智能电动小车设计

智能电动小车设计（共11篇）

智能电动小车设计 篇1

摘要：本设计采用AT89c51单片机对电机进行控制, 采用PWM脉宽调制方式实现对直流电机转速的控制, 采用H型驱动电路控制电机转向。通过IO口输出的具有时序的方波作为步进电机的控制信号, 信号经过芯片L293D驱动步进电机实现智能小车的方向控制。整个系统的电路结构简单, 可靠性能高, 为工厂的智能控制化做好铺垫。

关键词：AT89C51单片机,PWM,L293D

一、前言

随着汽车工业的迅速发展, 关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目, 全国各高校也都很重视该题目的研究。特别在智能控制方面, 小车按固定的轨道运行 (寻迹) 以及遇见紧急情况 (行人) 可以避开 (避障) , 在工厂里的智能控制方面非常重要。因此智能电动小车的设计也越来越重要。下面我们就从智能电动小车的设计展开论述。

二、总体设计框图及控制原理

本智能电动小车设计采用AT89C51作为控制器, 开始由手动启动小车, 并复位, 当经过规定的起始黑线, 由超声波传感器和红外光电传感器检测, 通过单片机控制小车开始避障、调速;系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测, 由单片机控制实现;在电动车进驶过程中, 采用双极式H型PWM脉宽调制技术, 以提高系统的静动态性能。

系统控制框图如图1所示:

三、分部硬件设计

1、小车本体选择

为了方便我们选用四轮式行走机构, 它具有以下特点:结构简单、运动平稳、移动速度快、易于控制。车体框架, 基于方便, 我们以对称结构为基础设计。电动小车整体图如图2所示。

2、单片机小系统避障设计

AT89C51是片内有ROM/EPROM的单片机, 因此, 这种芯片构成的最小系统简单﹑可靠。用AT89C51单片机构成最小应用系统时, 只要将单片机接上时钟电路和复位电路即可, 如图3所示。

3、避障电路设计

避障系统采用的是超声波检测。接收电路的输出端接单片机的外部中断源输入口。系统定时发射超声波, 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器, 利用定时器的技术功能记录超申博发射的时间和接收到发射波的时间。但收到超声波的反射波时, 接收电路输出端产生一个负跳变, 在单片机的外部中断源输入口产生一个中断请求信号, 单片机相应外部中断请求, 执行外部中断服务子程序, 读取时间差, 计算距离。避障电路如图4所示。

4、小车寻迹电路设计

利用红外线在黑线和白纸对光的反射系数不同的特点, 在小车在行驶过程中不断向地面发射红外光, 根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。利用这个原理, 可以控制小车行走的路迹。当红外发射管发射红外线信号, 经白色反射后, 被接收管接收, 一旦接收管接收到信号, 光敏三极管导通, 比较器输出低电平, 而红外线信号经黑色吸收后, 光敏三极管截止, 比较器输出高电平, 这就实现了通过红外检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机进行分析处理。然后将处理后的结果发送到电机驱动模块, 进行校正。为了保证小车沿黑线行驶, 我们采用了四个线外探测头进行并行排列, 进行两级方向纠正控制, 这样控制精度得以提高。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, 把信号传送到单片机。进行处理校正。控制其向右转, 反之, 向左转。电路如图5.在该电路中, 加比较器LM339的目的, 是使模拟量转化为开关量, 便于处理。为使发射有一定的功率, 发射回路要求不小于20mA的电流。

5、电机驱动电路设计

智能小车行走功能的实现依靠电机的驱动和调速。一个电动车整体的运行性能, 首先取决于它的电池系统和电机系统。通常使用的电机类型:步进电机和直流电机。直流电机:功率大, 速度快需要齿轮减速器, 电流通常大, 控制 (PWM) , 体形较小, 操作方便。

我们采用L293D芯片, 其驱动电路如图6所示。使用电机驱动芯片L293D, 不仅可以大大简化驱动电路, 而且功率容量大, 有利于电机转速的稳定。L293D在电机控制中可以灵活的应用, 如对电机输出能力的控制, 在单片机中可以进行脉宽调制 (PWM) , 实现对电机转速的精确控制。

四、测试数据及实物图

1、测试数据

(1) 寻迹模块:

寻迹模块硬件数据测试, 当红外对管下是白色和黑色时所对应的电压值如下表。

所测对应电压值为正常范围。

(2) 避障模块:

避障模块硬件数据测试, 用示波器对输出端进行测试, 所得波形如图7所示。

所测波形属正常范围。

(3) 电机驱动模块:电动机能正常运转。

2、实物图及结论

智能电动小车实体如图8所示, 小车总体的运行情况比较良好, 能够按照设定的路线进行寻迹, 能够进行简单的避障, 但是性能方面还有待进一步进行提高, 能够应用于实际现场中, 提高工厂中的智能控制化。

参考文献

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[10].三恒星科技.MCS-51单片机原理与应用实例[M].电子工业出版社.2008.01

智能电动小车设计 篇2

智能小车设计文献综述

摘要：随着电子工业的发展，智能技术广泛运用于各种领域，智能小车不仅在工业智能化上得到广泛的应用，而且运用于智能家居中的产品也越来越受到人们的青睐。国外智能车辆的研究历史较长。相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家但是也取得了一系列的成果。随着人工智能技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，智能控制将有广阔的发展空间。本设计的智能小车利用红外对管检测黑线与障碍物，并以单片机为控制芯片控制电动小汽车的速度及转向，从而实现自动循迹避障的功能。并对智能小车研究现状以及未来的应用与发展前景做一个全方面的介绍。关键词:智能技术，自动循迹，避障 前言

随着电子技术、计算机技术和制造技术的飞速发展，数码相机、DVD、洗衣机、汽车等消费类产品越来越呈现光机电一体化、智能化、小型化等趋势。智能化作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作，无需人为管理，便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多科学的科技创意性设计，一般主要路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。一般而言,智能车系统要求小车在白色的场地上,通过控制小车的转向角和车速,使小车能自动地沿着一条任意给定的黑色带状引导线行驶[1]。智能小车运用直流电机对小车进行速度和正反方向的运动控制，运用直流电机对小车进行速度和正反方向的运动控制，通过单片机来控制直流电机的工作，从而实现对整个小车系统的运动控制。智能小车的发展历史、国内外研究现状

2.1 国外研究现状

国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪50年代。它的发展历程大体可以分成三个阶段[2][3][4]：

第一阶段，20世纪50年代是智能车辆研究的初始阶段。1954年美国Barrett Electronics 公司研究开发了世界上第一台自主引导车系统AGVS（Automated Guided Vehicle System）。该系统只是一个运行在固定线路上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本得特征即无人驾驶。早期研制AGVS的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输。随着计算机的应用和传感

智能小车设计文献综述

技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。

第二阶段，从80年代中后期开始，世界主要发达国家对智能车辆开展了卓有成效的研究。在欧洲，普罗米修斯项目于1986年开始了在这个领域的探索。在美洲，美国于1995年成立了国家自动高速公路系统联盟（NAHSC），其目标之一就是研究发展智能车辆的可能性，并促进智能车辆技术进入实用化。在亚洲，日本于1996年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶研究会，主要目的是研究自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆技术的整体进步。进入80年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。

第三阶段，从90年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模研究阶段。最为突出的是，美国卡内基.梅隆大学（Carnegie Mellon University）机器人研究所一共完成了Navlab系列的10台自主车（Navlab1—Navlab10）的研究，取得了显著的成就。

目前，智能车辆的发展正处于第三阶段。这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。在世界科学界和工业设计界中，众多的研究机构研发的智能车辆具有代表性的有：

德意志联邦大学的研究，1985年，第一辆VaMoRs智能原型车辆在户外高速公路上以100km/h的速度进行了测试，它使用了机器视觉来保证横向和纵向的车辆控制。1988年，在都灵的PROMRTHEUS项目第一次委员会会议上，智能车辆维塔（VITA,7t）进行了展示，该车可以自动停车、行进，并可以向后车传送相关驾驶信息。这两种车辆都配备了UBM视觉系统。这是一个双目视觉系统，具有极高的稳定性。

荷兰鹿特丹港口的研究，智能车辆的研究主要体现在工厂货物的运输。荷兰的Combi road系统，采用无人驾驶的车辆来往返运输货物，它行驶的路面上采用了磁性导航参照物，并利用一个光阵列传感器去探测障碍。荷兰南部目前正在讨论工业上利用这种系统的问题，政府正考虑已有的高速公路新建一条专用的车道，采用这种系统将货物从鹿特丹运往各地。

日本大阪大学的研究，大阪大学的Shirai实验室所研制的智能小车，采用了航位推测系统（Dead Reckoning System），分别利用旋转编码器和电位计来获取智能小车的转向角，从而完成了智能小车的定位。另外，斯特拉斯堡实验中心、英国国防部门的研究、美国卡内基梅隆大学、奔驰公司、美国麻省理工学院、韩国理工大学对智能车辆也有较多的研究。

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2.2 国内研究现状

相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于20世纪80年代。而且大多数研究处在于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定得技术差距，但是我们也取得了一系列的成果[5 ]，主要有：

（1）中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院与2003年研制成功我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车在正常交通情况下的高速公路上，行驶的最高稳定速度为13km/h,最高峰值速度达170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到世界先进水平。

（2）南京理工大学、北京理工大学、浙江大学、国防科技大学、清华大学等多所院校联合研制了7B.8军用室外自主车，该车装有彩色摄像机、激光雷达、陀螺惯导定位等传感器。计算机系统采用两台Sun10完成信息融合、路径规划，两台PC486完成路边抽取识别和激光信息处理，8098单片机完成定位计算和车辆自动驾驶。其体系结构以水平式结构为主，采用传统的“感知-建模-规划-执行”算法，其直线跟踪速度达到20km/h，避障速度达到5-10km/h。

智能车辆研究也是智能交通系统ITS的关键技术。目前，国内的许多高校和科研院所都在进行智能交通系统ITS（Intelligent Transport System）关键技术、设备的研究。随着ITS研究的兴起，我国已形成一支ITS技术研究开发的技术专业队伍。并且各交通、汽车企业越来越加大了对ITS及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将ITS研究列入“十五”科技发展计划和2010年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS及智能车辆的技术水平一定会得到很大提高。

目前学术界对智能小车的研究也很多，桂林理工大学黄建能等[2]设计的无线遥控小车，其由四部分组成：主控模块、无线通信模块、电机驱动模块和电源模块。主控模块采用STC89C52单片机作为处理器；无线通信模块采用芯片 PT2262和 PT2272实现无线收发；用内置两个H桥的 L298芯片驱动直流电机实现对小车的控制，实现前进、后退，左转、右转以及加速、减速的动作。整个无线遥控小车系统具有体积小、成本低、操作简单等优点，并具有一定的可扩展性。

于连国、李伟等[6]设计了自动往返的智能电动车，其采用 STC89C51 单片机作为小车的检测和控制核心；使用红外传感器检测跑道黑线并把反馈到的信号传给单片机，能够使小车在各区域均能按预定的速度行驶。

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葛广军,杨帆[7]设计了一种能够自动循迹的智能小车。该智能小车的控制系统以单片机MC912DG128为核心,由路径识别、车速检测、舵机控制、直流电机、电机驱动芯片LMD18200和电压转换芯片LM7525等模块组成，并详细阐述了控制系统的组成原理和软硬件设计。实验的结果表明：该控制系统具有循迹效果好、性能稳定等优点。

董涛,刘进英等[8]设计并制作了一种具有红外遥控、自动避障、智能寻径等功能的智能小车，该车以玩具小车为车体,直流电机及其控制电路为整个系统的驱动部分，STC89C52单片机为整个系统的控制核心,采用IRM-2638红外一体接收头接收控制信号实现对小车的遥控,加以多种传感器以实现小车的自动避障与智能寻径等功能，该小车还配备了两块数码显示管，以便实时观察小车状态。该小车工作稳定，还可用于各种机器人比赛。

姜宝华、齐强等[9]基于STC89C52RC单片机设计了一种遥控智能小车。小车具有自动、遥控两种模式。该小车在遥控模式下小车可在1公里范围遥控到达指定位置，并在手持设备上显示小车位置坐标；自动模式下在封闭环境输入任意坐标，小车可自动运行到该位置。

可以预计，我国飞速发展的经济实力将为智能车辆的研究提供一个更加广阔的前景。我们要结合我国国情，在某一方面或某些方面，对智能车进行深入细致的研究，为它今后的发展及实际应用打下坚实的基础。智能小车设计构想

智能车辆是集环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统，是智能交通系统的一个重要组成部分。本次设计对智能小车的控制系统进行了研究，设计实现一个基于路径规划处理的智能小车控制系统，实现智能小车最基本的两个功能：循迹、避障。

3.1 主控系统

方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的 逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合为大规模控制系统的控制核心。但本设计不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度要求也不是非常高。且从使用及经济角度考虑我放弃了此方案。

方案2：采用51单片机作为整个系统的核心[7]，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而

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在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，这种方案是一种较为理想的方案。

综上所述，我采用了方案二。

3.2 电机驱动模块

方案1：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

方案2：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但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。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。

方案3：采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。

这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。

综合考虑，本设计选择了方案三。

3.3 循迹模块

方案1：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。

方案2：采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。

方案3：采用三只红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑

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线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次于第二种方案。

综合考虑，本设计选择方案二。

3.4 避障模块

方案1：采用一只红外对管置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。

方案2：采用二只红外对管分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。

方案3：采用一只红外对管置于小车右侧。通过测试此种方案就能很好的实现小车避开障碍物，且充分的利用资源而不浪费。

综合考虑，本设计选择方案二。设计原理简述

4.1 循迹原理

这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过15cm。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。

当小车在白色地面行驶时，装在车下的红外发射管发射红外线信号，经白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，那么图中光敏三极管将导通，比较器输出为低电平；当小车行驶到黑色引导线时，红外线信号被黑色吸收后，光敏三极管截止，比较器输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。将检测到的信号送到单片机I/O口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外光被地上的黑色引导线吸收了，表明小车处在黑色的引导线上；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在白色地面上。

循迹流程框图如图4.1所示。

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开始前进N是否检测到黑线Y左转Y判断是否是左边检测到黑线N右转

图4.1 循迹流程框图

4.2 红外避障原理

避障传感器基本原理，和循迹传感器工作原理基本相同，利用物体的反射性质。在一定范围内，如果没有障碍物，发射出去的红外线，因为传播距离越远而逐渐减弱，最后消失。如果有障碍物，红外线遇到障碍物，被反射到达传感器接收头。传感器检测到这一信号，就可以确认正前方有障碍物，并送给单片机，单片机进行一系列的处理分析，协调小车两轮工作，完成一个漂亮的躲避障碍物动作传。

跃迁到导带，成为自由电子，同时产生空穴，电子—空穴对的出现使电阻率变小。光照愈强，光生电子—空穴对就越多，阻值就愈低。当光敏电阻两端加上电压后，流过光敏电阻的电流随光照增大而增大。入射光消失，电子-空穴对逐渐复合，电阻也逐渐恢复原值，电流也逐渐减小。

红外避障流程框图如图4.2所示。

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开始前进N左转是否检测到障碍物NY左红外是否检测到障碍物N左右红外对管都检测到障碍物YY右转后退

图4.2 红外避障流程图 总结及展望

智能小车的研究、开发和应用涉及传感技术、电气技术、电气控制技术、智能控制等学科，智能控制技术是一门跨科学的综合性技术，当代研究十分活跃，应用日益广泛的领域。智能作为现代社会的新产物，是以后的发展方向，它可以按照预先设定的模块在一个特定的环境里自动的运行，可运用于科学勘探等用途，无需人为的管理，便可以完成预期所要达到的或更高的目标。智能机器人正在代替人们完成这些任务，凡不宜有人直接承担的任务，均可由智能机器人代替，可以适应不同环境，不受温度、湿度等条件的影响，完成危险地段，人类无法介入等特殊情况下的任务，智能小车就是其中的一个体现。对于智能小车研究还可以从以下方向展开：在小车上装摄像头进行实时视频监控采集，通过无线传给远端的主机，主机可以发送命令给小车，执行相应的动作等等。还可以扩展其他的模块。就可以广泛的应用于科学研究、地质勘探、危险搜索、智能救援等。

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参考文献

智能电动小车设计 篇3

【关键词】FPGA 蓝牙智能小车 设计

一、设计原理

本实例以FPGA为下位机，智能手机为上位机，通过蓝牙接口实现智能手机与FPGA开发板的通信，进一步达到手机对小车的控制。现代的大部分电子产品都基于可编程的中央处理器，这些处理器都可以与蓝牙芯片进行串口通信，蓝牙技术的适用性十分广泛。基于蓝牙技术的智能控制系统，只需在载有处理器的下位机上增加蓝牙模块，配置通信协议，实现串口通信，就可以实现基于蓝牙技术的智能控制系统。

二、硬件设计

（一）电机驱动模块的设计

本系统使用L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以同时驱动2个二相或1个四相步进电机，接收标准TTL逻辑准位信号，且可以直接透过电源来调节输出电压。此芯片可直接由FPGA的10端口来提供模拟时序信号。ISEN A和ISEN B可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间可分别接2个步进电机；IN1～IN4输入控制电位来控制电机的正反转；使能端ENA和EN B则控制电机停转。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

（二）超声波模块的设计

本系统使用的超声波模块主要实现的功能是测距并返回数据。超声波测距模块通过发射电路和接收电路测出时间差T，然后根据公式S=CT/2算出小车距离障碍物的距离S（其中C为超声波在空气中的传播速度）。FPGA实时接收和处理距离信号，并将处理后的信号转换为控制指令。当到达警报距离时，FPGA控制电机驱动模块使小车减速；当到达极限距离时，FPGA控制电机驱动模块使小车马上左转。此处的左转是依照左手定则，当小车的前方和左方都有障碍物时，小车左转两次，实现向后运动。

（三）蓝牙模块的设计

本系统使用的蓝牙模块是SH-HC-06，利用串口UART协议进行收发数据。手机蓝牙作为客户端，小车上的蓝牙模块作为服务端。客户端通过蓝牙与服务端进行数据传输，服务端将接收到的客户端信号传给FPGA控制模块，FPGA接收并处理数据，然后再把处理后的数据发回去。发送格式为：1bit起始位，8bit数据，1bit停止位。整个通信处理过程可细分为数据接收和数据发送。

三、系统综合与仿真测试

1.超声波模块

在超声波模块仿真过程中，涉及蓝牙模块实时采集数据，但是仿真环境中无法实现。

2.砸动模块

图1为小车驱动控制模块仿真图，CLK为时钟信号输入端，RESET为重置信号输入端，PWM_Data为占空比信号输入端，Car_State为小车状态控制输入端，ENA、ENB、ENC、END为占空比输出端，IN1、IN2、IN3、IN4为小车驱动控制模块控制电机的输出端。在本次仿真中，占空比设置为20，小车状态为O时四个电机均无输出；小车状态为1时，小车前进，输出状态为1010；小车状态为2时，小车掉头，输出状态为0101；小车状态为3时，小车左转，输出状态为0110；小车状态为4时，小车右转，输出状态为1001。

四、系统总结

浅谈电动小车循迹的基本设计原理 篇4

此部分是整个小车的大脑，是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。通常选用单片机作为小车的核心控制单元，本文以台湾凌阳公司的SPCE061A单片机为例予以介绍。SPCE061是一款拥有2K RAM、32KFlash、32个I/O口，并集成了AD/DA功能强大的16位微处理器，它还拥有丰富的语音处理功能，为小车的功能扩展提供了相当大的空间。只要按照该单片机的要求对其编制程序就可以实现很多不同的功能。

小车驱动电机一般利用现成的玩具小车上的配套直流电机。考虑到小车必须能够前进、倒退、停止，并能灵活转向，在左右两轮各装一个电机分别进行驱动。当左轮电机转速高于右轮电机转速时小车向右转，反之则向左转。为了能控制车轮的转速，可以采取PWM调速法，即由单片机的IOB8、IOB9输出一系列频率固定的方波，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左右轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、转弯等功能。

二、小车循迹的原理

这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过15cm。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。

三、红外探头的安装

在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。其中循迹传感器共安装4个，全部在一条直线上。其中InfraredMR与InfraredML为第一级方向控制传感器，InfraredSR与InfraredSL为第二级方向控制传感器。小车行走时，始终保持黑线在InfraredMR和InfraredML这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级探测器一旦探测到有黑线，单片机就会按照预先编定的程序发送指令给小车的控制系统，控制系统再对小车路径予以纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。

四、软件控制

小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判断处理程序（switch），先确定4个探测器中的哪一个探测到了黑线，如果InfraredML（左面第一级传感器）或者InfraredSL（左面第二级传感器）探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；如果是InfraredMR（右面第一级传感器）或InfraredSR（右面第二级传感器）探测到了黑线，即车身右半部压住黑线，小车向左偏出了轨迹，则应使小车向右转。在经过了方向调整后，小车再继续向前行走，并继续探测黑线重复上述动作。

由于第二级方向控制为第一级的后备，则两个等级间的转向力度必须相互配合。第二级通常是在超出第一级的控制范围的情况下发生作用，它也是最后一层保护，所以它必须要保证小车回到正确轨迹上来，则通常使第二级转向力度大于第一级，即level2>level1 (level1、level2为小车转向力度，其大小通过改变单片机输出的占空比的大小来改变），具体数值在实地实验中得到。

总结

根据本文所讲述的方法，我们可以较容易地做出按照一定轨迹行走的智能电动小车。但是按照该方法行走的小车如果是走直线，有可能会是蛇形前进。为了使小车能够按轨迹行走的更流畅，可以在软件编程时运用一些简单的算法。例如，在对小车进行纠偏时，适当提前停止纠偏，而不要等到小车完全不偏时再停止，以防止小车的过冲。

摘要：在众多的电子设计竞赛中, 经常出现了简易智能小车这种集光、机、电于一体的题目。其中按照规定路线运动是其最基本的一项功能, 这实际上考核的就是对电动小车循迹的实现。本文主要介绍电动小车循迹设计的基本原理, 让读者了解小车是如何正确地进行循迹的。

关键词：循迹,红外探测,传感

参考文献

[1]徐爱军.智能化测量控制仪表原理与设计[M].北京航空航天大学出版社, 1995.

[2]内山明治.运算放大器电路[M].科学出版社, 2001.

[3]神保孝志.光电子学[M].科学出版社, 2001.

[4]吕惠智.红外技术[M].哈尔滨工程大学出版社, 1998.

[5]何希才.传感器及其应用电路[M].电子工业出版社, 2001.

[6]胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].清华大学出版社, 1996.

[7]吴兴惠.传感器与信号处理[M].电子工业出版社, 1998.

毕业设计任务书(智能小车) 篇5

毕业设计(论文)任务书

课题名称

系别

专业

姓名 基于单片机智能小车的设计 电子与信息工程学院 城建电子学号

2011 年 2 月 20 日至 2010 年 6 月 22 日共 17 周指导教师签字

系主任签字 201日 年 1 月

一、毕业设计（论文）的内容

毕业设计（论文）是高等学校培养学生的最后一个环节。是锻炼和培养学生综合运用本专业学科的基础理论知识、专业知识和基本技能，提高综合分析问题和解决问题的能力，实现研发和技术人员的初步训练，使学生具有从事科学研究初步能力的重要环节，并且它是学生承担技术性工作前的一次理论联系实际的实践。学生通过设计(论文)综合运用所学的基础理论和专业知识，理论联系实际，提高分析问题和解决本专业从事研发和工程应用问题的能力，为以后走上工作岗位打下一定的基础。

随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。本系统以设计题目的要求为目的，采用80C51单片机为控制核心，利用光电等传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。

二、毕业设计（论文）的要求与数据

本课题的任务主要是设计采用以80C51 为控制核心，利用光电等传感器检测道路上的障碍，控制电动小车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。

本课题由6位学生完成。现就6位学生的具体分工叙述如下：

1．同学负责主控制电路的方案设计和实现；

2．同学负责电机驱动电路及方案设计和实现；

3．同学负责传感器电路的设计和相关程序设计和调试；

4．同学负责小车控制策略程序设计和调试。

三、毕业设计（论文）应完成的工作

1． 查阅有关资料（51单片机、传感器技术、电机驱动与控制等）；

2． 熟练掌握51单片机开发系统；

3． 根据课题要求，分别进行硬件和软件的设计，使用Protel99SE设计出硬件原理图和PCB板图，并制作出印刷电路板，然后进行系统的安装与调试完成课题的设计功能；

4． 完成12000字左右的论文；

5． 翻译3000~5000字的英文资料。

四、毕业设计（论文）进程安排及实习安排

五、应收集的资料、主要参考文献及实习地点

[1] 何立民，单片机应用系统设计，北京：航天航空大学出版社，2～5,46～50

[2] 李广弟，单片机基础，北京：北京航空航天大学出版社，2001,56～64

[3] 何希才，新型实用电子电路400例，电子工业出版社，2000年,60～65

[4] 赵负图，传感器集成电路手册，第一版,化学工业出版社，2004,590～591

[5] 陈伯时，电力拖动自动控制系统，第二版，北京：机械工业出版社,2000年6月,127～

130

[6] 张毅刚，彭喜元，新编 MCS-51 单片机应用设计，第一版，哈尔滨工业大学出版社，2003,25～27,411～417

智能电动小车设计 篇6

【关键词】智能循迹；AT89C52；光电传感器；L298

1.引言

智能循迹小车在社会生产中具有广泛应用，如生产线物料自动运输车、物流配货自动运输车等。智能循迹技术主要包括路径检测技术、电机控制技术、智能控制技术等[1]。本文所设计的智能循迹小车采用红外传感器识别路径，通过单片机控制电机的转向、转速，从而实现小车快速稳定的循迹行驶。

2.智能循迹小车工作原理及硬件设计

2.1 智能循迹小车原理

本设计中，小车在白色地板上沿2CM（略大于两个光电管的间距）宽的黑线循迹。小车前端均匀安装五个光电传感器，从左到右依次为SEN1，SEN2，SEN3，SEN4，SEN5实时监测黑线位置，并将监测结果输送给单片机的P2口。SEN3主要用来监测黑线路径；SEN2、SES4分布于黑线两侧，监测是否发生偏离；SNE1、SEN5用于检测左右转向。AT89C52根据监测到的路况信息，通过P1口输出信号给电机驱动芯片L298，通过PWM波调整左右直流电机转速、转向，实现小车的智能循迹[1]。

2.2 硬件设计

本文基于模块化设计，主要包括电源模块、循迹模块、单片机控制模块、电机驱动模块。控制模块以AT89C52为核心，循迹模块选用5个红外反射式光电传感器，电机驱动模块选用L298驱动两个直流电机。原理框图如图1所示。

3.主要功能模块设计

3.1 电源

系统采用12V电源，经集成稳压器件LM2576-5.0得到5V电压给单片机供电。LM2576-5.0工作效率高，抗干扰能力强，具有3A的带负载能力。通过稳压电源7812给电机驱动器L298供电。电源电路如图2所示。

3.2 循迹模块

循迹模块由5个采用RPR220光电发射接收一体式传感器组成。RPR220是一种反射式光电探测器，发射器是一个砷化镓红外发光二极管，接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。当二极管发出的光反射回来时，接收端三极管导通，反之三极管截止。为了增强输出端波形的稳定性，防止单片器误判，采用比较器LM393对输出信号进行调整。当检测到黑线时，由于大部分的光线被吸收，反射回来的很少，三极管截止，端口3为高电平，经比较器LM393比较后，端口1输出高电平；当检测到白线时，大部分的光线被反射回来，三极管饱和导通，端口3为低电平，经比较器LM393比较后，端口1输出低电平。因此可以根据输出端1的高低电平判断是否沿黑线行驶。电位器RV1用来调整不同室内光线下黑线的检测阈值[2]。单个检测电路如图3所示。

3.3 电机驱动模块

选用L298直接驱动两个直流电机，ENA、ENB、IN1、IN2、IN3、IN4六个控制端接单片机的P1口。ENA，ENB作为PWM波输入端，用来调整电机的转速，电机转速与占空比成正比。IN1、IN2控制电机的M1的正反转及停止；IN3、IN4控制电机M2的正反转及停止[3]。电机驱动模块如图4所示。

4.软件设计

本设计根据循迹需要，编写了延时、定时器中断、向左/右微调、左/右转向、直走等程序模块。调速在定时器中断中进行。循迹时检测到SEN1=1时向左转；SEN5=1时向右转；SEN2=1时向左微调；SEN4=1时向右微调；都为1时（即终点）停止；其他情况直行。程序流程图如图5所示。

5.小结

本设计在室内白色地板上粘上黑色车道，对小车进行了测试。测试结果表明，小车在直道上具有很好的稳定性，可以沿黑线高速行驶，在弯道上，只要控制好车速，小车可以平稳运行。

参考文献

[1]庄乾成.简易自动寻迹小车控制器设计[J].电子质量，2011（7）：41-43.

[2]吴建平，殷战国.红外反射式传感器在自主式寻迹小车导航中的应用[J].中国测试技术，2004，30（6）：21-23.

智能循迹小车设计 篇7

1 系统总体设计

系统主要由道路识别模块、速度传感器模块、主控模块、舵机驱动模块、电机驱动模块。框图如图1所示。

整个设计基于16位微控制器MC9S12XS128完成对采集数据的处理和各驱动的控制命令[1], 道路信息的采集为了使能够更多的采集到道路两边的赛道信息, 又要避免相邻激光管互相干扰, 于是采用两排各八对激光管且相邻激光管分时发光的方法来采集道路信息。为了能快速完成赛道又使小车能够始终不偏离赛道, 适应不同的赛道变化, 除了调整好舵机转角, 还应对速度采取闭环控制, 选择霍尔传感器能够较好的完成测量任务并采用PID控制算法使小车能够在较短的时间内, 快速达到设定值要求[2]。电机模块利用4个场效应管作H桥驱动[3]。

2 车体结构

智能小车为轮式结构, 机械部分主要为转向机械和驱动机械。转向机构主要由舵机, 转向架和两个前轮组成。转向机构的工作原理为:舵机根据转向信号正向或反向旋转一定角度。前轮为从动轮, 会根据转向角度的大小自动调节内外侧车轮的转速;驱动机构包括一个直流电机、减速装置和两个后轮。后轮为主动轮, 其转速由直流驱动电机控制, 不会根据转弯半径的变化而自动调节转速[4]。因此小车在转弯时, 控制系统在控制舵机的同时还需要根据转弯角度的大小控制驱动电机转速, 从而使转弯顺利进行。

3 硬件系统设计

3.1 测量模块设计

3.1.1 激光传感器

利用激光技术进行测量的传感器。它由激光器、激光检测器和测量电路组成[5]。激光反射式传感器阵列, 利用激光对管组成传感器阵列, 激光发光管发出激光光线, 光敏接收管接收地面的反射光, 接收管接收到的发射光强随地面反射物体的颜色不同而变化, 传感器输出的电压值也随之而变化。把每个激光传感器输出信号都量化成数字信号, 根据激光电管的排列位置, 识别出黑线的位置。传感器阵列中每个传感器输出的模拟电平通过特定的芯片转换为单片机IO口可用的数字信号, 通过多个光电管的组合排列, 经算法处理, 可以得知小车所在的位置[6]。传感器发射管与接收管电路图如图2所示。

3.1.2 霍尔传感器

霍尔器件是由半导体材料制成的一种薄片, 器件的长、宽、高分别为l、b、d。若在垂直于薄片平面 (沿厚度d) 方向施加外磁场B, 在沿l方向的两个端面加一外电场, 则有一定的电流流过。由于电子在磁场中运动, 所以将受到一个洛仑磁力, 这样使电子的运动轨迹发生偏移, 在霍尔元器件薄片的两个侧面分别产生电子积聚或电荷过剩, 形成霍尔电场, 霍尔元器件两个侧面间的电位差称为霍尔电压[7]。

若控制电流保持不变, 则霍尔感应电压将随外界磁场强度而变化, 根据这一原理, 可以将两块永久磁钢固定在电动机转轴上转盘的边沿, 转盘随被测轴旋转, 磁钢也将跟着同步旋转, 在转盘附近安装一个霍尔元件, 转盘随轴旋转时, 霍尔元件受到磁钢所产生的磁场影响, 输出脉冲信号。其频率和转速成正比, 测出脉冲的周期或频率即可计算出转速。

3.2 电机驱动模块

相比较驱动芯片、达林顿管驱动使用场效应管作为驱动管, 其导通电阻可以达到毫欧级, 且可以提供强大驱动电流。如图3所示, H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转, 必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况, 电流可能会从左至右或从右至左流过电机, 从而控制电机的转向。

4 软件系统设计

4.1 PWM控制

PWM (脉冲宽度调制) 控制通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速, 电机的转速与电机两端的电压成比例, 而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比[8], 因此电机的速度与占空比成比例, 占空比越大, 电机转得越快, 当占空比α=1时, 电机转速最大。

智能车使用的单片机有PWM直接输出接口, 频率可调。BTS7960的INH引脚为高电平, 使能BTS7960。IN引脚用于确定哪个MOSFET导通。IN=1且INH=1时, 高边MOSFET导通, OUT引脚输出高电平;IN=0且INH=1时, 低边MOSFET导通, OUT引脚输出低电平。在BTS7960使能的情况下, 控制系统只要使用单片机的PWM输出口即可完成电机的正反转和调速功能。其中PWM部分程序:

4.2 程序算法实现

将小车从激光接收管测得的数据, 经过A/D转换使得八位接收管分别转换为8位的二进制数, 然后根据测得的数据与给定范围做比较从而来判断赛道信息。同时, 为了使小车能够顺利通过“圆弧”“S形”“十字形”等赛道的要求, 并且要成功检测到终点黑线而发出停车信号, 小车要能够准确判断出赛道信息, 于是选择记忆算法。对于赛道的信息进行存储, 设定标志位, 利用本次测得的数据与前几次的数据共同对赛道分析判断, 从而得到较为准确的赛道信息, 发出控制信息。

在长直道进入弯道时候, 由于长直道的速度较快, 在入弯的时候有冲出赛道的危险性, 所以在赛道末段应当进行快速制动, 将速度值降到期望过弯速度。采用PID算法控制, 能够使小车速度快速达到设定的期望值, 从而满足了小车更高速的要求。

5 结论

通过硬件电路的搭建与软件系统的配合实现, 并且通过不断地对参数进行整定和测试, 智能小车最终能够以较快的速度平稳地完成规定的赛道。

参考文献

新型智能小车的设计研究 篇8

智能作为现代的新发明, 是未来的发展方向, 可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作, 不需要人为的管理, 可应用于科学勘探等多种用途。智能车就是其中的一个体现。本文着重对智能小车的设计进行了探讨。采用具有高稳定性的AT89S52 单片机为控制核心, 用金属感应器TL-Q5MC作为检测元件来检测路上感应到的铁片, 采用霍尔元件A44E检测小车行驶速度;采用1602LCD实时显示小车行驶的时间, 小车停止行驶后, 轮流显示小车行驶时间、行驶距离、平均速度以及各速度区行驶的时间。

1 系统的具体设计

1.1 路面检测模块

应用一个金属感应器, 安装在车盘下, 离地略小于或约四毫米。当金属传感器检测到铁片时将对单片机发送中断信号, 单片机运行中断, 改变输给电机驱动信号的电压占空比来控制小车的速度。

1.2 LCD显示模块

采用1602LCD, 由单片机的总线模式连接。为节约电源, LCD的背光用单片机进行控制。

1.3 测速模块

通过霍尔元件感应磁铁来产生脉冲 (当霍尔元件在离磁场较近时输出会是高电平, 其它时候是低电平) , 一个车轮均匀放四个小磁铁, 计算一秒所得的脉冲数, 从而计算出一秒小车轮子转动圈数, 再测量出小车车轮周长即可计算出小车当前速度, 累加可得到当前路程。

1.4 控速模块

考虑到元器件的缺少以及所用的电路的驱动电机的电路原理图和小车自带的电路的电机驱动原理图一样, 所以暂时使用小车自带的电机驱动电路图。

1.5 复位电路模块

此款智能智能小车用到的I/O口:小车速度的变换采用RD0、RD1控制, RD2~RD6 用于红外传感器的输入, 小车的开关按钮为RD7, RC0~RC5 用于电动机的使能和方向控制, RB0~RB2 用于串行工作方式的LCD显示 (SMG12864ZK) , RB3~RB4 用于测速单元的输入。单片机的复位电路通过手动来实现。

1.6 模式选择模块

模式选择模块通过一个74LS00 与非门和两个不带锁按钮来控制单片机单片机的两个中断口, 从而按动按钮来选择小车走动的路型、来选择小车的速度是快速、中速、慢速;走完路程小车停止后还可以通过按钮选择想要在LCD上想看的信息, 比如总时间、走过各段路程的时间、平均速度、总路程等。

小车走动的模式选择有:

(1) 直线型:满足设计任务的基本要求, 能稳定的走完全程。之后按顺序循环不断的显示走完全程所用的时间、走完高速区所用的时间和走完低速区所用的时间这三个时间;或者可以通过两个按钮以及LCD显示的菜单选择所要看的内容如平均速度、全程距离以及那三个时间。

(2) S型:满足设计任务的发挥部分的要求, 小车能自动的感应到在前面或在后面铁片, 即第一次转弯后若感应到的是错误的方向, 则小车会后退自动调整方向, 沿着S型的铁片走。当走完S型铁片后的一定时间里, 小车自动停止。之后自动进入菜单由我们自己选择要看的内容时间、平均速度和所走的距离。

(3) 自动型:小车先以一定的速度走完全程, 之后再以一定的速度倒退回起点, 再调整速度在一定的时间内走完全程。走完后LCD显示的内容与直线型显示的内容一样。

2 结论

以AT89S52 单片机作为核心部件, 该智能小车采用金属感应器TLQ5MC来检测路上感应到的铁片, 从而把反馈到的信号送单片机, 通过各种方案的讨论及尝试, 最后智能小车可以实现:

(1) 自动避开障碍物, 找到合适的路径;

(2) 自动识别路线状况, 并根据实时状况快速做出判断;

(3) 自动显示所要求的时间;

(4) 自动寻线前进, 能智能检测、捡起、放下铁片;

(5) 行驶到规定的地点自动停止并显示结束。

参考文献

[1]曹建树, 曾林春, 等.基于单片机控制的智能寻迹小车[J].微计算机信息, 2008, 12-2:103-104.

[2]孙肖子, 张企民, 编著.模拟电子技术基础[M].西安:西安电子科技大学出版社, 2006, 112-457.

[3]沈红卫, 编著.基于单片机的智能系统设计与实现[M].北京:电子工业出版社, 2005, 32-126.

智能消防小车系统的设计 篇9

智能小车的设计、制作与控制是全国大学生电子设计竞赛出现频率比较高的题目,而且对智能小车的设计要求较高,如 :2007年的赛题电动车跷跷板、2011年的智能小车设计等。这些电动小车的设计以模拟电路和数字电路设计应用为基础,涉及单片机、模—数混合电路、传感器、EDA软件、通信等方面的知识应用,能够体现参赛学生综合运用基础知识进行理论设计的能力、实践创新能力。鉴于此,我们设计一款集自动循迹与自动处理一体的智能消防小车,此设计可以作为学生课程实训项目或岗前综合实训项目。

1 智能消防小车的总体设计

本系统是采用STC12C5A60S2单片机为核心控制器,实现对运行轨迹的检测和对小车控制,使小车能自动沿黑色轨迹选择正确的行进路线前进,判断并自动躲避障碍物,寻找并扑灭火源,自动计算和显示路程并按最短路径返回等功能。其硬件原理方框图如图1所示。系统由STC12C5A60S2控制电路、寻迹模块、火源探测模块、壁障模块、风扇灭火模块、电机驱动模块、报警模块和车载显示模块等部分构成。

2 硬件部分设计

2.1 数控部分

主要由STC12C5A60S2最小系统控制,它主要完成循迹模式显示和选择、前进轨迹规划与调整、障碍物躲避、灭火风扇控制、电机驱动控制、报警控制等功能。STC12C5A60S2最小系统如图2所示。

2.2 火源检测模块

火源检测模块主要采用红外光电二极管作为火源检测传感器,电路如图2所示。传感器Q1没有检测到火焰时,传感器呈高阻状态,比较器U2A的反相输入端电压高于同相输入端,比较器输出低电平0 ;当传感器Q1检测到火焰时,传感器呈低阻状态,比较器U2A的反相输入端电压低于同相输入端,比较器输出低电平1,电位器RP1可调节比较器同相端的电位值,从而调节传感器模块的灵敏度。消防小车分别在小车的前部、左右两侧各安装一个火焰传感器模块,其输出端分别连接至单片机的P1.6、P1.7和P2.5端。

2.3 循迹模块

循迹模块的传感器采用光电开关TCRT5000,电路如图3所示。当传感器Q5检测到白色轨迹时,传感器呈低阻状态,比较器U4A的同相输入端电压低于反相输入端,比较器输出低电平0 ;当传感器Q5检测到黑色轨迹时,传感器呈高阻状态,比较器U4A的同相输入端电压高于反相输入端,比较器输出低电平1,电位器RP4可调节比较器反相端的电位值,从而调节传感器模块的灵敏度。消防小车在小车的前部底部并列安装四个循迹传感器对运行轨迹进行检测,四路传感器的输出端分别连至单片机的P2.1、P2.2、P2.3和P2.4端。

2.4 报警模块和风扇灭火模块

声光报警模块电路如图7所示。当系统没有检测到火焰时,单片机P2.6端口输出低电平0,控制声光报警电路不工作 ;当检测到火焰时,单片机P2.6端口将输出高电平1,驱动发光二极管发光,同时蜂鸣器发出报警声。

本系统采用小型风扇装于小车合适位置灭火。当小车靠近火源时,单片机P2.7端口发出控制信号启动风扇,可靠扑灭火焰。

3 软件设计

软件控制程序由主程序和最短路径返回子程序两部分,其主要实现车载信息显示、消防小车自动循迹、火源寻找、火源报警、风扇灭火和最短路径返回等功能。

3.1 主程序

首先对STC12C5A60S2单片机系统进行初始化,通过按键选择小车的循迹模式 ;在循迹的过程中,如果传感器检测到火源,单片机将启动风扇进行灭火,并记录火源坐标 ;如果没有检测到火源,小车继续前进直至寻找并扑灭火源。扑灭全部火源后,小车根据所在坐标按最短路径返回安全区 ;返回后,通过按键控制,LCD显示器可以显示小车全过程时间、火源坐标、火源数目和灭火时间。主流程图如图4所示。

3.2 最短路径返回控制程序

在小车行驶过程中,记录行驶的轨迹坐标。当搜寻并扑灭全部火源后,单片机通过小车所在的坐标点计算出小车返回的最短路径并返回。流程图如图5所示。

4 结束语

智能电动小车设计 篇10

本电路由电源模块、无线遥控模块、超声波模块、液晶显示模块、驱动模块、单片机控制模块等组成。系统结构图如图1所示:

2 硬件电路设计

2.1 电源设计

如果在系统中采用9V干电池供电, 使用稳压块降压成5V电源供电, 稳压块功率损耗较大, 电路比较笨重, 增加小车的自重。所以采用四节1.5V干电池供电, 通过二极管降压给电路供电, 功耗低, 电路简单。

2.2 无线控制设计

如果在系统中采用无线电信号。金属外壳对无线信号有屏蔽作用, 另外这样信号容易受到干扰。所以采用红外光信号进行控制。这种方式抗干扰能力强, 设备简单, 造价低廉, 方向性好。

本系统的设计采用HS0038红外接收头来接收红外信号, 红外遥控是利用红外线进行传递信息的一种控制系统, 红外遥控具有抗干扰, 电路简单, 编码及解码容易, 功耗小, 成本低的优点。电路如图2

2.3 超声检测

超声检测采用DYP-ME007V2, 通过编程来实现超声波模块。超声波的距离、时间计算:超声波的速度大概是340m/s, 那么1us能发射约0.034cm, 再测出往返一次的时间, 乘上发射的速度, 除以2就是所求得的距离。

2.4 显示模块设计

如果在系统中采用数码管显示。优点是应用传统广泛简单, 易于实现。但是, 不容易以坐标的格式显示小车位置。在系统采用1602液晶显示。它是两行每行能显示40个字符, 显示功能强大, 能够以标准的坐标格式显示。

2.5 驱动电路设计

“H桥”驱动电路, 在工作中如果管子关短瞬间的自感电压通过二极管续流。另外在基极防干扰处理保证足够的死区时间, 能方便的通过程序控制实现小车前进、倒退、转向等各种运行状态。实用经济, 降低工作成本。电路如图3所示。

3 软件设计

系统的软件设计采用C语言对单片机进行编程, 从而实现各模块的功能, 主程序主要是控制电路的选择、各参数的检测与控制。程序流程图如图4所示。

4 小结

繁重的驾驶工作和驾驶人员的疲劳是交通事故频发的主要原因, 车辆在交通拥挤的市区行驶使驾驶人员必须完成大量的换挡和踩离合器的工作。随着经济的发展, 车辆的拥有量的增加, 非职业驾驶人员人数的增多, 同样导致交通事故频发。因此, 如何提高交通安全性已经成为急需解决的社会性问题。各种能减轻驾驶劳动强度的智能系统应运。本系统就是在这种背景下产生的。并且在本系统的设计中, 将集成化和智能化理念较好的融入到控制系统的设计中, 有很强的使用价值和经济价值。

参考文献

[1]孙福成.单片机原理及应用[M].西安:西安科技大学出版社, 2006.

基于FPGA的智能小车设计 篇11

1 系统结构及硬件设计

整个系统由发送端(智能小车部分)和接收端(控制台:控制和显示部分)组成,如图1所示。系统由传感器系统、动力及转向系统、CCD图像传感器模块、LCD显示、温度和湿度测量电路和供电系统等组成,整个系统的控制核心以2片Altera公司的EP2C20F484为核心,在Altera公司的QuartusⅡ和SoPC Builder开发环境中完成。根据系统硬件结构添加所需要的外围模块并生成[2]

1.1 供电系统

小车安装了两块充电电池,分别为FPGA开发板(FPGA控制电路)和小车运动提供能量,电池置于车身底部。

1.2 传感器系统

系统采用了6个红外对射传感器,通过FPGA配置的NiosⅡCPU来检测传感器信号实现小车躲避障碍物的功能。漫反射型红外对射传感器也称光电开关,是一种集发射器和接收器于一体的传感器,多用于检测障碍物。原理是由光电开关辐射出来的调制红外光束被检测物体反射回来,红外线经同步选通接收,由电子开关线路驱动回路,从而来检测物体的有或无。当被检测物体的表面光亮或其反光率极高时,漫反射式的光电开关是首选的检测模式这种电路模块体积小信号容易转化为标准电平。

1.3 动力及转向系统

本小车有左右轮两个电机及电机驱动。驱动电路采用了CT Microelectronics公司的大功率直流电机驱动芯片L298,最高支持50 V电压,最大电流为5 A,满足大功率电动机的要求,外围电路简单,同时,由于该芯片为双路结构,分别控制左右电动机,增加了电路的可靠性,减少了复杂性。电机控制采用PWM脉冲宽度调制方式来控制汽车的前进速度。由NiosⅡCPU写入控制字,可得到不同占空比的PWM驱动信号,此PWM信号送入电机驱动芯片的控制端来调节速度[3]。

1.4 小车自动避障系统

小车自动避障系统采用Verilog HDL语言编写驱动电路。该模块(见图2中的MOTOR)和一个数据选择器(见图2中的select 2)相连来实现自动避障与人工遥控之间的切换。当小车上NiosⅡCPU的SEL管脚输出低电平时,数据选择器将把该模块的输出作为电机的控制指令。这样设计的好处在于设计具有响应迅速,不需要NiosⅡCPU参与,提高了CPU处理湿度、温度数据并控制无线模块收发数据的效率。该逻辑电路的工作原理是根据红外传感器发回来的数据,经过逻辑判断来控制电机的工作状态。

1.5 小车的人工控制

小车的人工控制和自动避障之间的转换由一个数据选择器控制,当小车上NiosⅡCPU的SEL管脚输出高电平时,数据选择器将把无线模块所发送过来的指令作为电机的控制指令,实现了对小车的无线控制。

1.6 温度和湿度测量

在温度测量系统中,采用抗干扰能力强的新型数字温度传感器DS18B20,该系统设计中将DS18B20的1,3引脚分别接于FPGA板的GND和+3.3 V管脚,2引脚接FPGA的I/O脚,传输控制及数据信号。DS18B20最高可用12位表示温度值,最高5位为符号位。

采用HS1101湿度传感器,具有响应速度快,工作温区宽(-40～+100℃),测量范围大(0%～100%RH),可靠性高,稳定性好,功耗低,外围电路简单等优点。

工作原理为:用HS1101传感器与TLC555构成多谐振荡器,HS1101传感器内部电容会随湿度的变化而变化从而使输出频率发生变化编写程序在FPGA设计一个频率计可精确的测出频率值[4,5],通过输出频率与湿度的关系便可得到湿度值。

1.7 无线收发系统

系统采用PTR4000无线嵌入式模块,工作频率为2.4 GHz,最高工作速率可达1 Mb/s,高效GMSK调制,且有CRC检错功能。具有低功耗,抗干扰能力强,体积小等优点。主要有三种工作模式,分别为:配置模式、ShockBurst发送模式和ShockBurst接收模式。

2 软件设计和调试

采用NiosⅡ进行C语言编程。NiosⅡ集成开发环境(IDE)是NiosⅡ系列嵌入式处理器的基本软件开发工具。所有软件开发任务都可以在NiosⅡIDE下完成,包括编辑、编译和调试程序。NiosⅡIDE是基于开放式的、可扩展Eclipse IDE project工程以及Eclipse C/C++开发工具(CDT)工程,NiosⅡIDE为GCC编译器提供了一个图形化用户界面,可以支持标准C。NiosⅡIDE编译环境自动地生成一个基于用户特定系统配置(SoPC Builder生成的SoPC文件)的makefile,有利于程序的开发[6]。

NiosⅡIDE包含一个强大的、在GNU调试器基础之上的软件调试器———GDB。完成软件代码的编写后,可以对代码进行仿真和调试。NiosⅡIDE提供了一个方便的闪存编程方法。任何连接到FPGA的兼容通用闪存接口(CFI)的闪存器件都可以通过NiosⅡIDE闪存编程器来烧结[7,8]。针对本设计及应用,编写了系统控制程序和LCD显示程序。流程图如图3所示。

3 系统调试

小车系统需要测试能否准确接收控制台发送的指令并控制小车运动或停止,以及向前、后、左、右转向。还要测试主控机能否准确接收小车采集到的温度以及湿度信息,能否正确显示。经过多次测试,发现由于系统程序是采用收发循环转换的模式,为了让两个系统能够收到对方发的信息,对小车的遥控与自动部分进行简单的分化。自动情况下,控制台为主要接收端,小车为主要发送端,一般情况下小车发送数据到控制台,需要自动到遥控的转换时,通过在延时时间内进行中断来实行从自动到遥控的转换;在遥控状态下,控制台为主要发射端,小车为接收端,一般情况下控制台发送小车行进指令到小车,需要采集数据时,通过温度、湿度采集按键来对小车进行收发转换,同时小车发出采集数据指令之后再次转为接收模式这样做之后使小车与控制台的软件部分清晰明了,小车的行进以及采集显示数据能够实时的进行。

湿度测量系统需要测试是否能够精准输出频率值。采用芯片LM555手册上推荐的电路,由于元件的误差,使输出的频率并不精确,经过与标准的湿度仪进行比对,通过参数调整,用直线做近似,最后得到的频率值误差在几赫兹(频率范围是6 008～7 314 Hz),经过预算得到很准确的湿度值。开始求湿度值时用的是解一元三次方程的方法,由于计算量大,对小车的行进会有很大影响,后来在小车端只是把小车采集到的频率值通过红外天线传输到主控端,并将原先的小车自动避障由NiosⅡCPU控制改为由Verilog编写的硬件模块控制,最后在控制台做湿度值的计算。这样的更改既减少了小车NiosⅡCPU的工作量,同时由于小车的自动避障改为由独立的Verilog模块控制,运行起来很流畅。

对于无线收发系统要测试其可靠性以及发送或接收的信息的准确性。测试方法是单独设计了一个软核下载到SoPC中,并编写一段程序用于测试是否正确写入配置控制字,是否能够进行ShockBurst模式的接收或发送。问题是对天线各模式时序的把握,一开始写的程序总是不能正确写入配置字,反复调试,并用数字示波器观察写入配置字的瞬间过程以及各延时的时间,最后测试成功,并把发送或接收的状态用LED显示出来,每发送或接收到一个数据包就让LED闪一下。

4 结语

本设计以FPGA嵌入NiosⅡ软核处理器为核心,辅以必要的外围电路,构成了高度集成化的片上系统。另外,SoPC系统的柔性配置,使得可以基于此系统扩展片外存储器和多路输出。设计的小车具有较强的避障能力,且能通过接收端对其进行方便的控制,温度和湿度采集均达了较高的精度,并且能实现动态显示,无线收发模块的有效范围最远可达300 m,可应用于较为恶劣的环境，可代替人进行温度和湿度的实地检测。

参考文献

[1]韩小刚.智能机器人[J].科技信息,2006(12):15-16.

[2]周立功.SoPC嵌入式系统基础教程[M].北京:北京航空航天大学出版社,2006.

[3]王玉花,郭书军.NiosⅡ系统Avalon总线PWM设计[J].现代电子技术,2010,33(1):183-185.

[4]徐光辉.基于FPGA的嵌入式开发与应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[5]潘松,黄继业.EDA技术与VHDL[M].北京:清华大学出版社,2005.

[6]蔡伟纲.NiosⅡ软件结构解析[M].西安:西安电子科技大学出版社,2007.

[7]郭书军.嵌入式处理器原理及应用[M].北京:清华大学出版社,2003.