智能小車系統(tǒng)2

1、智能小車系統(tǒng)  摘要 本設(shè)計(jì)采用兩塊單片機(jī)（89S52）作為自動(dòng)控制小車的檢測(cè)控制、顯示計(jì)算核心。路面黑線檢測(cè)采用反射式紅外傳感器，車速和距離檢測(cè)使用了霍爾傳感器，金屬檢測(cè)使用了金屬接近開(kāi)關(guān)。電源部分采用了強(qiáng)電流、弱電流分開(kāi)。數(shù)字、模擬獨(dú)立供電，利用光電耦合器件避免了電動(dòng)機(jī)對(duì)控制系統(tǒng)的干擾。同時(shí)利用了PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)的控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，利用低密度PLD簡(jiǎn)化電路提高硬件系統(tǒng)的可靠性，基于這些完備可靠的硬件設(shè)計(jì)，使用了一套獨(dú)特的軟件算法實(shí)現(xiàn)了小車在金屬的檢測(cè)，和在高速運(yùn)動(dòng)中的精確控制，達(dá)到了很好的效果！  本設(shè)計(jì)的主要特色：高效的H型PWM電路，提高電源的利用率?？刂齐娐冯娫春碗?/p>

2、動(dòng)機(jī)電源隔離，信號(hào)通過(guò)光電耦合器傳輸。紅外檢測(cè)路面，軟件糾錯(cuò)，免受路面雜質(zhì)干擾。優(yōu)化軟件算法，智能化的自動(dòng)控制，反應(yīng)迅速。前置式方向燈，行駛狀態(tài)一目了然。 一：系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案論證根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為幾個(gè)基本模塊，如圖1-1所示。對(duì)各模塊的實(shí)現(xiàn)，分別有以下一些不同的設(shè)計(jì)方案：                         

3、0;     1-11：電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)速度慢，機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞，壽命短，可靠性差。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻元件價(jià)格昂貴，主要問(wèn)題是一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大；分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案三：采用由雙極性管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模

4、式下，效率非常高；H型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開(kāi)關(guān)的速度很塊，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。基于上述理論分析，選用方案三。2：路面黑線探測(cè)模塊探測(cè)路面黑線的大致原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否到達(dá)跑道邊側(cè)。方案一：可見(jiàn)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(diǎn)在于其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界環(huán)境條件改變，很可能造成誤判和漏判；雖然采取超高亮度發(fā)射管可以降低一定的干擾，但這勢(shì)必會(huì)增加額外的功率損耗。方案二：脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器?？紤]到環(huán)境光干

5、擾主要是直流分量，如果采用有交流分量的調(diào)制信號(hào)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，如果采用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流可以很大（50-100MA），這樣也可以大大提高信噪比。但電路較復(fù)雜且軟件工作量加大。方案三：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(jiàn)光管，可以降低環(huán)境光源干擾；如果直接用直流電壓對(duì)管子供電，限于管子的平均功率要求，工作電流在10MA左右。由于發(fā)射接收組件距離路面較近，切組件有外罩防止外界的干擾，所以我們采用了方案三。3：車輪測(cè)速及路程計(jì)算模塊方案一：采用霍爾元件，該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正

6、對(duì)金屬片時(shí)，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鐵，而將霍爾器件安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行車速測(cè)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(kāi)關(guān)。由于該開(kāi)關(guān)是溝槽結(jié)構(gòu)，可以將其置于固定軸上，再在車輪上均勻的固定多個(gè)遮光條，讓其恰好通過(guò)溝槽，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)脈沖。通過(guò)脈沖的計(jì)數(shù)對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。上述方案二計(jì)數(shù)精度較高，但安裝不便且MCU計(jì)數(shù)負(fù)擔(dān)過(guò)重，影響小車速度的提升。方案一在工業(yè)上得到廣泛應(yīng)用性能穩(wěn)定切裝配容易，因此采用方案一。4：電源選擇方案一：所有器件采用單一電源，這樣供電比較簡(jiǎn)單；但是由于電動(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)電流波動(dòng)較大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)

7、定，有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，缺點(diǎn)十分明顯。方案二：雙電源供電。將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)以及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)。這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)的穩(wěn)定性更為重要，故采用方案二。  二 系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)組成及原理框圖如圖1-2所示。以下分為硬件和軟件具體分析。                

8、60;                     1-21：系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)（1）       電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體電路圖見(jiàn)1-3，本電路采用的是基于PWM原理的H型驅(qū)動(dòng)電路。該電路采用D772，B882大功率管，以保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的4A電流要求。      

9、                                1-3 我們采用了200HZ的周期信號(hào)控制，通過(guò)對(duì)其占空比的調(diào)整，對(duì)車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。最小脈寬為0.2ms速度分為5檔，可以滿足車速調(diào)整的精度要求。同時(shí)可以控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。（2）   &#

10、160;   路面黑線檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，具體電路見(jiàn)1-4，為了檢測(cè)路面黑線，在車的前部安裝了四個(gè)反射式紅外傳感器，分成左右兩組，由傳感器先后通過(guò)黑線的順序可以知道小車現(xiàn)在跑道的位置，以便跑回原跑道。                               &

11、#160;     1-4（3）       單片機(jī)控制部分控制部分采用了主從結(jié)構(gòu)，主控制器負(fù)責(zé)黑線檢測(cè)，金屬檢測(cè)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)等工作。從控制器負(fù)責(zé)顯示，路程計(jì)算，速度計(jì)算，運(yùn)行時(shí)間計(jì)算等工作。主從之間采用波特率為19200的串行通信。具體電路見(jiàn)1-5。2：系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)（1） 路面檢測(cè)程序 流程圖見(jiàn)1-6。外部四組紅外線檢測(cè)傳感器共用一個(gè)中斷源，進(jìn)入中斷服務(wù)程序后查詢具體是哪一路傳感器遇到黑線。        

12、0;                            1-6 （2） 顯示程序 由主控CPU發(fā)送開(kāi)始標(biāo)志，slave mcu開(kāi)始打開(kāi)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)時(shí)間。當(dāng)master mcu每檢測(cè)到霍爾元件翻轉(zhuǎn)一次便向slave mcu發(fā)送一個(gè)標(biāo)志，slave mcu便累加一次計(jì)算之后送去顯示。速度檢測(cè)我們采用單位時(shí)間內(nèi)計(jì)算共有多少個(gè)脈沖計(jì)算后即可得到速度值。 三 測(cè)試結(jié)果及誤差分析（1） 測(cè)試設(shè)備模擬跑道：總長(zhǎng)度7M卷尺：精度1CM秒表：精度0.01S（2） 測(cè)試結(jié)果A最高速度測(cè)試將速度開(kāi)至最大，測(cè)量其最高行駛速度，通過(guò)軟件將最大速度保存并顯示，測(cè)試長(zhǎng)度7M，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)表1-7次數(shù)1234實(shí)測(cè)速度1.41.51.41.41-7B路程測(cè)試模擬小車運(yùn)行跑道一周，與實(shí)際值比較見(jiàn)1-8表次數(shù)1234顯示距離7137217