自動往返電動小車課件

自動往返電動小車2/6/20231任務(wù)設(shè)計任務(wù)：設(shè)計制作一個自動往返于起跑線與終點之間的電動小車實際目的：1.測試學(xué)生在單片機應(yīng)用方面的水平；2測試學(xué)生在電子電路設(shè)計與制作方面的應(yīng)用能力；3測試學(xué)生的實際動手能力等。

2/6/20232謝兵華制作設(shè)計的要求車輛從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車體不得超出起跑線），到達終點先后停留10s，然后自動返回起跑線（允許倒車返回）。往返一次的時間應(yīng)力求最短（從合上電源開關(guān)開始計時）。到達終點線和返回起跑線時，停車位置離起跑線和終點線偏差應(yīng)最?。ㄒ攒囕v中心點與終點線或起跑線中心之間距離作為偏差的測量值）。D-E之間為限速去，車輛往返均要求以低俗通過，通過時間不得少于8s，但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。自動記錄、顯示一次往返時間（記錄顯示裝置要求安裝在車上）。自動記錄、先是行駛距離（記錄顯示裝置要求安裝在車上）?；疽螅?/6/20233謝兵華制作1.電動機驅(qū)動調(diào)速模塊

方案一:采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。

但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大;分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。

方案二:采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。

方案三:采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高;H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制;電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。

基于上述理論分析，擬選擇方案三。2.路面黑線探測模塊探測路面黑線的大致原理是:光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強弱判斷是否到達黑線。

方案一:可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射-接收電路。這種方案的缺點在于其他環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判;雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。

方案二:不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾;但如果直接用直流電壓對管子進行供電，限于2/6/20235謝兵華制作管子的平均功率要求，工作電流只能在1OM左右，仍然容易受到干擾。

方案三:脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器?？紤]到環(huán)境光干擾主要是直流分量，如果采用帶有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界干擾;另外，紅外發(fā)射管的最大工作電流取決于平均電流，如果使用占空比小的調(diào)制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時電流可以很大(50-100mA)，這樣也大大提高了信噪比。

基于上述考慮，擬采用方案三。3.車輪檢速及路程計算模塊方案一:采用霍爾集成片。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進行車速測量。

方案二:受鼠標(biāo)的工作原理啟發(fā)，采用斷續(xù)式光電開關(guān)。由于該開關(guān)是溝槽結(jié)構(gòu)，可以將其置于固定軸上，再在車輪上均勻地固定多個遮光條，讓其恰好通過溝槽，產(chǎn)生一個個脈沖。通過脈沖的計數(shù)，對速度進行測量。

以上兩種都是比較可行的轉(zhuǎn)速測量方案。尤其是霍爾元件，在工業(yè)土得到廣泛采用。但是在本題中，小車的車輪較小，方案一的磁片密集安裝十分困難，容易產(chǎn)生相互干擾。相反，方案二適用于精度較高的場合，可以車輪上加較多的遮光條來滿足脈沖計數(shù)的精度要求，因此擬采用方案二。4.電源選擇

方案一:所有器件采用單一電源(6節(jié)M電池)。這樣供電比較簡單;但是由于電動機啟動瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動的電動機電流波動較大，會造成電壓2/6/20236謝兵華制作

不穩(wěn)、有毛刺等干擾,嚴(yán)重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電，缺點十分明顯。

方案二:雙電源供電。將電動機驅(qū)動電源與單片機以及其周邊電路電源完全隔離，利用光電藕合器傳輸信號。這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動機驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。

我們認(rèn)為本設(shè)計的穩(wěn)定可靠性更為重要，故擬采用方案二。5.小結(jié)

經(jīng)過一番仔細(xì)的論證與比較，我們決定了系統(tǒng)各個主要模塊的最終方案如下:電動機驅(qū)動與調(diào)速模塊:采用達林頓管的H型PWM電動機驅(qū)動電路。車輪檢速模塊:采用光電斷續(xù)開關(guān)構(gòu)成的光電感應(yīng)系統(tǒng)。路面黑線檢測模塊:采用調(diào)制的反射式發(fā)射-接收器。

電源:雙電源供電(6節(jié)M電池+1節(jié)9V方型電池)電動小汽車車體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)名稱

單位（cm）車身長度24cm車身寬度14.cm車頭到路段檢測傳感器位置14.5cm2/6/20237謝兵華制作二、系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(xiàn)1.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(1)電動機PWM驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)具體電路見圖3。本電路采用的是基于PWM原理的H型驅(qū)動電路。該電路采用11P132大功率達林頓管，以保證電動機啟動瞬間的8A電流要求。圖32/6/20239謝兵華制作

當(dāng)Ug1為高電平,Ug2為低電平時，Q3、Q6管導(dǎo)通，Q4、Q5管截止，電動機正轉(zhuǎn)。當(dāng)Ug1為低電平，Ug2為高電平時，Q3、Q6管截止，Q4、Q5管導(dǎo)通，電動機反轉(zhuǎn)。另外四個二極管可以在Ug1由高變低時，通過D2、D4兩個二管形成電動機電圈感應(yīng)電壓的回路，起到了保護電動機的作用。

控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5V電源，因此若達林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身的壓降，加到電動機兩端的電壓就只有4V左右，減弱了電動機的驅(qū)動力?；谏鲜隹紤]，我們運用了4N25光藕集成塊，將控制部分與電動機的驅(qū)動部分隔離開來，這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動電流得到了大大的增強。

至于Ug1與Ug2這對控制電壓，我們采用了200Hz的周期信號控制，通過對其占空比的調(diào)整，對車速進行調(diào)節(jié)。最小脈寬為0.2ms，速度共分25擋，可以滿足車速調(diào)整的精度要求。同時，可以通過Ug1與Ug2的切換來控制電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

(2)路面黑線檢測模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)為了檢測路面黑線，在車底的前部和中部安裝了兩個反射式紅外傳感器。為減少環(huán)境光源干擾，增加信噪比，采用脈沖調(diào)制的發(fā)射與接收電路。發(fā)射、接收的具體電路見圖4。發(fā)射部分采用55定時器產(chǎn)生9kHz、占空比為1:5的方形脈沖信號，通過三極管Q1的放大來驅(qū)動紅外發(fā)射管，實現(xiàn)路面檢測系統(tǒng)信號的調(diào)輸入制。接收部分的光敏二極管在不同的光照強度下，電阻值會大幅改變。因此可以通過改變島的大小，調(diào)整輸出對路面灰度的敏感程度。本實驗中，我們把電路參數(shù)設(shè)置為只對黑色敏感，這樣甚至可以忽略路面上的腳印。輸出的交流信號，經(jīng)過隔直電容，整形后輸出

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至于解調(diào)的一般做法是通過濾波電路后利用頻率解碼器解調(diào)。但是這樣做無法充分利用瞬時信噪比大的優(yōu)勢，而且也無法方便地調(diào)節(jié)接收敏感度。

因此，我們使用單片機同步檢測的方法。接收器產(chǎn)生的信號經(jīng)過信號識別整形電路向單片機分別指示兩個傳感器的探測信號。同時，發(fā)射電路的555定時器產(chǎn)生的調(diào)制信號作為同步信號輸入給單片機中斷。當(dāng)單片機接收到中斷時，便去檢測傳感器信號，等連續(xù)檢測到若干個信號之后，再發(fā)送中斷通知單片機。

這樣做的優(yōu)點在于，可以充分利用單片機編程，等連續(xù)測到多個信號后才認(rèn)為是黑線，避免將其他雜物誤判為黑線，以增強糾錯能力。圖42/6/202311謝兵華制作2.系統(tǒng)的元件

單片機控制電路，主要實現(xiàn)對路面黑線的軟件檢測與糾錯，作為整個控制部分的核心，負(fù)責(zé)車速檢測、電動機驅(qū)動、數(shù)據(jù)顯示等功能。單片機具體電路如圖6所示。

圖6EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1080C51調(diào)速時間、里程顯示起停、避障、位移、檢測電動機驅(qū)動時鐘電路復(fù)位電路2/6/202313謝兵華制作(1)路面檢測程序

程序流程圖如圖7所示。該檢測算法的主要特點是:只有連續(xù)檢測到幾個黑線信號之后，才發(fā)中斷信號通知單片機到達黑線。這樣可以避免其他細(xì)小物體的干擾。同樣，在到達黑線之后，只有連續(xù)檢測不到信號時，才取消中斷，避免黑線上的雜物干擾。

開始開中斷等待中斷記錄傳感器1，2的狀態(tài)連續(xù)檢測到N個信號？連續(xù)N次未檢測到信號向單片機發(fā)中斷取消向單片機發(fā)中斷檢測到信號？NNYYYN圖72/6/202314謝兵華制作

(2)單片機的的主控程序單片機的中斷和定時器資源配置如表1所示。表1①黑線計數(shù)(中斷服務(wù)程序1)。由于車底前部和中部裝有兩個傳感器，采用中斷和查詢結(jié)合的檢測方法。單片機在對黑線信號進行糾錯處理后，向自己的INTO發(fā)出中斷請求信號，并通過單片機的P1.4指明是哪一個傳感器檢測到黑線，在其中斷服務(wù)程序中進一步查詢中斷源(見圖8)。圖82/6/202315謝兵華制作③定時器服務(wù)程序。為了提高效率，我們將多個需要定時的模塊放在一個定時器服務(wù)程序中，其程序流程圖如圖10所示。通過分頻來實現(xiàn)各個不同功能。定時器頻率為5kHz。電動機PWM脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生:脈寬調(diào)制信號的一個周期為5000μs。一個最小脈寬的時間為200μs間，則速度可分為5000/200=25擋。系統(tǒng)時鐘的產(chǎn)生:只需設(shè)置一個全局變量不斷累加,便能提供一個系統(tǒng)時鐘。

LED數(shù)碼管的動態(tài)掃描:為了使人眼感覺不到抖動，掃描頻率應(yīng)不低于60Hz，服務(wù)程序中將時鐘經(jīng)16分頻后，得到5000/16=312.5Hz，則4位數(shù)碼管的每一位平均掃描頻率為312.5/4=78Hz。

圖10④限速子程序。在限速區(qū)中為了實現(xiàn)低速行駛的要求，最簡單的方法是減小功率。但這種開環(huán)系統(tǒng)缺點十分明顯。首先是對電池電量依賴性強，電量充足時可能開得過快，電量不足時則過慢;其次，當(dāng)小車碰到擋板時，由于阻力增加，車速也會與正常行駛差異極大，乃至停車。④2/6/202317謝兵華制作因此，限速必須采用閉環(huán)系統(tǒng)，即通過車速檢測的反饋，不斷調(diào)整電動機的驅(qū)動力。算法流程圖如圖11所示圖11為了直觀地指示當(dāng)前限速狀態(tài)，在車尾設(shè)有兩對紅綠指示燈，通過指示燈的狀態(tài)可清晰觀察該速度反饋系統(tǒng)的運行狀態(tài)。另外值得注意的是，判斷當(dāng)前車速是否低于設(shè)定值不能通過計算兩次脈沖間隔來實現(xiàn)。因為車速很慢時，等待下一個脈沖的時間將無限變長;一旦車子停駛，程序便永遠不能判斷當(dāng)前車速。故檢測車速時設(shè)置了一個超時器，一旦超時還沒有來脈沖，便認(rèn)為車速變慢或停止。

⑤過線返回算法。題目要求在到達終點線及返回起點線時壓線。當(dāng)車速不快時，只需通過剎車便可解決;但如果車速太快，剎車后仍超出終點線時，就應(yīng)該倒退回終點線上。而2/6/202318謝兵華制作且此時倒車必須為較低的速度，保證一次剎車即可壓線，否則可能產(chǎn)生來回往返的死循環(huán)。算法流程圖如圖12所示圖122/6/202319謝兵華制作總程序編程如：

#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsbitP1_0=P1^0;sbitP1_1=P1^1;sbitP1_2=P1^2;sbitP1_3=P1^3;floatf=0;inta,counter;ucharLED0_data,LED1_data,LED2_data,LED3_data,LED4_data,LED5_data,i=0;ucharcodesegcode[]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};//低電平有效2/6/202321謝兵華制作voiddisplay();voiddelay_10us(uintm);voiddelay_ms(uintn);voidting();voidzheng();voidfan();voidzheng_jiansu();voidfan_jiansu();voidinit(){ TMOD=0x51; TL0=(65536-20000)%256; TH0=(65536-20000)/256; TL1=0; TH1=0;TR0=1; TR1=1; ET0=1; EA=1;2/6/202322謝兵華制作 IT0=1; //脈沖方式 EX0=1; //開外部中斷0:加速

}voiddectobit(intdec){ LED5_data=dec/100000; dec=dec%100000; LED4_data=dec/10000; dec=dec%10000; LED3_data=dec/1000; dec=dec%1000;2/6/202323謝兵華制作 P2=0x08; P0=segcode[LED2_data]; delay_ms(1); P2=0x10; P0=segcode[LED1_data]; delay_ms(1); P2=0x20; P0=segcode[LED0_data]; delay_ms(1);

}voidmain(){init();while(1){ dectobit(f); display();2/6/202325謝兵華制作 if(a==1)zheng(); if(a==2)zheng(); if(a==3)zheng_jiansu(); if(a==4)zheng(); if(a==5)ting();}}voidzheng(){P1_1=1;P1_0=0;P1_2=0;P1_3=1;delay_10us(2000);P1_0=1;P1_2=1;delay_ms(10);}2/6/202326謝兵華制作voidzheng_jiansu(){P1_1=1;P1_0=0;P1_2=0;P1_3=1;delay_10us(1000);P1_0=1;P1_2=1;delay_ms(5);}voidfan(){P1_0=1;P1_1=0;P1_2=1;P1_3=0;delay_10us(2000);

2/6/202327謝兵華制作voiddelay_ms(uintn)//n個1ms延時程序{uinti;for(;n>0;n--)for(i=0;i<124;i++);//1ms軟件延時

}voiddelay_10us(uintm)//10us延時{ while(m--) { _nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();_nop_();_nop_(); }}voidtimer0()interrupt1 { TL0=(65536-20000)%256;

2/6/202329謝兵華制作TH0=(65536-20000)/256;++i;if(i==50){ i=0; f=(TH1*256+TL1/100); TH1=0; TL1=0;} }voidwaibu0()interrupt0{ counter++; if(counter==6) { a++; if(a>8)a=0; counter=0; }

}

2/6/202330謝兵華制作(3)軟件的其他特色①剎車時，借鑒了車輛制動裝置ABS(自動防抱死)功能，將整個剎車過程分割為幾個子過程，有效防止了輪胎打滑。

②原路返回時，充分利用上次正向行駛時得到的跑道長度數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化性能。

③正向行駛時使用前部傳感器，逆向行駛時使用中部傳感器。在壓線時，則同時利用兩個傳感器判斷當(dāng)前位置，提高停車精度，并保證黑線計數(shù)正確3.其他功能的設(shè)計與實現(xiàn)(1)數(shù)碼管顯示為了減少外部鎖存器和譯碼模塊，數(shù)碼管全部使用軟件進行動態(tài)顯示。在限速區(qū)內(nèi)，數(shù)碼管顯示8s倒計時;在行駛過程中，顯示已駛路程;在終點停車時和返回起點后，交替顯示桂返時間與距離。

(2)車頭方向的調(diào)整由于原玩具車前輪裝有彈簧很容易發(fā)生隨機偏轉(zhuǎn)。為了精確調(diào)整方向，我們拆除了車上原有的轉(zhuǎn)彎控制電動機，設(shè)計了一個機械裝置固定了車輪的方向桿，且留出一個螺絲作為接口，實現(xiàn)對方向桿的微調(diào)。(3)車速指示燈在車尾兩端裝有兩對車速指示燈，當(dāng)小車加速時，綠燈亮;當(dāng)小車剎車減速時，紅燈亮。因此在限速區(qū)時，可明顯體會到算法的運行過程。在終點停留時，紅燈閃爍10次代表10s倒計時。4.總的電路圖如下：2/6/202331謝兵華制作2/6