自动往返电动小汽车设计.docx
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自动往返电动小汽车设计
自动往返电动小汽车设计
摘要
智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。
一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。
本系统以SST系列单片机为核心控制模块，充分利用了自动检测技术、单片机最小系统、液晶显示模块电路，以及声光信号的控制、电机的驱动电路。
通过KeilC和PROTEUS的仿真，通过实践操作与调试，实现自动往返小车设计。
综合运用单片机技术、自动控制理论、检测技术等。
使小车能在无人操作情况下，借助传感器识别路面环境，由单片机控制行进，实现初步的无人控制。
单片机具有体积小、重量轻、耗电少、功能强、控制灵活方便且价格低廉等优点。
智能小车采用单片机为控制器核心，其集成度高、体积小、抗干扰能力强，具有独特的控制功能，单片机的应用正从根本上改变着传统的控制系统设计思想和设计方法。
本设计以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测信号和循线运动。
运用单片机的运算和处理能力来实现小车的自动加速、限速、减速、定时、前进、后退、左转、右转、显示行驶速度、行驶路程、行驶时间等智能控制系统。
关键词：
SST单片机，自动控制，电动小车，PWM调速，传感器
THEDESIGNOFAUTOMATICELECTRICCARS
ABSTRACT
Smartcars,alsocalledwheeledrobots,isakindofautomobileelectronicbackground,intelligentcontrol,patternrecognitionandsensingtechnology,electronic,computer,machineryandmultidisciplinarysciencecreativedesign.Generallyconsistsmainlyofpathrecognition,speedacquisition,anglecontrolandspeedcontrolmodule.
SystemdesignforthecoreofSSTseriesmicrocontrollercontrolmodule.Makefulluseoftheautomaticdetectiontechnology,MCUsmallestsystem,LCDmodulecircuit,thecontrolofsignal,andthemotordrivecircuit.ThroughthesimulationKeilCandPROTEUS,practiceanddebugging,andtherealizationofautomaticcardesign.Comprehensiveuseofmicrocontrollertechnology,automaticcontroltheory,thedetectiontechnology,etc.Thatcarinunattendedoperationcircumstance,usingsensoridentifyroadenvironment.Travelbysingle-chipmicrocomputercontrol,thepreliminarynocontrol.
MCUiswellestablishedforitsflexibleoperations,smallvolume,lightweight,lessconsumption,powerfulfunctions,andlowinprice.Thisdesignbasedonsinglechip,peripheralcircuit,byusingphotoelectricdetectorsignaldetectionandfollowedthemovement.UsingMCUtorealizetheautomaticforward,backward,left,right,anddisplayspeed,drivingdistance,timeofintelligentcontrolsystem.
TheapplicationofMCUisfundamentallychangingthetraditionalcontrolsystemdesignideasanddesignmethod.
KEYWORDS:
SSTmicrocontroller,automatic,PWMspeedadjusting,sensor
目 录
前 言
伴随着现代汽车行业的飞速发展，作为汽车的电子控制系统也势必得到更大的发展机会，以满足人们对汽车的安全性、智能化的要求，本文对智能往返小车自动控制系统的研究是对一些问题的初步思考。
智能小车是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统。
它集中地运用了计算机、传感器、信息、通讯、导航、人工智能及自动控制等技术—是典型的高新技术综合体。
本次毕设的自动往返电动小汽车就是这种综合体的一种尝试。
小车以单片机为核心，附以外围电路，采用光电检测器进行检测信号和循线运动。
运用单片机的运算和处理能力来实现小车的自动加速、限速、减速、前进、后退和金属传感器检测等功能，可液晶实时显示行驶速度、行驶路程、行驶时间的智能控制系统。
本次毕业设计要求设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。
小车从起跑线出发，到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线，往返一次的时间应力求最短。
到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小。
在限速区小车往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，且不允许在限速区内停车。
智能小车设计的核心思想便是建立赛道可行区域感知系统，使小车在行驶过程中对跑道上的黑线能够自动检测与识别，通过对视觉信息的处理确定小车与跑道的相对位置关系，通过执行机构调整小车与跑道的相对位置，使小车在赛道中心准确稳定行驶的同时又兼顾车速，尽量缩短往返时间，从而达到“稳”和“快”的协调。
智能小车采用一块SST89E516RD单片机作为其检测和控制核心。
选用SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片L298作为小车电机驱动，利用PWM技术动态控制电动机的转速。
路面金属线线检测、车速和距离检测使用电感式接近开关金属传感器进行信号的采集，接近开关反馈的信号送入单片机处理，由控制单元处理信号并控制小车的运行模式及液晶数据显示。
实现了自动往返小车在无人控制状态下实现智能循迹、限速、压线的智能控制，液晶显示电路显示运行的时间、路程并实时更新速度显示。
第1章绪论
§1.1设计背景
随着智能机器人技术、汽车工业的迅速发展，关于智能小车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，可见其研究意义很大。
智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。
一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。
本设计就是在这样的背景下提出的，设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有智能PWM限速、返回、准确定位停车等功能。
§1.2设计概述
智能小车系统集中地运用了计算机、传感器、信息通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。
本次毕设的自动往返电动小汽车就是这种综合体的一种尝试。
自动往返电动小汽车是指小车能够在跑道上自动往返行驶，无须人的操作。
小车从起跑线出发后自动行驶到终点，并能在终点停车一段时间，然后返回起点。
同时小车可以在要求区域内自动加速和减速。
以单片机为控制核心，辅以传感器、控制电路、显示电路等外围器件，构成了一个车载控制系统。
电动小车能够根据题目要求在直线方向上完成调速、急刹车、停车、倒车返回等各种运动形式。
这辆小车还可以通过液晶实时显示一次往返时间和行驶距离、行驶速度。
另外，采用C语言编程算法进行速度调节，经过PROTEUS仿真后，成功地实现了从最高速降至低速的平稳调速。
本系统主要采用C语言编程算法进行速度调节。
通过C语言编程控制和PWM脉宽调制技术的结合，提高了对小车位置的控制精度，并且实现了低速段车速的恒速控制。
§1.3设计任务和主要内容
设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车，能在如图1-1所示的跑道上自动往返行驶。
在跑道B,C,D,E,F和G处设有2cm宽的金属线。
1.小车从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。
往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。
2.到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以小车中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值）。
3.D～E间为限速区，小车往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，但不允许在限速区内停车。
ABCDEFG
0.5m
0.5m2m0.5m
图1-1小车跑道顶视图
各路段行驶速度要求：
BD段：
小车全速前进。
DE段：
首先以最快的速度减速，并同时开始计时，降至慢速度后保持基本恒速前进，当接近8秒时，开始加速并冲出此段区间。
EF段：
小车全速前进。
FG段：
首先以最快的速度减速，并且保持最低速度前进，当小车中间的传感器探测出黑线时便立即停车
第2章系统方案论证与分析
根据题目中的设计要求，本系统主要由主控单片机模块、电源模块、电机驱动模块、黑线检测模块、测速模块以及液晶显示模块构成。
本系统的方框图如图2-1所示：
图2-1系统原理框图
§2.1小车车体选择
在确定了毕业设计选题以后，指导老师就给我提供了由亿学通电子推出的“DIY竞赛小车”散件车体。
其具有结构小巧、运动灵活、扩展性强、控制简单等诸多特点。
该小车车体套件具备功能如下：
（1）支持四个独立电机的安装，增大了驱动力和转弯的灵活性
（2）配置了测速码盘（安装在第一级输出），提高了转速测量精度
（3）配备开关量转速测量传感器接口
（4）配备了外部电源接口和电池盒接口，方便了小车用电选择
（5）保留了万向轮固定孔，四轮车可以方便改装为三轮车
（6）为单片机控制板预留了电源和控制端口
（7）保留了DIY竞赛小车的扩展板，可以直接把单片机电路、显示电路、通讯电路、遥控电路等焊接上面，不需要再额外增加电路，方便了扩展
§2.2主控单片机
§2.2.1采用凌阳16位单片机
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。
且实验室器材室没有此型号单片机。
因此决定不再使用此方案，考虑其他方案。
§2.2.2采用SST89E516RD单片机
SST89E516RD是8位集成存储器的51系列兼容单片机，和51系列单片机软件兼容、开发工具兼容、管脚也兼容。
SST89E516RD片内有两块SuperFlashEEPROM，分为64K主块（Block0）和8K次块（Block1）。
Block0的地址范围是0000h～ffffh；Block1的地址范围是10000h～11fffh。
做仿真器时Block1存储区烧写SoftICE仿真监控程序。
SST89E516RD具有在应用可编程（IAP）和在系统可编程（ISP）的功能，其中IAP是通过串口实现的。
由于SST89E516RD具有两块独立的SuperFlash程序存储区，当监控程序在Block1存储区中运行时可以改写Block0程序存储区中的程序，使用在线SoftICE模式，不需要反复的将调试程序下载到单片机中，避免了单片机的老化损坏，可方便的与KeilC实现SoftICE在线仿真调试功能。
因此决定采用SST89E516RD作为本次毕业设计的主控单片机芯片。
§2.3电机模块
§2.3.1采用步进电机
采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。
步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。
在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。
这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。
使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。
它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。
步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。
因此决定放弃此方案。
§2.3.2采用直流电机
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，电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。
综合以上考虑，我选择使用直流减速电机作为自动往返电动小车的驱动电机。
§2.4电机驱动调速模块
小车运行过程中要求电动机的转速在一定范围内调节,调速范围根据负载的要求而定。
由公式[1]
[1]
n:
电枢转速,Uα:
电机端电压,Iα:
电机端电流,
Rα:
电枢电阻,Ce:
常数,φ:
每极总磁通
可以看出,调速可以有三种方法:
（1）改变电机端电压Uα,即改变电枢电源电压;
（2）改变磁通φ,即改变激磁回路的调节电阻Rj以改变激磁电流Ij;
（3）在电枢回路中串联调节电阻Rtj。
此时的转速公式[2]为:
[2]
在实际电路设计中，改变电机的磁通φ或调节枢回路中串联调节电阻Rtj并不方便、实用。
因此，主要选择通过改变电机两端电压的方法来实现电机的调速控制。
下面是通过调节电机两端电压达到调速目的的三种方案：
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比较昂贵。
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且实现困难。
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慢、机械结构易损坏，寿命较短、可靠性不高。
方案三：
采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高。
H型电路保证了可以简单的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，是一种广泛采用的PWM调速技术。
L298为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（DualFull-BridgeDriver），可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。
内含二H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，输出电压最高可达50V。
可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。
PWM脉宽调制实际上就是改变电机端电压的平均值从而进行调速的一种方法。
这种方法便于与单片机等数字系统接口，实现方便，而前两种方法必须要配合一定的外围模拟电路才能达到单片机控制目的，基于以上分析,在电动机驱动模块上拟选定采用PWM脉宽调制方法。
选用L298双全桥步进电机专用驱动芯片。
§2.5电源管理
§2.5.1采用单电源供电
所有器件采用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它芯片供电。
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驱动的电动机电流波动较大，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，缺点十分明显。
因此我们放弃此方案。
§2.5.2采用双电源供电
采用双电源供电方式。
将电动机驱动电源与单片机以及周边电路电源完全隔离。
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，提高了系统的稳定性。
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，故采用12V蓄电池为L298N电机驱动芯片供给电源电压。
L298N接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
因此采用单一电源（4节AA电池）为单片机、Vss端和传感器供电。
这样供电比较简单采用4.8V可充电动力电池组。
动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。
基于以上分析,小车系统选用蓄电池和AA电池的双电源供电方式。
§2.6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，由于黑线和白线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱判断车子是否到达黑线。
采用集成电路技术制造的新一代光电开关器件具有延时、展宽、外同步、抗相互干扰、可靠性高和工作区域稳定等优良性能。
这种光电开关采用脉冲调制的主动式光电探测系统，可在物位检测、速度检测、液位控制、计数、宽度判别等诸多领域。
使用光电传感器来采集路面信息。
使用红外传感器最大的优点就是结构简明，实现方便，成本低廉，免去了繁复的图像处理工作，反应灵敏，响应时间低，便于近距离路面情况的检测。
但红外传感器的缺点是，它所获取的信息是不完全的，只能对路面情况作简单的黑白判别，检测距离有限，而且容易受到诸多扰动的影响，抗干扰能力较差，背景光源，器件之间的差异，传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。
在本次比赛中，赛道只有黑白两种颜色，小车只要能区分黑白两色就可以采集到准确的路面信息。
经过综合考虑，在本项目中采用红外光电传感器作为信息采集元件。
光电开关按检测方式可分为对射式和反射式两种。
§2.6.1采用对射式红外光电传感器
用可见发光二极管与光敏二极管组成的发射－接收分立对管光电传感器。
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判。
虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。
在跑道上设置检测装置很不方便，故无法应用对射式光电开关探测跑道标志，只能采用反射式光电开关。
§2.6.2采用反射式红外光电传感器
1.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；但如果直接使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。
2.脉冲调制的反射式红外发射－接收器。
采用带有交流分量的调制信号，可以减少环境光源的直流分量的干扰。
考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰。
另外，红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，如果使用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大（50～100mA），这样也大大提高了信噪比。
基于上述考虑，考虑到本系统的传感器主要是安装在小车的底部检测黑线，拟采用经脉冲调制的反射式红外传感器检测路面黑线。
§2.7测速及里程计量模块
§2.7.1采用霍尔传感器
霍尔传感器内部由三片霍尔金属板组成，当磁钢正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁钢，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。
此方案的优点是霍尔传感器响应速度快，结构简单，但精度不够高。
§2.7.2采用U型红外光电传感器
采用U型红外光电传感器，在车轮上贴上白纸黑条，当作光电编码盘，当车轮转动时，带动码盘转动，利用红外传感器对不同颜色的物体反射的光线强度的不同，从而导致接收管的导通和截止。
用中断对接收到的信号进行计数。
码盘形状如图2-2所示：
图2-2测速码盘
以上两种都是比较可行的转速测量方案。
尤其是霍尔元件，在工业上得到广泛采用。
但是在本题中，小车的车轮较小，方案一的磁片密集安装十分困难，容易产生相互干扰。
相反，方案二适用于精度较高的场合，可以车轮上加较多的黑线来满足脉冲计数的精度要求，因此拟采用方案二。
§2.8计时模块
对于定时器，由于我们选用的单片机内部已经有定时器了，使用单片机内部的定时器已经可以实现系统的总计时和倒计时功能，而且可以简化系统硬件，虽然定时时间没有专用的计时芯片精确，但误差也不会很大。
故我们采用单片机内部的定时器作为计时模块。
§2.9显示模块
§2.9.1采用LED数码管
LED显示具有硬件电路结构简单、价格便宜、调试方便、软件实现相对容易等优点，但占用单片机IO口太多，而且显示的信息不多。
由于我们计划要显示小车运行时间、速度、路程等内容。
LED数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。
§2.9.2采用LCD液晶显示
采用LCD液晶显示。
用自带中文字符库的液晶显示模块，显示方便美观，而且人机交互界面也很友好。
采用串口通讯的显示方式，可以大大节省单片机的IO口。
LCD液晶具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等而得到广泛应用，因此我们选择此方案。
通过以上方案论述我们选择方案二，显示小车运行时各个测量参数的任务。
第3章智能小车系统设计
§3.1主控单片机功能设计
智能小车系统的核心模块即为主控单片机。
选择一片数据处理能力强大、片内资源丰富的单片机，对设计各功能的更好实现具有极大意义。
一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容：
一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定时/记数器﹑中断系统等。
若不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展。
二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如液晶显示器﹑A/D﹑D/A转换器等，且需要设计合适的接口电路。
SST89E516RD是SST公司8位微处理器FlashFlex51系列的成员，是采用先进的闪存CMOS半导体技术设计和制造，芯片采用8051的指令集，并和标准的8051控制器管脚兼容。
芯片内部带有72Kbyte的片内FLASHEEPROM存储器，使用了SST公司专利的CMOS闪存技术。
单片机已经预先烧录一段引导下装（BOOTSTRAPLOADER）的代码，通过IAP操作，实现开始的用户程序代码烧录和以后的用户代码升级。
CHIP-ERASE操作会擦除该引导下装程序。
使用在线SoftICE模式，不需要反复的将调试程序下载到单片机中，避免了单片机的老化损坏，可方便的与KeilC实现SoftICE在线仿真调试功能。
故本次毕业
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