智能小车系统

智能小车系统

作者： 黎波 罗均元 李中华

赛前辅导：王老师 杨老师

摘要

本设计采用两块单片机（89S52）作为自动控制小车的检测控制、显示计算核心。路面黑线检测采用反射式红外传感器，车速和距离检测使用了霍尔传感器，金属检测使用了金属接近开关。电源部分采用了强电流、弱电流分开。数字、模拟独立供电，利用光电耦合器件避免了电动机对控制系统的干扰。同时利用了PWM技术动态的控制电动机的转速，利用低密度PLD 简化电路提高硬件系统的可靠性，基于这些完备可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法实现了小车在金属的检测，和在高速运动中的精确控制，达到了很好的效果！

本设计的主要特色：

～高效的H型PWM电路，提高电源的利用率。

～控制电路电源和电动机电源隔离，信号通过光电耦合器传输。

～红外检测路面，软件纠错，免受路面杂质干扰。

～优化软件算法，智能化的自动控制，反应迅速。

～前置式方向灯，行驶状态一目了然。

一：系统设计及方案论证

根据题目要求，系统可以划分为几个基本模块，如图1-1所示。对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案：

1-1

1：电机驱动调速模块

方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应速度慢，机械结构易损坏，寿命短，可靠性差。

方案二：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻元件价格昂贵，主要问题是一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低

效率，而且实现很困难。

方案三：采用由双极性管组成的H型PWM电路。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，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；电子开关的速度很块，稳定性也很高，是一种广泛采用的PWM调速技术。

基于上述理论分析，选用方案三。

2：路面黑线探测模块

探测路面黑线的大致原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱判断是否到达跑道边侧。

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。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界环境条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然采取超高亮度发射管可以降低一定的干扰，但这势必会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。考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用有交流分量的调制信号可大幅度减少外界干扰；另外，红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大（50-100MA），这样也可以大大提高信噪比。但电路较复杂且软件工作量加大。

方案三：不调制的反射式红外发射-接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰；如果直接用直流电压对管子供电，限于管子的平均功率要求，工作电流在10MA左右。

由于发射接收组件距离路面较近，切组件有外罩防止外界的干扰，所以我们采用了方案三。

3：车轮测速及路程计算模块

方案一：采用霍尔元件，该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属片时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁铁，而将霍尔器件安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速测量。

方案二：受鼠标的工作原理启发，采用断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构，可以将其置于固定轴上，再在车轮上均匀的固定多个遮光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。通过脉冲的计数对速度进行测量。

上述方案二计数精度较高，但安装不便且MCU计数负担过重，影响小车速度的提升。方案一在工业上得到广泛应用性能稳定切装配容易，因

此采用方案一。

4：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驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳定，有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。

方案二：双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。

我们认为本设计的稳定性更为重要，故采用方案二。

二 系统的具体设计与实现

系统组成及原理框图如图1-2所示。以下分为硬件和软件具体分析。

1-2

1：系统的硬件设计

（1）电动机PWM驱动模块的电路设计与实现，具体电路图见1-3，本电路采用的是基于PWM原理的H型驱动电路。该电路采用D772，

B882大功率管，以保证电动机启动瞬间的4A电流要求。

1-3

我们采用了200HZ的周期信号控制，通过对其占空比的调整，对车速进行调节。最小脉宽为0.2ms速度分为5档，可以满足车速调整的精度要求。同时可以控制电动机的转向。

（2）路面黑线检测模块的电路设计与实现，具体电路见1-4，为了检测路面黑线，在车的前部安装了四个反射式红外传感器，分成左右两组，由传感器先后通过黑线的顺序可以知道小车现在跑道的位置，以便跑回原跑道。

1-4

（3）单片机控制部分

控制部分采用了主从结构，主控制器负责黑线检测，金属检测，电机驱动等工作。从控制器负责显示，路程计算，速度计算，运行时间计算等工作。主从之间采用波特率为19200的串行通信。具体电路见1-5。

2：系统的软件设计

（1） 路面检测程序 流程图见1-6。外部四组红外线检测传感器共用一个中断源，进入中断服务程序后查询具体是哪一路传感器遇到黑线。