一个制作智能小车的思路一个制作智能小车的思路与大家分享下与大家分享下吉林工业职业技术学院 指导教师：王友权 郭志忠电动智能小车的制作一、方案论证1路面情况检测方案的选择探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断黑线，可实现的方案有以下几种：方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，电路如图 1-1 所示。该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高亮度发光二极管降低一定的干扰，但这有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。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接受管的最大工作电流取决与平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50100mA），则大大提高了信噪比。并且其反映灵敏，外围电路也很简单。电路如图 1-2 所示。比较以上两种方案，方案二占有很大的优势，市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性，因此建议选择方案二。图 1-1图 1-22电动机的选择方案一：采用步进电机，步进电机的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动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。方案二：采用普通直流电机。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；能满足各种不同的特殊运行要求。由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此建议采用直流电机作为动力源。3电动机驱动方案的选择方案一：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，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，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与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。方案三：采用四个大功率晶体管组成 H 桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电动机的运行。该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。基于以上的分析，建议电动机驱动电路选择方案三。4路程检测方案的选择方案一：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，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，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：采用光电码盘进行检测。光电码盘测距基本原理如图 1-3 所示。旋轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接受元件接受。用计数器对接受到的信号进行计数。用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离。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。因而建议选择方案二。图 1-35障碍物探测方案的选择方案一：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接受管的最大工作电流取决与平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50100mA），则大大提高了信噪比。并且其反映灵敏，外围电路也很简单。电路工作原理如图 1-2 所示。方案二：采用超声波传感器，如果传感器接受到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性，因此建议选择方案一。6供电电源方案的选择方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以使电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。方案二：采用单一电源供电。电源直接给电动机供电，因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电。其供电电路比较简单，通过比较，小车的机动性和灵活性更为重要，供电电路建议采用方案二为好。二、具体设计与实现单片机为小车的控制核心，电路由黑线检测模块，电机驱动模块，声光指示模块，红外线探测模块，方向控制模块，等几部分构成（金属探测、超声波测距及显示模块为发挥部分）。系统框图如图 1-4 所示。图 1-41系统硬件设计（1）路面黑线检测设计与实现当检测到黑线时，红外光管接收到反射回来的红外光，其输出立即发生高低电平跳变，该信号经放大整形后送单片机分析处理。为保证小车延黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。在小车行走过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机。，单片机控制车头向右转。路面黑线检测电路如图 1-5 所示。（2）电动机驱动电路设计与实现由四个大功率晶体管组成 H 桥电路组成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，以保证小车完成前进、后退、左传、右转等运行动作。原理图如图 1-6 所示。（3）车轮检速与路程计算在车轴上固定有一个沟槽状的断式红外开关，共有 18 个沟槽，用尺测得小车后轮周长，在单片机控制时，每检测到一个脉冲，认为小车前进了一定距离。由光电装置检测得到的波形不是很理想，因而对其进行了放大和施密特整形后送入单片机计数。放大和施密特整形电路如图 1-7 所示。其中 40106 为施密特触发器，未经整形的波形如（a）所示，为不规则的模拟信号，经过整形之后的波形如（b）所示，为理想方波。图 1-5图 1-6图 1-7通过对各模块的输出进行检测，做出相应的判断，使小车按照要求行驶。2软件设计智能小车的控制器使用 ATMEL 公司的 AT89C51 单片机。程序设计上使用了时钟中断来控制小车行驶的状态检测，使用外部中断来记录小车行驶的距离，软件上设置了一个状态寄存器，来记录小车运行的状态，小车的运行为延黑线行驶状态，避障碍物状态等。在黑线上行驶时，控制器检测红外传感器，如果小车行驶偏离方向，则控制小车转向轮进行转向。 在避障状态时，控制器检测红外传感器，判断前方是否有障碍物，如果有障碍物则控制汽车进行转向，躲避障碍物。主程序流程图如图 1-8 所示，定时中断流程如图 1-9 所示，外部中断流程如图 1-10 所示。图 1-8图 1-9图 1-10电动智能小车的电路原理图和 PCB 板图及相关资料如下：1+5V 电源电路原理图 2电动智能小车电路原理总图3电动机驱动集成块 L293D 资料 4集成运放 LM358 资料