智能小車多功能傳感器模塊的設(shè)計(jì)

摘要：近年來，智能車的題目在各種電子競(jìng)賽中屢見不鮮。但無論要完成怎樣的艱巨任務(wù)，一些基本功能還是要具備的。如尋跡輔助、行程檢測(cè)和避障。經(jīng)過幾次大賽的總結(jié)，將上述三項(xiàng)功能結(jié)合在一起，設(shè)計(jì)了一款多能的傳感器模塊。
關(guān)鍵詞：智能小車；尋跡；避障；傳感器

智能車是行動(dòng)模式最簡(jiǎn)單的機(jī)器人之一。在軍事、救援、生產(chǎn)、生活中都有廣泛的應(yīng)用。更是受到眾多電子類競(jìng)賽的青睞。如全國(guó)大學(xué)生電子競(jìng)賽、飛思卡爾智能車大賽等。比賽中的思路及創(chuàng)新對(duì)實(shí)際應(yīng)用的發(fā)展也起著重要作用。

1 方案論證
在競(jìng)賽中，我們用過幾種尋跡傳感器的方案。但各有優(yōu)劣。
方案1：采用555集成芯片，組成觸發(fā)器電路。TCRT5000光電傳感器采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成一定電壓，經(jīng)觸發(fā)器轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)的電平輸入。這樣單片機(jī)不會(huì)造成邏輯混亂。此方案優(yōu)點(diǎn)是抗干擾能力強(qiáng)。但由于每個(gè)光電對(duì)管要配一組555電路。所以成本非常高，并且也給PCB布板增加了難度。
方案2：采用集成運(yùn)放構(gòu)成電壓比較器，同樣將光電傳感器采集到的信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)供單片機(jī)處理。此方案與方案1比較成本有所降低。但由于集成運(yùn)放芯片大多只包含二到四個(gè)內(nèi)部放大器。對(duì)于需要多個(gè)光電傳感器的尋跡受到了限制。
方案3：采用最簡(jiǎn)單的三極管開關(guān)電路構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路。此方案成本最低，擴(kuò)展方便。而且此電路可以用引線連接不同的光電傳感器，將智能車要完成的其它功能結(jié)合在一起。
比較后，本設(shè)計(jì)選取方案3構(gòu)成一款多功能的傳感器模塊。

2 原理設(shè)計(jì)
在小車中應(yīng)用的傳感器，無論是尋跡、檢測(cè)路程還是避障都可以應(yīng)用紅外線實(shí)現(xiàn)。只是應(yīng)用的傳感器形狀和原理略有不同。尋跡和避障要用反射式。而檢測(cè)路程要用直接接收式。我們可以用U形槽狀的光電傳感器。令傳動(dòng)齒輪通過凹槽，齒輪上開一孔。每當(dāng)該孔通過槽體，槽體一側(cè)發(fā)射管的紅外線將無阻擋地射到接收管上，產(chǎn)生一脈沖信號(hào)。根據(jù)產(chǎn)生信號(hào)的次數(shù)，還有齒輪一周與車行進(jìn)路程的關(guān)系，便可用程序計(jì)算出小車行駛的路程。
幾種傳感器雖接通方式不同，但它們接收到信號(hào)后，都要經(jīng)過同樣的處理過程。那就是把一個(gè)變化的不穩(wěn)的電壓轉(zhuǎn)換成一相對(duì)穩(wěn)定的電平信號(hào)。正因如此，我們可以把這三種傳感器的處理電路做在同一塊板上，此塊板主要作尋跡模塊，尋跡用的光電傳感器都可布在上面。檢測(cè)路程和避障則可留出插針，用杜邦線連接，置于任何位置。功能框圖如下：

3 電路設(shè)計(jì)
具體電路設(shè)計(jì)見圖2。以圖左半部分為例，當(dāng)TCRT5000下面無黑線時(shí)，紅外線能正常反射，接收管可以接收到信號(hào)并導(dǎo)通，此時(shí)NPN三極管導(dǎo)通，指示燈亮并向單片機(jī)提供高電平。反之當(dāng)光電傳感器下面有黑線時(shí)，NPN三極管關(guān)斷，單片機(jī)得到低電平信號(hào)。通過調(diào)節(jié)102的可調(diào)電阻，可以調(diào)整發(fā)射強(qiáng)度，下面100Ω電阻作為防燒毀的限流電阻。這是一張簡(jiǎn)化的原理圖，圖中左半部的電路同樣可以視需要的尋跡器個(gè)數(shù)擴(kuò)展任意多個(gè)。本設(shè)計(jì)用五只TRCT5000來尋跡，對(duì)應(yīng)輸給單片機(jī)插口的7-3號(hào)腳，這樣可分別接避障模塊和路程檢測(cè)模塊。

圖3為單面布板參考圖。

4 注意事項(xiàng)
調(diào)節(jié)可調(diào)電阻可以改變發(fā)射強(qiáng)度，使得傳感器在一定高度時(shí)也可以得到反射信號(hào)。曾經(jīng)試過在某一個(gè)高度時(shí)有的指示燈亮，有的指示的不亮。由于光電傳感器的個(gè)體差異導(dǎo)致這樣的情況是可能的。調(diào)節(jié)電阻使指示燈發(fā)光即可。另外這類傳感器模塊加裝指示燈是十分必要的。這樣既可以顯示出當(dāng)前黑線的位置狀態(tài)，又可以在反射面比較差的條件下了解是不是有個(gè)別傳感器不起作用。
另外，在使用該模塊的時(shí)候除了注意傳感器距離反射面的高度，還要注意模塊中光電傳感器的排列樣式。本設(shè)計(jì)采用一字型。也有采用菱形、M字形的。根據(jù)具體賽道加以分析。
反射面的形態(tài)對(duì)這類傳感器絕對(duì)是個(gè)大的考驗(yàn)。曾經(jīng)有這樣的慘痛經(jīng)歷：智能車在制作和調(diào)試的過程中，都是在地磚上粘上黑色膠帶來完成的，結(jié)果測(cè)試時(shí)場(chǎng)地是白紙粘上膠帶，這樣造成了小車一些傳感器的不適應(yīng)，導(dǎo)致測(cè)試失敗。所以在制作階段就要按組委會(huì)標(biāo)準(zhǔn)仿制場(chǎng)地。

5 結(jié)束語
智能車在電子競(jìng)賽中的意義不僅在于它的精彩紛呈，競(jìng)賽的思路和方案更可以用于生產(chǎn)和生活中。如一些管道機(jī)器人、救援機(jī)器人、圖書館或辦公室資料自動(dòng)運(yùn)送車等。因此，比賽中的經(jīng)驗(yàn)值得總結(jié)并加以應(yīng)用。本設(shè)計(jì)就是比較了幾次參賽方案后所選，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。