基于红外传感器的智能循迹与避障小车的设计

杨传志+初俊博+王鲲鹏+王杰+晁东伸

摘 要 红外传感器通过向外界发射红外线及接受反射回来的红外线的情况，将其传递给已写入相关程序的单片机智能小车，控制其轮胎的电机，从而控制小车的行驶状态，进而实现智能小车的避障及循迹功能。

关键词 智能小车；红外传感器；循迹；避障

中图分类号 G2 文献标识码 A 文章编号 1674-6708（2017）183-0091-02

随着现代科技的发展，计算机领域的快速变革，使得越来越多的高科技产品面向世界，改善了人类的生活。其中，单片机与传感器领域的研究在我国也取得了重大突破，一些多功能机器人陆续被研发，用以解决科技、工程、实验等领域中人类很难或无法完成的某些工作，效果较为显著。

为了研制出可以实现多功能的智能机器人，首先要在上面实现一些机器人所需具备的基本功能。其中，循迹与避障功能较为普遍，也是智能机器人被称之为“智能”的先决条件。为实现上述两种功能，需要借助文章开头提到的两种器件，“单片机与传感器”。单片机和传感器的种类有很多，本文中采用STC89C52RC单片机以及红外传感器完成智能小车的设计[1]。

1 设计思想及基本原理

1.1 基本思想

本设计中的智能小车，通过分别安装在单片机主板上表面和下表面的两对红外传感器，来实现对外界信息的感知，并将所感知的外界信息转换为小车的控制信号，从而实现小车的智能化，即实现循迹与避障功能[2]。

1.2 红外避障原理

小车主板上表面左右前脚各安装一个红外传感器，小车正常行驶途中，前方无障碍物，则左右两个传感器返回给单片机的信号为高电平。若小车在行驶途中，一侧的传感器传递给单片机的信号为低电平，则表明这一侧传感器的前方存在某种障碍物。此时就需要根据烧写入单片机的程序来控制小车的运动，使其避开前方的障碍物，继续行驶。反复执行上述操，就实现了避障功能。

1.3 红外循迹原理

小车主板下面对称安装两个红外传感器，两者之间的距离较避障模块的两个传感器位置要近，通过发射和接受红外线将光信号转变为电信号，从而控制小车运动。

由于在红外线在黑色与白色反射面上反射回的光强度差别很大，黑色面吸收红外光较强而反射光较弱，所以单片机接收的信号为低电平。白色面反射光较强，单片机接收信号为高电平。正常行驶在光滑地面上，两侧均为高电平。通过相应的程序控制小车沿着白色地面上的一条黑色轨迹线运动，实现循迹功能。且以上情况建立在黑线宽度小于两传感器间距的假设下[3]。

2 硬件设计

本设计中的红外传感器具有发射红外光和接受红外光的功能，其主要结构包含一对红外光发射装置〔Q1，Q2〕，以及一对红外光接收装置〔Q3，Q4〕，具体电路连接图如图1所示。

图中一对IR LED发光二极管作为红外发射器，向外界发射红外光。图中一对IR DETECT为红外接受器，用来接受从外界反射回来的红外光。按照电路图完成连接，通过P1_3与P3_6施加信号来控制红外发射器的发射，通过P1_2与P3_5向单片机传输红外接收器所接收的信号，图中电阻R1-R4是负载电阻，通过改变其阻值大小用以调节红外传感器的灵敏度，使小车两侧传感器的作用距离相对应。

循迹与避障功能虽然都是利用红外传感器来实现的，但是却是两对安装在不同位置的传感器，用以实现不同的功能。小车主板上表面安装的一对是用来实现避障功能的传感器，小车主板下表面安装的一对是用来实现循迹功能的传感器，其安装分布图如下图2所示。

3 软件设计

首先设计基本的軟件流程图，根据已经构造好的流程图，通过Keil uVision4软件来编写实现相应功能的程序，运行成功后，通过STC-ISP将已编写好的程序烧写入单片机。

为实现避障功能，首先要控制两个红外传感器持续不断地向外界发射红外光，之后才可以通过反射光的情况来进行随后的操作。若两个传感器都未接收到信号，说明前方无障碍物，则控制小车直行；若只有左侧传感器接收到信号，说明小车左侧存在障碍物，则需控制小车左侧两个电机正转，右侧两个电机停转，即小车整体向右转；若只有右侧传感器接收到信号，与上述操作相反。若两个传感器均接收到信号，则说明小车进入“死区”，则需控制小车先做后退运动，再进行向左或向右转向，从而驶出“死区”。

实现循迹功能，也同样需要控制底部两个传感器不断发射红外光。若两个红外传感器均接收到信号则说明黑线处于两传感器之间，即车轮之间，此时小车保持直线行驶。若左侧传感器未接收到返回的信号，则说明此时左侧车轮已驶出黑线外，此时需控制小车左侧电机正转，右侧电机停转，即小车向右转弯，直至两传感器再次均接收到信号时，小车恢复直行状态。若右侧传感器未接收到返回的信号，与上述操作同理，方向相反。

4 结论

基于单片机智能小车的循迹与避障功能设计，实现了两个智能机器人的基本功能，但是现实社会领域中，往往存在各种各样的复杂情况，只依靠基本功能是不能够完成某些难度较大且对细节要求较高的任务，还需要更先进的技术与元器件以及更加尖端的控制程序。

然而通过本次设计可以使实践者对于此领域有个初步的认识，打开科技创新的大门，但是相比于当今社会的高新技术领域，还是有很大的发展空间的。并且从现在起乃至不久的将来，这一领域将会迅猛发展，更加广泛地应用于社会各个领域。此外，本次设计中存在很多不足，仍有很多部分需要改进。

参考文献

[1]索南尖措，杨建.基于STC89C52单片机的智能小车的设计[J].信息安全与技术，2016，7（4）：67-69.

[2]董涛，刘进英.基于单片机的智能小车的设计与制作[J].计算机测量与控制，2009，17（2）：380-382.

[3]张岩，裴晓敏.基于单片机的智能循迹小车设计[J].国外电子测量技术，2014，33（3）：51-54.