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1、可记录里程的智能小车的设计与制作徐庆山 李海涛 鲁 伟 哈尔滨工程大学 通信学院 07812 班摘要随着汽车工业的迅速发展，关于汽车方面的研究也越来越受人关注，全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有这方面的题目，可见国内很重视该题目的研究。特别是在智能控制方面，小车进行寻迹以及避障和计里程，在工厂里的智能控制方面非常重要。选择程控小车这一题目，跟随科技发展趋势，同时可以学到许多关于电学和机械结构等方面的基础知识，这对于我们将来工作提供了十分宝贵的经验。我们主要研究如何让小车走直线，并在此基础上，如何实现里程记录的功能。主要以自主设计的底盘为基础，以直流减速电机及其控制电路为驱动，以 STC89
2、C52 单片机为控制核心，组成的智能小车在特定的程序下实现走直线的功能；基于阿克曼原理设计的平面等腰梯形连杆机构能够实现小车的完美转向；基于 52 单片机，光耦，L298，78L05 的控制电路能够实现对直流减速电机与舵机的整体控制；最后利用旋转编码器通过器输出方波的个数算出小车行驶的路程，从而实现以上功能。通过多次的编程修改和调试最终实现了程控小车里程记录的功能。关键词52 单片机 智能小车 转向机构 阿克曼原理 旋转编码器 方波计数引言可记录里程的智能小车是集机械、电子、计算机与自动控制于一体的先进机电设备，它很好的把机与电有机的结合到一起。智能小车属于机器人系列，它在无人驾驶机动车、无人
3、工厂、智能仓库、服务机器人等领域有着比较广泛的前景，可见其研究意义的重要性。我们主要实现启动智能小车，并能记录其行驶里程。主要的工作内容有以下几点：首先确定小车的基本外形和构造，利用不同的板料和轴类料经过设计和加工实现小车的整体结构；其后在小车上安装基于 AT89C52 单片机的控制芯片，利用芯片程序使电机驱动小车配合舵机程序完成规定的行走路线；在此基础之上，使用旋转编码器实现小车行驶里程记录的功能。电控基础部分总体方案： 智能程控小车采用 52 单片机为控制核心部分，通过舵机控制前轮的转向和L298N 驱动器控制电动车的前后轮驱动直流减速电机，分别实现电动车的左转右转、前进倒退和改变速度的功
4、能。最终实现小车走出“8”字。系统控制原理如图 1 所示。单 片 机舵机转向和转角电机转速和旋转方向图 1 系统控制原理图设计方案：程控小车的系统电路如图 2 所示。C7104Vin1 GND2Vout 3U3 78L05 5V5VR81KR91KR101KR11KIN1IN2IN3R41KR51KR61KR71KVDEAP04P1.01 P1.12 P1.23 P1.34P1.45 P1.56 P1.67 P1.78RST9 P3.0/RXD10 P3.1/TXD1 P3.2/INT012P3.3/INT113 P3.4/T014 P3.5/T115 P3.6/WR16P3.7/RD17 X
5、218 X119 GND20 P2.0 21P2.1 2P2.2 23P2.3 24P2.4 25P2.5 26P2.627P2.7 28PSEN 29ALE 30EA 31P0.7 32P0.6 3P0.534P0.4 35P0.3 36P0.2 37P0.1 38P0.0 39VC 40U0STC89C52-DIP40 123456789JP2PAIZU12345678JP3VDR11K +C310UR21KS1SW-PBY11.0592MC130PC230PVDP0P01P02P03P04P05P06P07P0P01P02P03P04P05P06P07123456JP4DGND12345
6、6JP5VDVDR31KVD12JP10R181KVC123456JP1MOTORD7IN407D8IN407D5IN407D6IN407D3IN407D4IN407D1IN407D2IN407VCVCOUT4 OUT3OUT2 OUT1IN4EBIN3IN2EAIN1OUT2OUT1VC 5VC4104 C5104OUT4OUT3IN4R131KVDR121K5VR151KR161KEB12345678910112131415U2L298D9LEDD10LEDP0P01P02P03VC1 IN12 VC3IN24 VC5 IN36VC7 IN48 GND 9OUT4 10GND 1OUT31
7、2GND 13OUT2 14GND 15OUT1 16JP7TLP521-412JP6123JP9VC1 IN12 VC3 IN24VC5 IN36 VC7IN48 GND 9OUT4 10GND1OUT3 12GND 13OUT2 14GND 15OUT116JP8TLP521-4R141K R171KP06P05 duoji duoji12345678JP1212JP1412JP13R191K R201K1234JP18SGND1234JP199V9V1234JP2012V12VD1IN407D12IN407C6104+C820u +C920uabcdefg COM1COM2COM3COM
8、4dp2 E1 L1 GND 10VC 20D02 D13 D24 D35D46 D57 D68 D79 Q7 12Q6 13Q5 14Q4 15Q3 16Q2 17Q118Q0 19U474HC573E1 L1 GND 10VC 20D02D13 D24 D35 D46D57 D68 D79 Q7 12Q6 13Q5 14Q4 15Q3 16Q217Q1 18Q0 19U174HC573A1A2DB1DB3DB4DB5DB7DB6DB8DB2DB1DB2DB3DB4DB5DB6DB7DB8B1B2B3B4B5B6B7B8C1C2C3C4VD VDDB7DB6A2AB1B2B3B4B5B6B7
9、B8VCC1C2C3C4DB5DB4DB3DB2DB1图 2 系统电路图系统的硬件电路设计1） 单片机模块单片机是系统电路的核心部分，该程控小车采用 52 单片机。单片机工作电压为 5V，其共有 40 个引脚。 ，此芯片负责控制舵机的转向和后轮电机，同时完成对舵机转向的时间和后轮电机的 PWM 调速任务。本设计中，调制 PWM 的定时器初值为 0x30，定时工作方式为 0，晶振的频率为 11.0592MHz。由此可以计算出约每隔 100ps 产生中断，中断频率为 001MHz。舵机的转向信号和电机的进退加减速度信号通过单片机的 P0OP06 输入，P00P03 分别为两电机的进退使能端，P04
10、P05 分别对应两电机控制速度的使能端，P06 为舵机的控制线接口。2）电机驱动模块采用 L298N 芯片作为电机驱动模块的主要元件。l 片 L298N 能够驱动 2 个电机转动，其中 6、11 号引脚为 2 个使能端；5、7 号引脚和 lO、12 号引脚分别控制 2 个电机的转向。将上述 6 个引脚通过非门与单片机相连，便可实现 2个电机的启停。使用电机驱动芯片 L293D，不仅可以大大简化驱动电路而且功率容量大有利于电机转速的稳定。L293D 在电机控制中可以灵活的应用如对电机输出能力的拧制在单片机中可以进行脉宽调制(PWM)，实现对电机转速的精确控制。当使能端为高电平，通过 PWM 信号
11、输入端 In3 和 In4 可以控制电动机的正反转(输入端 lnl 为 PWM 信号，输入端 In2 为低电平，电动机正转；输入端In2 为 PWM 信号，输入端 Inl 为低电平，电动机反转)；当它为低电平时，驱动桥路上的 4 个晶体管全部截止，使正在运行的电动机电枢电流反向，电动机自由停止。电动机的转速由单片机调节 PWM 信号的占空比来实现。其具体原理如表格（1）表格（1）使能端 IN1 (IN3) IN2 (IN4) 电机的运转1 1 0 正传1 0 1 反转1 1 1 杀停1 0 0 停止0 X X 停止3) 光耦模块光耦是以光为媒介传输电信号的一种电光电转换器件。把发光源和受光器组
12、装在同一密闭的壳体内，彼此间透明绝缘体隔离。发光源的引脚为输入端，受光器的引脚为输出端。在光耦输入端加电信号使光源发光，此光照射在封装在一起的受光器上后，因光电效应产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电光电的转换。该程控小车的光耦由发光二极管和光敏三极管组成。其工作原理:当光耦的输入端给予高电压时，发光二极管不导通，光敏三极管呈现高阻态（相当于短路） ，光耦的输出端为高电压；当光耦的输入端给予低电压时，放光二极管导通，光敏三极管呈现低阻态（相当于短路） ，光耦的输出端为低电压。4）稳压器78L05模块以设计输出电流的高稳定线性稳压器为目标,利用工作在线性区的MOS管具有压控电阻特性,
13、构造零点跟踪电路以抵消随输出电流变化的极点,并且采用了改进型米勒补偿方案使电路系统具有60的相位裕度,达到了大输出电流下的高稳定性要求.。在该项目中，稳压器为L298提供稳定的5V电压。5）直流减速电机直流电机控制与驱动模块采用的是脉宽调制(PWM)直流调速技术，具有调速范围宽、响应速度快和耗损低等特点。其工作原理是通过单片机直接产生PWM波形，经过电机驱动芯片分别驱动两个直流电机，PWM将占空比不同的脉冲变成不同的电压驱动直流电机转动，从而得到不同的转速，实现电机启动、停止、正反转等功能。6)舵机标准的舵机有三条引线，分别是电源线 VCC，地线 GND 和控制信号线，如图所示。单片机系统实现
14、对舵机输出转角的控制，必须首先完成两项任务；首先，产生基本的 PWM 周期的信号，即产生 20ms 的周期信号；其次，调整脉宽，即单片机调节 PWM 信号的占空比，其脉冲宽度在 0.52.5ms 变化时，使舵机输出轴转角在 0 度180 度之间变化。单片机作为舵机的控制部分，能使 PWM 信号的脉冲宽度实现微妙级的变化，从而提高舵机的转角精度。单片机完成控制算法，再将计算结果转化为 PWM 信号输出到舵机，由于单片机系统是一个数字系统，其控制信号的变化完全依靠硬件计数，所以受外界干扰较小，整个系统工作可靠。7)定时器 0定时器工作在方式 2 被称为 8 位初值自动重装的 8 位定时器，THX
15、被作为常数缓冲器，TLX 计数溢出时，在溢出标志 TFX 置 1 的同时，还自动将 THX 中的常数重新装入 TLX 中，使 TLX 从初值开始重新计数，这样就避免了人为软件重装初值带来的时间误差，从而提高了定时的精度。系统软件程序流程图如图 3 所示开始主函数子函数 i n i t - t i m e 0 ( )子函数 m o t o r - r u n子函数 d r i v e是否满足条件 ？结束子函数 t i m e 0 - p w m ( ) i n t e r r u p t 1NY图 3 程序流程图给定时器 0 初始化函赋初值;100US 中断一次。主函数 main 调用初始函数和
16、 drive 函数，drive 函数调用 motor_run 函数，motor_run 函数和初始函数调用 PMW 函数，从而决定是否中断程序继续执行。扩展部分总体方案设计以 st89c52 单片机为核心，将旋转编码器与程控小车的驱动轮相连，通过单片机对旋转编码器产生的方波计数，并根据已知数据算出小车所走的实际里程。系统控制原理如图 4 所示单片机旋转编码器S = M * C / N数码管计数计算显示图 4 程序流程图方案论证及实现1.旋转编码器的工作原理：旋转编码器的工作原理如下：型号：BMQ-S-80 型。增量型旋转编码器，通过旋转的光栅盘和光耦产生可识别方向的计数脉冲信号。80P/R，DC+5V 供电，最大机械转速 10000 转/
