基于檢測與轉換技術的小車循跡系統設計

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弱模擬信號送入單片機，由單片機的A/D轉換為數字信號后，再由軟件來判斷是否在軌跡上。

【關鍵詞】檢測與轉換；傳感器；小車循跡；單片機

中圖分類號： TP36 文獻標識碼： 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展，傳感器技術越來越成熟，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，經過一系列的轉換及處理，它可以精確地讓物體按照一定的軌跡運動。當今世界，作為先進的無人駕駛和機器人領域已廣泛應用各種軌跡傳感器。

1 小車循跡設計方案

1）首先分析信號的預處理部分。由于反射式光電采樣最大的干擾就是環境光的變化，小車在行走時會有時順光，有時逆光，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，會更加可靠。所以在設計時考慮了這個需求。也許有人會問：既然已經將模擬量直接送到單片機中了，為何不通過軟件處理來消除。有兩個主要原因，第一個是不知道何時是順光，何時是逆光，所以無法通過修正判斷閾值來消除，第二個是放大器的信號范圍有限，有可能會飽和。所以使用模擬電路來實現此功能，所用的電路如圖所示：

圖中，S4為反射式光電采樣器，Sample端為單片機輸出的控制信號，LIGHT1端為反射光強弱模擬信號輸出。第一級運放構成同相緩沖器，一方面隔離后級電路對輸入信號的影響，另一方面增加驅動能力，使電容 C81能夠快速跟蹤輸入信號，達到記憶背景光強度的目的，此電容稱為記憶電容。第二級為減法器，實現對（總輸入信號–背景光信號）的放大。從圖中可以看出，Sample端控制著兩個三極管，其中T81（9013）控制反射采樣器的紅外發射管，T82（9012）控制第一級緩沖器輸出給記憶電容C81的充電。當Sample為低電平時，T81截止，采樣器的紅外發射管熄滅，此時采樣器輸出的為背景光信號，并且T82導通，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相等，LIGHT1輸出為“0”。當Sample為高電平時，T81導通，點亮紅外發射管，此時采樣器輸出的為（背景光+反射光）信號，但是此時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。從而達到消除背景光的目的，此時LIGHT1 輸出為放大后的反射光信號。

2）背景光的采集時間以及信號的采集時間。使用雙蹤示波器檢測Sample控制信號和LIGHT輸出信號，用Sample作為觸發信號，檢測Sample上升沿后LIGHT 輸出的波形，應該是一個典型的一階飛升曲線，Sample 保持時間至少應使此曲線達到水平區域，這個時間也就是啟動Sample信號后的MCU讀取延時值。此時可以將MCU的所有引腳引到擴展板上，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信號將紅外發射管點亮后，需要經過一段時間才能使采到的反射信號達到穩態。

3）軌跡信號的處理。設計了四路軌跡采樣，是基于這樣的考慮，用中間兩個控制軌跡，兩側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轉換的前 4個通道。首先需要設立4個變量保存A/D的結果，因為軌跡采樣要求不高，為提高速度，減少計算復雜性，使用8位模式，為便于程序循環處理，用數組 ga_ucSampleVal[5]保存，之所以增加一維，是為了PC讀取時方便，將轉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，將判斷閾值也設計為一個數組ga_ucThreshold[4]，每個采樣器有單獨的判斷閾值，同時設計了一個上電初始化用的默認值DEFAULT_THRES[4]。

4）小車循跡。為了簡化，只考慮2、3號傳感器，根據這兩個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PWM值相同；

（2）如果2不在軌跡上，則表示小車偏左，將右側電機剎車；

（3）如果3不在軌跡上，則表示小車偏右，將左側電機剎車；

2 關鍵問題的解決

為了配合循跡功能，需要增加兩部分內容，即軌跡采樣部分的調試和循跡控制。軌跡采樣部分主要需求是讀取相應的數據，如4個采樣器的A/D結果、轉換后的的邏輯值等，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側將其合并。

3 結論

本文介紹了軌跡采樣的原理，以及如何使用單片機的A/D轉換功能。軌跡是一個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】

[1]張毅剛.單片機原理及應用[M].高等教育出版社，2016.

[2]周杏鵬.傳感器與檢測技術[M].清華大學出版社，2010.

[3]祝佳芳.一種新型的循雙線智能小車系統[J].西南大學學報，2012.