張江林+++周揚+++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、比較電路和電機驅(qū)動電路。試驗樣機測試表明，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，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： TN964?34 文獻標(biāo)識碼： A 文章編號： 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)實驗場合均有應(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)計的軌跡不符。因此，本設(shè)計對其進行改進。本設(shè)計中的循跡小車素材來源于我校電氣工程及其自動化專業(yè)人才培養(yǎng)方案中集中性實踐教學(xué)環(huán)節(jié)《新能源產(chǎn)品設(shè)計與實現(xiàn)》模塊里的一級項目。項目要求設(shè)計制作太陽能循跡小車，并能實現(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。該項目任務(wù)是以CDIO理念為指導(dǎo)，融合構(gòu)思、設(shè)計與實現(xiàn)，完成新能源產(chǎn)品設(shè)計與實現(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弱條件下的阻值變化和LM393電壓比較器對小車的左右驅(qū)動輪的控制來實現(xiàn)小車的循跡驅(qū)動[2]，配合顯示電路來了解小車的狀態(tài)?；贚M393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

基于LM393電壓比較器控制的太陽能循跡小車的電路設(shè)計主要包括太陽能供電部分和小車循跡部分設(shè)計。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

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

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)極反接保護和電源欠壓保護等功能。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

小車循跡部分采用LM393電壓比較器作為整個循跡電路的控制中心。LM393是雙路電壓比較器集成電路，由兩個獨立的精密電壓比較器構(gòu)成，它的作用是比較兩個輸入電壓，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)域和黑色軌跡線時因為反光率不同光敏電阻的阻值會發(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，此時小車已跑偏；此時通過對小車的左輪或右輪的電機采取減速甚至停止，以使小車回到黑色軌跡上去，這樣循跡小車就以類似小S型的路線運行實現(xiàn)循跡功能。當(dāng)出現(xiàn)不平衡時（例如一側(cè)車輪壓在黑色軌跡線上）立即控制一側(cè)電機停轉(zhuǎn)，另一側(cè)電機加速旋轉(zhuǎn)，從而使小車修正方向，恢復(fù)到正確的方向上，整個過程是一個閉環(huán)控制，因此能快速靈敏地控制循跡小車運動。同時光敏電阻能夠檢測外界光線強弱，外界光線越強光敏電阻阻值越小，外界光線越弱阻值越大，便于后續(xù)電路進行控制[5]。本循跡小車左右輪驅(qū)動采用帶減速齒輪的直流電機，直流電機驅(qū)動小車必須要減速，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直流電機啟動，從而驅(qū)動小車兩側(cè)的車輪組件轉(zhuǎn)動，使小車開始沿著設(shè)計的軌跡（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的反光率不同，并且光敏電阻能夠檢測外界光線強弱，外界光線越強光敏電阻阻值越小，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因為反光率不同，光敏電阻的阻值會發(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，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正在偏向于哪一側(cè)，當(dāng)出現(xiàn)不平衡時（例如小車一側(cè)壓到白色區(qū)域）立即控制一側(cè)直流電機停轉(zhuǎn)，另一側(cè)直流電機則加速旋轉(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。實測時，可以看到小車的左右驅(qū)動輪輪流快速轉(zhuǎn)動、停止將小車向前驅(qū)動；有個跑偏、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。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計的太陽能循跡小車，通過測試成功實現(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，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， 其中采用非單片機控制是本循跡小車一個特色。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

[1] 姚培，張李堅，周晶香.基于單片機控制的智能循跡避障小車[J].機電信息，2010（12）：192?193.

[2] 徐清.自動導(dǎo)引小車系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].蘇州：蘇州大學(xué)，2006.

[3] 楊海波，陳爽，祁丹萍，等.高速無偏小車系統(tǒng)的設(shè)計[J].浙江樹人大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2013（2）：1?4.

[4] 徐昌華.高可靠小車紅外光循跡設(shè)計原則[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2013，36（23）：158?160.

[5] 徐航，李輝.基于AT89C52的智能循跡小車設(shè)計[J].電子世界，2013（13）：145?146.

[6] 張國強，白明雄，康琦，等.基于MSP430單片機的智能壓路小車設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2014，37（22）：98?100.endprint