基于單片機(jī)和多種傳感技術(shù)的智能玩具電動(dòng)車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：文章設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)為核心，采用位置反饋傳感器、紅外對(duì)射、反射傳感器、光敏傳感器以及金屬探測(cè)傳感器等多種傳感技術(shù)的智能玩具電動(dòng)車。采用了簡(jiǎn)單的人工智能技術(shù)，使用模糊控制方案，完成了自動(dòng)尋跡等功能。

關(guān)鍵詞：智能玩具電動(dòng)車；單片機(jī)；傳感技術(shù)

1 概述

文章在普通玩具電動(dòng)車的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，采用雙直流電機(jī)分別完成轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)控制的功能，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了以單片機(jī)為核心，利用位置反饋傳感器、紅外對(duì)射、反射傳感器、光敏傳感器以及金屬探測(cè)傳感器等多種傳感技術(shù)，使用簡(jiǎn)單的人工智能技術(shù)和模糊控制方案，完成自動(dòng)尋跡，變速行駛，姿態(tài)調(diào)整，多檔方向控制，正向逆向行駛，狀態(tài)記憶，彎道尋跡運(yùn)行，繞過障礙物行駛，準(zhǔn)確進(jìn)入車庫并停車，實(shí)時(shí)探測(cè)金屬薄片存儲(chǔ)相關(guān)信息并發(fā)出聲光信號(hào)，以及測(cè)量全程時(shí)間等多個(gè)智能化功能。

借鑒了車輛制動(dòng)裝置ABS（自動(dòng)防抱死）功能，將整個(gè)剎車過程分割為幾個(gè)子過程，有效防止了輪胎打滑。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

整個(gè)智能玩具電動(dòng)車系統(tǒng)完成從外部環(huán)境獲取信息，并把所獲取的信息轉(zhuǎn)換成單片機(jī)能夠識(shí)別的有效信號(hào)，然后單片機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)雙直流電機(jī)和顯示部分進(jìn)行控制，再轉(zhuǎn)化為智能玩具電動(dòng)車的具體行為，整個(gè)過程運(yùn)用了簡(jiǎn)單的人工智能技術(shù)。

2.1 電機(jī)部分

采用普通玩具電動(dòng)車上自帶的雙直流電機(jī)分別負(fù)責(zé)智能玩具電動(dòng)車的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的功能，依據(jù)外圍紅外反射傳感器所采集到的信息可以補(bǔ)足直流電機(jī)定位不準(zhǔn)的缺點(diǎn)，同時(shí)紅外反射傳感器的使用還能實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的尋跡行駛，用較好的控制算法及特色硬件來提高智能玩具電動(dòng)車的整體性能，具有很高的性能/價(jià)格比。

2.2 電機(jī)控制部分

采用簡(jiǎn)單的門電路構(gòu)成譯碼電路，使用89C52單片機(jī)[1]直接控制雙直流電機(jī)。單片機(jī)用位控技術(shù)完成其他控制功能。雖然這樣占用了單片機(jī)很多資源，但是對(duì)于能源要求很高的本系統(tǒng)來說，這在很大程度上保證了系統(tǒng)的正常工作，而且能大幅度節(jié)省能源。避免了大量使用繼電器所消耗能源過大的缺點(diǎn)。提高了智能玩具電動(dòng)車的使用時(shí)間，達(dá)到節(jié)能的目的。

2.3 顯示部分

采用液晶顯示板來完成顯示的功能。液晶與數(shù)碼管相比有諸多優(yōu)點(diǎn)，如消耗電能特別小、能顯示多行漢字等。

2.4 探測(cè)及繞開障礙物檢測(cè)

為提高探測(cè)信號(hào)準(zhǔn)確性和抗干擾性，設(shè)計(jì)采用了光敏傳感器，直接根據(jù)誘導(dǎo)光源的信號(hào)進(jìn)行判斷。光敏傳感器擁有很高的靈敏度，為了抗干擾還可以把光敏傳感器預(yù)先進(jìn)行特殊處理，采用多光敏傳感器結(jié)構(gòu)。

2.5 電源部分

設(shè)計(jì)采用了雙電源供電，將直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與芯片和傳感器的電源完全隔離。既可以保證芯片正常工作，也足以滿足為多種傳感器供電的目的。

3 設(shè)計(jì)原理分析

3.1 按引導(dǎo)線行駛

根據(jù)不同位置紅外反射傳感器采集到場(chǎng)地的信號(hào)，單片機(jī)控制智能玩具電動(dòng)車前輪的轉(zhuǎn)向，以達(dá)到尋跡的目的。尋跡行駛過程中使用增量控制方案。為了防止智能玩具電動(dòng)車在拐彎的過程中偏離軌道的程度太大，本系統(tǒng)采用一定步進(jìn)的增量調(diào)節(jié)速度方式。單片機(jī)便能依據(jù)這些信號(hào)對(duì)智能玩具電動(dòng)車的姿態(tài)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。再加上智能玩具電動(dòng)車的前輪具有方向鎖死的功能，這樣，在紅外反射傳感器和前輪位置反饋傳感器探測(cè)到的信息和單片機(jī)控制的有機(jī)結(jié)合之下，智能玩具電動(dòng)車按照引導(dǎo)線行走的穩(wěn)定性和可靠性得到了很大的保障。

3.2 正逆向行駛

集成功率芯片L293B的內(nèi)部結(jié)構(gòu)是一個(gè)橋式電路，使用L293B驅(qū)動(dòng)后輪電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。

3.3 脈寬調(diào)制調(diào)節(jié)速度

可以通過調(diào)節(jié)電阻和電容的大小改變振蕩電路的周期。利用可控電位計(jì)X9312的變阻功能，實(shí)現(xiàn)定頻調(diào)制脈寬。電機(jī)速度由不同占空比的PWM[3]信號(hào)來調(diào)節(jié)。

3.4 光誘導(dǎo)行駛

經(jīng)特殊改制的光敏傳感器接受到200W白熾燈發(fā)出的強(qiáng)光時(shí)，智能玩具電動(dòng)車在強(qiáng)光源的引導(dǎo)之下向前行駛。智能玩具電動(dòng)車前頭三個(gè)光敏傳感器呈扇形分布，中間光管與兩邊光管的夾角都為60度，接收光管都經(jīng)過了加導(dǎo)光管等一些特殊處理，三個(gè)接收管采集到光源信號(hào)會(huì)給出光源的具體方向參數(shù)，這就為智能玩具電動(dòng)車的正確轉(zhuǎn)向提供了可靠的保證。

4 傳感器

傳感器[3]是必不可少的信號(hào)接收和發(fā)射裝置，它們負(fù)責(zé)采集所有外部環(huán)境的各種信息，基本上智能玩具電動(dòng)車的每一個(gè)動(dòng)作和每一個(gè)姿態(tài)都和傳感器有著密切的關(guān)系。

4.1光敏傳感器

亦稱光電傳感器，它是一種能量轉(zhuǎn)換器件，是利用各種手段將光能量變換成相應(yīng)的電信號(hào)的器件，即把入射電磁輻射能量轉(zhuǎn)換成電能，然后通過對(duì)電能信號(hào)的測(cè)量了解輻射源的大體性質(zhì)（在本系統(tǒng)中，主要為光源位置）。

4.2 紅外反射傳感器

車前輪處的三個(gè)橫向排列的紅外反射傳感器是用來探測(cè)引導(dǎo)線的，兩個(gè)相鄰傳感器之間有一定的距離，當(dāng)路面信息改變時(shí)，左中右三個(gè)傳感器將反饋回不同的信息。

4.3 金屬探測(cè)傳感器

該部分是利用渦流原理來解決的。當(dāng)探測(cè)器遇到金屬薄片時(shí)，振蕩電路的頻率將產(chǎn)生相應(yīng)的改變，以示出金屬物體（鐵片）被檢測(cè)到。

4.4 紅外對(duì)射傳感器

后輪處紅外對(duì)射傳感器是用來測(cè)量智能玩具電動(dòng)車行駛速度的傳感器。該傳感器的對(duì)射口與小車后輪電機(jī)的一個(gè)碼盤成90度，該碼盤的齒寬足以擋住對(duì)射口，當(dāng)碼盤隨車軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，紅外對(duì)射管就會(huì)測(cè)到不連續(xù)的信號(hào)。

5 結(jié)束語

文章設(shè)計(jì)的智能玩具電動(dòng)車，實(shí)現(xiàn)了在尋跡的過程中完全達(dá)到了不脫離引導(dǎo)線的良好效果。

參考文獻(xiàn)

[1]沈德金，陳粵初，等.MCS-51系列單片機(jī)接口電路與應(yīng)用程序?qū)嵗齕M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，1991，4.

[2]Howard M. Berlin，Guide to CMOS Basics， Circuits & Experiments Howard M.Berlin，Ltd.

[3]蘇鐵力，等.傳感器及其接口技術(shù)[M].北京：中國(guó)石化出版社，2000.

作者簡(jiǎn)介：齊楠，工程師，畢業(yè)于浙江大學(xué)信息學(xué)部控制科學(xué)與工程系控制理論與控制工程專業(yè)，碩士研究生?，F(xiàn)就職于遼寧省產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院，主要從事電子電氣產(chǎn)品的檢測(cè)與研究。