基于單片機和多種傳感技術的智能玩具電動車的設計與實現

摘 要：文章設計和實現了以單片機為核心，采用位置反饋傳感器、紅外對射、反射傳感器、光敏傳感器以及金屬探測傳感器等多種傳感技術的智能玩具電動車。采用了簡單的人工智能技術，使用模糊控制方案，完成了自動尋跡等功能。

關鍵詞：智能玩具電動車；單片機；傳感技術

1 概述

文章在普通玩具電動車的基礎上進行改進，采用雙直流電機分別完成轉向和驅動控制的功能，設計和實現了以單片機為核心，利用位置反饋傳感器、紅外對射、反射傳感器、光敏傳感器以及金屬探測傳感器等多種傳感技術，使用簡單的人工智能技術和模糊控制方案，完成自動尋跡，變速行駛，姿態調整，多檔方向控制，正向逆向行駛，狀態記憶，彎道尋跡運行，繞過障礙物行駛，準確進入車庫并停車，實時探測金屬薄片存儲相關信息并發出聲光信號，以及測量全程時間等多個智能化功能。

借鑒了車輛制動裝置ABS（自動防抱死）功能，將整個剎車過程分割為幾個子過程，有效防止了輪胎打滑。

2 系統結構

整個智能玩具電動車系統完成從外部環境獲取信息，并把所獲取的信息轉換成單片機能夠識別的有效信號，然后單片機控制系統對雙直流電機和顯示部分進行控制，再轉化為智能玩具電動車的具體行為，整個過程運用了簡單的人工智能技術。

2.1 電機部分

采用普通玩具電動車上自帶的雙直流電機分別負責智能玩具電動車的驅動和轉向的功能，依據外圍紅外反射傳感器所采集到的信息可以補足直流電機定位不準的缺點，同時紅外反射傳感器的使用還能實現比較準確的尋跡行駛，用較好的控制算法及特色硬件來提高智能玩具電動車的整體性能，具有很高的性能/價格比。

2.2 電機控制部分

采用簡單的門電路構成譯碼電路，使用89C52單片機[1]直接控制雙直流電機。單片機用位控技術完成其他控制功能。雖然這樣占用了單片機很多資源，但是對于能源要求很高的本系統來說，這在很大程度上保證了系統的正常工作，而且能大幅度節省能源。避免了大量使用繼電器所消耗能源過大的缺點。提高了智能玩具電動車的使用時間，達到節能的目的。

2.3 顯示部分

采用液晶顯示板來完成顯示的功能。液晶與數碼管相比有諸多優點，如消耗電能特別小、能顯示多行漢字等。

2.4 探測及繞開障礙物檢測

為提高探測信號準確性和抗干擾性，設計采用了光敏傳感器，直接根據誘導光源的信號進行判斷。光敏傳感器擁有很高的靈敏度，為了抗干擾還可以把光敏傳感器預先進行特殊處理，采用多光敏傳感器結構。

2.5 電源部分

設計采用了雙電源供電，將直流電動機驅動電源與芯片和傳感器的電源完全隔離。既可以保證芯片正常工作，也足以滿足為多種傳感器供電的目的。

3 設計原理分析

3.1 按引導線行駛

根據不同位置紅外反射傳感器采集到場地的信號，單片機控制智能玩具電動車前輪的轉向，以達到尋跡的目的。尋跡行駛過程中使用增量控制方案。為了防止智能玩具電動車在拐彎的過程中偏離軌道的程度太大，本系統采用一定步進的增量調節速度方式。單片機便能依據這些信號對智能玩具電動車的姿態進行相應的調整。再加上智能玩具電動車的前輪具有方向鎖死的功能，這樣，在紅外反射傳感器和前輪位置反饋傳感器探測到的信息和單片機控制的有機結合之下，智能玩具電動車按照引導線行走的穩定性和可靠性得到了很大的保障。

3.2 正逆向行駛

集成功率芯片L293B的內部結構是一個橋式電路，使用L293B驅動后輪電機的正轉和反轉。

3.3 脈寬調制調節速度

可以通過調節電阻和電容的大小改變振蕩電路的周期。利用可控電位計X9312的變阻功能，實現定頻調制脈寬。電機速度由不同占空比的PWM[3]信號來調節。

3.4 光誘導行駛

經特殊改制的光敏傳感器接受到200W白熾燈發出的強光時，智能玩具電動車在強光源的引導之下向前行駛。智能玩具電動車前頭三個光敏傳感器呈扇形分布，中間光管與兩邊光管的夾角都為60度，接收光管都經過了加導光管等一些特殊處理，三個接收管采集到光源信號會給出光源的具體方向參數，這就為智能玩具電動車的正確轉向提供了可靠的保證。

4 傳感器

傳感器[3]是必不可少的信號接收和發射裝置，它們負責采集所有外部環境的各種信息，基本上智能玩具電動車的每一個動作和每一個姿態都和傳感器有著密切的關系。

4.1光敏傳感器

亦稱光電傳感器，它是一種能量轉換器件，是利用各種手段將光能量變換成相應的電信號的器件，即把入射電磁輻射能量轉換成電能，然后通過對電能信號的測量了解輻射源的大體性質（在本系統中，主要為光源位置）。

4.2 紅外反射傳感器

車前輪處的三個橫向排列的紅外反射傳感器是用來探測引導線的，兩個相鄰傳感器之間有一定的距離，當路面信息改變時，左中右三個傳感器將反饋回不同的信息。

4.3 金屬探測傳感器

該部分是利用渦流原理來解決的。當探測器遇到金屬薄片時，振蕩電路的頻率將產生相應的改變，以示出金屬物體（鐵片）被檢測到。

4.4 紅外對射傳感器

后輪處紅外對射傳感器是用來測量智能玩具電動車行駛速度的傳感器。該傳感器的對射口與小車后輪電機的一個碼盤成90度，該碼盤的齒寬足以擋住對射口，當碼盤隨車軸一起轉動時，紅外對射管就會測到不連續的信號。

5 結束語

文章設計的智能玩具電動車，實現了在尋跡的過程中完全達到了不脫離引導線的良好效果。

參考文獻

[1]沈德金，陳粵初，等.MCS-51系列單片機接口電路與應用程序實例[M].北京：北京航空航天大學出版社，1991，4.

[2]Howard M. Berlin，Guide to CMOS Basics， Circuits & Experiments Howard M.Berlin，Ltd.

[3]蘇鐵力，等.傳感器及其接口技術[M].北京：中國石化出版社，2000.

作者簡介：齊楠，工程師，畢業于浙江大學信息學部控制科學與工程系控制理論與控制工程專業，碩士研究生。現就職于遼寧省產品質量監督檢驗院，主要從事電子電氣產品的檢測與研究。