基于檢測與轉(zhuǎn)換技術(shù)的小車循跡系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王健 黃小平

【摘 要】本文提出一種軌跡傳感器，包括反射式光電采樣器、信號緩沖、背景光消除電路等等，將處理后的紅外光反射強(qiáng)弱模擬信號送入單片機(jī)，由單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后，再由軟件來判斷是否在軌跡上。

【關(guān)鍵詞】檢測與轉(zhuǎn)換；傳感器；小車循跡；單片機(jī)

中圖分類號： TP36 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 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

隨著電子元器件的發(fā)展，傳感器技術(shù)越來越成熟，其精度范圍越來越高，方便了人們的生活。作為一種新型的軌跡傳感器，經(jīng)過一系列的轉(zhuǎn)換及處理，它可以精確地讓物體按照一定的軌跡運(yùn)動(dòng)。當(dāng)今世界，作為先進(jìn)的無人駕駛和機(jī)器人領(lǐng)域已廣泛應(yīng)用各種軌跡傳感器。

1 小車循跡設(shè)計(jì)方案

1）首先分析信號的預(yù)處理部分。由于反射式光電采樣最大的干擾就是環(huán)境光的變化，小車在行走時(shí)會(huì)有時(shí)順光，有時(shí)逆光，雖可以通過遮光方式來改善，但是如果能在電路上加以處理，會(huì)更加可靠。所以在設(shè)計(jì)時(shí)考慮了這個(gè)需求。也許有人會(huì)問：既然已經(jīng)將模擬量直接送到單片機(jī)中了，為何不通過軟件處理來消除。有兩個(gè)主要原因，第一個(gè)是不知道何時(shí)是順光，何時(shí)是逆光，所以無法通過修正判斷閾值來消除，第二個(gè)是放大器的信號范圍有限，有可能會(huì)飽和。所以使用模擬電路來實(shí)現(xiàn)此功能，所用的電路如圖所示：

圖中，S4為反射式光電采樣器，Sample端為單片機(jī)輸出的控制信號，LIGHT1端為反射光強(qiáng)弱模擬信號輸出。第一級運(yùn)放構(gòu)成同相緩沖器，一方面隔離后級電路對輸入信號的影響，另一方面增加驅(qū)動(dòng)能力，使電容 C81能夠快速跟蹤輸入信號，達(dá)到記憶背景光強(qiáng)度的目的，此電容稱為記憶電容。第二級為減法器，實(shí)現(xiàn)對（總輸入信號–背景光信號）的放大。從圖中可以看出，Sample端控制著兩個(gè)三極管，其中T81（9013）控制反射采樣器的紅外發(fā)射管，T82（9012）控制第一級緩沖器輸出給記憶電容C81的充電。當(dāng)Sample為低電平時(shí)，T81截止，采樣器的紅外發(fā)射管熄滅，此時(shí)采樣器輸出的為背景光信號，并且T82導(dǎo)通，使記憶電容的電壓等于背景光信號。第二級減法器的輸入此時(shí)相等，LIGHT1輸出為“0”。當(dāng)Sample為高電平時(shí)，T81導(dǎo)通，點(diǎn)亮紅外發(fā)射管，此時(shí)采樣器輸出的為（背景光+反射光）信號，但是此時(shí)T82截止，將第一級輸出與記憶電容隔開，記憶電容上仍保持著原來背景光的信號。第二級減法器的輸入則為：（反射光+背景光）—背景光 =反射光。從而達(dá)到消除背景光的目的，此時(shí)LIGHT1 輸出為放大后的反射光信號。

2）背景光的采集時(shí)間以及信號的采集時(shí)間。使用雙蹤示波器檢測Sample控制信號和LIGHT輸出信號，用Sample作為觸發(fā)信號，檢測Sample上升沿后LIGHT 輸出的波形，應(yīng)該是一個(gè)典型的一階飛升曲線，Sample 保持時(shí)間至少應(yīng)使此曲線達(dá)到水平區(qū)域，這個(gè)時(shí)間也就是啟動(dòng)Sample信號后的MCU讀取延時(shí)值。此時(shí)可以將MCU的所有引腳引到擴(kuò)展板上，Sample信號為MCU的第9腳，選擇第一路測試，LIGHT1為第21腳，直接在擴(kuò)展板上就可以測量。

從上面兩幅圖中可以看出，信號采集延時(shí)為400 us，采樣的周期為2ms。注意圖中的通道2波形，可以看出，在Sample信號將紅外發(fā)射管點(diǎn)亮后，需要經(jīng)過一段時(shí)間才能使采到的反射信號達(dá)到穩(wěn)態(tài)。

3）軌跡信號的處理。設(shè)計(jì)了四路軌跡采樣，是基于這樣的考慮，用中間兩個(gè)控制軌跡，兩側(cè)的用于檢測道路的分支、直角彎、交叉口等，布置如下：

四路信號輸入到P1.0-P1.3，使用A/D轉(zhuǎn)換的前 4個(gè)通道。首先需要設(shè)立4個(gè)變量保存A/D的結(jié)果，因?yàn)檐壽E采樣要求不高，為提高速度，減少計(jì)算復(fù)雜性，使用8位模式，為便于程序循環(huán)處理，用數(shù)組 ga_ucSampleVal[5]保存，之所以增加一維，是為了PC讀取時(shí)方便，將轉(zhuǎn)換后的邏輯值作為第五單元。為了兼顧4路軌跡采樣的差異性，將判斷閾值也設(shè)計(jì)為一個(gè)數(shù)組ga_ucThreshold[4]，每個(gè)采樣器有單獨(dú)的判斷閾值，同時(shí)設(shè)計(jì)了一個(gè)上電初始化用的默認(rèn)值DEFAULT_THRES[4]。

4）小車循跡。為了簡化，只考慮2、3號傳感器，根據(jù)這兩個(gè)傳感器的值控制小車走在軌跡上。初步的控制步驟如下：

（1）如果2、3都在軌跡上（邏輯值為0x06），則小車直行，左右電機(jī)PWM值相同；

（2）如果2不在軌跡上，則表示小車偏左，將右側(cè)電機(jī)剎車；

（3）如果3不在軌跡上，則表示小車偏右，將左側(cè)電機(jī)剎車；

2 關(guān)鍵問題的解決

為了配合循跡功能，需要增加兩部分內(nèi)容，即軌跡采樣部分的調(diào)試和循跡控制。軌跡采樣部分主要需求是讀取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，如4個(gè)采樣器的A/D結(jié)果、轉(zhuǎn)換后的的邏輯值等，以判斷信號采集是否正確，程序處理是否合理。循跡與走直線類似，所以在PC側(cè)將其合并。

3 結(jié)論

本文介紹了軌跡采樣的原理，以及如何使用單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換功能。軌跡是一個(gè)值得深入探討的問題，可以在采樣方式上深入，如使用線陣CCD；也可以在控制邏輯上深究，如PID控制。

【參考文獻(xiàn)】

[1]張毅剛.單片機(jī)原理及應(yīng)用[M].高等教育出版社，2016.

[2]周杏鵬.傳感器與檢測技術(shù)[M].清華大學(xué)出版社，2010.

[3]祝佳芳.一種新型的循雙線智能小車系統(tǒng)[J].西南大學(xué)學(xué)報(bào)，2012.