智能小車(chē)詳細(xì)設(shè)計(jì)方案及說(shuō)明書(shū)

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摘要

隨著汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車(chē)的研究也就越來(lái)越受人們的關(guān)注，而汽車(chē)的智能化已成為科技發(fā)展的新方向。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出來(lái)的。此次設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易智能小車(chē)是基于單片機(jī)控制及傳感器技術(shù)的，實(shí)現(xiàn)的功能是小汽車(chē)可自動(dòng)尋跡行駛，并且能夠利光電傳感器檢測(cè)道路上的障礙，利用電兩個(gè)電機(jī)的差動(dòng)調(diào)理,控制電動(dòng)小汽車(chē)的自動(dòng)避障、尋光及自動(dòng)停車(chē)，同時(shí)能夠在行駛過(guò)程中顯示里程、速度、時(shí)間等。通過(guò)尋跡傳感器進(jìn)行黑線的檢測(cè)、霍爾傳感器進(jìn)行里程的記錄，并由單片機(jī)系統(tǒng)來(lái)控制智能車(chē)的行駛狀態(tài)。采用PWM技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)機(jī)的多級(jí)調(diào)速.

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蓄電池經(jīng)7812芯片穩(wěn)壓后給電機(jī)供電，再經(jīng)過(guò)降壓接7805芯片給單片機(jī)及其他規(guī)律單元供電。但蓄電池體積相對(duì)巨大，且重量過(guò)大，造成電機(jī)負(fù)載過(guò)大，不適合我們采用的小車(chē)車(chē)架（玩具電動(dòng)車(chē)車(chē)架）。故我們放棄了這一方案。方案三：采用干電池組進(jìn)行供電

采用四節(jié)干電池降壓至5V后給單片機(jī)及其他規(guī)律單元供電，另取六節(jié)干電池為電機(jī)及光電開(kāi)關(guān)供電。這樣電機(jī)啟動(dòng)及制動(dòng)時(shí)的短暫電壓干擾不會(huì)影響到規(guī)律單元和單片機(jī)的工作。干電池用電池盒封裝，體積和重量較小，同時(shí)玩具車(chē)底座可以安裝四節(jié)干電池，正好可為單片機(jī)及其他規(guī)律單元供電。在穩(wěn)壓方面，起始時(shí)考慮使用7805芯片對(duì)6V的電池電壓進(jìn)行降壓穩(wěn)壓。但考慮到這樣使得7805芯片消耗大量能量，降低電池壽命；同時(shí)，由于at89c52、光電開(kāi)關(guān)、小車(chē)電機(jī)對(duì)于供電電壓要求并不苛刻，故我們將6V電池電壓接一個(gè)二極管降壓后直接給單片機(jī)及其他規(guī)律單元供電。而電機(jī)和光電開(kāi)關(guān)的電源不做穩(wěn)壓處理。這樣只需在小車(chē)遙控上加兩個(gè)調(diào)速按鈕，根據(jù)電池電量選擇適合功率即可，甚至于可直接在軟件里設(shè)置自動(dòng)換擋。綜合考慮，我們采用方案三，示意圖如圖2-3所示。

9V直流電源光電開(kāi)關(guān)供電圖2-3電源模塊設(shè)計(jì)直流電機(jī)供電2.4主控模塊

由于智能小車(chē)的要求不是很高，主要都是一些簡(jiǎn)單的控制，at89c52是我們?cè)凇秵纹瑱C(jī)原理與應(yīng)用技術(shù)》學(xué)習(xí)過(guò)的，且價(jià)格低廉簡(jiǎn)單購(gòu)買(mǎi)，所以最終我們直接選用了課程主要介紹的，Atmel公司的單片機(jī)作為主控模塊，如圖2-4所示。AT89C52的主要性能參數(shù)

?與Mcs-51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。

?8字節(jié)可重擦寫(xiě)FLASH

閃速存儲(chǔ)器

?1000次擦寫(xiě)周期?全靜態(tài)操作：0HZ-24MHZ?三級(jí)加密程序存儲(chǔ)器

圖2-4AT89C52單片機(jī)

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?256X8字節(jié)內(nèi)部RAM?32個(gè)可編程I/0口線?3個(gè)16位定時(shí)／計(jì)數(shù)器?8個(gè)中斷源

?可編程串行UART通道?低功耗空閑和掉電模式

2.5探測(cè)及尋跡模塊

避障傳感器模塊

2.5.1車(chē)自動(dòng)避障的原理和方案

小車(chē)車(chē)頭處裝有二個(gè)光電開(kāi)關(guān)，一個(gè)光電開(kāi)關(guān)對(duì)向左前方，一個(gè)光電開(kāi)關(guān)向右前方，（如右圖所示）。小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中由光電開(kāi)關(guān)向前方發(fā)射出紅外線，當(dāng)紅外線遇到障礙物時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被光電開(kāi)關(guān)接收。小車(chē)根據(jù)二個(gè)光電開(kāi)關(guān)接受信號(hào)的狀況來(lái)判斷前方障礙物的分布并做出相應(yīng)的動(dòng)作。光電開(kāi)關(guān)的平均探測(cè)距離為30cm。

方案一：使用光電對(duì)管探測(cè)

光電對(duì)關(guān)價(jià)格低廉，性能穩(wěn)定，但探測(cè)距離過(guò)近（一般不超過(guò)3cm），使得小車(chē)必需制動(dòng)迅速。而我們由于采用普通直流電機(jī)作為原動(dòng)力，制動(dòng)距離至少需要10cm。因此我們放棄了這一方案。方案二：使用視頻采集處理裝置進(jìn)行探測(cè)

使用CCD實(shí)時(shí)采集小車(chē)前進(jìn)路線上的圖像并進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸及處理，這是最確切的障礙物信息采集方案，可以對(duì)障礙物進(jìn)行確切定位和測(cè)距。但是使用視頻采集會(huì)大大增加小車(chē)成本和設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)難度，而且考慮到我們小車(chē)行進(jìn)轉(zhuǎn)彎的確切度并未達(dá)到視頻處理的精度，因而使用視頻采集在實(shí)際應(yīng)用中是個(gè)很大的浪費(fèi)，所以我們放棄了這一方案。

方案三：使用光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行障礙物信息采集。

使用三只E3F-DS30C4光電開(kāi)關(guān)，分別探測(cè)正前方，前右側(cè)，前左側(cè)障礙物信息，在特別地形（如障礙物密集地形）可將正前方的光電開(kāi)關(guān)移置后方進(jìn)行探測(cè)。E3F-DS30C4光電開(kāi)關(guān)平均有效探測(cè)距離0~30cm可調(diào)，且抗外界背景光干擾能力強(qiáng)，可在日光下正常工作（理論上應(yīng)避免日光和強(qiáng)光源的直接照射）。我們小車(chē)換檔調(diào)速后的最大制動(dòng)距離不超過(guò)30cm，一般在10~20cm左右，因而探測(cè)距離滿足我們的小車(chē)需求。

綜上考慮，我們選用方案四。示意圖如圖2-5所示。

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光電開(kāi)關(guān)1電平轉(zhuǎn)換單片機(jī)光電開(kāi)關(guān)2圖2-5小車(chē)避障框圖小車(chē)循跡的原理

這里的循跡是指小車(chē)在黑色地板上循白線行走，尋常采取的方法是紅外探測(cè)法。

紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收；假使遇到黑線則紅外光被吸收，小車(chē)上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車(chē)的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過(guò)3cm。方案1：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。

紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且簡(jiǎn)單受外界光線的影響，因此我們放棄了這個(gè)方案。方案2：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。

光敏電阻的阻值可以跟隨周邊環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射猛烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。

方案3：用反射型光電探測(cè)器RPR220

RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。

RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點(diǎn)：?塑料透鏡可以提高靈敏度。

?內(nèi)置可見(jiàn)光過(guò)濾器能減小離散光的影響。?體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。

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?當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。

因此我們選擇了方案3。

2.6電機(jī)選擇及驅(qū)動(dòng)模塊

本系統(tǒng)為智能小車(chē)，對(duì)于智能小車(chē)來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。由于本試驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑控制定位和速度測(cè)量不是要求太高，精度也不是太高，所以我們綜合考慮了一下兩種方案。

方案1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以確切的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)前進(jìn)路程和位置的確切定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車(chē)等有一定速度要求的系統(tǒng)，經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。

方案2：采用直流電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用便利。遙控車(chē)馬達(dá)/小直流電機(jī)電機(jī)RF-500TB-ZD供電電壓：直流DC3-9V，轉(zhuǎn)速2400r/m是自制玩具車(chē)等模型理想選擇。

能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

方案一：使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路

使用分立原件搭建電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路造價(jià)低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但分立原件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，故我們放棄了這一方案。

方案二：使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)

L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作便利，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)理輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，而且?guī)в惺鼓芏?，便利PWM調(diào)速，電路簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，使用比較便利。L298N芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，正好符合我們小車(chē)兩個(gè)二電機(jī)的驅(qū)動(dòng)要求。

綜合考慮，我們采用L298N芯片驅(qū)動(dòng)小車(chē)電機(jī)?？刂剖疽鈭D如圖2-6所示。

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源保護(hù)電路+9直流供電電L298驅(qū)動(dòng)芯片電機(jī)+5V電源直流供電電機(jī)

2.7直流調(diào)速設(shè)計(jì)

Ⅰ、基于晶閘管作為主電路的調(diào)速系統(tǒng)

于調(diào)整，且模擬器件的固有缺陷如：溫漂、零漂電壓等，導(dǎo)致電機(jī)的調(diào)速無(wú)法達(dá)到滿意的結(jié)果。晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難，性能較差，自動(dòng)化控制程度差，調(diào)速過(guò)程較為繁雜，不利于工業(yè)生產(chǎn)和小功率電路中采用。另一問(wèn)題是當(dāng)晶閘管導(dǎo)通角很小時(shí)，系統(tǒng)的功率因素很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流，從而引起電網(wǎng)電壓波動(dòng)殃及同電網(wǎng)中的用電設(shè)備，造成“電力公害〞。

Ⅱ、基于PWM為主控電路的調(diào)速系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的直流調(diào)速技術(shù)相比較，PWM(脈寬調(diào)制技術(shù))直流調(diào)速系統(tǒng)具有較大的優(yōu)越性：主電路線路簡(jiǎn)單，需要的功率元件少；開(kāi)關(guān)頻率高，電流簡(jiǎn)單連續(xù)，諧波少，電機(jī)損耗和發(fā)熱都較小；低速性能好，穩(wěn)速精度高，因而調(diào)速范圍寬；系統(tǒng)頻帶寬，快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗干擾能力強(qiáng)；主電路元件工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)，導(dǎo)通損耗小，裝置效率高。

PWM信號(hào)的產(chǎn)生尋常有兩種方法:一種是軟件的方法；另一種是硬件的方法。