26组简易智能电动车方案设计书报告.docx
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26组简易智能电动车方案设计书报告
封面
作者：
PanHongliang
仅供个人学习
简易智能电动车
作者:
刘昊黄建李慧来
指导教师:
黄根春
摘要
本系统以单片机为核心，采用脉冲宽度调制方法（PWM）方便地实现了对小车速度的精确控制。
由反射式红外传感器、超声波传感器、接近开关、霍尔开关等传感器探测周围环境数据，依此来控制小车的速度和转向。
在直道和弯道区，小车以红外传感器探测跑道上的黑线做引导标志；利用霍尔开关计量车程；通过接近开关探测道路上的薄铁片，并在最后一个铁片处停车。
另外，系统在硬件上进行了去抖动的处理，增强了其抗干扰能力。
一、方案选择和论证
1．电机的选择
方案一：
使用步进电机。
步进电机的优点是具有快速启动和停转能力、转动角度精确。
但此方案缺点显著，步进电机的功率小、速度慢，另外，其价格较高，且在原有的小车结构上不易找到合适的步进电机进行安装，硬件改造难度很高。
方案二：
使用小车上原有的直流电机。
虽然直流电机不易精确控制，但对于小车来说，其精确性并不十分重要。
而其调速平滑方便，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；调整范围广、过载能力强、能承受频繁的冲击负载等优点则显得尤为突出。
因此，我们选择方案二。
2．电机驱动模块
方案一：
调压方法。
通过电阻网络或数字电位器调整电机的分压，从而达到调速目的。
这种方案只能实现有限级调速，而且由于电机的内阻一般较小，因此分压后电机的效率不高。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制。
通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。
此方案电路简单，但继电器易损坏、寿命短，可靠性不高。
方案三：
采用由达林顿管组成的H型PWM电路驱动电机。
这种电路由于管子交替工作在饱和与截止的模式下，因此效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强。
基于以上分析，选用方案三。
3．电源选择
方案一：
所有器件采用单一电源。
这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电。
方案二：
双电源供电。
对电机驱动电路与单片机以及其周边电路分别独立供电。
这样做可以消除电动机驱动所造成的干扰，提高了系统稳定性。
由于系统稳定性对小车完成即定任务至关重要，故采用方案二。
4．引导线检测
方案一：
用光敏传感器。
地面的黑色和白色反光程度不同，由此判断传感器是否在黑线上方。
但此方法易受到外界光源的影响，检测的灵敏度与小车的行驶环境有关，这就降低了系统的适应能力和可靠性。
方案二：
采用反射式红外传感器。
红外线检测方法则能在一定程度上避免外界光源干扰的问题。
一般光源红外线频段能量较弱，对传感器的干扰较小，而且红外线波长大，近距离衰减小，用红外传感器探测近距离黑线更可靠。
考虑到系统调试的过程中，行驶环境会有一定变化，因此选用方案二。
反射式红外传感器的安装方案：
方案一：
两个红外传感器并排安装，间距小于引导线宽度2cm，其中心线和小车中心线重合。
小车在引导线的引导下行驶时，当某一个传感器探测到白纸时便立即控制转弯，调整方向。
但是考虑到小车的机械性能不可能那么理想且小车具有一定惯性，容易出现两个传感器在引导线同一侧的情况，导致小车失控。
方案二：
两个红外传感器的间距大于引导线宽度2cm，检测到黑线时小车转弯。
适当加大传感器的距离，以保证小车有足够的转弯时间。
由于我们选用的小车车身较重，有一定的惯性，因而选用第二种方案。
5．路程测量
方案一：
借鉴光电鼠标的工作原理。
在车轮上均匀地安装多个遮光条，用计数光脉冲的方法测量小车的位移，并据此计算车子的速度。
方案二：
用霍尔开关感应车轮的转速。
在车轮上均匀地安装磁片，在车轮中心轴上安装霍尔开关。
考虑到方案二安装相对简单，且能够达到题目要求，因此我们选择了方案二。
6．金属探测
方案一：
采用分立的霍尔元件。
此方案电路复杂、灵敏度低。
方案二：
采用工业用的集成金属检测元件（接近开关）。
元件使用简单，灵敏度较高。
故采用方案二。
7．障碍物探测
方案一：
利用激光测距来测量有效的安全距离来控制。
此方案探测距离准确、性能可靠；但造价较高，器件不易购买。
方案二：
采用超声波探测。
由于超声波频率高、波长短、定向性好，而且振幅小、加速度大、能量集中，适合于测量距离。
特别是对这一题目而言，超声波不易受强光干扰，提高了系统的可靠性。
因此，采用方案二。
综上所述，系统框图如图1所示。
图1系统框图
二、基本原理与具体实现
1.引导线探测模块
ST188反射式红外传感器由发光二极管和光敏三极管组成，由发光二极管发出的光线经地面反射后射入光敏三极管并控制其通断。
如图2所示，当传感器处于黑线上方时，由于黑线红外光线的反射能力很弱，光敏三极管截止，输出端输出为高电平；反之，传感器离开黑线时，输出端输出为低电平。
将此输出信号通过CPLD送入单片机的外部中断口，中断后由单片机发出控制信号，来控制前轮电机的偏转。
图2红外传感器工作原理
2.速度（距离）测量模块
置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。
图3霍尔开关测距原理示意图
由于汽车后轮是驱动轮，容易与地面打滑，测速传感器必须安装在前轮。
为了提高测量精度，如图3所示，我们分别在两个前轮上均匀地安装了五个磁片，每当磁铁片经过霍尔片时，传感器输出端输出一个脉冲，通过定时器来计数脉冲个数n，依此计算车子的行程。
假设车轮周长为C，则车子行程为s=nC/5，结合车子行驶时间t，又可得车子的平均速率为v=s/t。
采用两个前轮同时测量并对其结果取平均值的方法可以进一步减小误差。
3．超声波探测障碍物模块
超声波测距一般使用渡越时间法，其基本原理是利用CPLD中的计数器计得超声波从发射到接收的时间t，再根据公式S=（v×t）／2，即可得出障碍物的距离S。
其中，,为超声波在空气中的速度，为环境温度。
我们在车头安装了两对超声波发射和接收探头，其最佳工作频率为40KHz。
由于接收探头有较好的频率选择性，接收端不需要再进行滤波。
因此，先由CPLD产生40KHz方波，再经过三个并联的反相器扩大电流就构成了超声波发射电路，示意图如图4。
接收电路如图5所示，接收到的信号经放大和比较后送入CPLD，停止其内部相应的计数器，当最终的累计值小于一定数值时触发单片机中断，
图4超声波发射电路
从而控制前轮的偏转。
图5超声接收电路
4．电机驱动电路
图6电机驱动电路
电机驱动采用的是基于PWM的H型驱动电路，其电路原理如图6所示。
该电路采用达林顿方式驱动，以保证电动机启动时有足够大的电流。
在要求电动机正转时，开关管V1受PWM控制信号控制，开关管V4施加高电平使其常开；开关管V2、V3施加低电平，使他们全都截止。
在要求电动机反转时，开关管V3受PWM控制信号控制，开关管V2施加高电平使其常开；开关管V1、V4施加低电平，使他们全都截止。
我们采用1kHz的周期信号作为PWM控制信号，通过对其占空比的调整来对车速进行调节。
5.探测金属模块
图7接近开关工作示意图
电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。
这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。
我们选用的接近开关外部引出了蓝、黑、棕三个颜色的线。
其外部电路如图7所示。
当检测到金属时，输出端输出低电平。
6．CPLD的具体实现
CPLD实现的主要功能为逻辑滤波去抖动电路、累计行车路程、超声波发射及接收、必要的中断扩展和数字逻辑电路等，减少了焊接工作量，且大大增加了硬件的灵活性。
其内部电路如下：
（1）分频电路
将单片机的ALE（1MHz）、读写控制信号和经过异或运算后作为CPLD的总时钟信号，并利用最大值为24的计数器将此时钟信号进行24分频，得到约40KHz的脉冲信号，作为超声波发射时的发射波及各去抖动电路的时钟信号。
（2）探测黑线部分的去抖动电路
由于光电感应器在光线亮暗变化的临界处会产生毛刺，所以我们利用移位寄存器设计了一个滤波平滑电路，当其连续收到4个1时触发器才输出1。
具体电路如图8所示，其中Lleft、Lright分别为左、右反射式红外传感器的输出信号，out_L、out_R分别为触发左、右前轮偏转的触发信号。
clk40k是移位寄存器的时钟信号，其周期越大，则去抖动的作用越明显。
图8逻辑滤波去抖动电路
（3）累计行车路程
由于黑色引导线总长度约为4.8m，预计障碍区小车行驶的总长度也不超过5m，而小车车轮的周长为12.7cm，车轮每周有五个磁片，因此霍尔开关输出的脉冲次数最多为400次左右，我们在CPLD中设置一个8位的计数器用于计数，并在C点将该计数器清零。
该部分的去抖动电路与探测黑线部分的去抖动电路类似，连续接收4个0时，触发信号才为0。
其具体电路图如图9所示。
图9路程测量电路
（4）中断扩展
探测黑线时的两个触发信号out_L、out_R均送入CPLD中，并通过其内部一个类似于8259的功能模块后，送至单片机的外部中断口IE1，实现了外部中断扩展。
三、软件算法及流程图
1.引导线及障碍物的检测
引导线及障碍物检测算法如下：
当单片机的外部中断1接收到CPLD的中断信号后，查询数据线上的中断向量值并根据此值作出判断，然后向前轮电机发出相应的转向信号。
如为左（右）侧红外传感器中断则小车向左（右）转；如为左（右）侧超声中断则小车向右（左）转。
2．薄铁片的探测
接近开关的输出信号送入单片机的外部中断口IE0，当检测到有薄铁片时，单片机进入相应的服务程序，记下小车当前行程s1并发出声光显示；金属探测器离开薄铁片时，记下当时小车当前行程s2，记录薄铁片个数的变量加1，计算薄铁片的中心线离起跑线的距离s=（s1+s2）/2。
3．B点和C点的辨认
B点为直道与弯道的交接点，距起始点2.3m，根据小车的行程可以方便的找出该点，但由于小车的实际行驶路程并非为直线，因此当它到达B点时，行驶的实际路程要大于2.3m，我们在软件上设置一个预期距离（由试验决定），则认为到达B点。
C点下埋有边长15cm的正方形薄铁片，当金属探测器探测到薄铁片时，判断小车的行驶路程是否大于上述预期距离，若大于则认为到达C点。
由于金属探测器和小车中心点的距离为11cm，经测试小车的刹车距离为2～3cm，因此，如欲使小车停车时中心尽量与C点重合，则需在金属探测器离开薄铁片的一瞬间开始刹车。
在软件上设置一个标志位，表示小车是否离开C点处的铁片，离开时立即刹车。
4．全程PWM信号的改变
用B点和C点将全程划分为三个区域，分别为直道区、弯道区和障碍区。
由于前轮偏转时会受到较大的摩擦阻力，而小车行驶于弯道区时前轮偏转的概率要比行驶于直线区时大得多，因此要克服更大的阻力，这必将造成速度的降低。
为了保证小车在弯道区内的速度不至于过低而引起停车，我们在小车进入弯道区后加大后轮PWM控制信号的占空比，使其具有更大的驱动功率。
另外，由于在障碍区行驶时，小车避障需要一定的时间，因此车速不能过高，在这一区域内应减小后轮PWM控制信号的占空比，以降低小车的行驶速度。
软件上设置一个状态寄存器，用以记录小车行驶区域，CPU不断查询这一状态寄存器，并根据查询结果改变由定时器0产生的PWM信号的占空比（占空比由试验决定）。
5．主程序流程图
主程序流程图如图9所示。
图10主程序流程图
四、系统测试
1．测试仪器：
卷尺、秒表
2.测试方法与结果
让小车在跑道上跑完全程，观察小车实际实现的功能。
观察结果简述如下：
能在预定时间内走完全程；能检测到薄铁片；沿弧线行驶到C点，在C点停车5秒并发出断续的声光信号。
五、总结
本设计在硬件上，采用了超声波、红外、金属探测器等多种传感器检测小车和障碍物、铁片、引导线之间的相对位置，驱动时采用PWM脉宽调制技术，可以无级调节小车的速度。
该系统还有一些待改进的方面，首先，为避免电源电量对速度的影响，软件上还可引入速度反馈算法。
即在C点出就计算出小车的平均速度。
依据平均速度对控制小车速度的PWM脉冲的占空比进行调整。
其次，为减小误判率，提高系统稳定性，软件上还可运用抗干扰算法，例如对引导线的检测、薄铁片的检测等，可连续查询传感器的输入信号，当绝大部分时间检测到信号时，则引起中断，否则认为是干扰，不予理会，从而使小车对行驶环境具有超强的容错和抗干扰能力。
另外，我们在调试超声波接收电路时发现，两级放大前加隔直电容是十分必要的，接收到的信号存在直流分量，经两次反相放大后交流信号会湮没在直流信号中，表现为输出端输出直流信号。
版权申明
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