基于单片机和多种传感技术的智能玩具电动车的设计与实现
摘 要：文章设计和实现了以单片机为核心，采用位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光敏传感器以及金属探测传感器等多种传感技术的智能玩具电动车。采用了简单的人工智能技术，使用模糊控制方案，完成了自动寻迹等功能。
关键词：智能玩具电动车；单片机；传感技术
1 概述
文章在普通玩具电动车的基础上进行改进，采用双直流电机分别完成转向和驱动控制的功能，设计和实现了以单片机为核心，利用位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光敏传感器以及金属探测传感器等多种传感技术，使用简单的人工智能技术和模糊控制方案，完成自动寻迹，变速行驶，姿态调整，多档方向控制，正向逆向行驶，状态记忆，弯道寻迹运行，绕过障碍物行驶，准确进入车库并停车，实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号，以及测量全程时间等多个智能化功能。
借鉴了车辆制动装置ABS（自动防抱死）功能，将整个刹车过程分割为几个子过程，有效防止了轮胎打滑。
2 系统结构
整个智能玩具电动车系统完成从外部环境获取信息，并把所获取的信息转换成单片机能够识别的有效信号，然后单片机控制系统对双直流电机和显示部分进行控制，再转化为智能玩具电动车的具体行为，整个过程运用了简单的人工智能技术。
2.1 电机部分
采用普通玩具电动车上自带的双直流电机分别负责智能玩具电动车的驱动和转向的功能，依据外围红外反射传感器所采集到的信息可以补足直流电机定位不准的缺点，同时红外反射传感器的使用还能实现比较准确的寻迹行驶，用较好的控制算法及特色硬件来提高智能玩具电动车的整体性能，具有很高的性能/价格比。
2.2 电机控制部分
采用简单的门电路构成译码电路，使用89C52单片机[1]直接控制双直流电机。单片机用位控技术完成其他控制功能。虽然这样占用了单片机很多资源，但是对于能源要求很高的本系统来说，这在很大程度上保证了系统的正常工作，而且能大幅度节省能源。避免了大量使用继电器所消耗能源过大的缺点。提高了智能玩具电动车的使用时间，达到节能的目的。
2.3 显示部分
采用液晶显示板来完成显示的功能。液晶与数码管相比有诸多优点，如消耗电能特别小、能显示多行汉字等。
2.4 探测及绕开障碍物检测
为提高探测信号准确性和抗干扰性，设计采用了光敏传感器，直接根据诱导光源的信号进行判断。光敏传感器拥有很高的灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理，采用多光敏传感器结构。
2.5 电源部分
设计采用了双电源供电，将直流电动机驱动电源与芯片和传感器的电源完全隔离。既可以保证芯片正常工作，也足以满足为多种传感器供电的目的。
3 设计原理分析
3.1 按引导线行驶
根据不同位置红外反射传感器采集到场地的信号，单片机控制智能玩具电动车前轮的转向，以达到寻迹的目的。寻迹行驶过程中使用增量控制方案。为了防止智能玩具电动车在拐弯的过程中偏离轨道的程度太大，本系统采用一定步进的增量调节速度方式。单片机便能依据这些信号对智能玩具电动车的姿态进行相应的调整。再加上智能玩具电动车的前轮具有方向锁死的功能，这样，在红外反射传感器和前轮位置反馈传感器探测到的信息和单片机控制的有机结合之下，智能玩具电动车按照引导线行走的稳定性和可靠性得到了很大的保障。
3.2 正逆向行驶
集成功率芯片L293B的内部结构是一个桥式电路，使用L293B驱动后轮电机的正转和反转。
3.3 脉宽调制调节速度
可以通过调节电阻和电容的大小改变振荡电路的周期。利用可控电位计X9312的变阻功能，实现定频调制脉宽。电机速度由不同占空比的PWM[3]信号来调节。
3.4 光诱导行驶
经特殊改制的光敏传感器接受到200W白炽灯发出的强光时，智能玩具电动车在强光源的引导之下向前行驶。智能玩具电动车前头三个光敏传感器呈扇形分布，中间光管与两边光管的夹角都为60度，接收光管都经过了加导光管等一些特殊处理，三个接收管采集到光源信号会给出光源的具体方向参数，这就为智能玩具电动车的正确转向提供了可靠的保证。
4 传感器
传感器[3]是必不可少的信号接收和发射装置，它们负责采集所有外部环境的各种信息，基本上智能玩具电动车的每一个动作和每一个姿态都和传感器有着密切的关系。
4.1光敏传感器
亦称光电传感器，它是一种能量转换器件，是利用各种手段将光能量变换成相应的电信号的器件，即把入射电磁辐射能量转换成电能，然后通过对电能信号的测量了解辐射源的大体性质（在本系统中，主要为光源位置）。
4.2 红外反射传感器
车前轮处的三个横向排列的红外反射传感器是用来探测引导线的，两个相邻传感器之间有一定的距离，当路面信息改变时，左中右三个传感器将反馈回不同的信息。
4.3 金属探测传感器
该部分是利用涡流原理来解决的。当探测器遇到金属薄片时，振荡电路的频率将产生相应的改变，以示出金属物体（铁片）被检测到。
4.4 红外对射传感器
后轮处红外对射传感器是用来测量智能玩具电动车行驶速度的传感器。该传感器的对射口与小车后轮电机的一个码盘成90度，该码盘的齿宽足以挡住对射口，当码盘随车轴一起转动时，红外对射管就会测到不连续的信号。
5 结束语
文章设计的智能玩具电动车，实现了在寻迹的过程中完全达到了不脱离引导线的良好效果。
参考文献
[1]沈德金，陈粤初，等.MCS-51系列单片机接口电路与应用程序实例[M].北京：北京航空航天大学出版社，1991，4.
[2]Howard M. Berlin，Guide to CMOS Basics， Circuits & Experiments Howard M.Berlin，Ltd.
[3]苏铁力，等.传感器及其接口技术[M].北京：中国石化出版社，2000.
作者简介：齐楠，工程师，毕业于浙江大学信息学部控制科学与工程系控制理论与控制工程专业，硕士研究生。现就职于辽宁省产品质量监督检验院，主要从事电子电气产品的检测与研究。