1、1智能小车摘要本设计分为三个模块，驱动电路模块， 光电传感器模块，处理器模块。左右轮的驱动电路用于控制小车前进过程中的，左转和右转，和前进过程中的速度。探测模块利用光电传感器（光电对管）对小车的行驶状态进行判断。在跑道中利用光电开关做传感器是本设计的一个亮点，小车在行驶时利用光电开关探测距离较远这一特点，合理的安排传感器的位置，可以很好地实现跑完全程的目的，这是我们循迹比较好的创新点。一 、方案论证与比较1、轨迹探测模块与比较方案一、采用光电对管对小车行驶的路况进行判断。普通光电对管，具有价格低，采购时容易购买到的优点，但其缺点是，探测距离近，易受外界其他红外光的干扰，这样无法保证小车在高速行
2、驶时单片机能够准确的获取小车行驶的路况状态，易造成行驶过程中的误判，是小车掉下跑到。经我们多次测试，其稳定性无法满足赛道要求，故，果断放弃该方案。方案二、利用投射式光电对管，进行手工加工后改装为光电对管。投射式光电对管较一般的光电对管要更灵敏，其光束能量高，方向性强，在我们经过多次测试后得出这种经自己改装的光电对管具有探测距离远（经小组成员多次测试，一般情况下探测距离可达三厘米左右） ，稳定性高等优点。在市场上也较易购得，但由于跑道是架在空中的，此对管无法探测到小车体积以外的路况，故也放弃。方案三、采用光电开关。光电开关，光电开关光电开关（光电传感器）是光电接近开关的简称，它是利用被检测物对光
3、束的遮挡或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体有无的。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的光线的强弱或有无对目标物体进行探测。光电开关发出的光信号在遇见黑线时会有一定量的吸收，导致其反射回来的信号和一般障碍物反射回来的信号有一定量的减弱，故也可以用于检测赛道边沿的黑带，而且灵敏度可以调节，效果相当灵敏，故采用这种传感器用于检测路况。22、处理器选取方案方案一、采用 ARM 处理器进行数据处理， ARM 处理器处理数据比较高， 、而且端口比较多，可以处理多个任务。但是价格高，入门比较困难，熟练掌握比较困难，学习周期比
4、较长，而且在小车前进过程中，处理的数据量不是很大，过多的 IO 口反而不利于控制。故舍去该方案。方案二、采用比较普及的处理器，51 单片机比较普及，价格低廉，学习资料比较多，易于自主的学习与掌握，而且这方面的图书和教材比较多，学习资料易于获取。综合考虑采用该方案。在小车行驶过程中处理的数据量 51 的 IO 口完全可以满足。综合考虑方案二更利于实现，故采用第二套方案。寻找另一辆小车的传感器选取方案分析与比较题目要求中，要实现甲车和乙车交替领跑，需要在超车区对另一辆小车的情况进行判断，故传感器必不可少。方案一、采用光电对管对另一辆小车的状况进行判断。光电对管具有价格低廉，电路简单的优点，但是光电
5、对管的探测距离过近，3mm 到 4mm 左右，而且易于受到外界干扰信号的影响，故不可取。方案二、采用超声波模块对另一辆小车的行驶状态进行判断。超声波具有方向性探测距离远等优点，最远可达 4 米，而且精度可达到厘米级。但是由于小车的结构并非传感器反应灵敏的平面结构，故不能够准确测量另一辆小车的位置，最终未使用。方案三、采用光电开关探测另一辆小车的位置，光电开关具有探测距离远，反3应灵敏等优点而且定向性比较好，经实际测试，该传感器可以很好地完成在超车区内对另一辆小车的探测，故最终选取该方案。镂空部分的检测由于赛道的外部以及赛道的内部都为镂空设计，必须保证小车在行驶过程中不会超出赛道，掉下去，故必须
6、对镂空部分进行检测。方案一、采用超声波模块对镂空部分进行探测。超声波谈车距离远，但需要对超声波模块进行比较复杂的程序编程，程序繁琐而累赘，不利于程序的简单化处理。方案二、采用已经安装在车上的光电开关进行探测，因为探头探测到黑带和探测到镂空部分的情况有相同的输出（都为 1）故可以认为检测到镂空和检测到黑带做相同的判断，都认为小车已经走到赛道边沿，单片机可做相同处理。这也是本设计和其他设计的最大区别，也使得该设计的程序方案简洁明了，易于实现单片机的智能控制。故本设计采用了方案二。电机驱动方案一：采用和三极管手工焊接成桥该桥可以满足一般需要，但由于三极管构成的正向导通和反向导通时管压降不一样，手工焊
7、接时电路的阻抗不一样，存在小车前进时和后退时动力不一致，左轮和右轮前进时的速度也不一样（三极管的参数不可能完全一致）使前进时左右轮存在偏差。而且三极管桥容易出现左右桥同时导通（死区） ，使桥烧坏。方案二：采用电机驱动芯片。L298 是 SGS 公司的产品，比较常见的是 15 脚 Multiwatt 封装的 L298N，内部同样包含 4 通道逻辑驱动电路。可以很方便的驱动两个直流电机或则一个步进电机。该芯片性能稳定，通过电流可达，内部集成死区调节功能，可以为小车提供充足的动力。而且易于调速，综合考虑，采用方案二比较可靠。探测超车区方法方案一采用一个光电对管全程记录经过的黑线数目，在第八条黑线时判
8、断为小车已经到达超车去。该方法易受环境影响，使得记录的黑线个数不准确，使小车产生误判，导致小车超出跑道。方案二采用两个间隔五厘米的光电对管对超车区的连续五条黑线进行检测，只要出现两个同时检测到黑带的情况，即认为小车已到达超车区。该方法经多次测试，比较可行，几乎每次都可以检测到超车区。电源板模块方案一采用四节电池供电，经三端稳压器 7805 稳压后送给单片机和光电对管等需要供电的部分 6V 直接给 L298 供电，驱动左右两个电机。该方案简单，但是电池在用一段后会有一个管压降，使得电路得到的电压不稳定，不利于 PWM 4调速和光电开关的探测距离。方案二采用 6 节电池，串联产生 9电压，经过 D
9、CDC 降压模块给 L298 和光电开关。再经过 7805 稳压电路后，共给单片机和光电对管。该方案解决了电池用一段后压降降低的影响，在电池电压降低时可以调节降压模块的降压差，来达到弥补电池压降的目的。共给电路稳定的电压，使得小车的行驶动力充足，性能稳定。故采用方案二作为电路的电源模块，给系统提供稳定电压。2、硬件设计1.总体设计1.1 设计模块如图 1 所示：1.2 本设计的原器件清单见表 1。图 15图表二表 12 原理分析与说明2.0 硬件设计特色：提前预知赛道情况在实际调试时我们尝试了多种传感器，但大都不能满足赛道要求，后来我们改变了一向的定向思维蔽黑线跑完全程的办法，想到了赛道是架起
10、来的，与赛道有明显的区别。而且由于小车的惯性作用，若用光电对管类做探测很难提前预知前方赛道情况，反应一旦过慢就很有可能冲出赛道。若用光电开关，因为光电开关大家大都平时都用于蔽障，垂直探测障碍物，却没有想到光电开关在倾斜的状况下也可以探测前方路况。而且光电开关探测到黑线和探测到白线其反射率是不一样的。光电开关的探测距离与障碍物黑白颜色关系，见下表：元件 数量光电开关 9投射式光电传感器 4玩具电动小车 2电阻 若干L298 电机驱动芯片 2集成电路芯片 若干51 系列 89C52 芯片 2DC降压模块 7805 三段稳压电路 6探测距离颜色 黑 白5V 供电 30cm 37cm6V 供电 41c
11、m 54cm7V 供电 53cm 60cm由图可知，若利用光电开关的对黑线和对其他颜色有不同的探测距离来探测赛道，则可以很好的解决跑赛道时小车容易掉下去的情况。这也是本设计如此简洁的奥妙与特设。.元件安装方位图实物图照片，实际小车的传感器安装位置7.独具特色的光电开关运用光电开关能够探测障碍物，在有障碍物时产生一个低电平信号。通常我们只是用光电开关直线探测障碍物距离，但是光电开关的功能远不止如此。我们发现，光电开关在倾斜时也可以探测障碍物的距离，而在本设计中，倾斜后光电开关打在赛道上，返回一个低电平信号，把赛道作为障碍物处理，思路跳出传统框框，选取到了比较合适的传感器，使得小车跑完赛道较一般的
12、用光电对管更加容易实现。光电开关探测距离较远，用它做路况探测可以提前预知路况状况，提早做出判断。光电开关分别安装与小车的左前方，右前方，左侧，右侧。共记四个探头。这四个探头组合起来残生一个路面信息的16（24)中情况信息状态，由这 16 中信息对小车的行驶状况进行矫正，完成赛道要求。2.3 小车动力系统小车动力系统采用直流减速电机，减速电机，转矩比较大，能够在小车负载较重时仍能正常行驶，而且速度降低有利于电机的精准控制，使小车能够更精准的对路况信息进行判断。82.4 小车的赛道圈数计时系统由于甲乙两车在发挥部分要实现交替领跑，故，必须对小车行驶了几圈进行计数，使得甲乙车的运行状态不同的圈数有不
13、同的运行状态。计时系统采用类似条码扫描的方法。在小车的最后和最前各有两个有光电对管构成的圈数探测电路，该电路有两个光电对管构成，间距 20cm 只有当小车运行到超车区的五条黑线中最前面一条和最后面一条时，圈数才加一。三、软件设计1.软件特点说明该软件设计利用了 PWM 调速，的利用甲乙两车各自编写对独立赛道程序1.1 PWM 调速利用单片机的 IO 口，由软件编写 PWM 波。本设计中 PWM 调速系统采用 2K HZ 的不同占空比的调速系统。结合赛道和两个电机的情况给两个电极不同的PWM 波，使小车能够完成各种赛道情况。1.2 跑道程序设计根据车上四个传感器的信号，来判断将要走的赛道情况。四
14、个传感器最多十六种情况，把每一种情况都找出对应的位置和将要执行的程序，是小车能够胜任这十六中情况，这样小车就可以适应赛道的各种情况。1.3 主程序分段为了解决小车交替领跑的功能，必须对程序的设计采取分区处理。甲车在前和甲车在后要运行不同的程序。许多软件大多的运行控制都是由一个主程序的循环来进行的，但本软件在主程序上也采取了分段的方式。在主程序间根据不同的功能区间来进行跳转，很明确很直观地将主程序进行了功能分段，为子程序的设计、程序的控制提供了很大方便，同时增强的程序的可读性。1.4 转弯和加速考虑到赛道的特殊性，赛道四周都为镂空，小车决不允许超出跑道，否者就有可能出现小车再到地面的情况。所以程
15、序设计时，利用本设计中硬件上可以实现对赛道前方情况尽早判断这一优点，在小车检测到镂空区域时，小车并不是边前近边转弯，而是以车身中心为轴，原地实现转弯，这样小车就可以很顺利的过四个直角弯道，而不会因为转弯掉下赛道。1.5 赛道圈数计算程序为了能够很好的判别小车行驶与第几圈，设计中采用车身前部和车身后部各加一个光电对管用于见车超车区的那五条黑线，两个对管间隔20cm，只有当两个探头都检测到黑带时才记一次圈数。这样能够尽量排除外界的干扰，实现圈数的计算。2 总体设计基本要求也时甲乙两车个跑一圈，乙车在超车区超越甲，并先于甲到达终点。程序设计中我们尽可能让程序简单。里用光电开关，让甲车寻外径，让乙车寻
16、9内经。利用检测在超车区前的五条黑线，作为小车进入超车区的标记。这必然要求技术精准，所以我们对黑带的检测利用软件进行去抖动处理，使得小车能够检测到超车去的将要到来。3、调试本设计由于采用了多个光电开关，进行距离的探测，但是光电开关的探测距离和和电压有一定关系，为了使小车能够运行稳定，设计中采用用六节电池 串联后给系统供电，产生电压供给系统电源模块，电源模块中加入了模块，电压降压后产生电压，供给光电开关和电机驱动电路。这样可以在电池组有压降时通过调节降压模块的降压范围得到稳定的电压。因为系统中还有电压比较器，光电对管，单片机等需要5V 供电的器件，所以系统电源模块设计了7V到5V的降压电路，降压
17、电采用7805稳压后供给单片机等需要5V供电的元器件。实际调试时首先要检测电路的电源模块电压为多少，电池有压降时及时调整。电源模块在使用中会产热，所以给发热量大的器件加上散热片，避免发热量过大。本设计采用了自行设计的L298驱动电路，和一般的 L298控制电路都有所区别，如下图所示10该模块自己画图腐蚀电路板焊接而成。但在实际调试中我们发现电机在启动的瞬间会倒转一下，然后正常行驶。最后我们发现这是由于单片机复位时默认高电平复位，若不加处理，则在在单片机复位是回产生一个高电平信号给H桥控制电路，而我们的设计是控制信号低电平前进。所以程序设计时我们在程序的开头初始化时首先令控制H桥的控制信号输出低电平，这样小车后退的问题就解决了。五、测试数据跑道全称测试：次数项目完成一圈时间脱离跑道次数前进方向因转弯改变次数1 40 1 02 45 1 0
