26組簡易智能電動車方案設(shè)計(jì)書報(bào)告

1、作者：Pan Hon glia ng僅供個人學(xué)習(xí)簡易智能電動車作 者：劉昊 黃建 李慧來指導(dǎo)教師：黃根春本系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，采用脈沖寬度調(diào)制方法（PWM方便地實(shí)現(xiàn)了對小 車速度的精確控制。由反射式紅外傳感器、超聲波傳感器、接近開關(guān)、霍爾開關(guān) 等傳感器探測周圍環(huán)境數(shù)據(jù)，依此來控制小車的速度和轉(zhuǎn)向。在直道和彎道區(qū)， 小車以紅外傳感器探測跑道上的黑線做引導(dǎo)標(biāo)志；利用霍爾開關(guān)計(jì)量車程；通過接近開關(guān)探測道路上的薄鐵片，并在最后一個鐵片處停車。另外，系統(tǒng)在硬件上 進(jìn)行了去抖動的處理，增強(qiáng)了其抗干擾能力。一、方案選擇和論證1. 電機(jī)的選擇方案一：使用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是具有快速啟動和停轉(zhuǎn)能力、 轉(zhuǎn)動

2、角度精確。但此方案缺點(diǎn)顯著，步進(jìn)電機(jī)的功率小、速度慢，另外， 其價(jià)格較高，且在原有的小車結(jié)構(gòu)上不易找到合適的步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行安裝， 硬件改造難度很高。方案二：使用小車上原有的直流電機(jī)。雖然直流電機(jī)不易精確控制，但對于小車來說，其精確性并不十分重要。而其調(diào)速平滑方便，可實(shí)現(xiàn)頻 繁的無級快速起動、制動和反轉(zhuǎn)；調(diào)整范圍廣、過載能力強(qiáng)、能承受頻繁 的沖擊負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)則顯得尤為突出。因此，我們選擇方案二。2. 電機(jī)驅(qū)動模塊方案一：調(diào)壓方法。通過電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電機(jī)的分壓，從 而達(dá)到調(diào)速目的。這種方案只能實(shí)現(xiàn)有限級調(diào)速，而且由于電機(jī)的內(nèi)阻一 般較小，因此分壓后電機(jī)的效率不高。方案二：采用繼電器對電動機(jī)的

3、開或關(guān)進(jìn)行控制。通過控制開關(guān)的切 換速度實(shí)現(xiàn)對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。此方案電路簡單，但繼電器易損壞、 壽命短，可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的 H型PWM電路驅(qū)動電機(jī)。這種電路由 于管子交替工作在飽和與截止的模式下， 因此效率非常高；H型電路保證了 可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)。基于以上分析，選用方案三。3. 電源選擇方案一：所有器件采用單一電源。這樣供電比較簡單；但是由于電動 機(jī)啟動瞬間電流很大，而且 PWM驅(qū)動電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn)、有 毛刺等干擾，嚴(yán)重時可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電。方案二：雙電源供電。對電機(jī)驅(qū)動電路與單片機(jī)以及其周邊電路分別 獨(dú)

4、立供電。這樣做可以消除電動機(jī)驅(qū)動所造成的干擾， 提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。由于系統(tǒng)穩(wěn)定性對小車完成即定任務(wù)至關(guān)重要，故采用方案二。4. 引導(dǎo)線檢測方案一：用光敏傳感器。地面的黑色和白色反光程度不同，由此判斷 傳感器是否在黑線上方。但此方法易受到外界光源的影響，檢測的靈敏度 與小車的行駛環(huán)境有關(guān)，這就降低了系統(tǒng)的適應(yīng)能力和可靠性。方案二：采用反射式紅外傳感器。紅外線檢測方法則能在一定程度上 避免外界光源干擾的問題。一般光源紅外線頻段能量較弱，對傳感器的干 擾較小，而且紅外線波長大，近距離衰減小，用紅外傳感器探測近距離黑 線更可靠?？紤]到系統(tǒng)調(diào)試的過程中，行駛環(huán)境會有一定變化，因此選用方案二。反射式紅外傳

5、感器的安裝方案：方案一：兩個紅外傳感器并排安裝，間距小于引導(dǎo)線寬度2cm其中心 線和小車中心線重合。小車在引導(dǎo)線的引導(dǎo)下行駛時，當(dāng)某一個傳感器探 測到白紙時便立即控制轉(zhuǎn)彎，調(diào)整方向。但是考慮到小車的機(jī)械性能不可 能那么理想且小車具有一定慣性，容易出現(xiàn)兩個傳感器在引導(dǎo)線同一側(cè)的 情況，導(dǎo)致小車失控。方案二：兩個紅外傳感器的間距大于引導(dǎo)線寬度 2cm檢測到黑線時小 車轉(zhuǎn)彎。適當(dāng)加大傳感器的距離，以保證小車有足夠的轉(zhuǎn)彎時間。由于我們選用的小車車身較重，有一定的慣性，因而選用第二種方案。5 .路程測量方案一：借鑒光電鼠標(biāo)的工作原理。在車輪上均勻地安裝多個遮光條， 用計(jì)數(shù)光脈沖的方法測量小車的位移，并據(jù)

6、此計(jì)算車子的速度。方案二：用霍爾開關(guān)感應(yīng)車輪的轉(zhuǎn)速。在車輪上均勻地安裝磁片，在 車輪中心軸上安裝霍爾開關(guān)?？紤]到方案二安裝相對簡單，且能夠達(dá)到題目要求，因此我們選擇了6. 金屬探測方案一：采用分立的霍爾元件。此方案電路復(fù)雜、靈敏度低。方案二：采用工業(yè)用的集成金屬檢測元件（接近開關(guān)）。元件使用簡單, 靈敏度較高。故采用方案二。7. 障礙物探測方案一：禾U用激光測距來測量有效的安全距離來控制。此方案探測距離準(zhǔn)確、性能可靠；但造價(jià)較高，器件不易購買。方案二：采用超聲波探測。由于超聲波頻率高、波長短、定向性好， 而且振幅小、加速度大、能量集中，適合于測量距離。特別是對這一題目 而言，超聲波不易受強(qiáng)光干

7、擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。因此，采用方案二。綜上所述，系統(tǒng)框圖如圖1所示?；驹砼c具體實(shí)現(xiàn)1. 引導(dǎo)線探測模塊ST188反射式紅外傳感器由發(fā)光二極管和光敏三極管組成，由發(fā)光二極管發(fā)出的光線經(jīng)地面反射后射入光敏三極管并控制其通斷。如圖2所示，當(dāng)傳感器處于黑線上方時，由于黑線紅外光線的反射能 力很弱，光敏三極管截止，輸出端輸出為高電平；反之，傳感器離開黑線 時，輸出端輸出為低電平。將此輸出信號通過 CPLD送入單片機(jī)的外部中 斷口，中斷后由單片機(jī)發(fā)出控制信號，來控制前輪電機(jī)的偏轉(zhuǎn)。圖2紅外傳感器工作原理2. 速度(距離)測量模塊置于磁場中的靜止載流導(dǎo)體，當(dāng)它的電流方向與磁場方向不一致時， 載流導(dǎo)體

8、上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產(chǎn)生電動勢，這種現(xiàn)象稱 霍爾效應(yīng)。由于汽車后輪是驅(qū)動輪，容易與地面打滑，測速傳感器必須安裝在前輪。為了提高測量精度，如圖 3所示，我們分別在兩個前輪上均勻地安裝 了五個磁片，每當(dāng)磁鐵片經(jīng)過霍爾片時，傳感器輸出端輸出一個脈沖，通 過定時器來計(jì)數(shù)脈沖個數(shù) n,依此計(jì)算車子的行程。假設(shè)車輪周長為C,則車子行程為s=nC/5,結(jié)合車子行駛時間t，又可得車子的平均速率為 v=s/t。采用兩個前輪同時測量并對其結(jié)果取平均值的方法可以進(jìn)一步減小 誤差。3. 超聲波探測障礙物模塊超聲波測距一般使用渡越時間法，其基本原理是利用CPLD中的計(jì)數(shù)器 計(jì)得超聲波從發(fā)射到接收的圖寸間t

9、，再根據(jù)公式S=(vXt)/2,即可得出 障礙物的距離S。其中，為超聲波在空氣中的速度，為環(huán)境溫度。我們在車頭安裝了兩對超聲波發(fā)射和接收探頭，其最佳工作頻率為40KHz由于接收探頭有較好的頻率選擇性，接收端不需要再進(jìn)行濾波。因 此，先由CPLD產(chǎn)生40KHZ方波，再經(jīng)過三個并聯(lián)的反相器擴(kuò)大電流就構(gòu)成 了超聲波發(fā)射電路，示意圖如圖 4。圖4超聲波發(fā)射電路接收電路如圖5所示，接收到的信號經(jīng)放大和比較后送入 CPLD停止 其內(nèi)部相應(yīng)的計(jì)數(shù)器，當(dāng)最終的累計(jì)值小于一定數(shù)值時觸發(fā)單片機(jī)中斷， 從而控制前輪的偏轉(zhuǎn)。圖5超聲接收電路4. 電機(jī)驅(qū)動電路圖6電機(jī)驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動采用的是基于PW啲H型驅(qū)動電路，其電

10、路原理如圖6所示。 該電路采用達(dá)林頓方式驅(qū)動，以保證電動機(jī)啟動時有足夠大的電流。在要 求電動機(jī)正轉(zhuǎn)時，開關(guān)管 V1受PWM控制信號控制，開關(guān)管 V4施加高電平 使其常開；開關(guān)管V2、V3施加低電平，使他們?nèi)冀刂?。在要求電動機(jī)反 轉(zhuǎn)時，開關(guān)管V3受PWM控制信號控制，開關(guān)管 V2施加高電平使其常開； 開關(guān)管VI、V4施加低電平，使他們?nèi)冀刂埂Ｎ覀儾捎?1kHz的周期信號 作為PW控制信號，通過對其占空比的調(diào)整來對車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。5. 探測金屬模塊電感式接近開關(guān)屬于一種有開關(guān)量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產(chǎn)生電磁場的振蕩 感應(yīng)頭時，使物體內(nèi)部產(chǎn)

11、生渦流。這個渦流反作用于接近開關(guān)，使接近開 關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接 近，進(jìn)而控制開關(guān)的通或斷。我們選用的接近開關(guān)外部引出了藍(lán)、黑、棕三個顏色的線。其外部電作示意圖 路如圖7所示。當(dāng)檢測到金屬時，輸出端輸出低電平。6. CPLD勺具體實(shí)現(xiàn)CPLD實(shí)現(xiàn)的主要功能為邏輯濾波去抖動電路、累計(jì)行車路程、超聲波 發(fā)射及接收、必要的中斷擴(kuò)展和數(shù)字邏輯電路等，減少了焊接工作量，且 大大增加了硬件的靈活性。其內(nèi)部電路如下：(1) 分頻電路將單片機(jī)的 ALE(IMHz)、讀寫控制信號和經(jīng)過異或運(yùn)算后作為CPLD的總時鐘信號，并利用最大值為24的計(jì)數(shù)器將此時鐘信號進(jìn)行24

12、分頻，得到約40KHZ的脈沖信號，作為超聲波發(fā)射時的發(fā)射波及各去抖 動電路的時鐘信號。(2) 探測黑線部分的去抖動電路由于光電感應(yīng)器在光線亮暗變化的臨界處會產(chǎn)生毛刺，所以我們利用移位寄存器設(shè)計(jì)了一個濾波平滑電路，當(dāng)其連續(xù)收到4個1時觸發(fā)器才輸出1。具體電路如圖8所示，其中Lleft、Lright分別為左、右反 射式紅外傳感器的輸出信號，out_L、out_R分別為觸發(fā)左、右前輪偏轉(zhuǎn) 的觸發(fā)信號。clk40k是移位寄存器的時鐘信號，其周期越大，則去抖動 的作用越明顯。圖8 邏輯濾波去抖動電路（3）累計(jì)行車路程由于黑色引導(dǎo)線總長度約為4.8m,預(yù)計(jì)障礙區(qū)小車行駛的總長度也 不超過5m而小車車輪的周

13、長為12.7cm,車輪每周有五個磁片，因此霍 爾開關(guān)輸出的脈沖次數(shù)最多為 400次左右，我們在CPLD中設(shè)置一個8 位的計(jì)數(shù)器用于計(jì)數(shù)，并在 C點(diǎn)將該計(jì)數(shù)器清零。該部分的去抖動電路 與探測黑線部分的去抖動電路類似，連續(xù)接收 4個0時，觸發(fā)信號才為 0。其具體電路圖如圖9所示。圖9路程測量電路（4）中斷擴(kuò)展探測黑線時的兩個觸發(fā)信號out_L、out_R均送入CPLD中，并通過 其內(nèi)部一個類似于8259的功能模塊后，送至單片機(jī)的外部中斷口 IE1， 實(shí)現(xiàn)了外部中斷擴(kuò)展。三、軟件算法及流程圖1. 引導(dǎo)線及障礙物的檢測引導(dǎo)線及障礙物檢測算法如下：當(dāng)單片機(jī)的外部中斷1接收到CPLD的 中斷信號后，查詢數(shù)

14、據(jù)線上的中斷向量值并根據(jù)此值作出判斷，然后向前 輪電機(jī)發(fā)出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向信號。如為左（右）側(cè)紅外傳感器中斷則小車向左（右）轉(zhuǎn)；如為左（右）側(cè)超聲中斷則小車向右（左）轉(zhuǎn)。2. 薄鐵片的探測接近開關(guān)的輸出信號送入單片機(jī)的外部中斷口IE0，當(dāng)檢測到有薄鐵片時，單片機(jī)進(jìn)入相應(yīng)的服務(wù)程序，記下小車當(dāng)前行程s1并發(fā)出聲光顯示； 金屬探測器離開薄鐵片時，記下當(dāng)時小車當(dāng)前行程s2，記錄薄鐵片個數(shù)的變量加1計(jì)算薄鐵片的中心線離起跑線的距離 s=（s1+s2）/2 。3. B點(diǎn)和C點(diǎn)的辨認(rèn)B 點(diǎn)為直道與彎道的交接點(diǎn)，距起始點(diǎn) 2.3m,根據(jù)小車的行程可以方便的找出該點(diǎn)，但由于小車的實(shí)際行駛路程并非為直線，因此當(dāng)它到達(dá)

15、B點(diǎn)時，行駛的實(shí)際路程要大于 2.3m,我們在軟件上設(shè)置一個預(yù)期距離（由 試驗(yàn)決定），則認(rèn)為到達(dá)B點(diǎn)。C點(diǎn)下埋有邊長15cm的正方形薄鐵片，當(dāng)金屬探測器探測到薄鐵片時， 判斷小車的行駛路程是否大于上述預(yù)期距離，若大于則認(rèn)為到達(dá)C點(diǎn)。由于金屬探測器和小車中心點(diǎn)的距離為11cm，經(jīng)測試小車的剎車距離為 23cm因此，如欲使小車停車時中心盡量與 c點(diǎn)重合，則需在金屬探測器離 開薄鐵片的一瞬間開始剎車。在軟件上設(shè)置一個標(biāo)志位，表示小車是否離 開C點(diǎn)處的鐵片，離開時立即剎車。4. 全程PWM信號的改變用B點(diǎn)和C點(diǎn)將全程劃分為三個區(qū)域，分別為直道區(qū)、彎道區(qū)和障礙區(qū)。由于前輪偏轉(zhuǎn)時會受到較大的摩擦阻力，而小

16、車行駛于彎道區(qū)時前輪 偏轉(zhuǎn)的概率要比行駛于直線區(qū)時大得多，因此要克服更大的阻力，這必將 造成速度的降低。為了保證小車在彎道區(qū)內(nèi)的速度不至于過低而引起停車， 我們在小車進(jìn)入彎道區(qū)后 加大后輪PWM空制信號的占空比，使其具有更 大的驅(qū)動功率。另外，由于在障礙區(qū)行駛時，小車避障需要一定的時間， 因此車速不能過高，在這一區(qū)域內(nèi)應(yīng)減小后輪pwM空制信號的占空比，以降低小車的行駛速度。軟件上設(shè)置一個狀態(tài)寄存器，用以記錄小車行駛區(qū) 域，CPU不斷查詢這一狀態(tài)寄存器，并根據(jù)查詢結(jié)果改變由定時器 o產(chǎn)生的 pwM信號的占空比（占空比由試驗(yàn)決定）。5. 主程序流程圖主程序流程圖如圖9所示圖10 主程序流程圖四、系

17、統(tǒng)測試1測試儀器：卷尺、秒表2.測試方法與結(jié)果讓小車在跑道上跑完全程，觀察小車實(shí)際實(shí)現(xiàn)的功能。觀察結(jié)果簡述如下：能在預(yù)定時間內(nèi)走完全程；能檢測到薄鐵片；沿弧線行駛到C點(diǎn)，在C點(diǎn)停車5秒并發(fā)出斷續(xù)的聲光信號。五、總結(jié)本設(shè)計(jì)在硬件上，采用了超聲波、紅外、金屬探測器等多種傳感器檢測 小車和障礙物、鐵片、引導(dǎo)線之間的相對位置，驅(qū)動時采用PWN脈寬調(diào)制技術(shù)，可以無級調(diào)節(jié)小車的速度。該系統(tǒng)還有一些待改進(jìn)的方面，首先，為避免電源電量對速度的影響，軟件上還可引入速度反饋算法。即在 C點(diǎn)出就計(jì)算出小車的平均速度。依據(jù) 平均速度對控制小車速度的PWM脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)整。其次，為減小誤判 率，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，軟件

18、上還可運(yùn)用抗干擾算法，例如對引導(dǎo)線的檢測、 薄鐵片的檢測等，可連續(xù)查詢傳感器的輸入信號，當(dāng)絕大部分時間檢測到信 號時，則引起中斷，否則認(rèn)為是干擾，不予理會，從而使小車對行駛環(huán)境具 有超強(qiáng)的容錯和抗干擾能力。另外，我們在調(diào)試超聲波接收電路時發(fā)現(xiàn)，兩級放大前加隔直電容是十 分必要的，接收到的信號存在直流分量，經(jīng)兩次反相放大后交流信號會湮沒 在直流信號中，表現(xiàn)為輸出端輸出直流信號。版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計(jì)等在網(wǎng)上搜集整理。版權(quán)為潘宏亮個人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures, and des

19、ig n. Copyright is Pan Hon glia ng's pers onal own ership.用戶可將本文的內(nèi)容或服務(wù)用于個人學(xué)習(xí)、研究或欣賞，以及其他非商業(yè)性或非盈利性用途，但同時應(yīng)遵守著作權(quán)法及其他相關(guān)法律 的規(guī)定，不得侵犯本網(wǎng)站及相關(guān)權(quán)利人的合法權(quán)利。除此以外，將本 文任何內(nèi)容或服務(wù)用于其他用途時，須征得本人及相關(guān)權(quán)利人的書面 許可，并支付報(bào)酬。Users may use the contents or services of this articlefor pers onal study, research or appreciati on, and other non-commercial or non-profit purposes, but at the same time, they shall abide by the provisi ons of copyright law and other releva nt laws, and shall n ot