智能小车

智能小车（精选12篇）

智能小车 篇1

一、任务要求

本次设计的主要任务是设计并制作一辆智能小车, 要求实现小车的循线行走、自动停止、自动平衡三大功能。起始状态如图1所示, 平衡状态如图2所示。

二、工作原理

整个小车系统分为如图3所示的几个基本模块。其中, 寻迹模块采用反式光电二极管。红外发射管发出红外线, 当发出的红外线照射到白色的平面后反射, 若红外接收管接收到反射回的光线则为白线, 输出高电平;若红外接收管没收到反射光线则为黑线, 输出低电平。电机驱动部分采用电机专用驱动芯片LM298。寻找平衡点模块采用角度传感器。其中寻迹电路用的是单片机PC口的PC0、PC1, 显示电路用的是单片机的PB口, 电机驱动用的是PA口低四位及定时器T1的PWM模块, 测速部分用的是单片机的T1的输入捕捉功能, 平衡位置检测用的是单片机的AD部分的AD7。内部资源还用到了定时器T2用于记录小车运行时间。电原理图见图4所示。

模块电路分析:

1.电机驱动电路

采用L298N驱动输出为M1, M2, M3, M4 (这里只画了前两路) 从单片机来的输入信号为IN1, IN2, IN3, IN4。 (见图5)

2. 循线模块

采用红外探测法来实现循线的功能, 因此选用了型号为TCRT5000的红外反射式光耦, 应用电路如图6所示。

在实际中可以调整R9的大小来调整TCRT5000的检测黑白的平衡点。安装位置示意图如图7所示。

本设计的小车对车速要求不高, 所以就只用了两个传感器。

电路安装问题, 本作品使用通用板, 裁剪成预想的形状, 然后焊接、调试。

3. 电源模块

因单片机及传感器需要的电压为+5V, 而电池组供电电压为+7.2V, 通过二极管电阻、降压和5V稳压二极管获得。

三、系统仿真

对所设计好的系统进行仿真调试。通过调试可以检查出系统出现的一些错误, 从而进行下一步的修改。

1. 检测起始线小车前进的仿真

当两个红外传感器用开关代替, 当第一次同时检测到黑线时, 即可判断检测到了起始线, 两电机同时以相同的速度转动, 小车即直线前进。如图8所示。

2. 平衡位置小车停止的仿真

用电位器代替角度传感器, 调整到中心点如图9所示。

3. 检测终止线小车停止的仿真

当两个红外传感器第二次同时检测到黑线时, 即可判断检测到了终止线, 两电机同时以相同的速度减速至停止。

四、程序设计

主程序的作用是把小车的各个功能连接起来, 以实现小车预期的功能。图10为小车主程序的流程图。

1. 寻迹模块程序设计

寻迹程序是在程序开始时调用的, 需要实现循线的功能, 同时还要留下返回接口, 便于程序的返回。图11为寻迹程序的流程图。

流程描述:在循线的时候关闭显示器器以避免干扰, 然后初始化循线用到的端口, 再检测循线传感器是否有信号输入, 如果有了就跳出循环, 用PWM调速的方式给驱动轮一个信号, 接下来就是判断两个传感器的状态, 根据它们的状态执行小车方向的修正, 同时检测终止线是否到达, 到达则停车并退出循环, 打开显示器, 返回主程序。

2. 防脉冲干扰平均值滤波子程序设计

防脉冲干扰平均值滤波是连续进行N次采样, 去掉其中最大值和最小值, 然后求剩下的N-2个数据的平均值, 作为本次采样的有效值 (图12) 。该方法适用于变量跳变比较严重的场合, 这种滤波也应用边采样边计算的方法。

3. LCD1602显示子程序设计

LCD1602显示子程序设计见图13。

如果读者对本设计的源程序感兴趣, 可以在本刊网站www.ele169.com下载。

智能小车 篇2

摘要:本系统以AVR单片机MEGAl6为核心器件，实现对驱动电路的控制，使电动小车自动行驶。利用电磁原理，在车模前上方水平方向固定两个相距为L的电感，通过比较两个电感中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大致循线行驶。用PWM技术控制小车的直流电动机转动，完成小车位置、速度、时间等的控制。利用干簧管来检测跑道的起始和终点位置从而完成小车的起步及停车。

系统总体设计：

AVR单片机MEGAl6（该芯片能够不需要外围晶振和复位电路而独立工作，非常适合智能寻迹车模的要求。）为核心，由单片机模块、路径识别模块、直流电机驱动模块、舵机驱动模块等组成，如下图所示。基于电磁感应的智能寻迹车模系统以

直流电动机为车辆的驱动装置，转向电动机用于控制车辆行驶方向。智能寻迹车模利用电磁感应在跑道上自主寻迹前进，转向。

单片机模块(控制模块)：

寻迹车模采用AVR内核的ATMEGAl6。该芯片能够不需要外围晶振和复位电路而独立工作，非常适合智能寻迹车模的要求。

路径识别模块：

本方案就是在车模前上方水平方向固定两个相距为L的电感。左边的线圈的坐标为（x,h,z），右边的线圈的位置(x-L,h,z)。由于磁场分布是以z轴为中心的同心圆，所以在计算磁场强度的时候我们仅仅考虑坐标(x,y)。由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量。计算感应电动势：

图 1 线圈中感应电动势与它距导线水平位置x 的函数

如果只使用一个线圈，感应电动势E 是位置x 的偶函数，只能够反映到水平位置的绝对值x 的大小，无法分辨左右。为此，我们可以使用相距长度为L 的两个感应线圈，计算两个线圈感应电动势的差值：

对于直导线，当装有小车的中轴线对称的两个线圈的小车沿其直线行驶，即两个线圈的位置关于导线对称时，则两个线圈中感应出来的电动势大小应相同、且方向亦相同。若小车偏离直导线，即两个线圈关于导线不对称时，则通过两个线圈的磁通量是不一样的。这时，距离导线较近的线圈中感应出的电动势应大于距离导线较远的那个线圈中的。根据这两个不对称的信号的差值，即可调整小车的方向，引导其沿直线行驶。

对于弧形导线，即路径的转弯处，由于弧线两侧的磁力线密度不同，则当载有线圈的小车行驶至此处时，两边的线圈感应出的电动势是不同的。具体的就是，弧线内侧线圈的感应电动势大于弧线外侧线圈的，据此信号可以引导小车拐弯。

另外，当小车驶离导线偏远致使两个线圈处于导线的一侧时，两个线圈中感应电动势也是不平衡的。距离导线较近的线圈中感应出的电动势大于距离导线较远的线圈。由此，可以引导小车重新回到导线上。

由于磁感线的闭合性和方向性，通过两线圈的磁通量的变化方向具有一致性，即产生的感应电动势方向相同，所以由以上分析，比较两个线圈中产生的感应电动势大小即可判断小车相对于导线的位置，进而做出调整，引导小车大致循线行驶。

驱动模块：

简易智能小车有两个电动机。其中一个小电动机控制前轮转向，给电动机加正反向电压，实现前轮的左右转向；另一电动机控制后轮驱动力。控制转向电动机需要较小的驱动力，经过实验，选L293作为驱动芯片；由于后轮驱动功率较大，所以选用L298N，经过实验发现小车行使过程中负载较大，导致L298N发热较大，故给芯片添加散热片以保护芯片正常工作。为了优化控制性能，采用PWM脉宽调速，并利用数模转换芯片产生 模拟电压，控制555生成占空比可调的脉冲从而控制L293B与L298N进行脉宽调速。

具体设计方案：

本设计使用一普通玩具小车作为车模，采用P W M 信号驱动，当PWM信号脉宽处于(1ms,1.5ms)区间时舵机控制小车向左行驶，脉宽处于(1.5ms,2ms)时小车向右行驶，脉宽约为1.5ms时小车沿直线行驶。本方案使用两个10mH的电感置于车模头部作为确定小车位置的传感器。然后，设计了一个模拟电路，采集、调理、放大由电感得到的电动势信号。具体电路如图2所示。

该电路采用电压并联负反馈电路，电感信号从PL进入。考虑到单独电感感应出的电动势很小，本设计使用电感和电容谐振放大感应电动势。由于使用的是10mH的电感，导线中电流频率为20kHz，因此使用6.3nF的电容。这样在电容上得到的电压将会比较大，便于三极管进行放大。整个电路的具体放大倍数需要根据实际负载进行计算。本设计的小车控制电路如图3所示。

首先，把由两个电感得到的感应电动势经调理、放大后得到的电压输出u1和u2送入由运放组成的减法器中进行减法运算，然后再经由运放组成的电压跟随器送给下一级电路。经过分析，这一级电路的输出大致可由下式进行计算：

后一级电路由两个555定时器组成，其中下方的555构成一个占空比非常接近于1的脉冲发生器，作为上方555的触发脉冲。因为此触发脉冲的低电平信号非常窄，所以能很好的保证上方555构成的单稳态电路正常运行。该脉冲信号频率为：

上方的555定时器构成一个单稳型压控振荡器，它的脉宽受输入V1的控制，输出即PWM信号。当V1较大时，即两个电感线圈中的感应电动势相差较大时，亦即小车偏离导线向左行驶时，则脉宽较大，舵机将控制小车向右行驶；当V1适中时，接近，即小车沿导线行驶时，则脉宽接近1.5ms，小车按直线行驶；当V1较小时，即小车偏离导线向右行驶时，则脉宽较小，舵机将控制小车向左行驶。从而，控制小车大致循着导线行驶。另外，改变构成减法器的电阻的值，可以调整小车反应的灵敏度，进而防止出现小车以导线为中轴线左右摇摆的现象。

补充说明：跑道上的起始位置及终点位置用干簧管来检测。

基于单片机多功能智能小车设计 篇3

【摘 要】该多功能智能小车利用51系列单片机STC89C52RC为主控芯片，采用超声波和红外光电传感器对障碍物的识别。采用步进电机对车的转向进行控制等，实现左转、右转、前进、后退、自动规避、检测温湿度等的功能。

【关键词】智能小车；51单片机

引言

智能小车作为轮式机器人的一个重要分支，随着机器人研究的深入受到越来越多人的关注。国内很多高校和研究院所在机器人小车项目上都取得了成绩，也有很多家公司在开发和研制教学及比赛用机器人小车。[1]本设计以利用51系列单片机STC89C52为主控芯片，采用超声波和红外光电传感器进行障碍物的识别与测距定位。采用步进电机对车的转向进行控制等，实现左转、右转、前进、后退、自动规避、检测温度、湿度等多种功能。

一、系统总体设计

系统总体方框图1所示。[2]总体设计控制电路板以STC89C52RC为控制核心；循迹模块可以沿白底黑线或者黑底白线智能前进；电机驱动、超声波和红外可以按照设定程序智能地实现左转、右转、前进、后退、自动规避、检测温湿度等的功能；整个过程由电源供电；小车底盘部件包括了底盘本体、电池盒、左右轮子和尾轮等部件。选用三轮结构车体，车体前方两侧为驱动轮，后方中心装有尾轮，起支撑作用，这样可以保证小车能够灵活循迹。[2]整个设计在保证实现其功能的基础上，尽可能多的降低系统花销。

二、系统硬件

1.循迹模块。

通过对I＼O端口加以信号输入电路，控制电路，执行电路共同完成循迹。本智能小车采用红外循迹模块，通过调节电位器来改变传感器的灵敏度，智能识别小车行走的白色地面上黑线。当小车的一边下方的红外对管放在黑线上，LED灯就会变黑，反之，LED变亮，也就是说，如果小车左侧LCD灯亮，右侧lCD灯不亮，则说明小车左转，如果右侧lCD灯亮，左侧LCD灯不亮，则说明小车右转，如果左侧右侧LCD灯都亮，则说明小车前进。电路图如图2所示。这样我们就可以很方便的根据小车是否沿着黑线行驶来判定小车的运动状态。

2.电机驱动模块。

由电机的正转和反转由电机的正转与反转来完成机器人的前进，后退，左转，右转，遇障碍物绕行，避开边沿等基本动作。L293D是ST公司生产的一种高电压、小电流电机驱动芯片。该芯片采用16脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达36V；输出电流大，瞬间峰值电流可达2A，持续工作电流为1A。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和继电器线圈等感性负载；该芯片可以驱动两台直流电机。

3.超声波模块。

在小车前进的时候会通过超声波不断地进行测距，如果手离小车的距离小于10厘米，小车就会后退，如果手离小车的距离大于15厘米，小车就会前进；如果手里小车的距离大于10厘米而小于15厘米，小车就会停止。从而，小车会智能识别手的距离来相应做出动作。

4.红外避障模块。

本小车采用两路红外避障模块，智能识别左前方和右前方的障碍，通过调节电位器来改变传感器的灵敏度，当前方没有障碍物时，左前方和右前方对应的位置的LED灯会亮。当左前方有障碍物时，左前方的LED灯会熄灭，小车暂停一会儿，后退一点，右转弯。当右前方有障碍物时，右前方的LED等会熄灭，小车暂停一会儿，后退一点，左转弯，当正前方有障碍时一点，左转弯，自主避开障碍物，从而实现智能避障。

5.温湿度模块。

该模块采用DHT11传感器，它是一个含有已校准标准数字信号输出的温湿度复合传感器，应用专用的数字模块采集技术和温湿度传感技术，确保产品具有极高的可靠性和长期稳定性。该传感器包括一个电阻式感湿元件和一个NTC测温元件，并与高性能8位单片机STC89C52RC连接。该传感器已在极为精确的湿度校验室中进行校准，单线制串行接口，比较适合在智能小车上应用。该传感器温度测量范围在0度～50度，温度测量误差在2度左右。湿度测量范围在20%～95%，湿度测量误差在5%左右。

6.红外遥控模块。

本智能小车配套的遥控器上每一个按键都对应一个数据码。遥控器上的按键很多，根据小车运动的需要，选择其中的五个按键来控制小车的巡航动作（前进、后退、左转、右转、停止）。比方说我们想让小车左转，按下按键后小车左转后会继续向前走。这样就实现了使用遥控器来控制小车的运动情况。

7.电源模块。

两节干电池或者直接插到电源上供电。这里就不多赘述了，但需要注意的是小车在不用时要去除电池，这样对小车，对电池都有安全保障。

了解了这几个模块后，我们就可以用底盘本体、单片机，电机、电池盒、万向轮、左右轮子和尾轮等材料组装小车了。

三、系统软件

对于微机控制系统而言，在设计过程中硬件系统只是其中一部分，软件系统的设计是另外举足轻重的一部分，它的主要内容就是如何根据每个生产对象的实际需要设计出应用程序。[3]必须要有：CH340驱动，是一种黑色的连接线驱动即usb转rs232驱动；KeilC51，是美国Keil Software公司（ARM公司之一）出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统；烧录工具STC-ISP-V4.83，用于往单片机内烧写程序。当然，为了方便设计还可以使用其他一些软件。

四、结束语

该智能小车以单片机为核心，采用以上多种模块成功实现左转、右转、前进、后退、自动规避、检测温度、湿度等多种功能。在设计制作完成后着重对数据的精度进行测试，该系统控制下的小车具有很好的识别能力，可靠，稳定，并且易于功能进一步扩展完善。

参考文献：

[1] 王琰，郭燕.基于C51单片机的智能循迹小车设计与实现[J].机电一体化，2013：72-76.

[2] 史洪宇.基于单片机的多功能智能小车的设计[[J].仪表技术，2010（12）：16-18.

智能寻迹小车 篇4

本车除一般非编程寻迹车具有的寻迹功能外, 还增加了遇障停车、报警, 转弯时转向灯提示功能。同时在电路原理上作了较大改变, 是车寻迹灵敏度更高, 实现较小的转弯半径。

设计方案

根据不同的颜色 (黑、白) 对光的反射强度不同, 光敏电阻受不同强度光感应阻值不同的特性。分别将两电位器与两固定电阻分压后的电压作为电压比较器的基准电压, 两光敏电阻与两固定电阻分压后电压作为电压比较器的比较电压, 电压比较器的输出电流经三极管放大后分别控制两个电动机的转速, 以达到转向的目的, 从而实现智能车按既定轨道行走。通过红外传感器检测障碍实现避障报警功能 (见图1) 。电路原理图见图2。

控制原理

(1) 如图2中电位器R12、R13、R17与R5、R6、R15组成分压电路为电压比较器提供基准电压, 光敏电阻R1、R2、红外接收器VD5与电R3、R4、R18组成比较电压, 发光二极管LED1、LED2与三极管T1、T2及电阻R9、R10组成转向灯, 发光二极管LED3、LED4与R7、R8组成光敏电阻的补光灯, 红外发射二极管VD6及电阻R16组成红外发射源, R14、三极管VT5及蜂鸣器组成报警装置, 三极管VT3、VT4与电动机及电容组成动力部分。

(2) 当前方无障碍时, 红外接收器不能接收到红外线呈高阻态, 电压比较器IC3输出低电平, 三极管VT5不导通, 光敏电阻输入电压较高, 电压比较器IC1、IC2正常工作, 蜂鸣器不响。当前方有障碍时, 红外接收器接收到红外线呈低阻态, 电压比较器IC3输出高电平, 三极管VT5导通, 光敏电阻输入电压被拉低, 电压比较器IC1、IC2通向输入端收入电压较低, 三极管VT3、VT4不导通, 故小车不前进同时蜂鸣器报警。

(3) 正常行走时两光敏电阻R1、R2都在强光区, 阻值较小, 电压比较器IC1、IC2输出高电平, 两个电动机都转动, 小车直线前进, 两个转向灯都不发光。当小车偏向轨道右侧时, 左边的光敏电阻R1转向弱光区, 其阻值变大, 相应电压比较器IC1输出低电平, 左边电动机M1停止转动, 小车向左转弯, 同时左边转向灯LED1发光。当小车偏向轨道左侧时, 右边的光敏电阻R2转向弱光区, 其阻值变大, 相应电压比较器IC2输出低电平, 右边电动机M2停止转动, 小车向右转弯, 同时右边转向灯LED2发光。

(4) 其中R17用来调节红外线感应距离, R12用来调节比较电压大小, 以实现感光灵敏度的调节, R13用来调节左右比较电压的比值, 使左右灵敏度一致, R11用来调节通过两电动机的电流比值, 使两电动机的转速一致。LED3、LED4用来补偿光敏电阻所需光源, 防止外界光照不均匀造成左右电动机转速不一致, 这样即使在黑暗中小车也能正常行走。电容C1、C2用来稳定电压, 防止电动机启动和停止时过大的电流对其他元器件的干扰。

制作过程

电子元器件见表1。此电路工作电压范围可在6~9V之间任选, 除电动机外其他元件工作电压可达30V。若选用其他参数电动机, 可根据电动机额定电压选择适当工作电压 (工作电压不高于电动机额定电压3V) 。电源可采用干电池供电。结构部分可以买现成套件, 当然最好是自己制作, 因为我们爱好DIY。如图3。

1.电路板焊接

由于电路板还是车架的一部分, 所以电路板的焊接要做好电子元件的布置:两个光敏电阻R1、R2和两个补光灯LED3、LED4安装在小车前面的两侧, 并向下离地面5mm左右。两个转向灯LED1、LED2安装在小车前面的两侧指向前方。红外收发器VD5、VD6最好用成对反射型的, 装在前侧面水平指向前方。电池最好装在车体偏前侧以增大小车驱动轮的摩擦力。其他元件要偏后一点以便安装电池盒和驱动轮。注意后侧中间还要装万向轮。

2.结构部分制作

用通用电路板充当车架, 为了转向更灵活最好使用前轮驱动, 后轮只在中间装一个万向轮。电动机可以买带有减速器的, 也可以用废旧玩具车的减速器自己组装。为有效利用空间电池盒可分两部分固定在电路板上下两面, 然后用导线串联起来。其他结构件制作安装可充分发挥自己的想法, 做出自己的风格。最后可以给小车制作一个漂亮的外壳。

如图4, 将玩具车减速器的输入轴拔掉, 将电动机的输出轴插入原减速器输入轴位置, 然后将电动机与减速器外壳固定好 (可用强力胶粘接) 。选择并截取适当长度的笔芯, 将其一端与玩具车减速器的输出轴配合安装, 另一端与车轮配合安装。然后将两组组装好的驱动轮对称地粘接在车架上。小车底部结构布置见图5。

万向轮装在小车尾部的中间, 小车外壳采用仿真木制模型的废料做成, 将废掉的木片裁成适当长度材料, 然后用白乳胶粘接而成。制作前最好先大概画个图, 然后一边粘接一边修剪木料, 以便得到适合的长度。小车外壳完工图见图6。成品见图7。

调试

1.将小车放在空白的纸上, 打开电源并调节电位器17使蜂鸣器不鸣。

2.调节电位器12使小车正常前进, 转向灯不亮。

3.调节电位器11使小车能沿直线行走。

4.将小车放在印有黑线的纸上, 反复调节电位器12使小车在空白处正常前进且转向灯不亮, 遇到黑线停止且转向灯亮。

5.将小车放在空白的纸上的障碍物前, 反复调节电位器17使小车在没遇到障碍时正常行走且蜂鸣器不鸣叫, 遇到障碍时停止且蜂鸣器鸣叫。

智能小车实训报告 篇5

摘要：

本课题是基于AT89C52单片机的智能小车的设计与实现，小车完成的主要功能是能够自主识别黑色引导线并根据黑线走向实现快速稳定的寻线行驶。小车系统以 AT89S52 单片机为系统控制处理器；

采用红外传感获取赛道的信息，来对小车的方向和速度进行控制。此外，对整个控制软件进行设计和程序的编制以及程序的调试，并最终完成软件和硬件的融合，实现小车的预期功能。

一、实验目的：

通过设计进一步掌握５１单片机的应用，特别是在嵌入式系统中的应用。进一步学习５１单片机在系统中的控制功能，能够合理设计单片机的外围电路，并使之与单片机构成整个系统。

二、设计方案

该智能车采用红外传感器对赛道进行道路检测，单片机根据采集到的信号的不同状态判断小车当前状态，通过电机驱动芯片L298N发出控制命令，控制电机的工作状态以实现对小车姿态的控制。

三．报告内容安排

本技术报告主要分为三个部分。第一部分是对整个系统实现方法的一个概要说明，主要内容是对整个技术原理的概述；第二部分是对硬件电路设计的说明，主要介绍系统传感器的设计及其他硬件电路的设计原理等；第三部分是对系统软件设计部分的说明，主要内容是智能模型车设计中主要用到的控制理论、算法说明及代码设计介绍等。

技术方案概要说明

本模型车的电路系统包括电源管理模块、单片机模块、传感

器模块、电机驱动模块。

工作原理：

 利用红外采集模块中的红外发射接收对管检测路面上的轨迹  将轨迹信息送到单片机

 单片机采用模糊推理求出转向的角度，然后去控制

行走部分

 最终完成智能小车可以按照路面上的轨迹运行。

硬件电路的设计

1、最小系统：

小车采用atmel公司的AT89C52单片机作为控制芯片，图1是其最小系统电路。主要包括：时钟电路、电源电路、复位电路。其中各个部分的功能如下：

1、时钟电路：给单片机提供一个外接的16MHz的石英晶振。

2、电源电路：给单片机提供5V电源。

3、复位电路：在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。

图1

单片机最小系统原理图

2、电源电路设计：

模型车通过自身系统，采集赛道信息，获取自身速度信息，加以处理，由芯片给出指令控制其前进转向等动作，各部分都需要由电路支持，电源管理尤为重要。在本设计中，51单片机使用5V电源，电机及舵机使用6V电源。考虑到电源为充电电池组，额定电压为7.2V，实际充满电稳压后的5V电源供电，舵机及电机直接由电池供电。

3、传感器电路：

光电寻线方案一般由多对红外收发管组成，通过检测接收到的反射光强，判断黑白线。原理图由红外对管和电压比较器两部分组成，红外对管输出的模拟电压通过电压比较器转换成数字电平输出到单片机。

4、电机驱动电路：

电机驱动芯片L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动 电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如图1中U4所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。也利用单片机产生PWM信号接到ENA，ENB端子，对电机的转速进行调节。

由于一片L298N可以直接驱动两个电机，但是为了加大驱动力，我们采用两路并联的方式来驱动电机。

软件系统的实现

小车循迹规则：

若小车偏左的时候，车轮将向右偏转；若小车偏右，车轮将向左偏转；若没有偏移，小车将继续向前；若小车完全偏离黑色轨迹，小车后退以寻找黑色轨迹。

心得总结

根据本次设计要求，我们小组系统地阅读了大量的资料，并认真分析了设计课题的需求，还系统学习了51系列单片机的工作原理及其使用方法，并独自设计智能小车的整个项目。

虽然条件艰苦，但经过不懈钻研和努力，购买到了所有所需的元器件，并系统的进行了多项试验，最终做出了整个小车的硬件系统，然后结合课题任务和小车硬件进行了程序的编制，本系统能够基本满足设计要求，能够较快较平稳的是小车沿引导线行驶，但由于经验能力有限，该系统还存在着许多不尽人意的地方有待于进一步的完善与改进。

通过本次课题设计，不仅是对我们课本所学知识的考查，更是对我的自学能力和收集资料能力以及动手能力的考验。本次毕业设计使我们对一个项目的整体设计有了初步认识，还认识了几种传感器，并能独立设计出其接口电路，再有对电路板的制作有了一定的了解，并学会了使用Protel设计电路。本次毕业设计使我们意识到了实验的重要性，在硬件制作和软件调试的过程中，出现了很多问题，最终都是通过实验的方法来解决的。还有以前对程序只是一个很模糊的概念，通过这次的课题设计使我对程序完全有了一个新的认识，并能使用C熟练的进行编程了。通过本次课题设计，极大的锻炼了我们的思考和分析问题的能力，并对单片机有了一个更深的认识。

总之，在课题设计的过程中，无论是对于学习方法还是理论知识，我们都有了新的认识，受益匪浅，这将激励我们在今后再接再厉，不断完善自己的理论知识，提高实践运作能力。

智能小车 篇6

关键词：红外传感器；闭环控制；避障智能小车

中图分类号：TP242 文献标识码：A 文章编号：1674-7712 （2012） 18-0001-02

随着电子技术和智能控制技术的发展，智能车已经成为自动控制领域内的一个研究热点。本文研究的智能小车可以利用传感器自动获取目标道路信息，同时还能自动避开障碍物。

一、总体设计

为了让小车精确快速的通过赛道，我们设计了整个小车的外形（图1），使小车尽量的小并且轻。所以我们选用了玻璃纤维板作为底盘，并且只使用了两个电机，用差速转弯的方式控制小车行进，并且自行设计了电路板。最大化的减小的车的体积和重量，平衡了车的整体重心。

二、硬件设计

本设计采用ST公司Cortex-M4驱动的32位闪存微处理器STM32F405作为硬件平台，配以电源模块、电机驱动模块、传感器信号输入等相应的外围电路和输入输出接口电路等，构成一套完整的硬件系统（见图2）。

（二）核心微处理器

本系统采用STM32F405作为核心微处理器，这是由ST公司年推出的ARMCortex-M4处理器，是ARM专门开发的最新嵌入式处理器。

在系统中，单片机主要执行以下工作：

1.采集紅外测障传感器信号，获取赛道路况信息；

2.采集编码器脉冲数，进行速度PID环的运算；

3.输出所需的左右轮PWM。

（三）电机驱动模块

本系统采用H桥集成芯片ZXMHC3F381N8作为电机驱动芯片，该芯片由4个MOS管集成而成，能满足系统电机的工作转矩和转速。

本智能小车中采用脉宽调制方式（即PWM，PulseWidth Modulation）来调整电机的转速和转向。脉宽调制是通过改变发出的脉冲宽度来调节输入到电机的平均电压，也就是单片机提供给电机的信号是方波，通过不同方波的平均电压不同来改变电机转速。

（四）红外测障传感器

红外测障传感器（图4）连接到主控制板板数字输入口上。通过M3螺丝将传感器模块直接固定在智能小车底盘上。

红外测障传感器在使用过程中，当前方有障碍物时，发射的红外就会被反射回来，红外接收传感器接收到反射光，认为此时传感器前方有障碍物。单片机采集到此信号后，控制小车运动。

通过调节红外测障传感器上的电位器来改变其检测距离。当顺时针旋转电位器时，红外发射变强，检测距离变远；当逆时针旋转电位器时，红外发射变弱，检测距离变近。

在使用中，红外测障传感器对于不同颜色与粗糙程度的障碍物，使用中其检测距离不一样。当障碍物颜色是黑色或深色时，会吸收大部分红外光，只反射回一小部分，有时会使红外接收传感器接收到的红外光强度不够，不足以产生有障碍的信号；当障碍物颜色是白色或浅色时，正好相反。

三、程序设计

系统电机使用闭环控制系统，在采集到编码器的脉冲信号后，进行速度PID闭环的运算。通过定期检测红外测障的数据，获得跑道数据信息后，进行路径规划，输出所需的左右轮的目标速度。加入PID运算。控制轮速以完成小车避障行驶。图5是程序流程图。

其中stateL代表左红外测障传感器状态，若为“1”则表明未检测到左边缘，反之则表明检测到左边缘；stateR代表右红外测障传感器状态，若为“1”则表明未检测到右边缘，反之则表明检测到右边缘；stateM代表中红外测障传感器状态，若为“1”则表明未检测到前边缘，反之则表明检测到前边缘。

在方向控制上，通过左右轮的转速差来控制。左轮较右轮转速快，则控制智能车右转，反之则控制智能车左转。

四、结束语

本文以追求智能车避障行驶稳定性为前提，提出了智能车的整体设计思想，硬件设计，软件设计。在机械结构方面，我们以电脑鼠作为设计思想，设计了轻巧的车体结构。在电路方面，我们以模块形式分类，在最小系统、主板、电机驱动等模块分别设计，经过不断实验，最后决定了我们最终的电路图。在程序方面，我们使用C语言编程，经过不断讨论、改进，终于设计出一套比较通用稳定的智能避障程序。在这套算法中，我们结合路况调整车速，保证在最短时间内避障跑完全程。

参考文献：

[1]卓晴.学做智能车：挑战“飞思卡尔”杯[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.

[2]黄志伟.STM32F32位ARM微控制器应用设计与实践[M].北京：北京航空航天大学出版社，2012.

[3]谭浩强.C程序设计[M].北京：清华大学出版社，2003.

[4]高海宾.AltiumDesigner10从入门到精通[M].北京：机械工业出版社，2012.

智能小车计时器 篇7

为了加强大学生实践创新能力和团队精神,培养面向未来的科技尖端人才,教育部在已举办全国数学建模、电子设计、机械设计、结构设计4大专业竞赛的基础上设立了第5项大学生设计竞赛——全国大学生智能汽车竞赛。由于目前市场上专用的电子计时器价格较高,一般院校经费有限,难于购买,通常采用秒表计时,由于人反应时间的限制及秒表本身的精度不高,计时精度较差。针对智能汽车比赛计时的问题,充分利用调试所用PC机资源,设计制作了一种价格便宜、计时准确的智能汽车竞赛用计时器。

该计时器巧妙地运用MAX232的DC/DC转换器功能和PC机RS 232接口中的CTS端输入计时脉冲,采用C++.NET编程,设计完成单赛道智能车计时控制程序,线路设计简单明了,经实际使用性能可靠,使用方便,成本低廉。

2 硬件构成

如图1所示,计时器主要由光电传感器、电平转换电路、电源和PC机组成。由于RS 232信号的电平为:逻辑1(MARK)=-3～-15 V,逻辑0(SPACE)=+3～+15 V,而光电传感器的输出在0～+5 V之间,因此光电传感器的输出脉冲必须先经过转换电路,再从RS 232输入PC机。PC机检测到串口状态的改变,控制计时器的开、关。

光电传感器采用对射式光电开关,它包含了在结构上相互分离且光轴相对放置的发射器和接收器,发射器发出的光线直接进入接收器,当被检测物体经过发射器和接收器之间且阻断光线时,光电开关就产生了开关信号[2]。计时器采用南海振华电子厂的PT-A光电开关,经实际测量,当供电10 V时,如果接收器与发射器之间没有障碍物阻挡,输出高电平+3.57 V,如果有障碍物阻挡,则输出0 V。

由于光电开关输出负脉冲,即小车经过计时区时的信号电平为低电平,必须利用三极管和继电器的常闭触点将负脉冲进行翻转,并转换成串口可识别的高低电平,做为计时脉冲从RS 232的CTS针脚输入PC机,电路连接如图2所示,其中1为继电器,2为光电开关。从图中可以看出,电路需要三种电源,分别为+5 V和±10 V。一般来说,电路应尽量使用单电源,考虑到串口电平的要求和电路的简单化,可以利用MAX232的DC/DC转换器功能得到±10 V的电压。

MAX232芯片是Maxim公司生产的低功耗、单5 V电源供电、双RS 232发送/接收器,它的内部包含了+5 V及±10 V的两个电荷泵电压转换器,可以把输入的+5 V转换成RS 232所需的±10 V电压。MAX232可以从+10 V(V+)和-10 V(V-)输出端获取少量的电源功率,为外部电路供电。由于V+、V-未经稳压,输出电压会随负载电流的增大而下降,当V+、V-为外部电路提供电流时,不能使V+、V-低于EIA/TIA-232E驱动器输出电压最小值±5 V的限制[1,5]。实验结果显示,当MAX232为光电开关提供工作电流时,V+降为+8 V,V-为-10 V,电压范围大于±5 V,因此可以用MAX232驱动光电开关。

3 软件设计

串口是常用的计算机与外部串行设备之间的数据通道。实现串口通信有多种方法[4,5,6,7,8,9],并且各有优缺点,考虑到计时信号是单脉冲信号,可以从串口的某一个针脚输入,而不是数据的接收和发送,可以通过检测串口针脚的状态来得到计时脉冲信号。

在C++.NET中,有一个GetCommModemStatus()函数可以检测串口4个针脚的状态,具体返回值如表1所示。

经过选择,计时器采用CTS针脚作为信号输入端, PC机通过不断检测CTS针脚的状态来得到计时脉冲。设计流程如图3所示。

在C++.NET中提供了很多时间控制函数,在要求误差不大于1 ms的情况下,可以采用GetTickCount()函数,该函数的返回值是DWORD型,表示以ms为单位的计算机启动后经历的时间。比赛开始时调用一次GetTickCount(),得到时刻T1,到达终点后再调用一次GetTickCount(),得到时刻T2,T2-T1的时间差即为小车跑完一圈所用的时间。计时开始前先用CreateFile()打开串口,计时脉冲从CTS输入PC机。

程序原代码如下:

为了能实时显示时间的变化,可以使用SetTimer(1,10,TimerProc)函数,每隔一段时间刷新显示小车赛跑时间的变化。计时结束后调用KillTimer(1)关闭计时器,同时调用CloseHandle(m hcomm)关闭串口。

4 去抖动方法

在实验中发现,由于小车车体的不规则,在小车经过计时区时,CTS针脚的输入信号会出现抖动脉冲,如图4所示。

为了消除抖动脉冲的影响,可以有两种方法,一是使用Sleep()函数的延时功能,在检测到高电平后,延时一段时间,再次检测CTS针脚,如果仍是高电平,则记录时间,否则为抖动脉冲。由于Sleep()函数不仅使TimerProc线程暂停,同时还使整个程序进程暂停,影响了程序的界面操作,因此采用第二种方法。首先假设车体经过计时区所需时间不大于4 s,当第一个高脉冲到来时,记录下时间为T1,将第二个高脉冲到来的时间记为T2,如果T2-T1小于4 s,则认为是抖动脉冲,如果T2-T1大于4 s,则将结果记录下来作为比赛成绩输出显示。代码如下:

5 结 语

这款智能车计时器采用计算机进行计时处理,充分利用了计算机内部时钟计时的高精度,而且通过计算机也可以很方便地选择串口和设定赛车比赛圈数。实际使用证明,该智能车计时器具有操作简单,方便易用,可长时间工作,输出可视化的优点,同时计时精度高,成本低廉,满足比赛训练与计时的要求,可以广泛应用于智能赛车竞赛和性能测试研究。

参考文献

[1]MAXIM+5V-Powered,Multichannel RS 232 Drivers/Re-ceivers[EB/OL].http://cn.ic-on-line.cn/IOL/viewpdf/MAX232CPE 1664.htm.

[2]光电开关应用简介[DB/OL].http://www.ttet.cn/Article/JYXUYINGYONG/quanganqi/200709/6037.html.

[3]李雪梅.用51单片机制作加、减计时器[J].电子制作,2007(4):24-25.

[4]刘艳玲.采用MAX232实现MCS-51单片机与PC机的通信[J].天津理工学院学报,1999,15(2):57-61.

[5]徐兴元,沈宪章,瓮嘉民.PC机与单片机串行通信的一种新方法[J].矿山机械,2005(1):64-65.

[6]王宏伟,吴建设.基于VC++6.0的串行通信设计与实现[J].黄石高等专科学校学报,2003,19(2):16-19.

[7]曹连民,石健,黄德杰.VC++中实现PC机与单片机的串行通讯[J].山东科技大学学报:自然科学版,2003(1):100-102.

[8]王琳琅,张伯珩,边川平.Windows环境下PC机与单片机串行通信的实现[J].现代电子技术,2004,27(3):81-83.

[9]曾自强,王玉菡.用VC++实现单片机与PC机串口通信的三种方法[J].自动化与仪器仪表,2005(3):60-63.

智能寻迹小车 篇8

关键词：智能小车,光电对管,寻迹,脉冲宽度调制

在历届全国大学生电子设计竞赛中多次出现了集光、机、电于一体的简易智能小车题目。笔者通过论证、比较、实验之后，制作出了简易小车的寻迹电路系统。整个系统基于普通玩具小车的机械结构，并利用了小车的底盘、前后轮电机及其自动复原装置，能够平稳跟踪路面黑色轨迹运行。

总体方案

整个电路系统分为检测、控制、驱动三个模块。首先利用光电对管对路面信号进行检测，经过比较器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，输出相应的信号给驱动芯片驱动电机转动, 从而控制整个小车的运动。系统方案方框图如图1所示。

传感检测单元

小车循迹原理

该智能小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶, 由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。笔者在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理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，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，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，则小车上的接收管接收不到信号。

传感器的选择

市场上用于红外探测法的器件较多，可以利用反射式传感器外接简单电路自制探头，也可以使用结构简单、工作性能可靠的集成式红外探头。ST系列集成红外探头价格便宜、体积小、使用方便、性能可靠、用途广泛，所以该系统中最终选择了ST168反射传感器作为红外光的发射和接收器件，其内部结构和外接电路均较为简单，如图2所示：

ST168采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式。ST168的检测距离很小，一般为8～15毫米，因为8毫米以下是它的检测盲区，而大于15毫米则很容易受干扰。笔者经过多次测试、比较，发现把传感器安装在距离检测物表面10毫米时，检测效果最好。

R1限制发射二极管的电流，发射管的电流和发射功率成正比，但受其极限输入正向电流50mA的影响，用R1=150的电阻作为限流电阻, Vcc=5V作为电源电压，测试发现发射功率完全能满足检测需要;可变电阻R2可限制接收电路的电流，一方面保护接收红外管;另一方面可调节检测电路的灵敏度。因为传感器输出端得到的是模拟电压信号，所以在输出端增加了比较器，先将ST168输出电压与2.5V进行比较，再送给单片机处理和控制。

传感器的安装

正确选择检测方法和传感器件是决定循迹效果的重要因素，而且正确的器件安装方法也是循迹电路好坏的一个重要因素。从简单、方便、可靠等角度出发，同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，将大大提高其循迹的可靠性，具体位置分布如图3所示。

图中循迹传感器全部在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且黑线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于黑线的宽度。小车前进时，始终保持 (如图3中所示的行走轨迹黑线) 在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，它的存在是考虑到小车由于惯性过大会依旧偏离轨道，再次对小车的运动进行纠正，从而提高了小车循迹的可靠性。

软件控制单元

单片机选型及程序流程

此部分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。控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。由于51单片机具有价格低廉是使用简单的特点，这里选择了ATMEL公司的AT89S51作为控制核心部件，其程序控制方框图如图4所示。

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口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。

车速的控制

车速调节的方法有两种：一是用步进电机代替小车上原有的直流电机;二是在原有直流电机的基础上，采用PWM调速法进行调速。考虑到机械装置不便于修改等因素，这里选择后者，利用单片机输出端输出高电平的脉宽及其占空比的大小来控制电机的转速，从而控制小车的速度。经过多次试验，最终确定合适的脉宽和占空比，基本能保证小车在所需要的速度范围内平稳前行。

电机驱动单元

从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它外在负载时也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号的功率，从而能够根据需要控制电机转动。根据驱动功率大小以及连接电路的简化要求选择L298N，其外形、管脚分布如图5所示。

从图中可以知道，一块L298N芯片能够驱动两个电机转动，它的使能端可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路需要。另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压和功率，解决了负载能力不够这个问题。

结语

此方案选择的器件比较简单，实际中也很容易实现。经过多次测试，结果表明在一定的弧度范围内，小车能够沿着黑线轨迹行进，达到了预期目标。不足之处，由于小车采用直流电机，其速度控制不够精确和稳定，不能实现急转和大弧度的拐弯。

参考文献

[1].　赵家贵、付小美、董平, 新编传感器电路设计手册, 中国计量出版社, 2002

[2].　李华等, MCS-51系列单片机实用接口技术, 北京航空航天大学出版社, 2003

智能小车的设计与制作 篇9

一、总体设计方案

本设计以STC12C5410AD单片机为主控制器, 采用反射式红外传感器来完成小车循迹与躲避障碍物功能, 利用CX20106红外线接收解码芯片构成解码电路对道路前方的红、绿、黄信号灯发出的指挥信号进行解码, 单片机将该信号进行计算, 由LED数码管显示出当前所接收到信号频率大小, 单片机根据频率值的不同区分红、绿、黄灯的状态来控制小车的全速前进、减速运行、停车等待操作。

小车调速是通过调整单片机输出脉冲波形的占空比来实现, 小车转向分别由左右两个直流电机来控制。当小车在赛道行驶过程中遇到十字标识时, 单片机通过程序进行计数, 实现到达终点准确停车功能。

当小车行驶过程中遇有障碍物时, 小车车头左右两侧安放的光电接近开关就会将检测到的信号送给单片机进行识别, 当左侧光电接近开关检测到障碍物时, 单片机控制小车右转绕过障碍物;当右侧光电接近开关检测到障碍物时, 单片机控制小车左转绕过障碍物, 从而实现躲避障碍物的功能, 智能小车系统硬件结构框图如图1所示。

二、系统硬件电路设计

小车硬件电路主要包括:循迹检测电路、避障检测电路、单片机电路、数码管显示电路、声响提示电路、交通灯识别电路和直流电机驱动电路等组成。设计时将所有电路放置在一块线路板上, 并将该电路板作为小车底盘使用, 电路板上元件少, 几乎没有外接导线, 这就使小车电路简洁、抗干扰性能强, 安装简单、外形美观。

1. 交通信号灯模拟发生电路

该电路由大赛组委会在比赛时提供。为了在赛前做好充分的准备工作, 我们自己设计了功能完全相同的交通灯指示电路, 包括:单片机电路;红、黄、绿灯指示电路;红外线信号发射及调制电路;键盘电路等。其工作原理是当红、绿、黄三组交通灯分别点亮时, 由信号灯电路板上安装的红外线信号发生电路分别发射频率为250Hz、500Hz和1000Hz的信号。为了防止自然光线干扰, 增加信号发射能力, 通过调制电路将发射的信号调制在40k Hz的载波信号上。利用单片机的P1.0脚发射频率为40k Hz脉冲信号, 通过单片机的P1.1脚发射频率分别为250Hz、500Hz和1000Hz脉冲信号, 通过键盘电路实现交通灯状态切换, 及控制P1.1脚发射不同频率脉冲信号, 交通信号灯电路原理图如图2所示。

2. 交通灯信号识别电路

利用CX20106芯片构成的解码电路解调出40k HZ载波信号中的红、绿、黄灯信号。再利用单片机测量该信号的频率值, 通过数码管显示电路显示该信号频率大小, 便能区分红、黄、绿灯的状态, 交通灯灯信号识别电路如图3所示。

3. 小车循迹、避障检测电路

小车循迹检测传感器由四组红外线发射、接收器组成。四组检测传感器并排放着在小车前面底盘上, 利用中间的两组红外传感器检测赛道黑线, 实现小车循迹功能;利用四组红外传感器检测赛道停车标示线, 实现交通灯检测标志判别和终点停车等功能。如果循迹检测电路接收端输出0.3V左右电压, 则表示传感器检测到白纸, 单片机控制小车继续前进;如果接收电路输出4.3V左右电压时, 则表示检测到黑线, 小车做转弯处理, 如果左侧传感器检测到黑线, 单片机控制小车左转;如果右侧传感器检测到黑线, 单片机控制小车右转, 这样保证小车始终在黑线上行驶;如果四组传感器同时检测到黑线表示是赛道标示线, 单片机做计数处理, 同时检测交通灯发射的信号等。四组红外线接收电路输出的模拟电压信号送给STC12C5410AD单片机, 通过单片机内部的8位AD转换器转换成数字量来识别检测信号, 循迹检测传感器电路如图4所示。

避障检测电路采用购置的光电接近开关传感器, 其基本结构如图所示, 检测原理是当前方没有障碍物出现时, 光电接近开关输出端为高电平;当前方有障碍物出现时, 输出端为低电平;通过调整电位器RP的值调整检测距离大小, 光电接近开关使用示意图如图5所示。

4. 电机驱动电路

电机驱动采用L293D驱动电路, L293D工作电流1A, 工作电压在 (5~36V) , 电机采用5V的直流电机完全可以满足设计要求, 利用单片机 (STC12C5410AD) 内部的PWM端输出的脉冲调宽信号, 控制L293D的使能端EN端实现小车调速功能, 电机驱动电路如图6所示。

5. 整机电路图

小车整机电路图见图6。元件清单见表1。

L293D采用DIP封装 (16脚) , 其内部集成了2个双极性H桥电路, 工作电流约1A, H桥电路的输入信号可以用来控制电机转动方向, 使能信号可以用于脉宽调整。一片L293D内部集成了2个H桥电路, 可以驱动2个电机, L293D内部结构如图7所示。

CX20106采用8脚单列直插式塑料封装, 由前置放大器、限幅放大器、带通滤波器、检波器、积分器、整型电路组成。其中的前置放大器具有自动增益控制功能, 可以保证在红外线接收器接收较远反射信号输出微弱电压时放大器有较高的增益, 在近距离输入信号强时放大器不会过载。其带通滤波器中心频率可由芯片脚5的外接电阻调节, CX20106内部电路图如图8所示。

三、系统软件

智能小车程序设计流程图见图9~图11。

四、硬件制作及调试

该电路的设计将所有电路都放在一块PCB板上, 可用单面板来制作。

布局图和线路板图见图12所示。

1. 智能小车安装示意图

由于电子元器件的引脚较小, 所以使用功率为30W左右外热式电烙铁焊接即可, 小车焊接、安装示意图如图13所示。

2. 智能小车的调试

小车调试主要分三个部分:循迹避障电路调试、交通灯信号识别电路调试和电机驱动电路调试等。

(1) 循迹与避障电路调试, 分别将4组循迹传感器置于黑线和白线上, 利用万用表分别测量红外线接收器输出端电压值为0.2V左右 (红外传感器置于白纸上) 和4.7V左右 (红外传感器置于黑线上) 。否则调整红外发射与接收器的高度或者调整下相对安装角度, 直到满足要求为止, 发射、接收管安装如图14所示。

(2) 交通灯信号识别电路调试, 将交通信号灯上的红外发光管对准小车上的红外接收管, 通过按键控制分别依次点亮红、绿、黄灯, 在示波器上观察CX20106芯片7脚输出解码信号波形, 是否为250Hz (红灯) 、500Hz (绿灯) 、1000Hz (黄灯) , 否则进行电路器件参数调整。如, 调整R2的阻值, 使发射电路的中心频率为40k Hz。然后通过单片机检测三个信号频率值, 数码管显示器显示该值的大小, 电路中设置数码管显示电路目的是便于调试接收电路。

(3) 电机驱动电路调试, 该电路部分调试比较简单, L293D芯片EN1、IN1、IN2和EN2、IN3、IN4分别输入控制信号, 观察直流电机是否工作;然后利用单片机P3.5、P3.7输出PWM脉冲调宽信号, 观察电机转动速度变化情况, 如果电机转速无变化则检查软件程序或硬件电路部分是否存在问题。

五、注意事项

(1) 小车车轮安装中要注意同心度和同轴度, 否则在比赛过程中将出现跑偏, 例如, 赛道上有将近3m的空白区, 也就是没有任何标识, 小车行进到该区域后, 如果机械安装不合理, 在直线控制条件下, 也将会偏离前进方向。原因是安装时车轮偏离轴心线, 尽管通过PWM电机调速实现了两电机转速相同, 但小车行走的直线性仍然会不好, 达不到竞赛要求。

(2) 小车对交通灯信号识别也不能忽视, 在安装交通灯红外接收管时, 应注意接收角度, 因为比赛过程中所使用的交通灯信号发生器所发射红外线信号强度较弱, 且红外发射管使用热缩管包裹, 发射管只露出前面头的部分, 使得小车只在很小的范围内才能收到信号, 再加上小车行进速度较快, 因此小车接收红外线发射信号的效果就会很不理想, 将出现干扰, 使得小车误控制, 所以必须要注意安装角度。

(3) 安装时还要注意整车的配重问题, 否则将难以对小车进行控制, 一般要注意电池的安装位置, 通过电池进行配重调整。

智能循迹小车设计 篇10

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

智能小车 篇11

关键词：MC9S12XS128单片机；智能小车；传感器；循双线

中图分类号：TP368 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2013）18-0010-02

1 概述

智能车的制作是大学生锻炼动手能力、掌握课程知识和培养专业兴趣的一种很好的方式。竞赛方为了增加竞赛的趣味性与挑战性，比赛有了更新颖的方式。即：把小车由传统的循单线改为循双线，这加大了设计与调试的难度。本文针对2012年全国大学生“飞思卡尔杯”智能汽车大赛中光电组智能小车的制作，分析新规则下，如何设计系统的硬件、软件来完成循双线的效果。

2 系统总体设计方案

遵照组委会制定的竞赛规定，智能小车系统采用飞思卡尔的MC9S12XS128单片机作为核心控制单元。赛车的位置用光电传感器来采集，经单片机的I/O 口接收，由单片机处理后对赛车的运动过程进行控制。同时内部ECT模块发出PWM波，驱动直流电机对智能小车进行加速和减速控制，用舵机对赛车进行转向控制。在智能车电机输出轴上装上编码器，测量速度，达到对速度的采集和闭环控制。此外，还增加了功能选择按键作为智能车的工作方式的快速切换和显示屏用于显示信息。系统总体结构方框图如图1所示：

3 硬件电路设计方案

可靠的硬件设计是小车可以跑起来的必要条件。本次硬件电路主要是完成车身的机械组装、主板的设计以及传感器和旋转编码器的设计安装等。

3.1 主板设计

主板的设计任务主要是完成电路的电源模块、单片机外围电路、电机驱动电路、液晶模块电路等的设计。主板是小车的主体，需要合理且优化的设计才能让小车具有良好的性能。（1）电源模块。电源模块主要对电源进行管理，由于配套的电池是7.8V的，而采用的编码器、液晶、传感器等都是低于这一电压的，因此对电源进行处理是保证系统正常运行的重要因素。用LM7805将蓄电池的7.8V稳压到5V，供给单片机、激光传感器以及旋转编码器，再利用LM1117给液晶显示屏供3.3V的工作电压，这样就可以对电源进行分配与管理。（2）电机驱动。电机是带动后轮转动的装置，是智能小车的动力源。电机的驱动电路通常使用H桥式电路。典型的有MC33886、桥式驱动器TD340搭建H桥电路。本次设计选用成本相对低的MOS管IRF9540和IRF540与CMOS和非门芯片CD4011BE组成的H桥驱动电路。（3）其他。单片机外围电路的设计主要有电源、复位电路、振荡电路以及相关的保护电路的设计，与其他单片机外围电路没有太大差别，这里不累赘叙述。再次是液晶显示器的连接与安装，液晶显示器主要是用于显示所需信息，因此只要将液晶的对应引脚接上电源、地以及单片机的端口VDDF、PT3、PT4、PT5等即可。

3.2 传感器设计及安装

传感器是智能车的“眼睛”，是小车实现路径识别的关键器件。由于激光传感器性能稳定且灵敏，是光电智能车设计的首选。激光传感器由发射管和接收管组成，工作的时候，发射管发射激光，经过赛道物理面的反射由接收管接收，接收管将信号转换成电信号送给单片机。由于赛道分为黑白两色，激光传感器对颜色敏感，当检测到不同颜色时， 接收管会处于两个不同状态，表现为高低电平脉冲，单片机根据传感器搜集的路径情况，调节PWM的占空比来控制舵机的转向和电机的速度，达到控制目的。本设计中，使用两排“一字型”的传感器，各带有四个一对二（一个接收管对应两个发射管）的传感器。将激光架在车身上方，可以“看得更远”，赛道信息更丰富。传感器的距离设定在白色跑道内，当左边的传感器扫到黑线时，小车向右转，右边的传感器扫到黑线时，就左转。并且从外向内，越是靠近中间的接收管接收到变化，舵机的转向改变应该越大。

3.3 其他

硬件电路还有许多需要设计的，机身的机械组装主要是利用组委会规定车模，进行组装，并且对主销、前束、后轮距以及底盘高度进行调整，这里不多介绍。旋转编码器的安装主要是将编码器的齿轮与后轮杆上的齿轮相啮合，当电动机转动时，带动连杆与齿轮同速转动。编码器在不同的转速下，内部将产生不同频率的脉冲，送至单片机后就可以对速度进行测试并控制。

4 系统软件设计

智能小车系统的控制中心就是单片机MC9S12XS128，主要对速度传感器（旋转编码器）和位置传感器（激光传感器）采集到的信息进行处理分析，进而发出对電机和舵机的控制命令，实现对小车整体速度和转向的控制。软件设计的思路就是围绕这两点来进行的。系统通过在主程序中循环调用信号检测、信号处理、路径判断等等子功能模块，进行路径的识别，当检测到终点线的时候，小车停下来，若没有，就一直循环上面的步骤。这样小车就可以达到智能识别双线路径的控制效果。具体的软件设计流程图3所示：

5 结语

智能车的设计与制作是一项非常有趣味的实践，本文主要分析了一种新型的循双线智能车的制作方案，只重点对其硬件设计和软件设计做了详细的叙述。当然，智能车的设计制作所囊括的内容还很多，比如机械的设计、控制模块的设计和路径算法等。通过设计制作，小车可以自主识别赛道和行驶。该技术是智能机器人、智能导航的雏形，具有广泛应用前景。

参考文献

[1] 卓晴，黄开胜，邵贝贝.学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京：北京航空航天出版社，2007.

[2] 吴怀宇，程磊.学做智能车[M].北京：电子工业出版社，2008.

语音无线遥控智能小车设计 篇12

语音控制智能小车的设计方案主要采用语音识别[1]控制模块通过无线传输信号来控制小车的运动, 同时检测小车周围的环境, 采集相关信息。与大多数“智能小车”一样, 这里主要使用的是8位高性能51单片机来进行控制, 然而也很容易被16或32位系列的嵌入式[2]单片机代替控制。本文设计融合了电脑软件、无线通信、语音识别、电机驱动、红外光避障和温度采集等技术, 具有了语音识别系统的特点。传统的小车都是使用遥控器进行控制, 基本上没有使用语音来进行控制, 本设计也算是一次新的尝试。随着社会的不断发展, 人们可能会在小车的控制上有更新的设计思想。原来的红外无线遥控[3]技术不但受到距离的限制, 而且也远没语音控制更方便和智能, 无线通信使小车具备远程操控的能力, 这是红外通信望尘莫及的。此外, 本方案小车控制采用了红外避障模块, 可以自动躲避前方障碍物, 调整运动路线, 使用的51单片机具有极丰富的外设扩展, 这为以后小车功能升级和扩展奠定了很好的基础。

1总体设计方案

语音识别控制智能小车设计方案需要达到的目的是使用语音识别控制模块, 通过无线传输模块与小车控制端进行远距离通信, 使用红外避障[4]模块来躲避障碍物, 从而灵活控制小车的运动轨迹, 并采集小车的速度和温度, 时刻监测小车周围的环境。总体设计方案如图1所示。

1. 1硬件系统设计

硬件设计部分就是整个设计的外观, 所有功能的实现都要靠硬件展现在我们的面前, 它主要由电源模块、小车系统控制模块、电机驱动[5]模块、语音识别控制模块、无线发送与接收模块、红外避障模块和温度采集模块等构成。

1. 1. 1电源模块

采用4支1. 5 V电池单电源供电, 但6 V的电压太小不能同时给单片机与电机供电。然而可以利用驱动板的电源输出功能代替电池供电, 减少6 V的不稳定性和不安全性。

1. 1. 2系统控制模块

系统板的主 控制器采 用的是STC公司的STC89C52单片机, 它的内部资源比ATMEL公司的单片机要丰富的多, 采取5 V供电, 晶振可选择并支持80 M晶振, 核心芯片内部结构包括512 B的SDRAM、8 K的Flash只读存储器可重复擦写1 000次、1 K的EEPROM、6个中断源、2个基本定时器和32个普通输入输出I / O口等。

1. 1. 3无线发送与接收模块

无线发送与接收模块采用台湾普城公司生产的一款通用的编/解码集成芯片PT2262 /2272。它有很多用途, 比如在无线电通信设备中, 这款芯片常用作地址编码的识别。PT2262 /2272芯片一共可提供531 441个地址码选择, 就因为它具有可达到12位的地址管脚, 并且PT2262提供了6位数据端管脚, 芯片的第17脚是用来将设定的地址码和数据码以串行方式从此口输出, 可用于无线电[6]遥控发射电路。用户可以在PCB板上直接将地址引脚与L或H相连, 从而实现地址设置。PT2262与PT2272地址设置要完全一样。

1. 1. 4语音识别控制模块

本模块是用来将语音识别模块接收的语音信号通过STC10L08XE单片机的I/O口发送出去[7,8]。当外界传来语音信号时, 语音模块通过咪头接收到语音信息, 将其传给语音芯片LD3320进行处理, 将识别后的信号传给单片机, 单片机再将其通过I/O口输出, 只要输出端接上相应的硬件就可以达到驱动效果。语音识别模块如图2所示。

1. 2软件系统设计

系统主程序如图3所示。

1. 3扩展说明

本设计除了已达到的效果外, 后期经过进一步改进, 应该还可以添加可行的如下功能: 1通过测速模块采集小车的转速并显示在液晶显示屏上[9];2采用温度采集模块可以时刻监控周围环境的温度; 3利用超声波[10]模块进行测距。

2方案难点及关键技术

方案难点如下:

1小车的长时间运动需要消耗电能, 经常需要给电池充电, 没有达到要求的电压时还会出现不正常问题;

2语音识别技术还没有达到很成熟的地步, 很难排除环境干扰等因素, 有时会出现失控的局面。

关键技术如下:

1提供合适且稳定的电源给系统供电, 让其正常工作;

2了解语音信号的识别原理和过程[11];

3普通模式和口令模式2种语音识别模式的区别, 各自的作用和好处;

4掌握远距离信号传输的无线通信技术。

3系统仿真与结果分析

3. 1小车整体外观

语音无线遥控智能小车整体外观如图4和图5所示, 系统由小车底板和硬件模块组成, 小车控制电路放在小车上。小车控制器主要包括电机控制、红外避障、单片机核心板、无线发送与接收、语音识别控制和电源模块等部分组成。

3. 2系统调试

3. 2. 1硬件调试

按照仿真成功的电路图组装系统。1先是视检, 检查焊接好的系统板中是否存在明显的虚焊或漏焊情况; 2用万用表的欧姆档, 测各个主要连接中是否有虚焊或短路的情况; 3在给系统加电时, 如果发现电源输出的电压明显偏低或不正常时, 要立刻断电检查电路中是否有短路情况; 4在系统中各模块的供电正常和电路中不存在短路时, 再测试各个模块的功能是否能实现, 最后把各个调试正常的模块连接起来, 组成一个完整的系统, 等待软件的测试。

3. 2. 2软件调试

软件调试主要是在硬件调试完成后, 编写代码来测试各个功能模块能否与单片机进行正常通信, 最后检测整个系统是否能够正常工作。

3. 3测试结果分析

实物调试步骤如下:

1首先采用应答式训练, 每条指令的训练次数为2次, 每一条命令的训练过程都是一样的, 以“前进”为例说明: 步骤1: 小车提示“前进”; 步骤2: 告诉小车“前进”; 步骤3: 小车提示“请再说一遍” ( 重复训练提示音) ; 步骤4: 再次告诉小车“前进” ( 重复训练一次) 。这是一个完整的训练过程, 如果训练成功, 小车会自动进入下一条指令的训练, 并会提示下一条指令对应的动作; 如果没有训练成功, 小车会提示“说什么暗语呀”或者“没有听到任何声音”等信息, 需要重复上述的4个步骤, 直到成功为止。整个训练过程依次为: 前进—后退—左拐—右拐—停下。

2采用口令式直接对小车说前进, 或者倒车、左拐和右拐等, 小车如果识别出指令会有一个回应信号, 告之它要执行的动作, 然后执行该动作。如果想要小车执行其他动作, 直接告诉小车将要执行动作对应的指令即可。

通过与其他同类型的设计分析比较, 具有以下优势:

1目前玩具正向着智能化、人性化和廉价化的方向发展, 此款语音无线遥控智能小车符合玩具小车的发展趋势, 整个硬件电路大概在200元左右, 如果批量生产, 成本可降至60元左右, 和市场上的遥控小车相比, 具有很大的市场潜力, 它不仅可以应用于玩具市场, 对汽车自动行驶性能的研究也有很大的帮助;

2和SPCE061A单片机相比, 更适合升级和再度开发, 主要由单片机和语音识别芯片模块组成, 可以灵活选型, 满足市场要求;

3加了无线通信模块后, 可以让通信距离大幅度提高, 使控制变得更加自由。

4结束语

通过反复 调试, 实现了控 制电路以STC89C52RC单片机为核心, 语音识别模块和小车驱动模块的连接, 小车预想的功能, 完成了系统的架构。方案的意义在于将语音识别技术、无线通信技术和单片机技术有效结合, 突出体现了语音识别系统的含义, 未来必将广泛应用于社会生活和生产中。方案的应用领域主要有车载语音系统和电话语音识别声讯系统等。

参考文献

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[2]怯肇乾.嵌入式系统硬件体系设计[M].北京:航空航天大学出版社, 2007.

[3]王利红.基于红外传感智能巡线机器人研究与设计[J].微计算机信息, 2008 (29) :160-161.

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[5]张立.电动小车的循迹[J].电子世界, 2004 (6) :45-48.

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[7]张震宇, 王华.基于凌阳单片机的语音识别技术及应用[J].微计算机信息, 2007 (23) :2-8.

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[9]汤莉莉, 黄伟, 王春波, 等.基于Cortex-M3单片机的Wi Fi物联网小车的设计[J].无线电工程, 2014, 44 (4) :58-61.

[10]徐科军.传感器与检测技术[M].北京:电子工业出版社, 2007.