【IoT】红外循迹避障小车

随着生产自动化的发展需要，机器人已经越来越广泛地应用到生产自动化上，随着科学技术的发展，机器人的传感器种类也越来越多，其中红外传感器已经成为自动行走和驾驶的重要部件。

红外的典型应用领域为自主式智能导航系统，机器人要实现自动避障功能就必须要感知障碍物，感知障碍物相当给机器人一个视觉功能。智能避障是基于红外传感系统，采用红外传感器实现前方障碍物检测，并判断障碍物远近。而利用红外对不同颜色物体反射强弱差别又可以实现循迹功能。

由于时间和水平有限，我们暂选最基本的避障，循迹功能作为此次设计的目标。

本设计通过小车这个载体再结合由STC89C52为核心的控制板可以达到其基本功能，再辅加由漫反射式光电开关组成的避障电路，基于PWM技术的转速控制、电源电路、电机驱动电路就可以完善整个设计。

智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，分别控制两个轮子的转动从而达到转向的目的，后轮是万向轮，起支撑的作用。

避障部分，将3个红外线光电传感器分别装在车体的左中右，当车的左边的传感器检测到障碍物时，主控芯片控制右轮电机停止左轮转动，车向右方转向，当车的右边传感器检测到障碍物时，主控芯片控制左轮电机停止转动，车向左方转向，当前面有障碍物时规定车右转。而当小车同时有两个传感器接收到信号时，采用倒退方式转弯以避免碰到障碍物，于此同时测定速度并显示，在避障小车前进的同时从LCD点阵液晶显示器上显示小车当时速度和行驶的路程。

循迹部分，采用七个红外传感器置于车身前下方，中间五个主要用于循迹普通道路，外边两个略比中间的靠前，主要用来检测直角弯道。

车向左偏时右拐，右偏时左拐，左右拐又分为校正和转弯两档。遇到直角时极易冲出跑道，故给车施加一个反向脉冲。行驶过程中显示屏显示车速及路程。

如下图所示，是本次设计智能小车的电路框图。

以STC89C52为电路的中央处理器，来处理传感器采集来的数据，处理完毕之后以便去控制电机驱动电路来驱动电机。电源部分是为整个电路模块提供电源，以便能正常工作。

（1） 障碍物探测方案的选择

方案一：脉冲调制的反射式红外线发射接受器。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外线接受官的最大工作电流取决于平均电流。

如果采用占空比小的调制信号，再品均电流不变的情况下，顺势电流很大（50—100mA），则大大提高了信噪比。并且其反应灵敏，外围电路也很简单。它的优点是消除了外界光线的干扰提高了灵敏度。

方案二：采用超声波传感器，如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，如则通知单片机可以向前行驶。市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性

由以上两种方案比较可知。方案一要比方案二优势大，市场上很多红外观点探头也都基于这个原理。其电路简单，工作可靠，性能比较稳定。从而避免了电路的复杂性，因此我先用方案二作为小车的监测系统。

避障电路采用漫反射式光电开关进行避障。光电开关是集发射头和接收头于一体的检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光束，被障碍物反射，接收头据此做出判断是否有障碍物。当有光线反射回来时，输出低电平；当没有光线反射回来时，输出高电平。单片机根据接收头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物，由于接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。

光电开关工作原理：

光电开关是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。

光电开关在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

(2)信号检测模块

小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸 “路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号，再通过LM324作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。

避障亦是此原理。电路图如图3.4。

市面上有很多红外传感器，在这里我选用TCRT5000型光电对管。

本设计的主控芯片选择STC89C52，负责检测传感器的状态并向电机驱动电路发出动作命令。

复位电路采用手动复位。

单片机电路如下：

电机转速控制电路

转速控制采用基于PWM技术的脉冲调制技术，通过单片机输出两列PWM信号，经过l298N对电机进行速度调控。

电源电路

本系统所有芯片都需要+5V的工作电压，而干电池只能提供的电压为1．5V的倍数的电压，并且随着使用时间的延长，其电压会逐渐下降，故采用了一个12v蓄电池，再用LM7805稳压芯片。

L7805能提供最大1A的电流，足以满足芯片供电的要求。虽然微处理器和微控制器不需要支持电路，功耗也很低，但必须要加以考虑。

电源电路拟定为：

电机驱动电路

市场上用很多种类的小电压直流电动机，很方便的选择到。主要有普通电动机、和步进电动机。

方案一：采用步进电机，步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，能够达到我们所要求的标准。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即是步进电机启动或反转。其转换灵敏度比较高。正转、反转控制灵活。但是步进电机的价格比较昂贵，对于我们的现状相差太远。

方案二：采用普通的直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便。调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。能满足各种不容的特殊运行要求。 由于普通直流电机价格适宜，更易于购买，并且电路相对简单，因此采用直流电机作为动力源

本设计采用L298N驱动使电机正反转从而做到前进，左转右转。

电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N内部集成了H桥式驱动电路，从而可以采用L298N电路来驱动电机。通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度，起停。其引脚图如3.2，驱动原理图如图3.3。