基于检测与转换技术的小车循迹系统设计

王健 黄小平

【摘 要】本文提出一种轨迹传感器，包括反射式光电采样器、信号缓冲、背景光消除电路等等，将处理后的红外光反射强弱模拟信号送入单片机，由单片机的A/D转换为数字信号后，再由软件来判断是否在轨迹上。

【关键词】检测与转换；传感器；小车循迹；单片机

中图分类号： TP36 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）20-0093-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.20.040

【Abstract】In this paper， a kind of trajectory sensor， including reflector photodetector， signal buffer， background light elimination circuit， etc.， is proposed to send the simulated signal of infrared light reflection strength and strength to the single chip computer， and convert the A/D of the single chip computer into a digital signal. Its up to the software to determine if its on track.

【Key words】Detection and conversion； Sensors； The car follows； Single chip

0 引言

随着电子元器件的发展，传感器技术越来越成熟，其精度范围越来越高，方便了人们的生活。作为一种新型的轨迹传感器，经过一系列的转换及处理，它可以精确地让物体按照一定的轨迹运动。当今世界，作为先进的无人驾驶和机器人领域已广泛应用各种轨迹传感器。

1 小车循迹设计方案

1）首先分析信号的预处理部分。由于反射式光电采样最大的干扰就是环境光的变化，小车在行走时会有时顺光，有时逆光，虽可以通过遮光方式来改善，但是如果能在电路上加以处理，会更加可靠。所以在设计时考虑了这个需求。也许有人会问：既然已经将模拟量直接送到单片机中了，为何不通过软件处理来消除。有两个主要原因，第一个是不知道何时是顺光，何时是逆光，所以无法通过修正判断阈值来消除，第二个是放大器的信号范围有限，有可能会饱和。所以使用模拟电路来实现此功能，所用的电路如图所示：

图中，S4为反射式光电采样器，Sample端为单片机输出的控制信号，LIGHT1端为反射光强弱模拟信号输出。第一级运放构成同相缓冲器，一方面隔离后级电路对输入信号的影响，另一方面增加驱动能力，使电容 C81能够快速跟踪输入信号，达到记忆背景光强度的目的，此电容称为记忆电容。第二级为减法器，实现对（总输入信号–背景光信号）的放大。从图中可以看出，Sample端控制着两个三极管，其中T81（9013）控制反射采样器的红外发射管，T82（9012）控制第一级缓冲器输出给记忆电容C81的充电。当Sample为低电平时，T81截止，采样器的红外发射管熄灭，此时采样器输出的为背景光信号，并且T82导通，使记忆电容的电压等于背景光信号。第二级减法器的输入此时相等，LIGHT1输出为“0”。当Sample为高电平时，T81导通，点亮红外发射管，此时采样器输出的为（背景光+反射光）信号，但是此时T82截止，将第一级输出与记忆电容隔开，记忆电容上仍保持着原来背景光的信号。第二级减法器的输入则为：（反射光+背景光）—背景光 =反射光。从而达到消除背景光的目的，此时LIGHT1 输出为放大后的反射光信号。

2）背景光的采集时间以及信号的采集时间。使用双踪示波器检测Sample控制信号和LIGHT输出信号，用Sample作为触发信号，检测Sample上升沿后LIGHT 输出的波形，应该是一个典型的一阶飞升曲线，Sample 保持时间至少应使此曲线达到水平区域，这个时间也就是启动Sample信号后的MCU读取延时值。此时可以将MCU的所有引脚引到扩展板上，Sample信号为MCU的第9脚，选择第一路测试，LIGHT1为第21脚，直接在扩展板上就可以测量。

从上面两幅图中可以看出，信号采集延时为400 us，采样的周期为2ms。注意图中的通道2波形，可以看出，在Sample信号将红外发射管点亮后，需要经过一段时间才能使采到的反射信号达到稳态。

3）轨迹信号的处理。设计了四路轨迹采样，是基于这样的考虑，用中间两个控制轨迹，两侧的用于检测道路的分支、直角弯、交叉口等，布置如下：

四路信号输入到P1.0-P1.3，使用A/D转换的前 4个通道。首先需要设立4个变量保存A/D的结果，因为轨迹采样要求不高，为提高速度，减少计算复杂性，使用8位模式，为便于程序循环处理，用数组 ga_ucSampleVal[5]保存，之所以增加一维，是为了PC读取时方便，将转换后的逻辑值作为第五单元。为了兼顾4路轨迹采样的差异性，将判断阈值也设计为一个数组ga_ucThreshold[4]，每个采样器有单独的判断阈值，同时设计了一个上电初始化用的默认值DEFAULT_THRES[4]。

4）小车循迹。为了简化，只考虑2、3号传感器，根据这两个传感器的值控制小车走在轨迹上。初步的控制步骤如下：

（1）如果2、3都在轨迹上（逻辑值为0x06），则小车直行，左右电机PWM值相同；

（2）如果2不在轨迹上，则表示小车偏左，将右侧电机刹车；

（3）如果3不在轨迹上，则表示小车偏右，将左侧电机刹车；

2 关键问题的解决

为了配合循迹功能，需要增加两部分内容，即轨迹采样部分的调试和循迹控制。轨迹采样部分主要需求是读取相应的数据，如4个采样器的A/D结果、转换后的的逻辑值等，以判断信号采集是否正确，程序处理是否合理。循迹与走直线类似，所以在PC侧将其合并。

3 结论

本文介绍了轨迹采样的原理，以及如何使用单片机的A/D转换功能。轨迹是一个值得深入探讨的问题，可以在采样方式上深入，如使用线阵CCD；也可以在控制逻辑上深究，如PID控制。

【參考文献】

[1]张毅刚.单片机原理及应用[M].高等教育出版社，2016.

[2]周杏鹏.传感器与检测技术[M].清华大学出版社，2010.

[3]祝佳芳.一种新型的循双线智能小车系统[J].西南大学学报，2012.