智能小車系統(tǒng)2

1、智能小車系統(tǒng)  摘要 本設(shè)計采用兩塊單片機（89S52）作為自動控制小車的檢測控制、顯示計算核心。路面黑線檢測采用反射式紅外傳感器，車速和距離檢測使用了霍爾傳感器，金屬檢測使用了金屬接近開關(guān)。電源部分采用了強電流、弱電流分開。數(shù)字、模擬獨立供電，利用光電耦合器件避免了電動機對控制系統(tǒng)的干擾。同時利用了PWM技術(shù)動態(tài)的控制電動機的轉(zhuǎn)速，利用低密度PLD簡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，使用了一套獨特的軟件算法實現(xiàn)了小車在金屬的檢測，和在高速運動中的精確控制，達到了很好的效果！  本設(shè)計的主要特色：高效的H型PWM電路，提高電源的利用率。控制電路電源和電

2、動機電源隔離，信號通過光電耦合器傳輸。紅外檢測路面，軟件糾錯，免受路面雜質(zhì)干擾。優(yōu)化軟件算法，智能化的自動控制，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)計及方案論證根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為幾個基本模塊，如圖1-1所示。對各模塊的實現(xiàn)，分別有以下一些不同的設(shè)計方案：                         

3、0;     1-11：電機驅(qū)動調(diào)速模塊方案一：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)速度慢，機械結(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)字電阻元件價格昂貴，主要問題是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。方案三：采用由雙極性管組成的H型PWM電路。用單片機控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機轉(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單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(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)?；谏鲜隼碚摲治觯x用方案三。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，由于黑線和白線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強弱判斷是否到達跑道邊側(cè)。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，但這勢必會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。考慮到環(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，在平均電流不變的情況下，瞬時電流可以很大（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光管，可以降低環(huán)境光源干擾；如果直接用直流電壓對管子供電，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：車輪測速及路程計算模塊方案一：采用霍爾元件，該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正

6、對金屬片時，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鐵，而將霍爾器件安裝在固定軸上，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，再在車輪上均勻的固定多個遮光條，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。上述方案二計數(shù)精度較高，但安裝不便且MCU計數(shù)負擔過重，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，會造成電壓不穩(wěn)

7、定，有毛刺等干擾，嚴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，利用光電耦合器傳輸信號。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。我們認為本設(shè)計的穩(wěn)定性更為重要，故采用方案二。  二 系統(tǒng)的具體設(shè)計與實現(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（1）       電動機PWM驅(qū)動模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)，具體電路圖見1-3，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D772，B882大功率管，以保證電動機啟動瞬間的4A電流要求。      

9、                                1-3 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速度分為5檔，可以滿足車速調(diào)整的精度要求。同時可以控制電動機的轉(zhuǎn)向。（2）   &#

10、160;   路面黑線檢測模塊的電路設(shè)計與實現(xiàn)，具體電路見1-4，為了檢測路面黑線，在車的前部安裝了四個反射式紅外傳感器，分成左右兩組，由傳感器先后通過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）       單片機控制部分控制部分采用了主從結(jié)構(gòu)，主控制器負責黑線檢測，金屬檢測，電機驅(qū)動等工作。從控制器負責顯示，路程計算，速度計算，運行時間計算等工作。主從之間采用波特率為19200的串行通信。具體電路見1-5。2：系統(tǒng)的軟件設(shè)計（1） 路面檢測程序 流程圖見1-6。外部四組紅外線檢測傳感器共用一個中斷源，進入中斷服務(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)送開始標志，slave mcu開始打開計數(shù)器開始計時間。當master mcu每檢測到霍爾元件翻轉(zhuǎn)一次便向slave mcu發(fā)送一個標志，slave mcu便累加一次計算之后送去顯示。速度檢測我們采用單位時間內(nèi)計算共有多少個脈沖計算后即可得到速度值。 三 測試結(jié)果及誤差分析（1） 測試設(shè)備模擬跑道：總長度7M卷尺：精度1CM秒表：精度0.01S（2） 測試結(jié)果A最高速度測試將速度開至最大，測量其最高行駛速度，通過軟件將最大速度保存并顯示，測試長度7M，測試數(shù)據(jù)見表1-7次數(shù)1234實測速度1.41.51.41.41-7B路程測試模擬小車運行跑道一周，與實際值比較見1-8表次數(shù)1234顯示距離7137217