- 0 - 簡易智能電動車 摘要 本簡易智能電動車采用簡單的人工智能技術，以 據、紅外對射、反射傳感器、光電傳感器以及金屬探測傳感器所探測到的信號，可以自動尋跡，變速行駛，前輪轉動控制，正向逆向行駛，記憶狀態(tài)，車輛彎道尋跡運行，繞過障礙物行駛，準確進入車庫并停車，實時探測金屬薄片存儲相關信息并發(fā)出聲光信號，以及測量全程時間、全程路程等功能。 關鍵詞 ： 電檢測器、 速、電動小車 TC in to - 1 - 目 錄 一、 前 言 .、總體方案 設計 .、 控制器模塊 .、控制 電機的選擇 的比較與論證 .、 電機驅動模塊的選擇 .、 路面軌跡探測模塊 .、 金屬探測方案比較 .、 障礙探測模塊方案分析與比較 .、 尋找光源方案分析與比較 .、 路程測量選擇 .、 電源選擇 .0、 顯示模塊 選擇 .1、 系統(tǒng)總體設計方案和實現方框圖 .、單元模塊設計 . . 1、 路面軌跡探測電路 . . 2、 探測金屬模塊 . . 3、 電機驅動電路 . . 4、 超聲避障模塊電路 . . 5、 霍爾測距模塊 . . 6、 光敏二極管電壓信號采集 . 四、系統(tǒng)調試 . 1、 硬件調試 . 2、 軟件調試 . 3、 軟硬件結合調試 . 4、 系統(tǒng)軟件的設計 . 五、系統(tǒng)功能、指標參數 . 六、設計總結 . 參 考 文 獻 . 附錄 硬件原理圖 . - 2 - 一、前言 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。設計的智能電動小車應該能夠實時顯示時間、速度、里程，具有自動尋跡、尋光、避障功能，可程控行駛速度、準確定位停車。 根據題目的要求，確定如下方案：在現有玩具電動車的基礎上，加裝光電、紅外線、 超聲波傳感器及金屬探測器，實現對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量，并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動車的智能控制。 這種方案能實現對電動車的運動狀態(tài)進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項要求。本設計采用 用超聲波傳感器檢測道路上的障礙，控制電動小汽車的自動避障，快慢速行駛，以及自動停車，并可以自動記錄時間、里程和速度，自動尋跡和尋光功能。 80一款八位單片機，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評。它是第三代 單片機的代表。 本設計就采用了比較先進的 8080藝，功耗很低。該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設計與實際相結合，現實意義很強 。 二、總體方案設計 1、 控制器模塊 ： 方案 1：采用 優(yōu)點： 可以實現復雜邏輯功能，規(guī)模大，速度快，密度高，體積小，穩(wěn)定性高，容易實現仿真、調試和功能擴展。 缺點： 成本高，引腳多， 復雜。本設計對數據的處理要求不高，此方案的優(yōu)勢得不到充分體現。 方案 2：采用 51案。 優(yōu)點：算術運算功能強，軟件編程靈活，自由度大，技術成熟，體積小，成本低， - 3 - 容易實現仿真、調試和功能擴展，并而 51運用我們比較熟練。 缺點：速度相對較低。 方案 3：采用嵌入式處理器 （ 案。 優(yōu)點： 運算功能強大，速度較快，編程靈活，自由度大，外圍器件少，成本適中，容易實現仿真、調試和功能擴展。 缺點： 本設計可采也用此方案，取決于對相關技術的熟悉程度。所以我們選擇方案 2。 2 控制 電機的選擇 的比較與論證 ： 方案一：使用步進電機。步進電機的優(yōu)點是具有快速啟動和停轉能力、轉 動角度精確。但此方案缺點顯著，步進電機的功率小、速度慢，另外，其價格較高，且在原有的小車結構上不易找到合適的步進電機進行安裝，硬件改造難度很高。 方案二：使用小車上原有的直流電機。雖然直流電機不易精確控制，但對 于小車來說，其精確性并不十分重要。而其調速平滑方便，可實現頻繁的無級快速起動、制動和反轉；調整范圍廣、過載能力強、能承受頻繁的沖擊負載等優(yōu)點則顯得尤為突出。 經比較驗證，顯然方案一的機械結構 也短時間內難以滿足題目的要求，而方案二本身是與小車相兼容的，性能也比較好，采用方案二。 方案一：采用繼電器對電動機的開或關進行控制。通過控制開關的切換速 度實現對小車的速度進行調整。此方案電路簡單，但繼電器易損壞、壽命短，可靠性不高。 方案二： 采用由分離元件達林頓管組成的 種電路由于管子交替工作在飽和與截止的模式下，因此效率非常高； 子開關的速度很快，穩(wěn)定性也極強。 方案三 :采用單片集成電路 集成的橋 式驅動電路，最大驅動電流可達到 4A， 可簡單的實現轉速和方向的控制 。 缺點： - 4 - 小車啟動時，由于突然施加的電壓比較高，車輪容易打滑。 由于我們 對方案二不是很熟悉，綜合總個系統(tǒng)的設計。我們選擇了方 案三。 4、路面軌跡探測模塊： 方案一：用光敏傳感器。地面的黑色和白色反光程度不同，由此判斷傳感 器是否在黑線上方。但此方法易受到外界光源的影響，檢測的靈敏度與小車的行駛環(huán)境有關，這就降低了系統(tǒng)的適應能力和可靠性。 故最終未采用該方案。 方案二 ： 分別置于軌道的兩側，根據其接受到白線的先 后來控制小車轉向 來調整車向，但測試表明，如果兩只光電開關之間的距離很小，則約束了速度 ，如果著重于小車速度的提升，則隨著車速的提升，則勢必要求兩只光電開關之間的距離加大，從而使得小車的行駛路線脫離軌道幅度較大，小車將無法快速完成準確的導向從而有可能導致尋跡失敗。 方案三、 用三只光電開關： 一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側，當小 車脫離軌道時，即當置于中間的一只光電開關脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調整，直到中 間的光電開關重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復正向行駛。現場實測表明，雖然小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺（因為所購小車的內部結構決定了光電開光之間的距離到達不了精確計算值 1厘米），但只要控制好行駛速度就可保證車身基本上接近于沿靠軌道行駛。 綜合考慮到尋跡準確性和行駛速度的要求，采用方案三 。 5、 金屬探測方案比較 ： 方案一、使用 探測線圈和探測儀 構成的金屬探測器。此類金屬探測器利用 探測線圈產生 的 交變磁場 在接近 金屬 材料時產生 微弱變化 這一原理 ， 將變化信號放大處理進而實現探測金屬的目的。由于該探測器結構復雜，在 短期內不可能完成制作，為節(jié)省時間，我們放棄了該方案。 方案二、使用電感式接近開關代替金屬探測器。電感式接近開關本身就 是 理想的傳感器。當金屬 物體 接近開關的感應區(qū)域，開關就能無接觸，無壓力、無火花、迅速 作出反應。用它作為本次小車的金屬傳感器，簡單易行、準確且抗干擾性能優(yōu)越。 - 5 - 本系統(tǒng)中采用方案二。 6、 障礙探測模塊方案分析與比較 ： 方案一、采用一只紅外傳感器置于小車中央。一只紅外傳感器小車中央安 裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會 與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉向反應。 方案二：利用激光測距來測量有效的安全距離來控制。此方案探測距離準確、性能可靠；但造價較高，器件不易購買。 方案三：采用超聲波探測。由于超聲波頻率高、波長短、定向性好，而且振幅小、加速度大、能量集中，適合于測量距離。特別是對這一題目而言，超聲波不易受強光干擾，提高了系統(tǒng)的可靠性。 智能小車應以準確、智能見優(yōu) 。因此 ，采用方案三。 7、 尋找光源方案分析與比較 ： 方案 一 ：采用光敏電阻。在車頭部裝朝四個不同方向的光敏電阻，當光敏電阻受到光源照射時，電阻很小，背光時電阻很大。通過一個 集四路光敏電阻上的分壓，通 過比較實現光源的探測。 方案二 ：采用被動式紅外探測器。被動式紅外探測器內部只有接收紅外光的光敏三極管，只能被動地接收障礙物等其他物體發(fā)射的紅外光。這種檢測方法利用日光燈發(fā)熱產生的較強的紅外光來檢測光源，在能檢測到和不能檢測到光源的臨界點，光敏三極管的射極輸出電壓有一個較大的躍變，便于后級處理。 由于通過 集 比較麻煩。所以我們選擇了方案二。 8、 路程測量 選擇 ： 方案一：借鑒光電鼠標的工作原理。在車輪上均勻地安裝多個遮光條， 用計數光脈沖的方法測量小車的位移，并據此計算車子的速度。 方案二：用霍爾開關感應 車輪的轉速。在車輪上均勻地安裝磁片，在車 輪中心軸上安裝霍爾開關。 - 6 - 考慮到方案二安裝相對簡單，且能夠達到題目要求，因此我們選擇了方案二。 9、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 造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電。 方案二：雙電源供電。對電機驅動電路與單片機以及其周邊電路分別獨立供電。這樣做可以消除電動機驅動所造成的干擾，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 由于系統(tǒng)穩(wěn)定性對小車完成即定任務至關重要，故采用方案二。 10、 顯示模塊 選擇： 方案 1：使用 優(yōu)點 ：功耗小，顯示形式多樣。 缺點： 編程難度較高，亮度較低。 方案 2： 使用 優(yōu)點 ：編程難度低。 缺點： 功耗較大，電路連接相對較復雜。 我們選擇了方案二。 系統(tǒng)總體設計方案和實現方框圖 ： 本題是一個光、機、電一體的綜合設計，在設計中運用了檢測技術、自動控制技術和電子技術，系統(tǒng)可分為傳感器檢測部分和智能控制部分。 傳感器檢測部分：系統(tǒng)利用光電、金屬、超聲波等傳感器完成對路面、障礙物、路程、光源和金屬物的探測或檢測，因此有相應的 5個電路。 智能控制電路部分：根據傳感器變換輸出的電信號進行邏輯判斷，控制小車的電機、顯示數碼管、蜂鳴器以及發(fā)光二極管，完成小車的自動尋跡、探測金屬、逃避障礙物、尋找光源、顯示路程等各項任務?？刂撇糠职?機驅動電路和 示 電路。 - 7 - 綜上所述，系統(tǒng)總體方框圖如圖 2 1所示： 圖 2 1 系統(tǒng)框圖 三、單元模塊設計 1. 路面軌跡探測電路：2面探測 電機驅動 鐵片檢測 行程測量 聲音提示 光源檢測 障礙 探測 圖 3 1 紅外傳感器工作原理 - 8 - 二極管和光敏三極管組成，由發(fā)光二極管發(fā)出的光線經地面反射后射入光敏三極管并控制其通斷。如圖 3 1所示，當傳感器處于黑線上方時，由于黑線紅外光線的反射能力很弱，光敏三極管截止，輸出端輸出為高電平；反之，傳感器離開黑線時，輸出端輸出為低電平。 我們采用了 5個 控制 控制小車的行駛，實現循跡功能。 電感式接近開關屬于一種有開關量輸出的位置傳感 器，它由 頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個能產生電磁場的振蕩感應頭時，使物體內部產生渦流。這個渦流反作用于接 近開關，使接近開關振蕩能力衰減，內部電路的參數發(fā)生變化，由此識別出有無金屬物體接近，進而控制開關的通或斷。 我們選用的接近開關外部引出了藍、黑、棕三個顏色的線。其外部電路 如圖 3 2所示。當檢測到金屬時，輸出端輸出低電平。 從單片機通過 現對鐵片的探測和計數。 3 電機驅動電路 ： 圖 3 3 電機驅動電路 電機驅動采用的是 單片集成電路 成 機驅動電路 ，其電路原理 ： 圖 3 2 接近開關工作示意圖 - 9 - 4超聲避障模塊電路 ： 1234567141312111098 4 超聲波發(fā)射電路 我們在車頭安裝了 超聲 探頭，用于探測障礙物。 該電路由反相器和超聲波 - 10 - 發(fā)射換能器 T 構成，由單片機定時器產生的 40方波信號由 輸出。經 74相器發(fā)射，提高發(fā)射的功率。 4 5所示。 設計中采用了紅外線檢波接收專用芯片 作超聲波檢波接收電路，該芯片常用于電視機紅外 遙控接收器。因紅外遙控常用的載波頻率 380以可以利用該芯片作為接收電路使用。 5霍爾測距模塊 ： 置于磁場中的靜止載流導體，當它的電流方向與磁場方向 不一致時，載流 導體上平行于電流和磁場方向的兩個面之間產生電動勢，這種現象稱霍爾效應。 由于汽車后輪是驅動輪，容易與地面打滑，測速傳感器必須安裝在前輪 。 為了提高測量精度，如圖 3示，我們在一個前輪上均勻安裝了 3 個磁片 ,每當磁鐵片經過霍爾片時，傳感器輸出端輸出一個脈沖，通過主單片機的定時器來計數脈沖個數 4，依此計算車子的行程。假設 車輪周長為 C，則車子行程為 s=，結合車子行駛時間 t，又可得車子的平均速率為 v=s/t。結合實際情況產圖 3霍爾開關測距原理示意圖 - 11 - 生調速信號，發(fā)給從單片機，從而實現速度反饋調節(jié)。 6光敏 二極管 電壓信號采集 ： 采用被動式紅外探測器。被動式紅外探測器內部只有接收紅外光的光敏二極管，只能被動地接收障礙物等其他物體發(fā)射的紅外光。這種檢測方法利用日光燈發(fā)熱產生的較強的紅外光來檢測光源。 7 光源采 集電路 四、系統(tǒng)調試： 1、硬件調試： 2、軟件調試： 車速調節(jié) 的 方法有兩種：一 是 用步進電機代替小車上原有 的 直流電機；二是 在原有直流電機 的 基礎上，采用 慮到 步進電機的復雜性和 不便于修改等因素，這里選擇后者，利用單片機輸出端輸 出高電平 的 脈寬及其占空比 的 大小來控制電機 的 轉速，從而控制小車 的 速度。經過多次試驗，最終確定合適 的 脈寬和占空比，基本能保證小車在所需要 的 速度范圍內平穩(wěn)前行。 分析電路圖 模塊電路測試 總體測試 總結 - 12 - 3、軟硬件結合調試： 經過多次的調試和檢測；智能小車能按照預想的那樣正常工作，問題不大， 實驗測試結果滿足要求。 4、 系統(tǒng)軟件的設計 ： 五、系統(tǒng)功能、指標參數： 1測試儀器： 卷尺 、秒表 2. 測試方法與結果 ： 讓小車在跑道上跑完全程，觀察小車實際實現的功能。我們讓小車跑 5次全程，記