电动智能小车的制作

一、方案论证

1．路面情况检测方案的选择

     探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断黑线，可实现的方案有以下几种：

     方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，电路如图1-1所示。该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高亮度发光二极管降低一定的干扰，但这有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。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接受管的{zd0}工作电流取决与平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比。并且其反映灵敏，外围电路也很简单。电路如图1-2所示。

     比较以上两种方案，方案二占有很大的优势，市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性，因此建议选择方案二。

图1-1

图1-2

2．电动机的选择

     方案一：采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。

     方案二：采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。

     由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此建议采用直流电机作为动力源。

3．电动机驱动方案的选择

     方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。

     方案二：采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。

     方案三：采用四个大功率晶体管组成H桥电路，四个大功率晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制使之工作在开关状态，进而控制电动机的运行。该控制电路由于四个大功率晶体管只工作在饱和与截止状态下，效率非常高，并且大功率晶体管开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的电路。

     基于以上的分析，建议电动机驱动电路选择方案三。

4．路程检测方案的选择

     方案一：采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车轮上安装磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。

     方案二：采用光电码盘进行检测。光电码盘测距基本原理如图1-3所示。旋轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接受元件接受。用计数器对接受到的信号进行计数。用这种方案能很xx的算出小车已经走过的距离。

     以上两种都是比较可行的转速测量方案，霍尔元件在工业上得到广泛采用，但本题小车的车轮较小，磁片安装十分困难。容易产生相互干扰。因而建议选择方案二。

图1-3

5．障碍物探测方案的选择

     方案一：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用该有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外红外发射接受管的{zd0}工作电流取决与平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50~100mA），则大大提高了信噪比。并且其反映灵敏，外围电路也很简单。电路工作原理如图1-2所示。

     方案二：采用超声波传感器，如果传感器接受到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。

     市场上很多红外光电探头也都是基于这个原理。这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性，因此建议选择方案一。

6．供电电源方案的选择

     方案一：采用两个电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周电路电源xx隔离，利用光电耦合器传输信号。这样可以使电动机驱动所造成的干扰xxxx，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车的惯性。

     方案二：采用单一电源供电。电源直接给电动机供电，因电动机启动瞬间电流较大，会造成电源电压波动，因而控制与检测部分电路通过集成稳压块供电。其供电电路比较简单，

通过比较，小车的机动性和灵活性更为重要，供电电路建议采用方案二为好。

二、具体设计与实现

     单片机为小车的控制核心，电路由黑线检测模块，电机驱动模块，声光指示模块，红外线探测模块，方向控制模块，等几部分构成（金属探测、超声波测距及显示模块为发挥部分）。系统框图如图1-4所示。

图1-4

1．系统硬件设计

（1）路面黑线检测设计与实现

     当检测到黑线时，红外光管接收到反射回来的红外光，其输出立即发生高低电平跳变，该信号经放大整形后送单片机分析处理。为保证小车延黑线行驶，采用了两个检测器并行排列。在小车行走过程中，若向左方向偏离黑线，则右侧的探头就会检测到黑线，把信号传给单片机。，单片机控制车头向右转。路面黑线检测电路如图1-5所示。

（2）电动机驱动电路设计与实现

     由四个大功率晶体管组成H 桥电路组成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，以保证小车完成前进、后退、左传、右转等运行动作。原理图如图1-6所示。

（3）车轮检速与路程计算

     在车轴上固定有一个沟槽状的断式红外开关，共有18个沟槽，用尺测得小车后轮周长，在单片机控制时，每检测到一个脉冲，认为小车前进了一定距离。由光电装置检测得到的波形不是很理想，因而对其进行了放大和施密特整形后送入单片机计数。放大和施密特整形电路如图1-7所示。其中40106为施密特触发器，未经整形的波形如（a）所示，为不规则的模拟信号，经过整形之后的波形如（b）所示，为理想方波。

图1-5

图1-6

图1-7

     通过对各模块的输出进行检测，做出相应的判断，使小车按照要求行驶。

2．软件设计

     智能小车的控制器使用ATMEL公司的AT89C51单片机。程序设计上使用了时钟中断来控制小车行驶的状态检测，使用外部中断来记录小车行驶的距离，软件上设置了一个状态寄存器，来记录小车运行的状态，小车的运行为延黑线行驶状态，避障碍物状态等。

     在黑线上行驶时，控制器检测红外传感器，如果小车行驶偏离方向，则控制小车转向轮进行转向。

    在避障状态时，控制器检测红外传感器，判断前方是否有障碍物，如果有障碍物则控制汽车进行转向，躲避障碍物。

     主程序流程图如图1-8所示，定时中断流程如图1-9所示，外部中断流程如图1-10所示。

图1-8

图1-9

图1-10

电动智能小车的电路原理图和PCB板图及相关资料如下：

1．+5V电源电路原理图              2．电动智能小车电路原理总图

3．电动机驱动集成块L293D资料      4．集成运放LM358资料