基于LM393控制的太陽能循跡小車設計與實現

張江林+++周揚+++鄧昌建+丁正東

摘 要： 現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，控制電路結構較為復雜，且成本較高，在小車行駛軌跡一定程度上容易出現偏差。采用LM393電壓比較器設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。控制電路部分主要包括蓄電池、開關、第一和第二光敏感應電路、直流電機、比較電路和電機驅動電路。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、起停快等特點，解決了循跡小車的控制電路結構復雜、行駛軌跡偏差較大的問題。

關鍵詞： 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設的軌跡路線行駛的小車，在許多教學實驗場合均有應用。而在循跡小車行駛的過程中，如何讓小車能夠準確地沿著軌跡線路行駛而不出現較大的偏差，是應用循跡小車的根本。然而，現有的循跡小車，由于其一般采用的是紅外反射方式反饋小車的行駛軌跡，控制電路結構較為復雜，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偏差，與設計的軌跡不符。因此，本設計對其進行改進。本設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人才培養方案中集中性實踐教學環節《新能源產品設計與實現》模塊里的一級項目。項目要求設計制作太陽能循跡小車，并能實現小車循跡行駛；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。該項目任務是以CDIO理念為指導，融合構思、設計與實現，完成新能源產品設計與實現的全過程[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動輪的控制來實現小車的循跡驅動[2]，配合顯示電路來了解小車的狀態。基于LM393電壓比較器的太陽能循跡小車的原理框圖如圖1所示。

2 電路設計

基于LM393電壓比較器控制的太陽能循跡小車的電路設計主要包括太陽能供電部分和小車循跡部分設計。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，以驅動循跡小車。

充電部分采用上海霖葉電子有限公司生產的單節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，調節范圍為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，無須外接開關管，具有充電指示和充滿指示、防電池反接正負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目使得其適合在本循跡小車中應用。

圖2 充電電路原理圖

2.2 小車循跡部分設計

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成，它的作用是比較兩個輸入電壓，根據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，當紅色LED光投射到白色區域和黑色軌跡線時因為反光率不同光敏電阻的阻值會發生明顯區別；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生改變，說明檢測到白色區域，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型的路線運行實現循跡功能。當出現不平衡時（例如一側車輪壓在黑色軌跡線上）立即控制一側電機停轉，另一側電機加速旋轉，從而使小車修正方向，恢復到正確的方向上，整個過程是一個閉環控制，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，便于后續電路進行控制[5]。本循跡小車左右輪驅動采用帶減速齒輪的直流電機，直流電機驅動小車必須要減速，否則轉速過高的話小車跑得太快根本也來不及控制，而且未經減速的話轉矩太小甚至跑不起來，本循跡小車采用的電機已經集成了減速齒輪大大降低了制作調試難度。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構更簡單，方便組裝和調試，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（黑色跑道為小車預設行駛軌跡），并打開開關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，從而驅動小車兩側的車輪組件轉動，使小車開始沿著設計的軌跡（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發光二級管D2，D3均發出紅色光源，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生明顯區別。

當光源通過跑道反射到光敏電阻R14和R15上時，比較器根據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，還是行駛在白色區域上，并且通過左右兩側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，當出現不平衡時（例如小車一側壓到白色區域）立即控制一側直流電機停轉，另一側直流電機則加速旋轉，從而使小車修正行駛方向，并恢復到正確的行駛方向（黑色軌跡線）上。實測時，可以看到小車的左右驅動輪輪流快速轉動、停止將小車向前驅動；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 語

本文設計的太陽能循跡小車，通過測試成功實現了小車循跡行駛；能夠采用太陽能以及蓄電池供電，并且穩定性和抗干擾能力強，控制精度高、起停快；解決了循跡小車控制電路復雜、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.自動導引小車系統的設計與實現[D].蘇州：蘇州大學，2006.

[3] 楊海波，陳爽，祁丹萍，等.高速無偏小車系統的設計[J].浙江樹人大學學報：自然科學版，2013（2）：1?4.

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

[5] 徐航，李輝.基于AT89C52的智能循跡小車設計[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計[J].現代電子技術，2014，37（22）：98?100.endprint