智能小车多功能传感器模块的设计

摘要：近年来，智能车的题目在各种电子竞赛中屡见不鲜。但无论要完成怎样的艰巨任务，一些基本功能还是要具备的。如寻迹辅助、行程检测和避障。经过几次大赛的总结，将上述三项功能结合在一起，设计了一款多能的传感器模块。
关键词：智能小车；寻迹；避障；传感器

智能车是行动模式最简单的机器人之一。在军事、救援、生产、生活中都有广泛的应用。更是受到众多电子类竞赛的青睐。如全国大学生电子竞赛、飞思卡尔智能车大赛等。比赛中的思路及创新对实际应用的发展也起着重要作用。

1 方案论证
在竞赛中，我们用过几种寻迹传感器的方案。但各有优劣。
方案1：采用555集成芯片，组成触发器电路。TCRT5000光电传感器采集到的信号转换成一定电压，经触发器转变成标准的电平输入。这样单片机不会造成逻辑混乱。此方案优点是抗干扰能力强。但由于每个光电对管要配一组555电路。所以成本非常高，并且也给PCB布板增加了难度。
方案2：采用集成运放构成电压比较器，同样将光电传感器采集到的信号转换成数字信号供单片机处理。此方案与方案1比较成本有所降低。但由于集成运放芯片大多只包含二到四个内部放大器。对于需要多个光电传感器的寻迹受到了限制。
方案3：采用最简单的三极管开关电路构成电平转换电路。此方案成本最低，扩展方便。而且此电路可以用引线连接不同的光电传感器，将智能车要完成的其它功能结合在一起。
比较后，本设计选取方案3构成一款多功能的传感器模块。

2 原理设计
在小车中应用的传感器，无论是寻迹、检测路程还是避障都可以应用红外线实现。只是应用的传感器形状和原理略有不同。寻迹和避障要用反射式。而检测路程要用直接接收式。我们可以用U形槽状的光电传感器。令传动齿轮通过凹槽，齿轮上开一孔。每当该孔通过槽体，槽体一侧发射管的红外线将无阻挡地射到接收管上，产生一脉冲信号。根据产生信号的次数，还有齿轮一周与车行进路程的关系，便可用程序计算出小车行驶的路程。
几种传感器虽接通方式不同，但它们接收到信号后，都要经过同样的处理过程。那就是把一个变化的不稳的电压转换成一相对稳定的电平信号。正因如此，我们可以把这三种传感器的处理电路做在同一块板上，此块板主要作寻迹模块，寻迹用的光电传感器都可布在上面。检测路程和避障则可留出插针，用杜邦线连接，置于任何位置。功能框图如下：

3 电路设计
具体电路设计见图2。以图左半部分为例，当TCRT5000下面无黑线时，红外线能正常反射，接收管可以接收到信号并导通，此时NPN三极管导通，指示灯亮并向单片机提供高电平。反之当光电传感器下面有黑线时，NPN三极管关断，单片机得到低电平信号。通过调节102的可调电阻，可以调整发射强度，下面100Ω电阻作为防烧毁的限流电阻。这是一张简化的原理图，图中左半部的电路同样可以视需要的寻迹器个数扩展任意多个。本设计用五只TRCT5000来寻迹，对应输给单片机插口的7-3号脚，这样可分别接避障模块和路程检测模块。

图3为单面布板参考图。

4 注意事项
调节可调电阻可以改变发射强度，使得传感器在一定高度时也可以得到反射信号。曾经试过在某一个高度时有的指示灯亮，有的指示的不亮。由于光电传感器的个体差异导致这样的情况是可能的。调节电阻使指示灯发光即可。另外这类传感器模块加装指示灯是十分必要的。这样既可以显示出当前黑线的位置状态，又可以在反射面比较差的条件下了解是不是有个别传感器不起作用。
另外，在使用该模块的时候除了注意传感器距离反射面的高度，还要注意模块中光电传感器的排列样式。本设计采用一字型。也有采用菱形、M字形的。根据具体赛道加以分析。
反射面的形态对这类传感器绝对是个大的考验。曾经有这样的惨痛经历：智能车在制作和调试的过程中，都是在地砖上粘上黑色胶带来完成的，结果测试时场地是白纸粘上胶带，这样造成了小车一些传感器的不适应，导致测试失败。所以在制作阶段就要按组委会标准仿制场地。

5 结束语
智能车在电子竞赛中的意义不仅在于它的精彩纷呈，竞赛的思路和方案更可以用于生产和生活中。如一些管道机器人、救援机器人、图书馆或办公室资料自动运送车等。因此，比赛中的经验值得总结并加以应用。本设计就是比较了几次参赛方案后所选，具有一定的应用价值。