基于LM393控制的太阳能循迹小车设计与实现

基于LM393控制的太阳能循迹小车设计与实现
作者：张江林周扬邓昌建丁正东
来源：《现代电子技术》2015年第10期
摘要：现有的循迹小车一般采用的是红外反射方式反馈小车的行驶轨迹，控制电路结构较为复杂，且成本较高，在小车行驶轨迹一定程度上容易出现偏差。

采用LM393电压比较器设计的能在特定跑道上循迹行驶的轮式智能小车，该循迹小车主要包括太阳能供电部分和循迹控制部分。

控制电路部分主要包括蓄电池、开关、第一和第二光敏感应电路、直流电机、比较电路和电机驱动电路。

试验样机测试表明，以LM393电压比较器为核心控制的循迹小车具有控制精度高、起停快等特点，解决了循迹小车的控制电路结构复杂、行驶轨迹偏差较大的问题。

关键词： LM393；循迹小车；太阳能；电压比较器
中图分类号： TN964⁃34 文献标识码： A 文章编号： 1004⁃373X（2015）10⁃0121⁃03
循迹小车是一种可以沿着预设的轨迹路线行驶的小车，在许多教学实验场合均有应用。

而在循迹小车行驶的过程中，如何让小车能够准确地沿着轨迹线路行驶而不出现较大的偏差，是应用循迹小车的根本。

然而，现有的循迹小车，由于其一般采用的是红外反射方式反馈小车的行驶轨迹，控制电路结构较为复杂，并且红外反射易受影响，因而不仅成本较高，而且小车行驶轨迹容易出现偏差，与设计的轨迹不符。

因此，本设计对其进行改进。

本设计中的循迹小车素材来源于我校电气工程及其自动化专业人才培养方案中集中性实践教学环节《新能源产品设计与实现》模块里的一级项目。

项目要求设计制作太阳能循迹小车，并能实现小车循迹行驶；能够采用太阳能以及蓄电池供电，最后以太阳能循迹小车成品形式展示。

该项目任务是以CDIO理念为指导，融合构思、设计与实现，完成新能源产品设计与实现的全过程[1]。

1 小车循迹原理
采用LM393电压比较器作为循迹小车的主控芯片。

利用光敏电阻在光线强弱条件下的阻值变化和LM393电压比较器对小车的左右驱动轮的控制来实现小车的循迹驱动[2]，配合显示电路来了解小车的状态。

基于LM393电压比较器的太阳能循迹小车的原理框图如图1所示。

2 电路设计
基于LM393电压比较器控制的太阳能循迹小车的电路设计主要包括太阳能供电部分和小车循迹部分设计。

该循迹小车主要部件包括电池盒，通过双面胶粘贴在该电池盒底部的控制电路板，以及安装在该控制电路板两侧的车轮组件和安装在电池盒上方的太阳能电池板。

图1 小车循迹原理框图
2.1 太阳能供电部分设计
太阳能循迹小车采用蓄电池供电、储电。

太阳能电池板为蓄电池提供电源，即先对小车内部蓄电池进行充电，等蓄电池有足够电能输出需要电压时，才能在蓄电池输出端输出需要的电压，以驱动循迹小车。

充电部分采用上海霖叶电子有限公司生产的单节锂电池充电管理芯片TP4057。

输入电压为4～9 V，典型值为5 V，可改变TP4057的6脚电阻来控制充电电流，调节范围为100 ～500 mA，截止充电电压[3]为4.2 V。

具体原理图如图2所示。

该充电电路具有外围简单，无须外接开关管，具有充电指示和充满指示、防电池反接正负极反接保护和电源欠压保护等功能。

该电路除了可以采用太阳能电池板供电外，还可以采用USB电源和适配器电源工作。

TP4057的SOT封装与较少的外部元件数目使得其适合在本循迹小车中应用。

图2 充电电路原理图
2.2 小车循迹部分设计
小车循迹部分采用LM393电压比较器作为整个循迹电路的控制中心。

LM393是双路电压比较器集成电路，由两个独立的精密电压比较器构成，它的作用是比较两个输入电压，根据两路输入电压的高低改变输出电压的高低[4]。

采用LM393电压比较器作为循迹控制电路的原理图如图3所示。

本小车选用红色LED灯做光源，光源照射到白色物体和黑色（小车预定的轨迹线为黑色）物体上时的反光率是不同的。

光通过地面反射到光敏电阻上，当红色LED光投射到白色区域和黑色轨迹线时因为反光率不同光敏电阻的阻值会发生明显区别；通过检测光敏电阻阻值变化能判断小车是否行驶在黑色轨迹线上。

如果光敏电阻的阻值发生改变，说明检测到白色区域，此时小车已跑偏；此时通过对小车的左轮或右轮的电机采取减速甚至停止，以使小车回到黑色轨迹上去，这样循迹小车就以类似小S型的路线运行实现循迹功能。

当出现不平衡时（例如一侧车轮压在黑色轨迹线上）立即控制一侧电机停转，另一侧电机加速旋转，从而使小车修正方向，恢复到正确的方向上，整个过程是一个闭环控制，因此能快速灵敏地控制循迹小车运动。

同时光敏电阻能够检测外界光线强弱，外界光线越强光敏电阻阻值越小，外界光线越弱阻值越大，便于后续电路进行控制[5]。

本循迹小车左右轮驱动采用带减速齿轮的直流电机，直流电机驱动小车必须要减速，否则转速过高的话小车跑得太快根本也来不及控制，而且未经减速的话转矩太小甚至跑不起来，本循迹小车采用的电机已经集成了减速齿轮大大降低了制作调试难度。

图4为基于LM393控制的太阳能循迹小车的成品照片。

采用LM393电压比较器作控制器电路与采用单片机作控制电路相比，由LM393电压比较器组成的控制电路结构更简单，方便组装和调试，成本也更低廉。

3 测试
首先，将小车放在黑色轨迹线白色背景测试场上（黑色跑道为小车预设行驶轨迹），并打开开关S1，S2，太阳能电池板（或蓄电池）提供电能，使电压比较器控制两个直流电机启动，从而驱动小车两侧的车轮组件转动，使小车开始沿着设计的轨迹（黑色跑道）行驶。

图4 成品照片图
在小车行驶的过程中，位于小车的左右两侧发光二级管D2，D3均发出红色光源，由于光源照射到黑色跑道和白色跑道上时的反光率不同，并且光敏电阻能够检测外界光线强弱，外界光线越强光敏电阻阻值越小，外界光线越弱阻值越大，因此，当红色LED光投射到黑色跑道和白色跑道时因为反光率不同，光敏电阻的阻值会发生明显区别。

当光源通过跑道反射到光敏电阻R14和R15上时，比较器根据两边光敏电阻阻值的变化，便可以判断小车是行驶在黑色轨迹线上，还是行驶在白色区域上，并且通过左右两侧的二极管和光敏电阻还可以判断小车此时正在偏向于哪一侧，当出现不平衡时（例如小车一侧压到白色区域）立即控制一侧直流电机停转，另一侧直流电机则加速旋转，从而使小车修正行驶方向，并恢复到正确的行驶方向（黑色轨迹线）上。

实测时，可以看到小车的左右驱动轮轮流快速转动、停止将小车向前驱动；有个跑偏、矫正，再跑偏，再矫正的过程；但总是沿着既定的黑色轨迹前进。

4 结语
本文设计的太阳能循迹小车，通过测试成功实现了小车循迹行驶；能够采用太阳能以及蓄电池供电，并且稳定性和抗干扰能力强，控制精度高、起停快；解决了循迹小车控制电路复杂、行驶轨迹偏差较大的问题。

仅采用LM393电压比较器作控制器电路，方便组装和调试，成本也更低廉，其中采用非单片机控制是本循迹小车一个特色。

综上所述，基于LM393控制的太阳能循迹小车适用于科技创新和科技推广。

参考文献
[1] 姚培，张李坚，周晶香.基于单片机控制的智能循迹避障小车[J].机电信息，2010（12）：192⁃193.
[2] 徐清.自动导引小车系统的设计与实现[D].苏州：苏州大学，2006.
[3] 杨海波，陈爽，祁丹萍，等.高速无偏小车系统的设计[J].浙江树人大学学报：自然科学版，2013（2）：1⁃4.
[4] 徐昌华.高可靠小车红外光循迹设计原则[J].现代电子技术，2013，36（23）：158⁃160.
[5] 徐航，李辉.基于AT89C52的智能循迹小车设计[J].电子世界，2013（13）：145⁃146.
[6] 张国强，白明雄，康琦，等.基于MSP430单片机的智能压路小车设计[J].现代电子技术，2014，37（22）：98⁃100.。