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1、个人收集整理勿做商业用途封面个人收集整理勿做商业用途作者： Pan Hongliang仅供个人学习简易智能电动车作者:刘昊黄建李慧来指导教师 :黄根春摘要个人收集整理勿做商业用途本系统以单片机为核心，采用脉冲宽度调制方法（PWM）方便地实现了对小车速度的精确控制。由反射式红外传感器、超声波传感器、接近开关、霍尔开关等传感器探测周围环境数据，依此来控制小车的速度和转向。在直道和弯道区，小车以红外传感器探测跑道上的黑线做引导标志；利用霍尔开关计量车程； 通过接近开关探测道路上的薄铁片，并在最后一个铁片处停车。另外，系统在硬件上进行了去抖动的处理，增强了其抗干扰能力。一、 方案选择和论证1电机的选择
2、方案一：使用步进电机。步进电机的优点是具有快速启动和停转能力、转动角度精确。但此方案缺点显著，步进电机的功率小、速度慢，另外，其价格较高，且在原有的小车结构上不易找到合适的步进电机进行安装，硬件改造难度很高。方案二：使用小车上原有的直流电机。虽然直流电机不易精确控制，但对于小车来说，其精确性并不十分重要。而其调速平滑方便，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；调整范围广、过载能力强、能承受频繁的冲击负载等优点则显得尤为突出。因此，我们选择方案二。2电机驱动模块方案一：调压方法。通过电阻网络或数字电位器调整电机的分压，从而达到调速目的。这种方案只能实现有限级调速，而且由于电机的内阻一般较小，因此
3、分压后电机的效率不高。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制。通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。此方案电路简单，但继电器易损坏、寿命短，可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的 H 型 PWM电路驱动电机。这种电路由于管子交替工作在饱和与截止的模式下， 因此效率非常高； 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， 稳定性也极强。基于以上分析，选用方案三。个人收集整理勿做商业用途3电源选择方案一：所有器件采用单一电源。这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电
4、。方案二：双电源供电。对电机驱动电路与单片机以及其周边电路分别独立供电。这样做可以消除电动机驱动所造成的干扰，提高了系统稳定性。由于系统稳定性对小车完成即定任务至关重要，故采用方案二。4引导线检测方案一：用光敏传感器。地面的黑色和白色反光程度不同，由此判断传感器是否在黑线上方。但此方法易受到外界光源的影响，检测的灵敏度与小车的行驶环境有关，这就降低了系统的适应能力和可靠性。方案二：采用反射式红外传感器。红外线检测方法则能在一定程度上避免外界光源干扰的问题。一般光源红外线频段能量较弱，对传感器的干扰较小，而且红外线波长大，近距离衰减小，用红外传感器探测近距离黑线更可靠。考虑到系统调试的过程中，
5、行驶环境会有一定变化， 因此选用方案二。反射式红外传感器的安装方案：方案一：两个红外传感器并排安装， 间距小于引导线宽度 2cm，其中心线和小车中心线重合。小车在引导线的引导下行驶时，当某一个传感器探测到白纸时便立即控制转弯，调整方向。但是考虑到小车的机械性能不可能那么理想且小车具有一定惯性，容易出现两个传感器在引导线同一侧的情况，导致小车失控。方案二：两个红外传感器的间距大于引导线宽度 2cm，检测到黑线时小车转弯。适当加大传感器的距离，以保证小车有足够的转弯时间。由于我们选用的小车车身较重，有一定的惯性，因而选用第二种方案。5路程测量方案一：借鉴光电鼠标的工作原理。 在车轮上均匀地安装多个
6、遮光条，用计数光脉冲的方法测量小车的位移，并据此计算车子的速度。个人收集整理勿做商业用途方案二：用霍尔开关感应车轮的转速。在车轮上均匀地安装磁片，在车轮中心轴上安装霍尔开关。考虑到方案二安装相对简单，且能够达到题目要求，因此我们选择了方案二。6金属探测方案一：采用分立的霍尔元件。此方案电路复杂、灵敏度低。方案二：采用工业用的集成金属检测元件 （接近开关）。元件使用简单，灵敏度较高。故采用方案二。7障碍物探测方案一：利用激光测距来测量有效的安全距离来控制。此方案探测距离准确、性能可靠；但造价较高，器件不易购买。方案二：采用超声波探测。由于超声波频率高、波长短、定向性好，而且振幅小、加速度大、能量
7、集中，适合于测量距离。特别是对这一题目而言，超声波不易受强光干扰，提高了系统的可靠性。因此，采用方案二。综上所述，系统框图如图1 所示。接近开关探测金属片模块人机接口模块超声传感器探测障碍物模块前轮控制霍尔开关检单测车程模块片后轮电机CPLD机红外传感器探PWM（89S52）控 制测引导线模块图 1系统框图二、 基本原理与具体实现1. 引导线探测模块ST188反射式红外传感器由发光二极管和光敏三极管组成，由发光二极管发出的光线经地面反射后射入光敏三极管并控制其通断。如图 2 所示，当传感器处于黑线上方时， 由于黑线红外光线的反射能个人收集整理勿做商业用途力很弱，光敏三极管截止，输出端输出为高电
8、平；反之，传感器离开黑线时，输出端输出为低电平。将此输出信号通过CPLD送入单片机的外部中断口，中断后由单片机发出控制信号，来控制前轮电机的偏转。图 2 红外传感器工作原理2. 速度（距离）测量模块置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向不一致时，载流导体上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。由于汽车后轮是驱动轮，容易与地面打滑，测速传感器必须安装在前轮。为了提高测量精度，如图3 所示，我们分别在两个前轮上均匀地安装了五个磁片，每当磁铁片经过霍尔片时，传感器输出端输出一个脉冲，通过定时器来计数脉冲个数n，依此计算车子的行程。假设车轮周长为C，则车子行程为s
9、=nC/5，结合车子行驶时间t ，又可得车子的平均速率为v=s/t 。采用两个前轮同时测量并对其结果取平均值的方法可以进一步减小误差。3超声波探测障碍物模块超声波测距一般使用渡越时间法， 其基本原理是利用CPLD中的计数器计得超声波从发射到接收的时间t ，再根据公式 S=（vt ）2，即可得出图 3霍尔开关测距原理示意图障碍物的距离 S。其中， ,为超声波在空气中的速度，为环境温度。我们在车头安装了两对超声波发射和接收探头，其最佳工作频率为40KHz。由于接收探头有较好的频率选择性，接收端不需要再进行滤波。因此，先由 CPLD产生 40KHz方波，再经过三个并联的反相器扩大电流就构成了超声波发
10、射电路，示意图如图4。图 4 超声波发射电路接收电路如图 5 所示，接收到的信号经放大和比较后送入CPLD，停止其内部相应的计数器，当最终的累计值小于一定数值时触发单片机中断，从而控制前轮的偏转。图 5超声接收电路4电机驱动电路个人收集整理勿做商业用途图 6电机驱动电路电机驱动采用的是基于PWM的 H 型驱动电路，其电路原理如图6 所示。该电路采用达林顿方式驱动，以保证电动机启动时有足够大的电流。在要求电动机正转时，开关管V1 受 PWM控制信号控制，开关管V4 施加高电平使其常开；开关管V2、V3 施加低电平，使他们全都截止。在要求电动机反转时，开关管V3 受 PWM控制信号控制，开关管V2
11、 施加高电平使其常开；开关管 V1、V4 施加低电平，使他们全都截止。我们采用1kHz 的周期信号作为 PWM控制信号，通过对其占空比的调整来对车速进行调节。5. 探测金属模块电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC 高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。我们选用的接近开关外部引出了蓝、黑、棕三个颜色的线图。7其接外近开部关电工作示意图路如图 7 所示。当检测到金属时，输出端输出低电平。6CPL
12、D的具体实现CPLD实现的主要功能为逻辑滤波去抖动电路、累计行车路程、超声波发射及接收、必要的中断扩展和数字逻辑电路等，减少了焊接工作量，且大大增加了硬件的灵活性。其内部电路如下：（1） 分频电路将单片机的ALE(1MHz) 、读写控制信号和经过异或运算后作为CPLD 的总时钟信号，并利用最大值为24 的计数器将此时钟信号进行24分频，得到约 40KHz 的脉冲信号， 作为超声波发射时的发射波及各去抖动电路的时钟信号。（2） 探测黑线部分的去抖动电路由于光电感应器在光线亮暗变化的临界处会产生毛刺，所以我们利用移位寄存器设计了一个滤波平滑电路，当其连续收到4 个1 时触发器才输出1。具体电路如图8 所示，其中Lleft、Lright分别为左、右反个人收集整理勿做商业用途射式红外传感器的输出信号， out_L 、out_R 分别为触发左、右前轮偏转的触发信号。 clk40k 是移位寄存器的时钟信号，其周期越大，则去抖动的作用越明显。图 8逻辑滤波去抖动电路（3） 累计行车路程由于黑色引导线总长度约为 4.8m，预计障碍区小车行驶的总长度也不超过
