智能小车硬件设计毕业论文

智能循迹小车硬件设计
摘要:
关键词:智能车控制系统
目录:
总述:
第一部分:智能车控制系统概述
设计方案模块组成:控制器模块速度检测模块电源电压检测模块路径识别模块数据显示模块电动机驱动模块
每个模块都由硬件，软件两部分组成，硬件构成基本框架，软件则成为小车的灵魂，驱动小车的按照设计目标运行。

按照要求，智能循迹小车系统可由控制部分和信号检测两大部分组成。

其中，控制部分有电动机驱动模块，控制器模块，显示模块，而信号检测部分则由路径识别模块，速度检测模块，电源检测模块组成。

基本模块方框图如图所示：
控制器模块即控制核心模块（MCU）：使用AT89C51单片机，其作用是对其他模块采集到的信号进行相关处理，并发出正确的控制信号，是整个系统中最重要的部分。

速度检测模块：对小汽车的速度进行测量，经过A/D-D/A 转换得到单片机能识别处理的数字信号，就可以得到小汽车的速度，从而能够在显示器上显示出来。

电动机驱动模块：是小车能够运动的驱动力，通过电动机能够带动小车进行移动，完成规定任务。

路径识别模块:利用光电传感器感测黑色路径，按轨道行驶。

数据显示模块：是人直接获取小车运行情况的中介，观察显示器的值就可知道小车目前的状态。

电源电压检测模块：监测电源电压值，保证小车能够正常运行。

主要技术参数：
1.速度：14060 r/min
2.电流：
3.29 A
3.扭矩：10.9mN.m
4.路径识别
5.检测精度：4mm
6.数据显示：小车速度，电源电压
第二部分硬件电路设计
智能循迹小车系统框图
首先是硬件系统设计，硬件部分是小车的框架，必须先建立这个骨骼，才能对小车有个整体的把握。

硬件系统设计的好坏对小车功能的实现有很大的影响，好的设计可以实现小车按给的轨道运行，正确显示数据，达到要求技术指标等，设计欠佳的系统则无法实现这些功能。

按照设计要求，检测精度要达到4mm，且能在专门的跑道上自主识别路线，并按路线行驶，这里就涉及到小车如何通过传感器判断自己是否在跑道上，如果偏离跑道，改如何作出动作才能回到正确的路线上继续行驶，如何将自己的速度值检测出来并反馈给单片机，促使单片机发出控制信号，驱动小车行驶。

如果出现了路面干扰，如何消除干扰，如何判断电源的电压是否低于标准值，并实时将电压值在LCD上显示出来等等。

理想的解决方案：
1.控制器模块
电动机控制系统方框图
因为需要完成的功能只需一个单片机即可实现，因此采用AT89C51实现上述模块功能。

单片机用来控制电动机驱动，实现小车的循迹行驶，速度控制，速度检测，电压检测等功能。

工作时，设计的系统软件与硬件相结合，各子模块与核心控制模块进行通讯。

单片机AT89C51外接显示电路，路面检测电路，速度检测电路，电机驱动电路，电源电压检测电路。

单片机最小系统及外围电路
2.电动机驱动模块
小车前轮安装两个电动机，左右各一个，对称放置，后面安装一个万向轮，这样可以很容易实现小车的前进，左右转弯。

当两个电动机都以同样的速度工作时，小车便会直行，如果需要小车左转弯，只需小车右面的电动机运行速度大于左面的电动机速度即可实现小车向左转弯，反之，可以实现向右转弯，具有很快的控制方向功能。

直流电动机是一种以直流电压电源工作的旋转电动机，直流电动机有永磁直流电动机，串励和并励直流电动机。

1.直流电动机的单极性和双极性驱动方式
直流电动机的驱动有单极性和双极性两种方式。

当电动机只需要单方向旋转时，可采用单极性驱动方式，单极性驱动电路如图
上面图示的电路有模拟控制器或微控制器的PWM信号控制一个功率MOSFET开关管的导通状态，在电动机两端并联一个续流二极管，功率开关串联在电动机下方（靠近电源地），其栅级驱动应采用低侧栅级驱动器。

如果功率开关串联在电动机上方（靠近电源正极），则其栅级驱动应采用高侧栅级驱动器，对于高侧开关，它的栅级驱动需要附加的电平提升电路，股大多数采用低侧驱动方式。

该电路因电流通过续流二极管续流，故时间较长，损耗较大，典型应用为小型风机和泵的驱动。

为避免因续流二极管续流所带来的时间较长，损耗较大的问题，可采用下图所示的半桥驱动电路
快速半桥单极性驱动
其中的二极管D1，D2实际上是DOMS管的“体”二极管，在工艺上与DMOS管一起自动生成。

这样，无需再附加续流二极管。

半桥驱动电路可实现电动机的制动控制，在断开VF1停止对电动机供电的同时，将VF2连续开通，电动机的电动势（EMF）经VF2短路，使电动机制动。

此时，如果VF2不是连续开通的，而是PWM控制，则可实现电动机的软控制。

当电动机需要正反两个方向旋转时，采用双极性驱动方式。

由4个功率开关管组成的H型电路的双极性驱动电路如图
基本H桥电路
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大变化，随着计算机进入
控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功
率元件进行脉冲调制(pulsewidthmodulation简称PWM)控制方式己成为主流。

这种控制方式很容易在单片机控制中实现。

采用专用集成电路芯片可以很方便地组成单片机控制的小功率直流伺服系
统。

本文选用的驱动芯片是飞思卡尔半导体公司的H桥式驱动器MC33886。

其管脚示意图如左图所示，应用电路如右图所示
MC33886管脚示意图MC33886应用电路
工作特性:
(1)5V到40V的连续操作。

(2)可以接受TTL或CMOS以及与它们兼容的输入控制信号。

(3)PWM控制频率可以达到10kHz。

(4)通过PWM的通一断来控制驱动电流的大小。

(5)部设有短路保护，欠压保护电路。

(7)部设有错误状态报告功能。

在应用中，为了给小车提供强劲的动力，把MC33886的两个半桥并联来增强
驱动能力，但这样做也增加了发热量，带来了散热问题。

为防止芯片超过一40℃-
125℃的正常工作温度而出现故障。

按照MC33886参考布线的情况下还安装了
散热片。

考虑到智能车在直线加速区间的末端可能会遇到突然出现的拐弯区间，智能
车设计过程中使用了MC33886的控制电机反转来实现制动。

行驶过程中可以通过
单片机的控制使直流电机紧急制动。

输入状态与输出状态真值表如表所示。

3.路面检测模块
路径识别是小车循迹系统最基础的部分，只有路径识别正确，才能将小车下面的路面信息传给单片机，使其发出正确的检测信号，进而完成后续动作。

所以，路径识别的好坏直接关系到小车能否精确的按专用路径行驶，影响到系统的控制效果。

路径识别常用的一种简单方法就是采用若干个光电传感器，将它们置于小车前方，就可以较快的获取小车前方的路况信息，具有电路简单，处理信息量少等优点。

1.路径识别方案的选择
路径识别模块是智能车控制系统的关键模块之一，它将路况的信息传输给主
控制模块，路径识别方案的好坏，直接影响着小车的控制效果。

在智能车控制系
统中，小车有多种寻迹方案。

包括光电传感器寻迹方案，单独采用摄像头寻迹方
案以及摄像头寻迹与光电传感器寻迹结合在一起的寻迹方案。

下面依次具体介绍
几种寻迹方案。

所谓摄像头寻迹，就是通过摄像头把智能车前面的路径信息传输到控制系
统，来进行路径识别的一种寻迹方法。

摄像头有面阵和线阵两种。

它的优点是
可以更远更早地感知赛道的变化，但是硬件电路比较复杂，信息处理量大，如
何对摄像头一记录的图像进行分割和识别，加快处理速度是摄像头方案的难点之
所谓光电传感器寻迹方案，即路径识别电路由一系列发光二极管、接收二极
管组成，一个发光二极管和一个接收二极管构成一对，这也相等于摄像头的一个
像素。

由于赛道中存在轨迹指示黑线，落在黑线区域的光电二极管接收到的反
射光线强度与白色的赛道不同，由此判断行车的方向。

光电传感器寻迹方案的优
点是电路简单、信号处理速度快。

基于两种方案的优缺点，以及智能汽车控制核心AT89C51的处理速度
和部资源，本文采用了光电传感器的设计方案。

2. 红外传感器的硬件设计
红外传感器的硬件设计主要包括以下几个方面:红外传感器布局、红外管间
隔、径向探出距离。

(1)红外管布局的设计
①“一”字型布局
“一”字型布局是传感器最常用的布局形式，即各个传感器都在一条直线上，
从而保证纵向的一致性，使其控制策略主要集中在横向上。

如图 (a)
②“V ”字型布局
“V ”字型布局，从横向来看与一字型类似，但它增加了纵向的特性，从而具
有了一定的前瞻性。

将中间两传感器进行前置的主要目的在于能够早一步了解到
车前方是否为直道，从而可以进行加速。

如图 (b)
③“W ”字型布局
对于智能车能否顺利跑完全程，最重要的一点是过弯道，特别是通过比较急
第三章智能车系统硬件电路设计
的弯道的能力。

因此为了能够更早地预测到弯道的出现，还可以将左右两端的传
感器进行适当前置，从而形成“w ”型布局。

如图 (c)
总之，各种排列方式都有一定的特点，只要与合适的控制算法相匹配，都会
有起到理想的控制效果。

本文采用了“一”字型排列。

（a ）“一”字型 (b)“V ”字型 (c)“W ”字型 红外传感器布局示意图
(2)传感器间隔的设计
各个传感器的布局间隔对智能车行车有一定的影响的。

根据设计要求，中间黑线(导引线)的宽度为30mm ，如果间隔过大，还会出现另一种情况，即在间隔之间出现空白。

在设计中红外管的间距小于黑色导引线的宽度，从而使红外更容易感应到黑线，有利于
车与赛道偏移距离的判断。

在设计中采
用红外管间隔为20mm。

按设计要求：小车的宽度不能超过100mm，为了检测较宽的横行信息，最终安装了7个红外传感
器。

最终的红外传感器排列的正面图如图所示。

红外传感器排列正面图
（3）径向探出距离的设计
本设计中对路径检测精度要求较高，可采用5个光电传感器置于小车前方（超出小车的车头），成“一”型，将光电传感器置于小车前方，超出小车车头是为了增加径向探出距离，从理论上讲，径向探出距离越大即传感器超出小车车头的距离越大，越有利于尽早的预测小车即将通过的路径，早点将此信息传递给单片机，作出相应的调整，发出正确的控制信号，从而改善小车的性能，因此从理论上讲，径向探出距离是越大越好。

但从实际出发，增加径向探出距离会使光电传感器位于小车前方，必然会使小车的重心前移，如果小车本事的重量较轻的话，势必会影响到小车自身的平衡性，严重影响小车在行驶过程中的稳定性能，当然不会得到理想的控制效果的。

实际安置时，可以根据小车整体的重量合理安置光电传感器。

此外，在采取合理的安置光电传感器方案后，还可以将传感器的探头向下倾斜安置，这样做会比垂直安置光电传感器更能获得较大的径向探出距离，是一种行之有效的方法
如图所示
小车的路线检测部分是整个小车最重要的，就如同人的眼睛,故采用的是单光束红外
光电传感器RPR221，因为红外线具有很强的反射能力，采用专门的红外接收和发射一体的传感器可以有效的防治可见光和相邻传感器之间的干扰。

红外传感器原理电路图
如图，传感器发射管发出同样的光强，当发射光遇到黑色物体时光会被吸收故接收管接
不到信号，三极管不导通，输出高电平。

当发射光被反射，接收管能收到信号时，三极管导通，输出低电平。

通过将输出信号输出单片机判断高低电平即可实现判断小车位置的功能，再通过单片机控制电机驱动电路即可实现小车自动循迹和避障的功能。

但由于光电传感器受外界光照影响较大，容易产生“毛刺”，使单片机产生误判，产生错误的控制信号，因此可放弃这种电路，采用下面这种更精确的检测电路：
如上图，一体化红外发射接收IRT 中的发射二极管导通，发出红外光线，经反射物体反射到光敏接收管上，是光敏接收管的集电极与发射极间电阻变小，输入端电平变低，输出端为高电平，三极管9013导通，集电极C 为低电平，经斯密特电路整形后变为高电平，输入到AT89C51单片机的INT0端口。

当红外线照射到黑市条纹时，反射到IRT 中接收管上的光量减少，接收管的集电极与发射极间电阻变大，三极管9013截止，集电极C 为高电平，再经斯密特电路整形后输入到单片机的信号为低电平。

在三极管的基极B 和发射极E 接一个0.1UF 的电容，减少电路中的“毛刺”，以增加电路的抗干扰能力，由于光电传感器受外界光照影响较大，容易引起单片机的误判，因此在电路中加入了一个电位器（阻值为1K Ω），通过调整电位器，改变光电传感器的输入电流，从而改变其灵敏度。

小车共采用了5 个传感器，其中4 个同一直线安装在小车底盘下面的最前端，传感器向 下放置，如图所示：
MID DLE R 1 R
2
L 1 L 2
这样安装能使小车更稳定的行使在规定的路线上，即中间的两个传感器是第一级保护，
当小车偏离路线时快速的反应使小车能纠正回到规定路线，外面左右的两个是第二级保护，即当小车速度过快，第一级传感器没有得到反应时用于对小车路线的纠正，这样能使小车更稳定的运行。

另外 1 个传感器安装在小车底盘的最前端，传感器头部向前。

这样安装可以实现小车避
开前方障碍物向另一个方向前进。

这个模块的主要功能是实现智能小汽车按照给定的黑线轨道行驶，并且是没有人为控制的条件下进行智能循迹。

安装在小车前面的一组红外光的传感器可以检测出小车纵向中心线与黑线的相对位置，并检测到各个独立传感器检测的信号，将这些模拟电信号传递给MCU,再由MCU对获得的路面检测信号进行处理，计算，并在最短的时间发出控制信号到电动机驱动模块，驱动电动机按照能够使小车回到黑线中心上的原则进行运转。

4.速度检测模块：
（a）工作原理
车速度控制系统中，通过安装速度检测模块，将小车当前的运行速度采集，再通过相应的AD转换电路，转换成MCU能够识别数字信号，MCU进行处理和计算后，发出控制信号到LCD显示模块，就可以实现速度检测功能。

要实现次功能就必须选择适当的速度检测器件，安装在小车上，当小车开始前行时，实时监控小车的速度，并显示出来，这样我们通过LCD 上面的读数就可以知道小车当前的速度。

关于传感器的选择，目前主要有以下两种传感器：（1）轴编码器：这是一种将传感器和小车的车轴连在一起，同步运转，传感器被带动选择，产生正比于速度的脉冲序列。

（2）模拟转速计：它被安装在小车的电动机转轴上面，小车运行时，得到正比于小车转速的电压，经过相应的A/D转换器后，得到数字信号，传递给MCU，MCU再做一定的处理和计算，控制LCD模块显示小车的转速。

速度传感器的选择：实际检测中，采用轴编码器，由于本设计中，小车的体积，重量的限制，轴编码器不能太重，体积不能太大，为解决此问题可以自己制作一个质量较轻，体积较小，制作精良的转速传感器。

常用的转速传感器有光学编码器和霍尔编码器，霍尔编码器根据霍尔效应原理制成的，因为它分辨率低，精度不高，所以不宜采用，因此我选择了光电传感器，即红外传感器。

红外传感器分为两种，一种是反射式传感方式，另一种是对射式传感方式，具体图如下：
对射式红外传感器具有精度低，误差较对射式大等缺点，不利于对小车的精确控制，为此选用对射式传感方式。

这种装置工作时，有一组光耦对准这些孔当小车前进是会带动编码盘旋转，这样就会有光从圆盘小孔中通过，编码盘旋转的距离即小车前进的速度就可以检测出来了。

因为系统只要求小车能够按照给定的黑色线路前行，不需要进行倒车，所以不需要安装太多
组光耦用来检测小车的运行方向（前进或倒退），所以只需安装一组即可。

为了提高红外传感器的检测精度和分辨率，将码盘安装在小车电动机的主轴上面，且将一组对射式光电传感器安装在码盘两侧，对称放置，使码盘位于对射式传感器的沟槽之间，实现准确检测。

当小车开始前进时，电动机旋转，带动码盘同步旋转，码盘上的小孔就会依次通过红外发射器和红外接收器，传感器就会得到一组脉冲电信号，且它们的频率和小车的转速成正比关系，下面的图是红外速度传感器的示意图，
圆盘上的孔数就代表分辨率的大小，孔越多，分辨率就越大，电动机就能够进行更精确的控制。

但孔不是越多就越好，必须保证在红外管的识别围之，否则就会导致系统无法识别。

当孔从红外管外经过的时候,MCU会收到中断信号，通过累加器功能，对输入的中断信号数目进行加法计算，如果中断信号太多，将会导致MCU来不及处理中断，甚至会导致死机的状况，因此，在设计编码盘的个数时，必须不断进行检验，判断红外管的分辨率是多少，采用合适数目的码盘进行转速测量,本设计中采用的编码器圆盘共有20个透光小孔。

所用的电动车车轮的周长约为12CM,编码盘的中心和车轮的圆心在同一直线上,编码盘的转速和车轮转速是同步的.小车工作时,光敏三极管会产生一个个的脉冲,单片机AT89C51对脉冲计数,当需要计算速度时,只需将单片机一秒中时间得到车轮旋转的圈数,再乘以小车的周长12就得到距离值S,则小车的速度值V=S。

(b)光电式传感器的检测电路
实际所设计的投射式光电传感器，可以将其安装在小车的左轮上面，因为小车采用的是前面两个对称放置的直行轮，后面安装一个万向轮，用来控制小车的转动方向，因为会产生较大的运动，不稳定，不宜放置光电传感器，因此光电传感器安装在前轮上面。

光电检测器采用投射式光电传感器，投射式光电传感器的硬件连接如图所示
投射式光电检测电路
（c）输出信号的处理
从传感器直接得到的信号很弱，所以必须经过三极管的放大，放大后的信号
并非从OV快速地变化到5V(即从逻辑0到逻辑1)—这种电压信号才容易为
微控制器所处理。

实际输出的信号如图所示。

未经处理的红外传感器的输出
如果能够将红外传感器的输出信号数字化，从而使微处理器更容易区分状况
的转换，例如，许多微控制器仅把低于零点几伏的低压当作逻辑O来处理，而把
仅高于3V左右的电压当作逻辑1来处理。

但是，红外传感器对转动电机轴的输
出响应为连续变化的电压，而且这些连续变化的电压并不总是处于微控制器输入
引脚所要求的理想电压围之—这一情况在有环境光影响的场合更为严重。

其结果可能导致微控制器丢失相当多的编码器计数，进而影响到路程累计和电机
控制的精确性。

改善光电开关输出信号的一条路径是采用电压比较器来处理原始的Vout.电压比较器是一种比较特殊的电路。

它可以将输入电压与参考电压做比较，当输入
电压高于参考电压，或者是输入电压低于参考电压时，其输出状态就发生变化。

电压比较器的优点在于输出电压是反映输入电压的方波信号，但是也有缺
点，即如果输入电压仅仅瞬时地越过闭值电压，接着又立即回落(这通常被称为
“噪声”)，那么电压比较器也会反映这一噪声。

这一缺点可以通过采用施密特触
发器替代简单的电压比较器的方法来克服。

施密特触发器是一种双闭值的特殊电
压比较器。

当输入电压高于上阂值(也被称为正向闲值)时，触发器输出高电平:
当输入电压低于下阂值(也被称为负向闽值)时，触发器输出低电平;当输入电
压处于下闭值和上闭值之间的“死区”时，触发器的状态不发生改变。

“死区”
作用也常被称为“滞回”。

这一特点很有用，因为它具有一定的抗噪声干扰的能
力。

图所示采用施密特触发器后噪声信号的处理结果。

从图中可以看出，
经过施密特触发器后，原先为电压比较器所反映的噪声脉冲己被滤除。

采用施密特触发器后噪声信号的处理结果
5.电源电压检测模块
电池监控模块的必要性
智能车采用镍福电池供电，由于镍锅电池具有记忆效应，对电池的不完全放
电将会认为降低电池的电容量;同时，深度放电又会导致电池部结构变化，造
成对电池的永久损害，因此，电池使用中合理放电同样是设计者需要考虑的问题。

如图3一31所示，为镍福电池放电曲线。

从图中的曲线可以看出，随着电池
电量的减少，其电压也会逐渐降低，当电压降低到某个阂值后继续放电，电池电压将会很快跌落。

这个闭值就是电池的放电下限电压。

厂家给出了放电下限电压为6V。

因此，使用时，在智能车控制系统中加入电源监控模块，当电池电压低
于6V时候及时自动报警并切断电路，用来保护电池。

电池监控模块的电路设计
电池监控模块的检测电路的设计
由于在电动机起动时会产生电压浮动和电磁干扰，从而会影响AD对电池电
压采集的精确度，因此，采集电路设计中加入了光祸隔离。

采集信号经光电隔离电路后，再经过有源滤波，最后输入MCU处理。

光藕器件采用TLP521一，TLP521一2是一个双通道光电隔离器，其开关频率
可达80KHZ，它将主回路与检测电路的电气连接隔离，避免了主回路对控制电
路的干扰，从而提高了工作可靠性.为了使负载不影响滤波特性，在滤波电路中。