代勝歌，趙書朵，袁杰敏

（ 西南石油大學(xué) 信息學(xué)院，四川 南充 637000 ）

0 引言

智能小車是移動機(jī)器人領(lǐng)域的一個重要分支，它的研究始于60年代末期。從上世紀(jì)70年代開始，歐美發(fā)達(dá)國家就已開始將智能小車運(yùn)用在軍事領(lǐng)域、交通運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域。我國對智能小車的研究從“七五”計(jì)劃開始起步，也已取得一定成績。光伏產(chǎn)業(yè)也在國家的大力支持下迅速發(fā)展起來，太陽能成為不可或缺的清潔能源。本文設(shè)計(jì)一種多功能太陽能充電小車，通過光電轉(zhuǎn)化，實(shí)現(xiàn)小車邊充電邊行駛功能。

1 總體方案

多功能太陽能充電小車的系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要分為硬件設(shè)計(jì)和軟件控制兩大部分。其中，硬件設(shè)施包括六大模塊[1]，分別是：單片機(jī)控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、紅外循跡模塊、超聲波避障模塊、顯示模塊、太陽能充電電源模塊。軟件控制采用C語言程序，通過Keil軟件編譯，控制小車實(shí)現(xiàn)各模塊賦予的功能。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)是控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在整個系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，起著不可或缺的作用。模塊化設(shè)計(jì)可使整個硬件部分設(shè)計(jì)清晰明了，減少錯誤狀況發(fā)生概率。

2.1 控制模塊

主控制模塊采用STC89C51單片機(jī)，操作簡單易于上手且成本較低，任何器件只要打開適配寄存器，即可進(jìn)行相應(yīng)程序編譯。本次設(shè)計(jì)通過預(yù)先在STC89C51單片機(jī)中編譯相應(yīng)程序操控小車行駛，進(jìn)而達(dá)到對小車的控制。

2.2 電機(jī)驅(qū)動模塊

智能小車采用2臺直流電機(jī)驅(qū)動，由于51單片機(jī)的額定電壓為3.3V或5V，當(dāng)引腳輸出高電平時，信號較弱，以此直接驅(qū)動電機(jī)較為困難。綜合考慮還需增設(shè)電機(jī)驅(qū)動芯片，促使主控芯片更好地驅(qū)動電機(jī)，完成相應(yīng)功能。本次設(shè)計(jì)中，電機(jī)驅(qū)動芯片選用L298N，通過PWM（脈沖寬度調(diào)制）調(diào)制電機(jī)轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動芯片輸出電流大、工作電壓高、性能穩(wěn)定。

2.3 紅外循跡模塊

設(shè)計(jì)選用抗干擾能力強(qiáng)的紅外傳感器TCRT5000作為紅外循跡模塊[2]。其檢測原理：不同顏色對紅外光的反射率不同，黑色在所有顏色中對紅外光的反射率最小，而白色相反，對紅外光的反射能力最強(qiáng)。接通電源后，紅外傳感器自動發(fā)出的紅外線接觸地面產(chǎn)生反射，在接收返回后輸出低電平信號，此時綠色指示燈被點(diǎn)亮；紅外線接觸黑色軌跡時被吸收，紅外傳感器未接收返回的紅外線時則輸出高電平信號，綠色指示燈不被點(diǎn)亮，以此實(shí)現(xiàn)小車在黑色軌跡上自動循跡。為保證小車循跡更加準(zhǔn)確穩(wěn)定，將4路紅外傳感器安裝在小車底部前沿。紅外傳感器原理圖如圖2所示。

圖2 紅外傳感器原理圖

2.4 超聲波避障模塊

智能小車避障方式通常采用超聲波避障和紅外線避障。本次設(shè)計(jì)，小車基于HC-SR04超聲波傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能。

超聲波既是聲波的一種，頻率高，方向性好、穿透能力強(qiáng)[3]，可進(jìn)行超聲波測距、探傷等，在醫(yī)學(xué)上還可用于手術(shù)治療過程。基于蝙蝠在夜晚捕食所使用的回聲定位原理，當(dāng)超聲波遇到障礙物時發(fā)生反彈，進(jìn)而進(jìn)行測距，計(jì)算出與障礙物之間的實(shí)際距離。

HC-SR04超聲波傳感器共有4個引腳，分 別 為：VCC、TRIG、ECHO和GND。將TRIG、ECHO引腳與單片機(jī)連接，接通電源后，當(dāng)單片機(jī)輸出一個高電平作為觸發(fā)信號傳入TRIG引腳時，超聲波傳感器被啟動，發(fā)射超聲波。超聲波在探測范圍內(nèi)接觸障礙物即刻返回，接收器接收返回的超聲波后，ECHO引腳產(chǎn)生一個高電平回應(yīng)信號，此高電平信號輸出時間長短與檢測距離呈正比。由于ECHO引腳已與單片機(jī)相連接，因此，可通過單片機(jī)內(nèi)部定時器記錄ECHO引腳高電平時間，依據(jù)超聲波在空氣中傳播速度為340m/s，可快速計(jì)算小車與障礙物之間的距離，即測試距離=(高電平時間)×聲速/2。

2.5 太陽能充電電源模塊

本次設(shè)計(jì)中，電源模塊由太陽能板和12V鋰電池構(gòu)成。太陽能板的發(fā)電原理：太陽光照射在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，形成新的電子空穴對，在p-n結(jié)電場的作用下，空穴由n區(qū)流向p區(qū)，電子由p區(qū)流向n區(qū)，接通電路后形成電流。太陽能板經(jīng)太陽光照射后，轉(zhuǎn)換效率不高，通常為18%~22%，且電流欠穩(wěn)定，因此設(shè)計(jì)升壓穩(wěn)壓電路，促進(jìn)電流穩(wěn)定輸出的同時提高電壓，更好地為電池充電。此外，引入發(fā)光二極管，作為太陽能充電提示燈，太陽能板為電池充電時，發(fā)光二極管點(diǎn)亮，反之，發(fā)光二極管熄滅。太陽能充電電路原理圖如圖3所示。小車各模塊元器件額定電壓為5V左右，選用LM2596S芯片，對電源進(jìn)行降壓，以便其他元器件保持正常工作。

圖3 太陽能充電電路原理圖

3 軟件控制

小車采用閉環(huán)控制方法，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性和控制精度，縮短響應(yīng)時間。同時，采用模塊化思想[4]，包括電機(jī)驅(qū)動部分、紅外循跡部分和超聲波測距避障部分。

3.1 電機(jī)驅(qū)動部分

單片機(jī)輸出PWM控制L298N芯片對兩個直流電機(jī)進(jìn)行調(diào)速，從而實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)后退、轉(zhuǎn)向變速功能。PWM通過改變高低電平在一個周期內(nèi)的時間調(diào)節(jié)占空比，高電平時間越長，其占空比越大，平均電壓越大。直流電機(jī)轉(zhuǎn)速的快慢根據(jù)平均電壓的高低決定，平均電壓越大，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速越快。反之，平均電壓越小，電機(jī)轉(zhuǎn)速越慢。因此，單片機(jī)基于該原理調(diào)制兩個直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速。左、右電機(jī)與單片機(jī)的接法相同，電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及停止程序流程圖如圖4所示。

圖4 電機(jī)正反轉(zhuǎn)以及停止程序流程圖

3.2 紅外循跡部分

根據(jù)上述方案的選擇，設(shè)計(jì)最終采用4個TCRT5000紅外傳感器實(shí)現(xiàn)功能。循跡部分程序流程圖如圖5所示。

圖5 循跡部分程序流程圖

3.3 超聲波避障部分

根據(jù)上述方案的選擇，設(shè)計(jì)最終采用3個超聲波傳感器（型號：HC-SR04）來實(shí)現(xiàn)功能。按照模塊測距的方法（測試距離=高電平時間×聲速/2），通過單片機(jī)定時器1進(jìn)行測距，計(jì)算數(shù)據(jù)小于規(guī)定距離時，小車按照指令進(jìn)行避障；計(jì)算數(shù)據(jù)大于規(guī)定距離時，小車照常行駛。避障部分程序流程圖如圖6所示[5]。

圖6 避障部分程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)硬件設(shè)施選擇，將小車各部分元器件按總體系統(tǒng)框圖焊接組裝。電機(jī)驅(qū)動模塊由51單片機(jī)的P1管腳控制，紅外循跡模塊由51單片機(jī)的P2管腳控制，超聲波避障模塊則由51單片機(jī)的P3管腳控制，電源模塊通過降壓，為單片機(jī)等各個元器件提供穩(wěn)定電源。系統(tǒng)電路原理圖如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)電路原理圖

通過Keil4軟件，對小車各模塊功能進(jìn)行編程，實(shí)現(xiàn)小車各模塊功能。小車循跡避障實(shí)情如圖8所示。

圖8 小車循跡避障實(shí)情

5 結(jié)語

多功能太陽能充電小車以51單片機(jī)為控制核心，采用了太陽能板、L298N電機(jī)驅(qū)動芯片、TCRT5000紅外傳感器和HC-SR04超聲波傳感器作為實(shí)現(xiàn)各功能的主要元器件。通過測試，小車經(jīng)由太陽能板可穩(wěn)定充電；通過L298N芯片可控制行駛，偏離黑色軌跡時可依據(jù)紅外傳感器自行校正；遇障礙物時蜂鳴器報警，依據(jù)超聲波傳感器反饋信息進(jìn)行智能避障。受轉(zhuǎn)換效率低、充電時長等因素制約，后期可適當(dāng)提高太陽能板轉(zhuǎn)換效率，增大其受光面積，更好地將太陽能與智能小車相結(jié)合。