基于LM393控制的太陽能循跡小車設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張江林+++周揚(yáng)+++鄧昌建+丁正東

摘 要： 現(xiàn)有的循跡小車一般采用的是紅外反射方式反饋小車的行駛軌跡，控制電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，且成本較高，在小車行駛軌跡一定程度上容易出現(xiàn)偏差。采用LM393電壓比較器設(shè)計(jì)的能在特定跑道上循跡行駛的輪式智能小車，該循跡小車主要包括太陽能供電部分和循跡控制部分?？刂齐娐凡糠种饕ㄐ铍姵?、開關(guān)、第一和第二光敏感應(yīng)電路、直流電機(jī)、比較電路和電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。試驗(yàn)樣機(jī)測試表明，以LM393電壓比較器為核心控制的循跡小車具有控制精度高、起?？斓忍攸c(diǎn)，解決了循跡小車的控制電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、行駛軌跡偏差較大的問題。

關(guān)鍵詞： LM393； 循跡小車； 太陽能； 電壓比較器

中圖分類號(hào)： TN964?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）10?0121?03

循跡小車是一種可以沿著預(yù)設(shè)的軌跡路線行駛的小車，在許多教學(xué)實(shí)驗(yàn)場合均有應(yīng)用。而在循跡小車行駛的過程中，如何讓小車能夠準(zhǔn)確地沿著軌跡線路行駛而不出現(xiàn)較大的偏差，是應(yīng)用循跡小車的根本。然而，現(xiàn)有的循跡小車，由于其一般采用的是紅外反射方式反饋小車的行駛軌跡，控制電路結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，并且紅外反射易受影響，因而不僅成本較高，而且小車行駛軌跡容易出現(xiàn)偏差，與設(shè)計(jì)的軌跡不符。因此，本設(shè)計(jì)對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)。本設(shè)計(jì)中的循跡小車素材來源于我校電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)人才培養(yǎng)方案中集中性實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)《新能源產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)》模塊里的一級(jí)項(xiàng)目。項(xiàng)目要求設(shè)計(jì)制作太陽能循跡小車，并能實(shí)現(xiàn)小車循跡行駛；能夠采用太陽能以及蓄電池供電，最后以太陽能循跡小車成品形式展示。該項(xiàng)目任務(wù)是以CDIO理念為指導(dǎo)，融合構(gòu)思、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，完成新能源產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的全過程[1]。

1 小車循跡原理

采用LM393電壓比較器作為循跡小車的主控芯片。利用光敏電阻在光線強(qiáng)弱條件下的阻值變化和LM393電壓比較器對(duì)小車的左右驅(qū)動(dòng)輪的控制來實(shí)現(xiàn)小車的循跡驅(qū)動(dòng)[2]，配合顯示電路來了解小車的狀態(tài)。基于LM393電壓比較器的太陽能循跡小車的原理框圖如圖1所示。

2 電路設(shè)計(jì)

基于LM393電壓比較器控制的太陽能循跡小車的電路設(shè)計(jì)主要包括太陽能供電部分和小車循跡部分設(shè)計(jì)。該循跡小車主要部件包括電池盒，通過雙面膠粘貼在該電池盒底部的控制電路板，以及安裝在該控制電路板兩側(cè)的車輪組件和安裝在電池盒上方的太陽能電池板。

圖1 小車循跡原理框圖

2.1 太陽能供電部分設(shè)計(jì)

太陽能循跡小車采用蓄電池供電、儲(chǔ)電。太陽能電池板為蓄電池提供電源，即先對(duì)小車內(nèi)部蓄電池進(jìn)行充電，等蓄電池有足夠電能輸出需要電壓時(shí)，才能在蓄電池輸出端輸出需要的電壓，以驅(qū)動(dòng)循跡小車。

充電部分采用上海霖葉電子有限公司生產(chǎn)的單節(jié)鋰電池充電管理芯片TP4057。輸入電壓為4～9 V，典型值為5 V，可改變TP4057的6腳電阻來控制充電電流，調(diào)節(jié)范圍為100 ～ 500 mA，截止充電電壓[3]為4.2 V。具體原理圖如圖2所示。

該充電電路具有外圍簡單，無須外接開關(guān)管，具有充電指示和充滿指示、防電池反接正負(fù)極反接保護(hù)和電源欠壓保護(hù)等功能。該電路除了可以采用太陽能電池板供電外，還可以采用USB電源和適配器電源工作。TP4057的SOT封裝與較少的外部元件數(shù)目使得其適合在本循跡小車中應(yīng)用。

圖2 充電電路原理圖

2.2 小車循跡部分設(shè)計(jì)

小車循跡部分采用LM393電壓比較器作為整個(gè)循跡電路的控制中心。LM393是雙路電壓比較器集成電路，由兩個(gè)獨(dú)立的精密電壓比較器構(gòu)成，它的作用是比較兩個(gè)輸入電壓，根據(jù)兩路輸入電壓的高低改變輸出電壓的高低[4]。采用LM393電壓比較器作為循跡控制電路的原理圖如圖3所示。

本小車選用紅色LED燈做光源，光源照射到白色物體和黑色（小車預(yù)定的軌跡線為黑色）物體上時(shí)的反光率是不同的。光通過地面反射到光敏電阻上，當(dāng)紅色LED光投射到白色區(qū)域和黑色軌跡線時(shí)因?yàn)榉垂饴什煌饷綦娮璧淖柚禃?huì)發(fā)生明顯區(qū)別；通過檢測光敏電阻阻值變化能判斷小車是否行駛在黑色軌跡線上。

如果光敏電阻的阻值發(fā)生改變，說明檢測到白色區(qū)域，此時(shí)小車已跑偏；此時(shí)通過對(duì)小車的左輪或右輪的電機(jī)采取減速甚至停止，以使小車回到黑色軌跡上去，這樣循跡小車就以類似小S型的路線運(yùn)行實(shí)現(xiàn)循跡功能。當(dāng)出現(xiàn)不平衡時(shí)（例如一側(cè)車輪壓在黑色軌跡線上）立即控制一側(cè)電機(jī)停轉(zhuǎn)，另一側(cè)電機(jī)加速旋轉(zhuǎn)，從而使小車修正方向，恢復(fù)到正確的方向上，整個(gè)過程是一個(gè)閉環(huán)控制，因此能快速靈敏地控制循跡小車運(yùn)動(dòng)。同時(shí)光敏電阻能夠檢測外界光線強(qiáng)弱，外界光線越強(qiáng)光敏電阻阻值越小，外界光線越弱阻值越大，便于后續(xù)電路進(jìn)行控制[5]。本循跡小車左右輪驅(qū)動(dòng)采用帶減速齒輪的直流電機(jī)，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車必須要減速，否則轉(zhuǎn)速過高的話小車跑得太快根本也來不及控制，而且未經(jīng)減速的話轉(zhuǎn)矩太小甚至跑不起來，本循跡小車采用的電機(jī)已經(jīng)集成了減速齒輪大大降低了制作調(diào)試難度。圖4為基于LM393控制的太陽能循跡小車的成品照片。

采用LM393電壓比較器作控制器電路與采用單片機(jī)作控制電路相比，由LM393電壓比較器組成的控制電路結(jié)構(gòu)更簡單，方便組裝和調(diào)試，成本也更低廉。

3 測 試

首先，將小車放在黑色軌跡線白色背景測試場上（黑色跑道為小車預(yù)設(shè)行駛軌跡），并打開開關(guān)S1，S2，太陽能電池板（或蓄電池）提供電能，使電壓比較器控制兩個(gè)直流電機(jī)啟動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)小車兩側(cè)的車輪組件轉(zhuǎn)動(dòng)，使小車開始沿著設(shè)計(jì)的軌跡（黑色跑道）行駛。

圖4 成品照片圖

在小車行駛的過程中，位于小車的左右兩側(cè)發(fā)光二級(jí)管D2，D3均發(fā)出紅色光源，由于光源照射到黑色跑道和白色跑道上時(shí)的反光率不同，并且光敏電阻能夠檢測外界光線強(qiáng)弱，外界光線越強(qiáng)光敏電阻阻值越小，外界光線越弱阻值越大，因此，當(dāng)紅色LED光投射到黑色跑道和白色跑道時(shí)因?yàn)榉垂饴什煌?，光敏電阻的阻值?huì)發(fā)生明顯區(qū)別。

當(dāng)光源通過跑道反射到光敏電阻R14和R15上時(shí)，比較器根據(jù)兩邊光敏電阻阻值的變化，便可以判斷小車是行駛在黑色軌跡線上，還是行駛在白色區(qū)域上，并且通過左右兩側(cè)的二極管和光敏電阻還可以判斷小車此時(shí)正在偏向于哪一側(cè)，當(dāng)出現(xiàn)不平衡時(shí)（例如小車一側(cè)壓到白色區(qū)域）立即控制一側(cè)直流電機(jī)停轉(zhuǎn)，另一側(cè)直流電機(jī)則加速旋轉(zhuǎn)，從而使小車修正行駛方向，并恢復(fù)到正確的行駛方向（黑色軌跡線）上。實(shí)測時(shí)，可以看到小車的左右驅(qū)動(dòng)輪輪流快速轉(zhuǎn)動(dòng)、停止將小車向前驅(qū)動(dòng)；有個(gè)跑偏、矯正，再跑偏，再矯正的過程；但總是沿著既定的黑色軌跡前進(jìn)。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的太陽能循跡小車，通過測試成功實(shí)現(xiàn)了小車循跡行駛；能夠采用太陽能以及蓄電池供電，并且穩(wěn)定性和抗干擾能力強(qiáng)，控制精度高、起?？?；解決了循跡小車控制電路復(fù)雜、行駛軌跡偏差較大的問題。僅采用LM393電壓比較器作控制器電路，方便組裝和調(diào)試，成本也更低廉， 其中采用非單片機(jī)控制是本循跡小車一個(gè)特色。綜上所述，基于LM393控制的太陽能循跡小車適用于科技創(chuàng)新和科技推廣。

參考文獻(xiàn)

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