河海大学常州校区 第三届智能小车竞赛 技 术 报 告

leahcim89

第一章引 言
本设计采用AT89S52单片机为简易智能小车的核心器件。循迹模块由若干个光电管组成，通过反射红外线的变化判断黑线的有无以达到循迹的功能，电源模块采用电池两路供电，单片机与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，电机驱动模块选用常用的H桥驱动芯片L298N结合单片机来控制电机工作，舵机转向模块是智能小车程序设计的重要模块，采用PWM波，控制舵机的转向和电机转速。技术报告以智能小车的设计为主线，包括小车的构架设计、软硬件设计，以及控制算法研究等，共分为五章。其中，第一章为引言部分；第二章主要介绍了小车的总体方案的选取，对单片机资源的分配作了说明。第三章对小车的硬件设计进行了详细的介绍，主要介绍了电路的设计；第四章描述了小车的软件设计和相关算法。第五章中叙述了我们在设计过程中遇到的问题和解决方法。
            第二章 方案的选取 根据设计的要求，确定如下方案：在现有玩具车的基础上，加装加装一些模块，实现对电动小车的速度和方向的控制，自动循迹，由单片机根据所检测的各种信息实现对小车的智能控制。这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。智能小车系统主要包括以下模块：C52单片机模块、电机驱动模块、舵机转向模块、循迹模块和电源模块一共五个模块。整体结构框图如图2.1所示。
C52单片机模块

电机驱动模块

舵机转向模块

电源模块

循迹模块
图2.1 智能小车系统功能模块图以C52为核心，设计寻线方案并尽在小车不冲出赛道的情况下尽可能的提高车速，是获得比赛胜利的关键。2.1、电机驱动调速系统方案一：采用电阻网络或者数字电位器调整电动机的分压，从而达到降速的目的。但是，电阻网络只能实现有级降速；而数字电阻的元器件价格昂贵。最重要的问题是，一般电动机的电阻很小，电流很大，分压不仅降低效率，而且难以实现。方案二：采用继电器对电动机的开/关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个电路的优点是比较简单，但是继电器的响应时间比较慢、机械结构易坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用达林顿管组成的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，可精确调整电动机的转速。这种电路由于工作在饱和截止模式下，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；电子开关的速度很快，稳定性也高，是广泛采用的PWM调速技术。方案分析：由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。2.2、循迹系统本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点（2cm宽的黑线），玩具车底盘上沿黑线放置一套，以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。利用超声波传感器检测障碍。光线跟踪，采用光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射时，其c-e间的阻值下降，检测电路输出高电平，经LM393电压比较器送单片机控制。
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；如果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15cm。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。     红外光的发送接收选用型号为ST168的对管。当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图中光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。此种方法简单，价格便宜，灵敏度可调，但是容易受到周围环境的影响，特别是在较强的日光灯下，对检测到的信号有一定的影响。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。此方案电路简单，原器件价格低廉。但是环境光源对光敏二极管的干扰较大，一旦环境发生变化，很可能造成误判或漏判。如果采用超高亮发光管，可以降低干扰，但同时增加了功率损耗。方案二：反射式红外发射—接收管。采用红外管可以大大降低环境光源的干扰。但是在车速较快的情况下，很可能会错过路面引导线，且无法再自动调整，而导致小车在转向时冲出轨道。方案三：八对反射式红外发射—接收管的组合使用。它们分别安装在小车底两侧，正常行进中，检测线应在其间。只要有一侧检测到黑线信号，立即转向信号方向，保证了小车能沿黑方向行进。
基于以上各种考虑，采用方案三。          图2-1 电压比较器电路2.3、电源系统上图为LM2940-5.0封装和实物图方案一：所有元器件采用单一电源。它供电简单，方便灵活，减小了车载质量和摩擦阻力。但是电机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电机电流波动较大，会造成电压不稳定、有毛刺干扰等，不适用于要求电源稳压的CPU，严重时可能造成系统掉电。方案二：单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，采用两路供电，这样可以使用其中一路单独为单片、指示灯供电，另外一路提供L298N、光电管、舵机的工作电压。
介于设计稳定性考虑，采用方案二。2.4、系统原理图

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