智能小车系统设计流程图

1、智能小车系统设计流程图摘要 本设计采用两块单片机（89S52）作为自动控制小车的检测控制、显示计算核心。路面黑线检测采用反射式红外传感器，车速和距离检测使用了霍尔传感器，金属检测使用了金属接近开关。电源部分采用了强电流、弱电流分开。数字、模拟独立供电，利用光电耦合器件避免了电动机对控制系统的干扰。同时利用了PWM技术动态的控制电动机的转速，利用低密度PLD简化电路提高硬件系统的可靠性，基于这些完备可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法实现了小车在金属的检测，和在高速运动中的精确控制，达到了很好的效果！ 本设计的主要特色：高效的H型PWM电路，提高电源的利用率。控制电路电源和电动机电源隔离，信

2、号通过光电耦合器传输。红外检测路面，软件纠错，免受路面杂质干扰。优化软件算法，智能化的自动控制，反应迅速。前置式方向灯，行驶状态一目了然。一：系统设计及方案论证根据题目要求，系统可以划分为几个基本模块，如图1-1所示。对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案： 1-11：电机驱动调速模块方案一：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速度慢，机械结构易损坏，寿命短，可靠性差。方案二：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，而数字电阻元件价格昂贵，主要问题是一般

3、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。方案三：采用由双极性管组成的H型PWM电路。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。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地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很块，稳定性也很高，是一种广泛采用的PWM调速技术。基于上述理论分析，选用方案三。2：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是否到达跑道边侧。方案一：可见光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

4、境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界环境条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然采取超高亮度发射管可以降低一定的干扰，但这势必会增加额外的功率损耗。方案二：脉冲调制的反射式红外发射-接收器。考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用有交流分量的调制信号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，如果采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），这样也可以大大提高信噪比。但电路较复杂且软件工作量加大。方案三：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；如果直接用直流电压对管子供电，限于

5、管子的平均功率要求，工作电流在10MA左右。由于发射接收组件距离路面较近，切组件有外罩防止外界的干扰，所以我们采用了方案三。3：车轮测速及路程计算模块方案一：采用霍尔元件，该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属片时，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铁，而将霍尔器件安装在固定轴上，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。上述方案二计数精度较高，但安装不便且MCU计数负担过重，影响小车速度

6、的提升。方案一在工业上得到广泛应用性能稳定切装配容易，因此采用方案一。4：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驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳定，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。方案二：双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。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性更为重要，故采用方案二。二 系统的具体设计与实现系统组成及原理框图如图1-2所示。以下分为硬件和软件具体分析。 1-21

7、：系统的硬件设计（1） 电动机PWM驱动模块的电路设计与实现，具体电路图见1-3，本电路采用的是基于PWM原理的H型驱动电路。该电路采用D772，B882大功率管，以保证电动机启动瞬间的4A电流要求。 1-3我们采用了200HZ的周期信号控制，通过对其占空比的调整，对车速进行调节。最小脉宽为0.2ms速度分为5档，可以满足车速调整的精度要求。同时可以控制电动机的转向。（2） 路面黑线检测模块的电路设计与实现，具体电路见1-4，为了检测路面黑线，在车的前部安装了四个反射式红外传感器，分成左右两组，由传感器先后通过黑线的顺序可以知道小车现在跑道的位置，以便跑回原跑道。 1-4（3） 单片机控制部分

8、控制部分采用了主从结构，主控制器负责黑线检测，金属检测，电机驱动等工作。从控制器负责显示，路程计算，速度计算，运行时间计算等工作。主从之间采用波特率为19200的串行通信。具体电路见1-5。2：系统的软件设计（1） 路面检测程序 流程图见1-6。外部四组红外线检测传感器共用一个中断源，进入中断服务程序后查询具体是哪一路传感器遇到黑线。1-6（2） 显示程序 由主控CPU发送开始标志，slave mcu开始打开计数器开始计时间。当master mcu每检测到霍尔元件翻转一次便向slave mcu发送一个标志，slave mcu便累加一次计算之后送去显示。速度检测我们采用单位时间内计算共有多少个脉

9、冲计算后即可得到速度值。三 测试结果及误差分析（1） 测试设备模拟跑道：总长度7M卷尺：精度1CM秒表：精度0.01S（2） 测试结果A最高速度测试将速度开至最大，测量其最高行驶速度，通过软件将最大速度保存并显示，测试长度7M，测试数据见表1-7次数1234实测速度1.41.51.41.41-7B路程测试模拟小车运行跑道一周，与实际值比较见1-8表次数1234显示距离7137217247181-8C运行时间测试测量运行一次的时间数据见表1-9实际时间7.47.37.38.2显示时间77781-9（3）误差分析A速度、路程误差：由于我们采用的霍尔元件检测速度和路程，轮圈直径太小不方便加装过多的磁

10、铁，这是导致速度路程误差的主要原因！另外小车运行过程中路程是一随机状态误差再所难免！B时间误差：我们采用单片机内部计数器检测时间，精度较高但受外部显示位数限制无法完全显示！四 结束语从本次设计大赛的汽车自动控制中体会到，要对高速行驶中的汽车实施控制并不是一个简单的自动控制问题，它涉及到了机械学、力学、光学、电磁学等方面的知识，并与单片机相互配合，利用了单片机的强大功能实现了带速度反馈的闭环速度控制系统、智能转向系统、防止车轮打滑等功能。从最终测试结果来看，本系统具有较强的环境适应能力，很好的完成了题目的要求！本设计的小汽车能在如图13.1所示的跑道上自动往返行驶。车子从起跑线出发后到达终点线停

11、车10s，然后返回到起点停止。在限速区行驶时间要求大于8s，终点线停车与最后停车时要求车子中心点与黑线的误差尽量小。车子能自动记录时间及里程并在车上显示。跑道宽为0.5m，两侧挡板高度大于0.2m，跑道表面贴有白纸，在B、C、D、E、F和G处画有2cm宽的黑线。 图13.1 跑道规划图1.系统硬件电路的设计 自动往返行驶小汽车的控制系统采用AT89C52单片机；显示系统采用3位LED数码管显示里程数，4位LED数码管显示一次往返的时间；电机正反转采用桥式驱动控制，2档电压调速；里程记录采用霍尔传感器；跑道标志线采用光敏管检测并使用软件整形消抖措施；采用4个靠轮解决小汽车与挡板的碰擦问题；单片机

12、、电机采用独立稳压电源供电。（1）电机驱动电路 本系统的电机驱动电路采用两队互补三极管，利用单片机16、17脚电位的高低去控制三极管的截止和导通状态，从而实现小汽车驱动电机的正反转功能。为了防止电机转动时对单片机的干扰影响，提高单片机的稳定性，本电路在电机的两端加了抗干扰电容，其电路如图13.2所示。 图13.2 电机驱动电路（2）电机调速电路 电机驱动电压由AT89C52单片机的P1.7和P1.6分别控制。当P1.7为0，P1.6为1时，电机驱动电压为+7.5V，小车进入高速行驶状态；当P1.7为1，P1.6为0时，电机驱动电压为+4.3V，小车进入低速行驶状态。当P1.0为高电位时，电机供

13、电三极管D880截止，关闭电机电源实现停车功能；当P1.0为0时，D880输出电机驱动电压，小车按单片机的指令执行各种功能。电机调速控制电路如图13.3所示。 图13.3 电机调速控制电路（3）传感脉冲检测电路 检测电路由霍尔元件里程检测、跑道标志光电管两部分组成，其电路图如图13.4、13.5所示。 用于里程累积的脉冲信号有霍尔元件检测。霍尔元件安装在后左轮，车轮每转一周就由其产生一个低电平脉冲，使单片机外部中断1产生中断，从而使里程脉冲数累计一次。根据本小车轮子的周长，每转6周为1m，所以每累计6个脉冲就是1m。用于检测跑道标志的脉冲信号由光敏二极管、发光二极管电路组成。当小车在白纸上时，输出为高电平；当遇到黑条时，