簡易智能小車設(shè)計(jì)報(bào)告匯總

1、簡易智能電動(dòng)車技術(shù)創(chuàng)新論文摘要： 本設(shè)計(jì)以 89C51為核心，采用雙 CPU 分別進(jìn)行電動(dòng)車的前輪 轉(zhuǎn)向控制和后輪脈沖寬度調(diào)速控制， 根據(jù)題目要求， 前進(jìn)過程中安放 在車身不同位置的檢測器件對(duì)小車的周圍環(huán)境進(jìn)行檢測， 包括地面埋 設(shè)物（鐵片）、前方障礙物和光源，完成小車在直道區(qū)、彎道區(qū)、障 礙區(qū)和停車區(qū)的各項(xiàng)任務(wù)，并采用 LCD 實(shí)現(xiàn)埋設(shè)物個(gè)數(shù)、行車時(shí)間 等的顯示。其中，步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制是本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。 關(guān)鍵詞：電動(dòng)車，智能， 89C52一、 方案論證1、設(shè)計(jì)要求本系統(tǒng)要求電動(dòng)車按照給出的行使路線， 在直道區(qū)能夠正確的檢 測出埋設(shè)鐵片的個(gè)數(shù)； 通過彎道區(qū)后能夠到達(dá)指定的地點(diǎn)并停車要

2、求 的時(shí)間；在障礙區(qū)能夠準(zhǔn)確的躲避障礙物； 然后在光源的引導(dǎo)下駛?cè)?車庫。2、各部分方案論述（1）調(diào)速模塊采用脈沖寬度調(diào)制電路。 用單片機(jī)控制信號(hào)的高低電平時(shí)間完成 調(diào)速，用對(duì)兩個(gè)信號(hào)的不同控制完成電機(jī)的轉(zhuǎn)向和起停的控制。 這種 電路由于工作在管子的飽和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高，經(jīng)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 此方法調(diào)速簡單可行，方便可靠。（2）轉(zhuǎn)向裝置選擇步進(jìn)電機(jī)控制前輪。 步進(jìn)電機(jī)將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移 的特種電機(jī)， 步進(jìn)電機(jī)的顯著特點(diǎn)是快速啟動(dòng)能力， 測到障礙物時(shí)能 夠快速轉(zhuǎn)向；另外步進(jìn)電機(jī)的精度高，每步可以小至 0.72 度，不會(huì) 失步，在負(fù)荷不超過動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值時(shí)，可以瞬間啟動(dòng)和停止。逆轉(zhuǎn)時(shí)能 夠精

3、確返回原始位置。外加機(jī)械機(jī)構(gòu)可以把角度變成直線位移。（3）外部傳感器選擇校正車行方向即尋跡傳感器： 采用紅外線光電反射傳感器， 由于 車底盤較低，采用近距離（ 1 6mm）有效的光電傳感器。使 CPU 根據(jù)光電信息精確調(diào)整小車的行車方向， 使小車運(yùn)行時(shí)達(dá)到最小的橫 向抖動(dòng)。 CPU 根據(jù)信號(hào)發(fā)出前輪左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)和保持方向的指令，實(shí) 現(xiàn)自動(dòng)校正行車方向的目的。檢測兩個(gè)障礙物傳感器： 采用反射式紅外線光電開關(guān)。 本設(shè)計(jì)采 用的光電開關(guān)有效距離為 1 13cm（對(duì)白色障礙物），小車前方只 要有障礙，即輸出一個(gè)開關(guān)量，向 CPU 申請(qǐng)中斷， CPU 響應(yīng)中斷即 控制電機(jī)做出轉(zhuǎn)向反應(yīng)。測車行程傳感器： 為

4、使小車可以測量并顯示小車中心至起點(diǎn)的距 離，測小車的圈數(shù)換算即可得到。采用開關(guān)式光電傳感器，在車輪上 安裝一個(gè)小磁鐵即可實(shí)現(xiàn)測圈數(shù)， 進(jìn)而得到距離值，為此采用此方案。、系統(tǒng)設(shè)計(jì)與硬件電路1、總體設(shè)計(jì)小車前后兩部分框圖如下：圖 1 前輪 CPU 模塊圖 2 后輪 CPU 模塊二、各模塊設(shè)計(jì)1）電機(jī)轉(zhuǎn)速控制本系統(tǒng)利用 8050、8550 等三極管的組合，構(gòu)成基于 PWM 原理 的驅(qū)動(dòng)電路。如圖所示， P0.1 為正反轉(zhuǎn)控制端， P1.3 為起?？刂贫?， 原理如下：P1.3為低電平若 P0.1為高電平，與低電平或非以后變?yōu)榈停?則 Q55基極為低， 由 Q51 構(gòu)成的反向器使 Q51 集電極為高。于

5、是， Q52、 Q53、 Q54 導(dǎo) 通，Q55、Q56、Q57 截止。其中 Q52 為激勵(lì)極， Q53、Q54 為功放 極。電流流向?yàn)椋?電池正極 Q53電機(jī)“+”端電機(jī)“ - ”端 Q54 地，電機(jī)正轉(zhuǎn)。圖 3 直流調(diào)速驅(qū)動(dòng)電路若 P0.1 為低電平，與低電平或非以后變?yōu)楦撸瑒t右邊三個(gè)管即Q55、Q56、Q57 導(dǎo)通，左邊三個(gè)管截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。P1.3為高電平P1.3與低電平或非以后變?yōu)榈停?Q51和 Q55均截止，電機(jī)停轉(zhuǎn)。該電路原理簡單、容易控制、帶負(fù)載能力強(qiáng)，我們采用 PWM 控 制，通過軟件控制脈沖寬度的大小，設(shè)置高低電平的保持時(shí)間，來完 成電機(jī)轉(zhuǎn)速大小的改變，這樣使得工作簡單方

6、便，而且準(zhǔn)確可靠。（2）電機(jī)轉(zhuǎn)向控制這個(gè)設(shè)計(jì)中電機(jī)的轉(zhuǎn)向主要有兩個(gè)作用， 一是在直道區(qū)和彎道區(qū) 根據(jù)地面黑線使小車按照指定的路線行使， 不偏離跑道， 并到達(dá)要求 的位置；二是在障礙區(qū)控制小車前輪轉(zhuǎn)向使其準(zhǔn)確地躲避障礙物， 并 在光源的引導(dǎo)下進(jìn)入車庫。控制原理圖如下圖 4：具體電機(jī)我們使用了 35BYJ46 型號(hào)的步進(jìn)電機(jī)來完成此部分內(nèi) 容。這是一種四相五線制的電機(jī)， 驅(qū)動(dòng)器采用 51 單片機(jī)的口 P1.0 P1.3，依次觸發(fā)三極管導(dǎo)通，構(gòu)成四相四拍步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)的工 作電流為 96mA,由于電機(jī)啟動(dòng)電流較大， 所以采用額定電流為 1500mA 的三極管 8050 驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本程序采用循環(huán)設(shè)

7、計(jì)法，將控制模型放在 內(nèi)存單元中，按順序驅(qū)動(dòng)四相四拍電機(jī)。電機(jī)接口示意圖如下圖 5：圖 5 其勵(lì)磁順序如表 1； 技術(shù)指標(biāo)如表 2；表 1表 2按照以上資料，在程序中利用 P1 口的前四個(gè)腳依次對(duì)兩對(duì)相的 正負(fù)進(jìn)行控制可使電機(jī)步進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)信號(hào)順序相反時(shí)電機(jī)反方向步 進(jìn)。每步進(jìn)一步轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為 7.5o/85.25，在行進(jìn)過程中根據(jù)檢測的 信號(hào)對(duì)距離、速度等數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，得電機(jī)需要轉(zhuǎn)動(dòng)的角度。（3）檢測1、地面埋設(shè)物（鐵片）采用金屬接近開關(guān) LM18 3008NA ，工作電壓 636V,有效檢 測距離 8mm，這種專用傳感器，使用發(fā)便，對(duì)金屬的檢測較可靠。 本設(shè)計(jì)安裝此傳感器在車的底部，當(dāng)有接近

8、金屬時(shí)，輸出低電平，送 給單片機(jī)記下金屬片個(gè)數(shù)，并顯示出來。2、路面黑線檢測采用紅外反射式二極管和 LM324N 四運(yùn)算放大器構(gòu)成信號(hào)發(fā)射接收電路，運(yùn)算放大器對(duì)信號(hào)比較后產(chǎn)生輸出信號(hào)， 電路圖如圖 6：圖 63、前方障礙物采用專用紅外光電開關(guān) G183A10NA ，工作電壓 1030V， 有效檢測距離 10cm，當(dāng)前方有障礙物時(shí)傳感器內(nèi)部開關(guān)閉合，輸出 端為低電平， 此信號(hào)對(duì)單片機(jī) P3.2 產(chǎn)生中斷 0，控制轉(zhuǎn)向左或右。 電 路圖如圖 7 ：圖 74、光源使用光敏電阻檢測前方 20cm 高白熾燈發(fā)出的光，引導(dǎo)小車前進(jìn)。 此部分研究如下：如圖 8所示， 200W 的白熾燈距離光敏電阻 2m時(shí)，

9、測得阻 值大約為 Rmax=10k,而不在光源照射范圍內(nèi)的阻值在 50K 左右， 經(jīng)過計(jì)算，取R1為5.1K，為了方便可調(diào)， 我們使用了一個(gè) 50K的電 位器。為了使管子能夠飽和導(dǎo)通，集電極的電阻盡量取得大些。三、軟件設(shè)計(jì) 控制程序的主要任務(wù)是：（1）判別旋轉(zhuǎn)方向；（2）按順序傳送控制信號(hào)； （3）尋地面黑線（4）檢測障礙物； （ 5）檢測光源。各部分程序流程如下：以上程序全部用匯編語言來編寫， 調(diào)試時(shí)，經(jīng)過語法查錯(cuò)和邏輯查錯(cuò)，與硬件聯(lián)合調(diào)試，先單獨(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊，然后再連接成一 個(gè)完整的系統(tǒng)。經(jīng)過最后的調(diào)試，總程序可以順利執(zhí)行。四、測試1、測試所用儀器設(shè)備：PC機(jī)數(shù)字式萬用表： Fluke

10、 175示波器： Instek GOS-620 萬利單片機(jī)仿真器模擬跑道：直道長 7m,彎道半徑 0.8m卷尺：精度 0.001m秒表：精度 0.01s鐵片：三塊，厚度 0.5mm，大小分別為 1515cm2，1518 cm2,15 14 cm2障礙物：用白紙包裹的紙盒兩個(gè)，長、寬、高為 25cm10cm10cm2、測試內(nèi)容（1）速度測試 數(shù)據(jù)如表 1 所示：表 1跑道長度： 7m次數(shù)123實(shí)測速度 （m/s）0.190.180.20（2）尋線控制測試情況如表 2：表2路面類型識(shí)別情況白紙指示燈不亮黑線指示燈亮，且小車偏離黑線哪個(gè)方向，這個(gè)方向的指示燈熄滅燈光下的木桌指示燈不亮，當(dāng)小車高度達(dá)到

11、一定時(shí)，桌面 開始有光線反射，指示燈亮貼有 2cm 寬黑色膠帶的白紙?jiān)诤诰€的引導(dǎo)下行駛，指示燈基本保持常量由上述結(jié)果可知，小車的黑線牽引行駛基本可靠3）鐵片檢測表 3是檢測路面埋設(shè)物（鐵片）的實(shí)驗(yàn)情況：表 3鐵片個(gè)數(shù)第一片第二片第三片第四片顯示計(jì)數(shù)1235在鐵片上行駛情 況正常正常正常正常由上我們發(fā)現(xiàn)， 由于我們使用的安裝在車盤底部中心的接近開關(guān)測試距離太小， 不到 1cm，再加上鐵片不平整以及路面平整度等的原 因，小車在鐵片上行駛時(shí)，有可能發(fā)生誤檢（多檢） ，這時(shí)顯示的數(shù) 目會(huì)很快加一并不能保持，這種情況是可以理解的，而且我們相信， 只要路面足夠平整，鐵片檢測這一環(huán)節(jié)是沒有問題的。（4）障礙

12、物檢測 下圖是測試時(shí)所用場地及小車所走路線示意圖。此項(xiàng)是小車功能的一個(gè)難點(diǎn)， 由于存在諸多因素， 如探測距離的 偏差、電源供電不穩(wěn)等，很難使小車及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方障礙并順利躲避， 根據(jù)此圖，我們計(jì)算并調(diào)整了小車轉(zhuǎn)向的度數(shù)， 結(jié)合小車前進(jìn)的速度， 發(fā)現(xiàn)障礙物時(shí)，小車倒車并繼續(xù)檢測，直到繞過障礙。我們發(fā)現(xiàn)，如 果使小車一進(jìn)入障礙區(qū)就駛向兩個(gè)障礙物之間的區(qū)域， 如圖中虛線所 示，可保證前輪 CPU 較小的工作量，使小車少走彎路，減少出現(xiàn)錯(cuò) 誤的可能。總的來說，此部分由于控制因素太多， 加上時(shí)間非常緊張， 我們的小車行駛實(shí)際情況距離預(yù)想狀態(tài)還有一定的差距。（5）光源檢測小車前方光源采用 200W 的白熾燈，

13、按照題目要求距地面高度 20cm,實(shí)驗(yàn)示意圖如下：光源我們在小車的上面正前方安裝了黑色內(nèi)里的圓筒， 光敏電阻在里 面感受正前方向的光線， 由此使小車按照光源的位置來調(diào)整方向， 實(shí) 驗(yàn)證明基本是可行的， 但是， 由于題目中光源在車庫的旁邊而不在車 庫內(nèi)部，小車只能向光源的方向前進(jìn)，無法準(zhǔn)確的進(jìn)入車庫，這是我 們目前尚未解決的問題。五、誤差分析及改善措施小車轉(zhuǎn)向控制采用模糊控制的思想，由于尋線，測障，測光有不 同的精度要求，所以按照尋線，測障，檢測光源將小車轉(zhuǎn)動(dòng)的角位移 分為很小一步，一小步，稍大一步，這通過在多次試驗(yàn)中確定小車前 輪的步進(jìn)電機(jī)的步數(shù)而得到。 雖然步數(shù)是確定的， 但轉(zhuǎn)向?qū)儆谀：?

14、制，所以必定造成小車的橫向抖動(dòng)誤差較大。基于模糊控制的算法， 我們將小車運(yùn)行的路線分為三部分尋線時(shí)步數(shù)較少， 不至于偏離路線 太大；有障礙物時(shí)，步數(shù)較大，有利于小車迅速繞障；進(jìn)入光源照射 區(qū)時(shí)，步數(shù)中等，直到最后到達(dá)終點(diǎn)。這種方法可以減小誤差。經(jīng)過 多次實(shí)驗(yàn)，證實(shí)模糊控制可以較好的完成任務(wù)。測試過程中， 一個(gè)不可忽略的問題就是小車的不穩(wěn)定性， 這與我 們的器件太多，連接復(fù)雜有一定的關(guān)系， 而且我們的電源使用兩套 （ 5V 和12V），在接通時(shí)，我們測量兩個(gè) CPU 的電壓，為 4.85V，這 可能也是由于器件較多， 電源容量不夠所致， 進(jìn)而會(huì)影響電路的工作。 在電源方面，我們一開始采用的是單一

15、電源供電， 這樣供電比較簡單， 但由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大， 而且 PWM 驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)波動(dòng)較大， 會(huì)造成電壓不穩(wěn)、 有毛刺等干擾； 因此我們考慮將電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)電源 與單片機(jī)及其周邊電路電源完全隔離， 利用光電耦合器傳輸信號(hào)， 提 高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。六、結(jié)論我們采用雙 CPU 分別進(jìn)行電動(dòng)車的脈沖寬度調(diào)速控制和步進(jìn)電 機(jī)的轉(zhuǎn)向控制，用安放在車身不同位置的檢測器件檢測地面埋設(shè)物 （鐵片）和前方障礙物，用光敏電阻檢測光源，并用 LCD 實(shí)現(xiàn)埋設(shè) 物個(gè)數(shù)、 指定行程等的顯示。 但是由于小車前輪與橫桿之間有一定的 間隙，所以小車在行駛過程中車輪難免會(huì)有一定的晃動(dòng)，但是，我們 在程序中進(jìn)行實(shí)時(shí)的黑線檢測，使小車一離開黑線前輪便小幅轉(zhuǎn)向， 這樣便使小車始終不離開黑線。 在測障方面我們采用了兩個(gè)放在車兩 側(cè)的傳感器，可以使小車檢測的前方障礙物，從而倒車并繼續(xù)檢測，