車尋跡原理
在智能車系統中，尋跡電路采用紅外光電傳感器進行檢測并且尋跡運動。紅外發射管發射的紅外線具有一定的方向性，當紅外線照射到白色地面時會有較大的反射，如果距離取值合適，紅外接收管接收到反射回的紅外線強度就較大；如果紅外線照射到黑色標志線，黑色標志線會吸收大部分紅外光，紅外接收管接收到紅外線強度就很弱。尋跡時，引導線是黑顏色，不宜反光，當紅外發射管輸出信號照射到黑色引導線上時輸出一個非常微弱的低電平，這個過程是一個負跳變過程，通過對此信號高低電平的檢測就可以知道小車是正在沿著引導線行駛，若不是沿著引導線行駛，單片機根據傳感器送回的信號可以判斷并驅動電機正確轉向，從而使小車沿著正確的軌道行駛。本系統在小車的前部朝地面方向安裝了3個紅外對管，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
智能小車由車架、電源、光電傳感器、驅動電機和主控制系統等組成，如圖1所示。智能車的工作過程是：3個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，單片機進行分析，通過控制算法對驅動系統發出控制命令，驅動2個步進電機，使小車沿指定的黑線前進。

智能車的主控制器采用美國ATMEL公司生產的AT89C52。系統I／O口的具體分配如下：P2．0—P2．2共3位，用于小車前面路徑識別的輸入口；P1．0一P1．2用于驅動電路L297的半步／整步、正轉／反轉和剎停控制信號輸出；P3．1用于驅動電路的時鐘信號輸出。

2 路面黑線檢測電路
2．1 黑線檢測電路
黑線檢測電路共有3種方案，分別是圖2的(a)、(b)、(c)3個圖。圖2(a)中：RPR220光電傳感器應用時，理想的工作狀態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，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，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題，即實驗數據表明：只有距離為6 mm時，效果很好，但距離稍有波動，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非門再接到單片機。經過測試得到：此電路應用時，光電管距反射面的距離調節范圍比較大，能夠滿足系統的要求。