单片机智能电动车

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1、简易智能电动车怀化学院物理与电子信息科学系简易智能电动车设计1. 设计任务和要求简易智能电动车设计 1.2 设计要求1.2.1 基本要求 （1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引 导线到达B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有13块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时 需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区” 检测到的薄铁片数目。 （2）电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到 达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。C点下埋有边长为 15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后 在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。 （

2、3）电动车在光源的引导下，通过障碍 区进入停车区并到达车库。电动车必须 在两个障碍物之间通过且不得与其接触 。 （4）电动车完成上述任务后应立即停车 ，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶 时间达到90秒时必须立即自动停车。1.2.2 发挥部分 （1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显 示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。 （2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入 车库中，要求电动车的车身完全进入车库。 （3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。 （4）其它。 1.2.3 题目分析 对题目进行充分的分析和思考，将其中的目标、任务、指标归纳如下： 一、目标设计制作一个智能小车，具有循

3、线、金属检测、避障、寻光入库等功能。 二、任务 1.进行循线行进，包括直行和弧形，并要检测线下安装的金属块。 2.避障，且障碍物的摆设不固定。 3.寻光源入库。 4.路程计算。 三、指标 1.检测出所有的金属块，以及他们的位置。 2.顺利避障，不应碰撞障碍物，尽可能不刮擦障碍物。 3.顺利入库，车体停放于车库黑线之内。 4.总耗时不超过90s，并尽可能减少耗时。简易智能电动车设计2. 系统方案选择和论证 2.1 系统设计流程由题意可以得知整个系统运作流程大致如下：简易智能电动车设计简易智能电动车设计2.2 系统基本方案控制器模块金属探 测模块路面探 测模块障碍物探 测模块光源探 测模块状态标

4、志模块电机驱 动模块计时显 示模块路程测 量模块简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.1 控制器模块作用：各传感器信号的接收和辨认，控制小车的电机动作、 显示车速、运行时间以及小车停车时发出的声光信号等。方案1：采用FPGA或CPLD作为系统的控制器。优点：可以实现复杂逻辑功能，规模大，速度快，密度高 ，体积小，稳定性高，容易实现仿真、调试和功能扩展。缺点：成本高，引脚多，PCB布线复杂。本设计对数据的处理要求不高，此方案的优势得不到充分 体现。简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.1 控制器模块作用：各传感器信号的接收和辨认，控制小车的电机动作、 显示车速

5、、运行时间以及小车停车时发出的声光信号等。方案2：采用CPU（51MCU)方案。优点：算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，技术 成熟，体积小，成本低，容易实现仿真、调试和功能扩展。缺点：速度相对较低。本设计拟采用此方案。MCU1金属探 测模块路面探 测模块障碍物探 测模块光源探 测模块状态标 志模块电机驱 动模块计时显 示模块路程测 量模块显示 模块MCU2单片机控制的原理框图简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.1 控制器模块作用：各传感器信号的接收和辨认，控制小车的电机动作、 显示车速、运行时间以及小车停车时发出的声光信号等。方案3：采用嵌入式处理器（ARM)方案。优

6、点：运算功能强大，速度较快，编程灵活，自由度大， 外围器件少，成本适中，容易实现仿真、调试和功能扩展。缺点：PCB设计及焊接技术要求高。本设计可采也用此方案，取决于对相关技术的熟悉程度。嵌入式处理器ARM金属探 测模块路面探 测模块障碍物探 测模块光源探 测模块状态标 志模块电机驱 动模块计时显 示模块路程测 量模块显示 模块嵌入式处理器控制的原理框图简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.2 金属探测模块作用：跑道中金属块的探测。金属探测原理：采用电涡流式传感器，利用电涡流对L、Q 、Z的影响探测金属。测量电路：Q值测量电路，Z测量电路，L测量电路 本设计选择电感测量电路。L

7、C振荡回路整形比较电路金属传感器原理框图正弦波方波简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.3 障碍物探测模块作用：判断前进方向是否有障碍物，并确定小车与障碍物 的距离。方案1：激光测距技术优点：方向性强、亮度高、单色性好、传输速度快、抗干 扰性强、测量精度高，反映速度快等。缺点：小车与障碍物的距离短最大不超过2m，而激光以光 速传播导致检测技术上的困难。简易智能电动车设计方案2：超声波测距技术优点：方向性较强、传输速度V=345m/s，在s2m时，T 11.6ms，远大于MCU的机器周期，便于逻辑判断。因此采用方案2。其原理框图如下：M C U发射器应用MCU发射和接收超声波传

8、感器信号的框图40kHz 脉冲超声波接收器简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.4 行程测量模块作用：测量小车从启动到任意时刻所走的路程。测量原理：S=nC （S为行程，C为车轮周长，n为 圈数）n可以用透射式或反射式光电传感器获得计数脉冲 。简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.5 路面轨迹探测模块作用：实现小车跟踪黑色轨道行使。方案1：采用热探测器优点：电路简单。缺点：易受外界干扰。方案2：采用红外光电探测器 优点：抗干扰能力较强。 缺点：结构较复杂，需23对传感器。传感器 小车状态321脱离导引线000正常行驶010轻微偏左011严重偏左001轻微偏右

9、110严重偏右100简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.3 光源探测模块作用：引导小车朝光源行驶，使小车具有跟踪光源的功能。传感器：热释电传感器和二极管光敏传感器，光敏传感器的 体积小，电路简单，因此本设计采用三个二极管光敏传感器 。其实物示意图如下：光敏二 极管遮光塑 料筒金属支 架状 态态二极管 A二极管 B二极管 C光源与车车之间间的位置小车动车动 作1000非常远远2001在车车的右方右转转（大）3010在车车的正前方直线线行驶驶4011在车车的右方右转转（小）5100在车车的左方左转转（大）6110在车车的左方左转转（小）7111非常近减速直线线行驶驶简易智能电动

10、车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.7 电机驱动模块作用：控制电机正转、反转和停止控制。方案1：继电器法优点：电路简单可靠缺点：不容易实现精细控制方案2：晶体管组成的PWM法优点：电路较复杂缺点：容易实现精细控制简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.8 显示模块作用：显示时间和路程。方案1：使用LCD显示屏优点：功耗小，显示形式多样缺点：编程难度较高，亮度较低方案2：使用LED数码管优点：编程难度低缺点：功耗较大，电路连接相对较复杂简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.9 计时模块作用：计算小车从启动到停止的过程进行计时。方案1：直接利用MCU的定时

11、器实现精度为0.1s的 计时。简易智能电动车设计2.2 各模块方案的选择和论证2.2.10 状态标志模块作用：产生声光信号。方案：用LED产生光信号，用蜂鸣器产生声信号。简易智能电动车设计2.3 各模块的最终方案（1）控制模块：AT89C51和AT89C2051或PIC系列MCU； （2）金属探测模块：采用电涡流式传感器； （3）障碍物探测模块：采用超声波传感器； （4）行程检测模块：采用光电传感器（透射式）； （5）光源探测模块：采用光敏二极管； （6）路面检测模块：采用光电传感器（反射式）； （7）电机驱动模块：采用PWM技术控制电机转速； （8）显示模块：采用LED数码管；（9）计时模块

12、：采用AT89C51内部定时器/计数器；（10）状态标志模块：采用蜂鸣器和发光二极管。简易智能电动车设计3. 系统的硬、软件设计与实现本题是一个光、机、电一体的综合设计，在设计中运用 了检测技术、自动控制技术和电子技术，系统可分为传感 器检测部分和智能控制部分。传感器检测部分：系统利用光电、电涡流、超声波等传 感器完成对路面、障碍物、路程、光源和金属物的探测或 检测，因此有相应的5个电路。智能控制电路部分：根据传感器变换输出的电信号进行 逻辑判断，控制小车的电机、显示数码管、蜂鸣器以及发 光二极管，完成小车的自动寻迹、探测金属、逃避障碍物 、寻找光源、显示路程等各项任务。控制部分包括MCU电

13、路、电机驱动电路和数码管动态驱动电路。抗干扰措施：1、合适的激励 电流；2、高频滤波C13、数字滤波简易智能电动车设计3.1 检测部分的单元电路设计3.1.1 轨迹检测电路的设计开 始电机反转小车右转电机正转小车左转电机正转小车右转电机反转小车左转是否在弯道上右传感器状态左传感器状态右传感器状态LLHHNYL寻轨程序流程图简易智能电动车设计3.1.2 金属探测电路的设计开 始停车5秒计数、声光显示是否有金属是否为最后一块YNNY金属探测程序流程图开 始存储第一次距离YN金属块检测程序流程图计算金属长度及距离金属传感器 由0变1？金属传感器 由1变0？存储第二次距离YN简易智能电动车设计3.1.

14、3 障碍物检测电路设计输出开 始直 行左转一定时间是否有障碍物YN绕障碍物程序流程图右转一定时间开 始发射10个脉冲计时开始是否收到信号YN超声波收发程序流程图停止计时延时简易智能电动车设计3.1.4 透射式光电检测电路简易智能电动车设计3.1.5 光源检测电路设计开 始直行寻找光源程序流程图是否有光源NY直行是否正对YN小幅右转是否偏左YN大幅右转是否较偏左YN小幅左转是否偏右YN大幅左转是否较偏右YN简易智能电动车设计3.2 智能控制部分的单元电路设计3.2.1 电机驱动电路简易智能电动车设计3.2.2 动态显示电路开 始检测金属系统主程序流程图N提速是否在C点YN低速 行驶判断障碍物Y停车5秒N直线行驶绕障碍物检测到黑线？NY检测轨道是否正对检测光源倒退停车Y简易智能电动车设计4. 系统测试4.1 测试仪器4.2 指标测试4.2.1 光电检测部分的测试4.2.2金属传感器测试4.2.3 金属片与起跑线距离的测试简易智能电动车设计4.2.4 电机驱动电路测试4.2.5 小车入库时间测试4.2.6 系统实现的功能4.3 结论简易智能电动车设计4. 3 总结参考文献附录