电动车的设计.docx
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电动车的设计
简易智能电动车
摘要
本系统设计用两块单片机（AT89C58和AT89C2051）作为智能电动小车的检测和控制核心。
利用光电传感器及金属接近开关等采集路面信息，根据路面信息和小车的运动位置完成电动小车在不同路段的行驶控制。
路面黑线和障碍物检测使用反射式红外传感器，车速和距离检测使用断续式光电开关，光源使用光敏集成传感器。
根据小车的限定路线，制定软件算法，利用PWM技术动态控制电动机的转速和转向，实现电动小车的精确控制。
本系统的主要特色：
（1）电动车前轮电机采用舵机，能够实现0-180度精密转向。
后轮电机自带调速器，换档非常方便。
（2）整个系统供电采用低功耗技术双电源供电，电路采用低功耗芯片。
电机用电池供电4.8V，电路为高效的H型PWM电路，低功耗。
控制电路采用2.4V电池供电，两者电源分离。
（3）控制电路分模拟电路和单片机最小系统，系统板电源由2.4V经DC-DC两级升压后（5V）提供.模拟电路电源由系统板电源再经一级DC-DC升压后（12V）提供。
（4）障碍物和黑线检测采用可调反射式红外传感器。
（5）小车在障碍区绕障碍物具有自适应性，与障碍物具体位置无关。
一、方案选择与论证
系统方案一：
采用单CPU进行系统控制，系统简单，机械负载轻。
但由于需要检测的信号多，中断过于频繁，使单片机工作时段不易分配，且资源紧缺。
系统方案二：
采用单CPU和CPLD进行系统控制，CPLD可以协助CPU,承担一部分功能，如计数，信号逻辑分析等。
但CPLD耗电较大，会增加小车电源的负担。
系统方案三：
采用主从双CPU系统，用AT89C58作为主CPU，AT89C2051作为从CPU，主CPU负责系统的控制和协调工作，从CPU负责光电信号的查询，并以中断形式反馈给主CPU。
该方案的设计不仅可以降低单个CPU的工作量，而且为发挥部分的制作以及其他功能提供了充足的内部空间和更多的外部接口。
综上，采用方案三。
该方案系统功能可由图1表示
图1系统功能图
二、功能模块的设计与选择
电动小车的姿态，转速，前进方向，小车当前位置由电机控制模块及传感器检测模块决定和反映。
各个功能模块在设计方案选择方面，应在满足系统要求的基础上，能够体现简单，高效，容易实现和功耗低的原则。
1．前轮舵机控制模块：
方案一：
用数字电位器（如X9313）结合NE555多谐振荡器输出PWM信号。
通过单片机控制数字电位器来NE555调整输出方波的占空比。
这种控制方式方便简单。
方案二：
单片机直接产生PWM信号。
由于舵机有特定的PWM信号，用单片机模拟能够达到舵机的准确转向控制。
拟采用方案二。
2．后轮电机驱动模块：
采用模具小车自带的调速器，效率高，简便，功耗低。
3．车轮检速模块：
方案一：
采用霍尔集成片。
在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。
方案二：
受鼠标的工作原理启发，采用断续式光电开关。
由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在车轮上均匀的固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。
通过脉冲的计数，对速度进行测量。
以上两种都是比较可行的转速测量方案，但由于小车的车轮较小，磁片密集安装比较困难，而方案二不存在这个问题，故采用方案二。
4．路面黑线探测模块：
探测路面黑线的原理：
光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接受到的反射光强弱判断是否是黑线。
方案一：
不调制的发射式红外发射-接收器。
由于采用红外管代替普通的可见光管，可以降低环境光源干扰。
但要检测信号较多，用分立元件构成的电路布线较复杂，并非最佳方案。
方案二：
用集成发射式红外收发模块。
这些模块使用了调制技术和采用进口带补偿的抗干扰器件，可以大幅度减少外界干扰，而且电路布线简单，调试方便。
基于上述考虑，拟采用方案二。
5.障碍物检测模块:
采用集成的抗干扰的红外反射模块。
目前市场上有距离可调，抗干扰强，能在白炽灯3000W以下的环境里正常工作的红外反射模块，使用这些模块不但电路简单，性能可靠，而且便于调试。
6．光源检测模块：
采用光敏集成块。
目前有很多公司开发了相应的光源检测的集成块，如德州公司的OPT101，使用此类芯片电路极其简便，而且安装数目不会影响系统的复杂性，同时使小车具有良好的光导性。
7．金属探测模块：
方案一：
采用分立元件构成金属探测电路。
电路可用高Q值的电感器，反相放大器，电容三点式振荡组成。
利用电感Q值的变化来判断金属的存在。
这种电路原理简单，但电路参数选择和调试比较复杂。
不宜采用。
方案二：
采用集成的金属接近开关。
这种金属传感器对于检测近距离铁块信号稳定可靠，而且电路简单。
故采用方案二。
三．系统硬件具体设计与实现
（1）调速器PWM电路
图2调速器PWM简化电路图
图3调速器PWM简化等效图
调速器PWM电路为H桥功放电路，A、B、C、D分别为JFET管。
当JFET管A、D导通时后轮电动机正转；
当JFET管B、C导通时后轮电动机反转；
A、B、C、D的其他导通组合不能驱动后轮旋转；
调速器中集成PIC单片机将PWM信号转换为JFET管的导通组合驱动后轮旋转，调节PWM脉宽可控制转速。
（2）路况传感器选择及检测电路设计
为检测路面2.5cm宽的引导线，在小车下装有三个红外反射式传感器。
路面边沿黑线检测和障碍物检测传感器都是红外反射式传感器。
路面金属板检测传感器是金属接近开关。
以上四种传感器为模块结构，有三个外引脚。
各传感器的型号及功能见表1
表1路况传感器型号及功能表
传感器功能
传感器类型
型号
送入的单片机端口
路面引导线检测
红外
E3A1_D1351N
89C58P2.7P2.6P2.5
障碍物检测
红外
TX05D
89C2051P1.7P1.6
路面边沿黑线
检测
红外
E18_DS10C4
89C2051P1.5P1.4
金属板检测
金属接近开关
EL18_10N
89C2051P1.3
路况传感器安装示意图如图4：
图4路况传感器安装图
路况传感器及检测电路见图5
图5路况传感器及检测电路图
（3）车速检测电路设计与实现
采用断续式光电开关，光电产生与光电接收之间有与车轮同转的遮光条。
产生的脉冲送单片机，实现速度测量。
图6车速检测电路图
（4）光源检测电路设计与实现
在离跑道20cm出有200W的白炽灯，利用白炽灯光源，用三个感光集成芯片OPT101，做成三管式的导光系统结构，其示意图如下：
图7光源检测电路图
OPT101是集成光敏二极管芯片，它内部带有跨导放大器，其内部电路图和光源检测电路如下所示：
图8OPT101内部电路图
图9OPT101特性曲线图
（资料摘自）
如图9所示OPT101的输出电压随接收光强度变化而线性变化，经实际测量得，用200W电灯泡，当距离为2m时，电压输出为9.4伏。
为使汽车在C点就能检测到光源信号，从而为汽车作向导，我们把光敏器件OPT101架到离地面20cm处，并按照图10光源检测电路连接，把50K可调电阻调到38.75欧姆，计算如下：
当50K电阻调到38.75欧姆时，TLC393反向输入端
，
当OPT101距光源小于2m并能正对光源时，TLC393正向输入端
，TLC393输出高电平，经C9013反向后，送给单片机一个低信号；
否则，当OPT101距光源大于2m或未正对光源时，给单片机输出高信号；
图10光源检测电路
（5）电源升压电路及低功耗设计与实现
本设计中需要多种电源，其中所用到的金属传感器系最低12伏电压供电，其余传感器也用12伏供电，单片机最小系统板需要5伏标准电源供电，车轮驱动电路须用6伏电源供电，因车轮驱动电路功率消耗大，驱动时电池电压不稳，为防止车轮驱动时单片机最小系统程序运行不正常，必须采用分立电源供电，考虑到电源电压需求与电池重量的矛盾关系，本设计采用了单片机最小系统的低功耗设计，单片机系统设计为主机AT89C58与从机AT89C2051双机控制。
AT89C58是新一款低功耗、高阻抗，CMOS，8位微存储器。
AT89C2051是微功耗、CMOS、8位微存储器。
由于传感器比较多，主控制器AT89C58
的I/O口比较紧张，AT89C2051为AT89C58扩口，既解决了处理器控制问题，又实现了低功耗设计，而且AT89C2051有关断模式，功耗更低。
对于传感器所需12伏电压，我们利用升压将2.4伏电压升高到12伏，以减轻电池所带给汽车的重量负载，升压电路由ATS60110、ATS60120和MAX762三级升压电路组成，电路图如图11、图12、图13：
图11TPS60120升压电路图
图12TPS60110升压电路图
图13MAX762升压电路图
两节干电池所提供的2.4——3.0伏电压经过TPS60120、TPS60110和MAX762三级升压电路即可将其升为12伏直流电压输出，图中：
FB端基准电压
；
；
欧姆；
伏；
解出
欧姆；
如上取电阻值即可得到12伏直流电压输出，同时也可得到5伏直流电压输出，可以解决单片机最小系统电源和传感器电源供电问题。
（器件资料摘自）
由于升压芯片后备芯片不足，小车上留出了5伏和12伏直流电压输入口跳线夹。
四．系统软件具体设计与实现
1．控制方法：
题目要求小车完成绕弯和绕障碍物动作，具体控制方法如下：
首先将跑道以C点为分界点分为2段，小车在第一段以查询引导线的方式为制导，两侧黑边检测以中断方式为辅助制导；在第二段以查询光源的方式为制导，两侧黑边及障碍物检测以中断方式为辅助制导。
检测引导线和光源都由并排的３个传感器来完成，通过依次读３个传感器的状态可知小车是否偏离方向，从而作相应调整．
金属检测也以中断方式实现。
由于铁片数目不清楚，为检测是否到达C点，需要检测出小车是否已进入弯道，但不需精确知道其具体信息。
检测弯道有多种方案可实现：
如纪录左转和右转的次数，当左转次数与右转次数之差大于某个阀值时表示已经进入弯道；另一种方案为测量小车所走路程，当超过某一距离时认为已进入弯道；给系统某一定时值，定时到则认为已进入弯道。
后一种对本系统最为方便，故采用之。
另外，为测量铁片中心与起跑线的距离需检测开始监测到铁片的位置和刚好检测不到铁片的位置。
此处可充分发挥双机系统的优势。
用AT89C2051查询金属接近开关的状态，然后以中断方式直接通知主机检测到上述2个位置。
2．舵机的控制
舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0－180度，呈线性变化。
也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。
舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。
由于该信号周期长、脉宽短，需单独占用一个16位定时器。
若与其他信号共享一个定时器（如系统时钟），则系统将疲于频繁的溢出中断。
3．电子调速器的控制
电子调速器的控制信号与舵机的控制信号基本一致。
但电子调速器内部由单片机控制，需要有一个启动信号，启动信号与停车信号一致，其信号精度要求比舵机的信号高。
由于单片机定时产生PWM信号本身有误差，当误差积累到一定程度控制信号将不被接受。
因此还需定时修正该信号，此任务由系统时钟完成。
由于舵机和电子调速器已占２个定时器，车程检测用一个计数器，主机的定时器资源已经占完。
系统时钟可利用从机的定时器定时向主机的外部中断发中断请求来实现。
４．主从机通信
主从机通信采用简单的１握手线协议。
从机检测传感器状态并分析得到处理信息，对其进行编码送至主机接收端，然后向主机发中断请求通知主机接收。
主机中断设为脉冲方式，主机无需给从机应答信号。
其编码及意义如表2
表2 通信信号
ＴＸ１
ＴＸ０
意义
０
０
左边有障碍物或有黑边，需向右转
０
１
右边有障碍物或有黑边，需向左转
１
０
检测到铁片的前沿
１
１
检测到铁片的后沿
软件资源配置如下两表：
主机（AT89C58）
表3软件资源配置表
定时器０
控制电子调速器调速
定时器１
控制舵机角度
定时器２
计电机转的圈数（测车程）
外部中断０
从机通信握手线
外部中断１
系统时钟中断（由从机定时器０产生）
从机（AT89C2051）
表4 从机软件资源
定时器０
产生系统时钟并以中断方式发给主机
由上表可知从机资源利用率不高，系统尚有扩展空间。
5．软件流程图及系统电路图如下：
图14主机主流程图
图15主机中断服务程序流程图
图16从机（89C2051）流程图
图17系统电路图
五．实际测试
1．测试设备
模拟跑道：
长4m,宽2m
卷尺：
0.001m
秒表：
精度0.01s
2．测试数据：
（括号内为实际值）
表5测试数据表
次数
铁片数目（不含C点）
铁片位置1（cm）
铁片位置2（cm）
铁片位置3（cm）
1
3
（3）
47
（45）
143
（140）
220
（218）
2
3
（3）
47
（45.5）
143
（141）
220
（219.5）
3
3
（3）
47
（46）
143
（142.5）
220
（219）
4
2
（2）
60
（58）
168
（167）
5
2
（2）
60
（59）
168
（167.2）
6
2
（2）
60
（59）
168
（167.5）
7
1
（1）
225
（222）
8
1
（1）
225
（223.5）
9
1
（1）
225
（223.8）
表6测试数据表
次数
离C点位置偏差
（cm）
障碍物1
相碰情况
障碍物2
相碰情况
是否进入
车库
1
2.0
相碰
不相碰
否
2
1.8
不相碰
相碰
否
3
1.7
不相碰
相碰
否
4
1.7
不相碰
不相碰
否
5
1.5
相碰
不相碰
否
6
1.6
不相碰
不相碰
否
7
1.7
不相碰
不相碰
否
8
1.2
不相碰
不相碰
是
9
1.1
不相碰
不相碰
是
结论
从本次设计大赛的汽车自动控制中体会到，要对行驶中的汽车实施控制不是一个简单的电子控制问题，它涉及到机械学，力学，光学等方面的知识，并与单片机相配合，可使其控制更加完美，相信单片机在今后的自动控制领域中将会有更广阔的应用前景。
Abstract
TwoMCU（AT89C58andAT89C2051）areusedasthedetectionandcontrollingpartofthemobilecar.Thotoelectricitysensorandmetalapproachingsensorareappliedtocollectthelaneinformationtocontrolthesteeringstatusindifferentsections.Reflectinginfraredsensorisusedtodetecttheblacklinesandtheroadblocks.Thotoelectricityswichisusedtomeasuretherunningrateanddistance.PWMmethodisusedtocontroltheelectromotor’srotatespeedanddirectionandotherarithmeticisusedtocontrolthecarprecisely.
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