智能小车详细设计方案及说明书

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摘要

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人们的关注，而汽车的智能化已成为科技发展的新方向。本设计就是在这样的背景下提出来的。此次设计的简易智能小车是基于单片机控制及传感器技术的，实现的功能是小汽车可自动寻迹行驶，并且能够利光电传感器检测道路上的障碍，利用电两个电机的差动调理,控制电动小汽车的自动避障、寻光及自动停车，同时能够在行驶过程中显示里程、速度、时间等。通过寻迹传感器进行黑线的检测、霍尔传感器进行里程的记录，并由单片机系统来控制智能车的行驶状态。采用PWM技术实现了电动机的多级调速.

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蓄电池经7812芯片稳压后给电机供电，再经过降压接7805芯片给单片机及其他规律单元供电。但蓄电池体积相对巨大，且重量过大，造成电机负载过大，不适合我们采用的小车车架（玩具电动车车架）。故我们放弃了这一方案。方案三：采用干电池组进行供电

采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他规律单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到规律单元和单片机的工作。干电池用电池盒封装，体积和重量较小，同时玩具车底座可以安装四节干电池，正好可为单片机及其他规律单元供电。在稳压方面，起始时考虑使用7805芯片对6V的电池电压进行降压稳压。但考虑到这样使得7805芯片消耗大量能量，降低电池寿命；同时，由于at89c52、光电开关、小车电机对于供电电压要求并不苛刻，故我们将6V电池电压接一个二极管降压后直接给单片机及其他规律单元供电。而电机和光电开关的电源不做稳压处理。这样只需在小车遥控上加两个调速按钮，根据电池电量选择适合功率即可，甚至于可直接在软件里设置自动换挡。综合考虑，我们采用方案三，示意图如图2-3所示。

9V直流电源光电开关供电图2-3电源模块设计直流电机供电2.4主控模块

由于智能小车的要求不是很高，主要都是一些简单的控制，at89c52是我们在《单片机原理与应用技术》学习过的，且价格低廉简单购买，所以最终我们直接选用了课程主要介绍的，Atmel公司的单片机作为主控模块，如图2-4所示。AT89C52的主要性能参数

?与Mcs-51产品指令和引脚完全兼容。

?8字节可重擦写FLASH

闪速存储器

?1000次擦写周期?全静态操作：0HZ-24MHZ?三级加密程序存储器

图2-4AT89C52单片机

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?256X8字节内部RAM?32个可编程I/0口线?3个16位定时／计数器?8个中断源

?可编程串行UART通道?低功耗空闲和掉电模式

2.5探测及寻迹模块

避障传感器模块

2.5.1车自动避障的原理和方案

小车车头处装有二个光电开关，一个光电开关对向左前方，一个光电开关向右前方，（如右图所示）。小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线，当红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。小车根据二个光电开关接受信号的状况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。光电开关的平均探测距离为30cm。

方案一：使用光电对管探测

光电对关价格低廉，性能稳定，但探测距离过近（一般不超过3cm），使得小车必需制动迅速。而我们由于采用普通直流电机作为原动力，制动距离至少需要10cm。因此我们放弃了这一方案。方案二：使用视频采集处理装置进行探测

使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理，这是最确切的障碍物信息采集方案，可以对障碍物进行确切定位和测距。但是使用视频采集会大大增加小车成本和设计开发难度，而且考虑到我们小车行进转弯的确切度并未达到视频处理的精度，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以我们放弃了这一方案。

方案三：使用光电开关进行障碍物信息采集。

使用三只E3F-DS30C4光电开关，分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特别地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离0~30cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。我们小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在10~20cm左右，因而探测距离满足我们的小车需求。

综上考虑，我们选用方案四。示意图如图2-5所示。

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光电开关1电平转换单片机光电开关2图2-5小车避障框图小车循迹的原理

这里的循迹是指小车在黑色地板上循白线行走，寻常采取的方法是红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；假使遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。方案1：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，且简单受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。方案2：用光敏电阻组成光敏探测器。

光敏电阻的阻值可以跟随周边环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射猛烈，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。

方案3：用反射型光电探测器RPR220

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。

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?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。

2.6电机选择及驱动模块

本系统为智能小车，对于智能小车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本试验要实现对路径控制定位和速度测量不是要求太高，精度也不是太高，所以我们综合考虑了一下两种方案。

方案1：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确切的定位，可以实现小车前进路程和位置的确切定位。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。

方案2：采用直流电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用便利。遥控车马达/小直流电机电机RF-500TB-ZD供电电压：直流DC3-9V，转速2400r/m是自制玩具车等模型理想选择。

能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。电机驱动模块

方案一：使用分立原件搭建电机驱动电路

使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广泛。但分立原件H桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故我们放弃了这一方案。

方案二：使用L298N芯片驱动电机

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，操作便利，稳定性好，性能优良。输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调理输出电压；可以直接用单片机的IO口提供信号，而且带有使能端，便利PWM调速，电路简单，性能稳定，使用比较便利。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，正好符合我们小车两个二电机的驱动要求。

综合考虑，我们采用L298N芯片驱动小车电机。控制示意图如图2-6所示。

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源保护电路+9直流供电电L298驱动芯片电机+5V电源直流供电电机

2.7直流调速设计

Ⅰ、基于晶闸管作为主电路的调速系统

于调整，且模拟器件的固有缺陷如：温漂、零漂电压等，导致电机的调速无法达到满意的结果。晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难，性能较差，自动化控制程度差，调速过程较为繁杂，不利于工业生产和小功率电路中采用。另一问题是当晶闸管导通角很小时，系统的功率因素很低，并产生较大的谐波电流，从而引起电网电压波动殃及同电网中的用电设备，造成“电力公害〞。

Ⅱ、基于PWM为主控电路的调速系统

与传统的直流调速技术相比较，PWM(脉宽调制技术)直流调速系统具有较大的优越性：主电路线路简单，需要的功率元件少；开关频率高，电流简单连续，谐波少，电机损耗和发热都较小；低速性能好，稳速精度高，因而调速范围宽；系统频带宽，快速响应性能好，动态抗干扰能力强；主电路元件工作在开关状态，导通损耗小，装置效率高。

PWM信号的产生寻常有两种方法:一种是软件的方法；另一种是硬件的方法。