寻迹小总结Word下载.docx
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购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。
但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：
首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。
其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。
再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。
而且这种电动车一般都价格不菲。
因此我们放弃了此方案。
方案2：
自己制作电动车。
经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。
即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。
这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。
在安装时我们保证两个驱动电机同轴。
当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。
为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。
对于车架材料的选择，我们经过比较选择了有机玻璃。
用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。
综上考虑，我们选择了方案2。
小车底盘如图2所示：
图2车体底盘图
3.2控制器模块
采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。
采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。
但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。
如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。
从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。
方案3：
采用Atmel公司的ATmaga32L单片机作为主控制器。
ATmaga32L是一个低功耗，高性能的8位单片机，片内含32k空间的可反复擦些100,000次的Flash只读存储器，具有2Kbytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个8位可编程定时计数器，1个16位可编程定时计数器，四通道PWM，内置8路10位ADC。
且maga系列的单片机可以在线编程、调试，方便地实现程序的下载与整机的调试。
从方便使用的角度考虑，我们选择了方案3。
3.3电源模块
由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。
采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。
采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。
但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算，因此，我们放弃了这种方案。
采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
虽然蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且蓄电池的价格比较低。
因此我们选择了此方案。
综上考虑，我们选择了方案3。
3.4稳压模块
采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用一片7809将电压稳定至9V，最后经7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电，但7809和7805压降过大，使7809和7805消耗的功率过大，导致7809和7805发热量过大，因此，我们放弃了这种方案。
采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用2576将电压稳至5V。
2576的输出电流最大可至3A，完全满足系统要求。
3.5寻迹传感器模块
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
因此我们考虑其他更加稳定的方案。
用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。
用RPR220型光电对管。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。
RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：
塑料透镜可以提高灵敏度。
内置可见光过滤器能减小离散光的影响。
体积小，结构紧凑。
当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。
此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。
因此我们选择了方案3。
3.6电机模块
本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。
经综合比较考虑，我们放弃了此方案。
采用直流减速电机。
直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。
由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。
我们所选用的直流电机减速比为1：
74，减速后电机的转速为100r/min。
我们的车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到
V=2πr·
v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s
能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。
3.7电机驱动模块
采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。
对于直流电机用分立元件构成驱动电路。
由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。
但是这种电路工作性能不够稳定。
因此我们选用了方案1。
4、最终方案
经过反复论证，我们最终确定了如下方案：
（1）车体用有机玻璃车架手工制作。
（2）采用ATmaga32L单片机作为主控制器。
（3）用蓄电池经7812稳压后为直流电机供电，将12V电压经2576降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。
（4）用RPR220型光电对管进行寻迹。
（5）L298N作为直流电机的驱动芯片。
系统的结构框图如图3所示：
图3系统结构框图
二、硬件实现及单元电路设计
1、微控制器模块的设计
采用Atmel公司的ATmaga32L单片机，不用烧写器而只用串口或者并口就可以往单片机中下载程序。
我们在开发过程中使用开发版，方便程序的调试和整机的测试，待系统调试完成后，将单片机从开发板上取下，安装在小车系统板的单片机座中，由于本次设计要求中，小车需要完成的任务比较简单，因此我们只在小车系统板的单片机系统中保留了晶振和复位电路，取消了JTAG编程口等冗余电路。
2、光电对管电路的设计
我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如4和图5所示：
图4光电对管检测电路1
图10所示电路中，R1起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R2的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三极管集电极输出低电平。
当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。
VT1在该电路中起到滤波整形的作用。
经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。
如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。
但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。
究其原因，是因为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流较大。
因此我们考虑用比较器的方案。
图5光电对管检测电路2
在图3中，可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机查询使用。
而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。
因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。
3、寻迹光电对管的安装
考虑到设计要求，本次设计仅用7对光电传感器就能完成设计要求，中间四对传感器用来校正小车的寻迹路线，保证小车运行的直线性。
两侧的传感器用来检测小车过线，可以实现小车的转弯和小车走过的方格的计数。
当车体中间通过白线时，小车在相应的坐标方向上加一计数。
车轮处的传感器记录小车的运行速度和里程数。
传感器的安装位置如图6所示。
图6传感器安装示意图
4、电机驱动电路的设计
我们采用电机驱动芯片L298N作为电机驱动，驱动电路的设计如图7所示：
图7L298电机驱动电路
L298N的5、7、10、12四个引脚接到单片机上，通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的PWM调速以及正反转等功能。
三、软件实现
3.1主程序流程图
我们所设计的软件的主程序流程图如图8所示：
图8主程序流程图
3.2传感器数据处理及寻迹程序流程
我们用一个字节来代表车底的6个光电传感器。
用每一个位来代表当前传感器的检测状态。
我们把小车直线行进时分成三种状态，当中间四个传感器都检测到白线时，小车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速运行。
当检测到有一个传感器或者同侧的两个传感器偏出白线时，小车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。
当检测到有三个电机偏出时，小车处于较大的偏离状态，这时把一个电机的速度调至极低，另一电机全速运行，从而在较短时间内完成路线的调整。
用这种三级调速的寻迹算法同单纯的判断检测到对管的位置并作出判断的方法相比，程序思路清晰，程序执行结果较好。
该检测传感器子程序的流程图如图9所示：
图9传感器信息处理子程序流程图
四、系统功能测试
4.1测试仪器及设备
表1测试仪器设备清单
仪器名称
型号
用途
数量
PC机
联想
调试及下载程序
1
数字万用表
MASTECHmy－65
测量各电路工作情况
秒表
记录时间
4.2功能测试
小车从启动区启动，走到第一列后竖直到底，然后返回场地中间的横向白线处，按照横向白线走到场地的尽头后转弯180度，返回启动区。
所用时间总计28.666秒。
安全返回启动区后，自动倒车，入库。
小车路线示意图如图10所示：
图10小车路线示意图（测试1）
五、结论
测试表明，小车能够较好的完成实验的基本要求和发挥部分。
同时作为我们的特色的远程显示台的工作正常，绘图显示清楚，寻迹误差较小。
六、结束语
我们的寻迹小车在完成设计要求的前提下，充分考虑到了外观、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。
由于设计要求并不复杂，我们没有在电路中增加冗余的功能，但是我们保留了各种硬件接口和软件子程序接口，方便以后的扩展和进一步的开发。
另外，我们的车体底盘经过充分的论证和专业的设计，兼顾了美观、廉价、稳固、可靠等各方面的因素，具有较高的稳定性和推广意义。
鸣谢：
山东大学工程训练中心
七、参考文献
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9.万方数据资源统一服务系统。
智能寻迹小车设计
作者：
pc63来源：
单片机学习网字体：
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编辑导读:
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正文：
来源：
作者：
李毅卢仁义吴甜解放军炮兵学院（安徽合肥230031）
本文介绍了一种基于51单片机de小车寻迹系统。
该系统采用两组高灵敏度de光电对管，对路面黑色轨迹进行检测，并利用单片机产生PWM波，控制小车速度。
测试结果表明，该系统能够平稳跟踪给定de路径。
智能小车；
光电对管；
寻迹；
脉冲宽度调制
在历届全国大学生电子设计竞赛中多次出现了集光、机、电于一体de简易智能小车题目。
笔者通过论证、比较、实验之后，制作出了简易小车de寻迹电路系统。
整个系统基于普通玩具小车de机械结构，并利用了小车de底盘、前后轮电机及其自动复原装置，能够平稳跟踪路面黑色轨迹运行。
总体方案
整个电路系统分为检测、控制、驱动三个模块。
首先利用光电对管对路面信号进行检测，经过比较器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，输出相应de信号给驱动芯片驱动电机转动，从而控制整个小车de运动。
系统方案方框图如图1所示。
图1
智能小车寻迹系统框图
传感检测单元
小车循迹原理
该智能小车在画有黑线de白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线de反射系数不同，可根据接收到de反射光de强弱来判断“道路”—黑线。
笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍de检测方法——红外探测法。
红外探测法，即利用红外线在不同颜色de物理表面具有不同de反射性质de特点。
在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上de接收管接收；
如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上de接收管接收不到信号。
传感器de选择
市场上用于红外探测法de器件较多，可以利用反射式传感器外接简单电路自制探头，也可以使用结构简单、工作性能可靠de集成式红外探头。
ST系列集成红外探头价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了ST168反射传感器作为红外光de发射和接收器件，其内部结构和外接电路均较为简单，如图2所示：
图2
ST168检测电路
ST168采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。
ST168de检测距离很小，一般为8~15毫米，因为8毫米以下shi它de检测盲区，而大于15毫米则很容易受干扰。
笔者经过多次测试、比较，发现把传感器安装在距离检测物表面10毫米时，检测效果最好。
R1限制发射二极管de电流，发射管de电流和发射功率成正比，但受其极限输入正向电流50mAde影响，用R1=150de电阻作为限流电阻,Vcc=5V作为电源电压，测试发现发射功率完全能满足检测需要；
可变电阻R2可限制接收电路de电流，一方面保护接收红外管；
另一方面可调节检测电路de灵敏度。
因为传感器输出端得到deshi模拟电压信号，所以在输出端增加了比较器，先将ST168输出电压与2.5V进行比较，再送给单片机处理和控制。
传感器de安装
正确选择检测方法和传感器件shi决定循迹效果de重要因素，而且正确de器件安装方法也shi循迹电路好坏de一个重要因素。
从简单、方便、可靠等角度出发，同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，将大大提高其循迹de可靠性，具体位置分布如图3所示。
图3红外探头de分布图
图中循迹传感器全部在一条直线上。
其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边de两个传感器之间de宽度不得大于黑线de宽度。
小车前进时，始终保持（如图3中所示de行走轨迹黑线）在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测de信号送给小车de处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。
第二级方向探测器实际shi第一级de后备保护，它de存在shi考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车de运动进行纠正，从而提高了小车循迹de可靠性。
软件控制单元
单片机选型及程序流程
此部分shi整个小车运行de核心部件，起着控制小车所有运行状态de作用。
控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。
由于51单片机具有价格低廉shi使用简单de特点，这里选择了ATMEL公司deAT89S51作为控制核心部件，其程序控制方框图如图4所示。
图4系统de程序流程图
小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接de单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应de信号发送给电动机从而纠正小车de状态。
车速de控制
车速调节de方法有两种：
一shi用步进电机代替小车上原有de直流电机；
二shi在原有直流电机de基础上，采用PWM调速法进行调速。
考虑到机械装置不便于修改等因素，这里选择后者，利用单片机输出端输出高电平de脉宽及其占空比de大小来控制电机de转速，从而控制小车de速度。
经过多次试验，最终确定合适de脉宽和占空比，基本能保证小车在所需要de速度范围内平稳前行。
电机驱动单元
从单片机输出de信号功率很弱，即使在没有其它外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号de功率，从而能够根据需要控制电机转动。
根据驱动功率大小以及连接电路de简化要求选择L298N，其外形、管脚分布如图5所示。
图5L298N管脚分布图
从图中可以知道，一块L298N芯片能够驱动两个电机转动，它de使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。
另外，L298Nde驱动功率较大，能够根据输入电压de大小输出不同de电压和功率，解决了负载能力不够这个问题。
结语
此方案选择de器件比较简单，实际中也很容易实现。
经过多次测试，结果表明在一定de弧度范围内，小车能够沿着黑线轨迹行进，达到了预期目标。
不足之处，由于小车采用直流电机，其速度控制不够精确和稳定，不能实现急转和大弧度de拐弯。
参考文献：
1.
赵家贵、付小美、董平，新编传感器电路设计手册，中国计量出版社，2002
2.
李华等，MCS-51系列单片机实用接口技术，北京航空航天大学出版社，2003
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