智能电动车设计报告.docx
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智能电动车设计报告
智能电动车设计报告
摘要
本设计以单片机AT89S52作为小车的控制核心，电路分为路面黑线检测模块，电机驱动模块，显示模块，障碍物探测模块，方向控制模块，测距模块等几个部分。
采用反射式红外光电传感器来检测路面黑线；反射式红外传感器来检测障碍物；利用L298N来驱动电机，灵活方便地对车速进行控制。
各探头的信号经单片机综合分析处理，实现对小车的智能控制。
同时显示行程和时间。
Abstract
Inthisdesign,thecontrollerkernelofthisdollyisbasedonMCUAT89S52.Thecircuitiscomposedofthefollowingmodules:
detectingblackthreadontheroadmodule,motordrivemodule,displayinstructionmodule,supersonicwavedetectionmodule,directioncontrollermodule,
anddistancemeasurementmodule.Thedetectionofblackthreadontheroadisrealizedbyreflectioninfraredwaveswitch;andmotordrivemoduleadoptsL298Ntocontrolthedolly’sspeedflexiblyandconvenie-ntly.AndtheMCUsyntheticallyprocesstheinformationfromallthedetectingheads,displaysthestrokelengthandtime.
一、方案论证与比较
1、电机的选择与论证
方案一：
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移的执行元件，可在宽广的范围内调速。
还有一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的转矩值，就能够立即使步进电机启动或停止。
转换精度也比较高，正转反转控制灵活。
方案二：
采用普通直流减数电机。
直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
以上两种都是比较可行的方案。
方案一比较好，但是像做此类智能小车，用步进电机成本太高。
而方案二的直流减数电机，易于购买，电路也相对简单，所以采用直流减数电机作为动力源。
2、直流电动机驱动调速方案
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵，且可能存在干扰。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：
采用集成芯片L298N构成驱动电路。
L298N是双H桥高电压大功率集成电路，可用来驱动直流电动机和步进电动机等电感性负载。
此电路用单片机控制L298N芯片使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。
L298N是三极管工艺的，所以导通的饱和压降比较大，1A时大约2-3A的压降，这种电路效率非常高；此电路内部包含4通道逻辑驱动电路，信号特别易于处理，电路保证了可以简单地实现方向的控制；电子开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的技术。
通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动电机，且价格不高，故选用方案三。
3、路面黑线探测模块
探测路面黑线的大致原理是：
光线照射到路面并反射，由于黑线和地面的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱判断是否走在黑线上。
方案一：
可见发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。
这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏洞；虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这增加额外的功率损耗。
方案二：
不调制的反射式红外发射-接收器。
由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰；但如果直接用直流电压对管子进行供电，限于管子的平均功率要求，工作电流只能在10mA左右，仍然容易受到干扰。
方案三：
采用光电开关（光电传感器）。
它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当有被检测物体经过时，物体将光电开关发射器发射的足够量的光线反射到接收器，于是光电开关就产生了开关信号。
当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时，漫反射式的光电开关是首选的检测模式。
还有它可大幅度减少外界干扰，信号也特别易于调理。
基于上述考虑，拟采用方案三。
4、路程检测方案的选择与论证
方案一：
采用霍尔元件集成片。
该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮底下安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。
方案二：
采用光电传感器对码盘进行检测。
测量距离基本原理如图---。
旋转轴转动，带动码盘转动，码盘上有许多黑白区域，码盘转动时，光电传感器利用光线照射并反射，由于黑色和白色的反射系数不同。
对于黑色则产生信号，用计数器对收到的信号进行计数。
用这种方案能很精确地算出小车已经走过的距离。
将信号整形后送入计数器。
实验证明效果很好。
以上两种都是比较可行的转速测量方案。
霍尔元件在工业上得到广泛采用，但本题小车的车轮较小，磁片安装十分困难，容易产生相互干扰。
而方案二叫适合于精度较高，体积受限制的场合。
基于以上分析，选定方案二。
5、探测障碍物方案的选择与论证
方案一：
采用超声波传感器。
超声波测距原理可以可靠地判断出小车的前方是否有障碍物，但是在检测障碍物时不能很准确地判断小车相对于障碍物的角度，这样在躲避障碍物时小车该向什么方向转，该转多少角度都无法很好地解决。
方案二：
采用反射式红外传感器（TX05D）。
TX05D是一种一体化的红外线发射，接收器件，它内部包含红外线发射，接收及信号放大与处理电路，能够以非接触形式检测出前方一定范围内的人体或物体，并转换成高电平信号输出。
TX05D使用了调制技术和采用进口带补偿的抗干扰器件，在一定程度上解决了抗干扰的问题，如白天黑夜的灵敏度基本保持一致，所以工作稳定可靠，性能优良，可广泛应用于各种自动检测。
而且这种传感器的探测距离可调（2米以内）。
基于上述考虑，拟采用方案三。
6、电源方案的选择与论证
方案一：
所有器件采用单一电源12V（8节AA电池）。
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L298驱动的电动机电流有波动，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点电，缺点十分明显。
方案二：
双电源供电。
将电动机驱动与单片机以及其周围电路电源完全隔离。
这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。
我们认为本设计的稳定可靠性更为重要，故拟采用方案二。
二、方案论证与比较
本系统有单片机作为小车的控制核心，控制黑线检测模块，电机驱动模块，显示模块，障碍物探测模块等几个部分。
系统框图如图1所示。
图1系统框图
系统组成如上图所示，以下分为硬件和软件两个方面进行具体分析。
1、系统的硬件设计
（1）电机驱动模块的电路设计与实现
本电路采用集成芯片L298N来驱动直流电机。
L298N是双H桥高电压大电流功率集成电路。
它是ST公司的产品，内部集成了两个H桥以及桥臂上开关管的推动电路，还有防止桥臂直通的控制逻辑电路。
如图2中L298N包含了推动级和驱动级两部分功能，与由分立元件构成的桥式驱动电路相比，既可使电路结构大大简化，又可以提高电路的可靠性，且能满足对中小型电动机驱动的需要。
集成芯片L298N内部电路是PHW原理的H型驱动电路。
由图2可见，每个H桥的下侧桥臂晶体管发射极连在一起，其输出脚（1和15）用来连接电流检测电阻。
9脚接逻辑控制部分的电源，常用+5V。
4脚为电机驱动电源Vs。
5、7、10、12脚输入标准TTL逻辑电平信号，用来控制H桥的开与关。
6、11脚则为使能端控制。
主要数据：
Vs（电源）50V；Vss（逻辑电源）7V；Vi\Vinh（输入或禁止信号）-0.3—0.7V；P（总功耗）25W等等。
图2L298原理框图
L298N直接输入TTL电平的控制信号，与单片机控制电路接口很方便。
具体电路见图3所示。
图3驱动电路
由于L298内部包含4通道逻辑驱动电路。
所以能够控制电动机有不同的转动状态，电动机转动状态编码表,如表1所示。
表1电机转动状态编码
从以上看出:
电流从PD7（PD5）流向PD6（PD4）,电机正转;反之电机反转;00为无电流通过电机,电机停止转动。
电源电压选择插座,根据比赛的实际需要可选择+12V（发力时）或5V（精确行走）。
本设计电路中采用功率驱动电路对两电动机进行控制，通过主CPU软件产生高低电平（电机定子电压接通和断开的时间的比值）控制功率晶体管的开关时间，即可将直流电压转换成某一频率的矩形波电压加到直流电动机的电枢两端，通过对矩形脉冲宽度的控制，改变电枢两端的平均电压，从而达到调节电动机转动的目的。
如图5-2所示。
具体电路如下设：
当电压值为固定时直流电机的速度一定Vmax：
T1，电压接通时间为：
t,则占空比表示为：
D=t/T1。
则用脉冲宽度驱动的电机转动的路程Sd为：
Sd=Vmax*D
当快转90
时D=102ms当慢转90
时D=200ms
左轮快转
右轮慢转
+5V
+5V
0V
0V
小车右转
右轮快转
左轮慢转
+5V
+5V
0V
0V
小车左转
断电
通电
图5-2电动机信号
图4电动机信号
（2）路面黑线检测模块的电路设计与实现
为了检测路面黑线，在车底的前部安装了光电开关（光电传感器），是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。
物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。
由于跑道是白色的，在莫些规定区域有黑色线条标志，根据颜色对光的吸收和反射特性，光接收管在黑白区域的导通状态不相同。
当小车在规定的跑道行使时，装在小车底部的反射式光电传感器就会作出不同的反应，对检测到黑线时的数据进行采集，把变化的光信号转换为电信号，此信号经过施密特触发电路进行整形后得到的TTL电平送入单片机。
发射、接收的具体电路见图5。
图5检测黑线电路
（3）车速及路程检测模块的电路设计与实现
图6检测盘
在车上对着车轴固定一个红外发射、接收的光电传感器，而车轮内壁上做一个圈，黑白相隔，圆周上均匀分布黑白各18道（如图6）。
所以车轮转动时，光电传感器依次检测黑和白，便得到通断相间的高低电平信号。
车轮上有黑色区域18道，是主动轮每转动一周，传感器能过检测到18个输入信号，即车轮转动一周，产生四个信号，此信号经过LM324和7414整形，即得到标准的方波信号，送入单片机进行处理。
具体电路如图7所示。
图7车速、路程检测电路
处理是由累计脉冲的总数便可计算到行使距离，行使距离：
S=（N÷18）×C×10-2
S为行使距离，N为累计脉冲，C为车轮周长，本作品中车轮周长为19.8cm,黑白反光板上黑区域为18道，故一个脉冲对应1.1cm路程。
（4）障碍物检测模块的设计与实现
此路线有如迷宫一样，要从一条死胡同里绕出来，其中还要进入好几个弯。
那肯定要面临障碍物，并且很多。
所以要转弯并且不碰到障碍物，达到路线最底端且返回。
所以我们选用红外传感器TX05D。
当TX05D接通电源后，即从模块内部的红外线发射管向前方发射38KHZ的调制红外线，一旦有物体或人体进入有效范围内时，红外线就会有一部分被反射回来，被与发射管同排安装的光敏接收管收到并转换成同频率的电信号后，由模块内部电路进行放大，解调，整形，比较处理后，在输出端给出高电平信号。
模块的红外线发射能力与工作电压有关。
工作电压越高，红外线发射功率越强，检测距离就越远；反之，电压低，检测距离就相对较近。
图8TX05D输出端内部
TX05D的电参数：
工作电压5～12V，极限电压15V，工作电流5～20mA，最大30mA，对应检测距离为0～120㎝，当工作电压12V时，输出最大灌电流大于50mA，最大输出电流大于3mA。
TX05D的输出端内部电路见图2。
小车遇到障碍物有向右拐又有向左拐。
所以经过综合考虑，将红外传感器的放置如图9所示。
图中传感器1、2是检测障碍物所用；传感器3、4即是检测障碍物又是控制方向所用。
图9红外传感器放置
①当小车在直跑道上，1、2没有检测到障碍物时，则靠3、4提供信号。
当小车偏右行使时，右边的3检测到信号，左边的4没有检测，则小车便向左行使；当小车偏左时，同理小车变会矫正向右
行使。
②当小车在直跑道上，1、2检测到前面有障碍物时，则判断3、4的信号：
若3有信号，4没有信号时，则小车向4方向（右）拐弯；若4有信号，3没有信号时，则小车向3方向（左）拐弯。
（5）显示模块的设计与实现
为了减少外部锁存器和译码电路。
本系统采用动态显示方式，即依次循环点亮各位数码管，使之在任一时刻只有一位数码管被点亮。
但由于人眼的视觉残留效应，与全部数码管持续点亮效果完全相同。
这种显示方式减小系统的供电电流，降低功耗。
为了实现LED数码管的动态扫描，系统中由CPLD同时提供段控（4位二进制）和位控（4位二进制）信号，通过74LS154硬件译码，驱动8位数码管显示，具体电路如图10。
图10LED动态显示
（7）电源的设计与实现
随着微电子技术的不断进步，系统电源的设计在单片机应用系统
设计中显得越来越重要，它对单片机系统是否正常工作起着至关重要的作用。
需要一个稳定的电源，所以需将电动机驱动与单片机以及其周围电路电源完全隔离。
因此选择7805稳压管将直流12V电压转成5V输出。
图11直流稳压电路
7805直流稳压电路，如图11所示。
电动机电路部分用原有的12V电压信号，其他电路、传感器都为5V电压供电。
2、系统的软件设计
智能小车的控制器使用ATMEL公司的AT89S52，它主要负责对路面的检测与纠错，车速检测，电动机驱动，方向控制，路程、速度显示等控制。
并且使用C语言进行软件编写，这样可以大大提高程序编写时的效率。
（1）小车主程序如图12所示：
图12主程序
图13躲避障碍物程序
（2）在躲避障碍物状态时，控制器用查询的方法来检测前面四个红外传感器。
如果汽车行使偏离方向或遇到障碍物，则控制汽车的电机使其进行转向。
程序如图13所示：
图14距离、速度检测程序
（3）在小车行使过程中，使用外部中断来记录小车行使的距离。
当车轮转动时，安装在车上的光电传感器每接收到黑色区域信号，便产生一个脉冲。
因此只需记录两个脉冲所间隔的时间，便能得到实际车速。
同时，在将脉冲转换成距离，所以接收到多少脉冲，就能显示行使距离。
程序如图14所示：
（4）小车在行使过程中，由于车底部装有光电传感器，一检测到黑线后，则有一个信号送入单片机。
单片机则从外部中断程序中读取路程并进行存储。
程序如图15所示：
图15黑线检测程序
三、测试方法及数据
1、检测设备
秒表、自制稳压电源、卷尺、模拟跑道
2、检测数据
（1）总时间和距离。
测量往返一次的时间和路程。
测试数据如表2所示。
表2
次数
1
2
3
4
实际距离（m）
测得距离（m）
（2）存储路程。
测量各黑线离起始的路程。
测试数据如表3所示。
表3
黑线数
黑线1
黑线2
黑线3
黑线4
顺走距离（m）
实际距离（m）
逆走距离（m）
实际距离（m）
四、结束语
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