本文格式為Word版，下載可任意編輯——無(wú)線充電電動(dòng)小車(chē)方案電子設(shè)計(jì)大賽一、任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個(gè)簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車(chē)，其行駛路線示意圖如下：

二、要求1、根本要求（1）電動(dòng)車(chē)從起跑線啟程（車(chē)體不得超過(guò)起跑線），沿引導(dǎo)線到達(dá)B點(diǎn)。在“直道區(qū)”鋪設(shè)的白紙下沿引導(dǎo)線埋有1~3塊寬度為15cm、長(zhǎng)度不等的薄鐵片。電動(dòng)車(chē)檢測(cè)到薄鐵片時(shí)需立刻發(fā)出聲光指示信息，并實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示在“直道區(qū)”檢測(cè)到的薄鐵片數(shù)目。

（2）電動(dòng)車(chē)到達(dá)B點(diǎn)以后進(jìn)入“彎道區(qū)”，沿圓弧引導(dǎo)線到達(dá)C點(diǎn)（也可脫離圓弧引導(dǎo)線到達(dá)C點(diǎn)）。C點(diǎn)下埋有邊長(zhǎng)為15cm的正方形薄鐵片，要求電動(dòng)車(chē)到達(dá)C點(diǎn)檢測(cè)到薄鐵片后在C點(diǎn)處停車(chē)5秒，停車(chē)期間發(fā)出斷續(xù)的聲光信息。

（3）電動(dòng)車(chē)在光源的引導(dǎo)下，通過(guò)障礙區(qū)進(jìn)入停車(chē)區(qū)并到達(dá)車(chē)庫(kù)。電動(dòng)車(chē)務(wù)必在兩個(gè)障礙物之間通過(guò)且不得與其接觸。

（4）電動(dòng)車(chē)完成上述任務(wù)后應(yīng)立刻停車(chē)，但全程行駛時(shí)間不能大于90秒，行駛時(shí)間達(dá)成90秒時(shí)務(wù)必立刻自動(dòng)停車(chē)。

2、發(fā)揮片面（1）電動(dòng)車(chē)在“直道區(qū)”行駛過(guò)程中，存儲(chǔ)并顯示每個(gè)薄鐵片（中心線）至起跑線間的距離。

（2）電動(dòng)車(chē)進(jìn)入停車(chē)區(qū)域后，能進(jìn)一步切實(shí)駛?cè)胲?chē)庫(kù)中，要求電動(dòng)車(chē)的車(chē)身完全進(jìn)入車(chē)庫(kù)。

（3）停車(chē)后，能切實(shí)顯示電動(dòng)車(chē)全程行駛時(shí)間。

（4）其它。

三、評(píng)分標(biāo)準(zhǔn)工程總分值根本要求設(shè)計(jì)與總結(jié)報(bào)告：方案對(duì)比、設(shè)計(jì)與論證，理論分析與計(jì)算，電路圖及有關(guān)設(shè)計(jì)文件，測(cè)試方法與儀器，測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析50實(shí)際完成處境50發(fā)揮片面完成第（1）項(xiàng)15完成第（2）項(xiàng)17完成第（3）項(xiàng)8其它10四、說(shuō)明1、跑道上面鋪設(shè)白紙，薄鐵片置于紙下，鐵片厚度為0.5～1.0mm。

2、跑道邊線寬度5cm，引導(dǎo)線寬度2cm，可以涂墨或粘黑色膠帶。示意圖中的虛線和尺寸標(biāo)注線不要繪制在白紙上。

3、障礙物1、2可由包有白紙的磚組成，其長(zhǎng)、寬、高約為50cm12cm6cm，兩個(gè)障礙物分別放置在障礙區(qū)兩側(cè)的任意位置。

4、電動(dòng)車(chē)允許用玩具車(chē)改裝，但不能由人工遙控，其外圍尺寸（含車(chē)體上附加裝置）的限制為：長(zhǎng)度≤35cm，寬度≤15cm。

5、光源采用200W白熾燈，白熾燈泡底部距地面20cm，其位置如下圖。

6、要求在電動(dòng)車(chē)頂部明顯標(biāo)出電動(dòng)車(chē)的中心點(diǎn)位置，即橫向與縱向兩條中心線的交點(diǎn)。

一、方案選擇與論證1、運(yùn)動(dòng)方式的選擇通常的運(yùn)動(dòng)方法有輪式和履帶驅(qū)動(dòng)式兩種，其選擇憑借于路面狀況、機(jī)械繁雜性和操縱繁雜性。

方案一：采用四輪——常見(jiàn)的汽車(chē)布局模式特點(diǎn)是一個(gè)馬達(dá)作為動(dòng)力，通過(guò)變速箱驅(qū)動(dòng)后輪；

另一個(gè)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)向輪來(lái)抉擇行駛方向。優(yōu)點(diǎn)是在直道行駛速度較快、方向和速度相互獨(dú)立。

缺點(diǎn)為轉(zhuǎn)彎半徑大、驅(qū)動(dòng)輪易打滑、導(dǎo)向輪方向不易精確操縱。

方案二：采用履帶式布局特點(diǎn)：兩個(gè)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)兩條履帶。優(yōu)點(diǎn)是可以在原地轉(zhuǎn)動(dòng)；

在不平的路面上性能穩(wěn)定，牽引力大。缺點(diǎn)為速度慢、速度和方向不能單獨(dú)操縱摩擦力很大；

能量損耗大，機(jī)械布局繁雜。

我們選擇方案一2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速方案論證電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速方案的操縱目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)及調(diào)速方案一：電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整分壓采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器分壓調(diào)整電動(dòng)機(jī)的電壓。但電動(dòng)機(jī)工作電流很大；

分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。

方案二：采用繼電器開(kāi)關(guān)操縱采用繼電器操縱電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)，通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換調(diào)整車(chē)速。優(yōu)點(diǎn)是電路簡(jiǎn)樸，缺點(diǎn)是響應(yīng)時(shí)間慢、操縱精度低、機(jī)械布局易損壞、壽命較短、穩(wěn)當(dāng)性低。

方案三：

H型PWM電路采用電子開(kāi)關(guān)組成H型PWM電路。

H型電路保證了簡(jiǎn)樸的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的操縱；

用單片機(jī)操縱電子開(kāi)關(guān)工作的占空比，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。最終選擇方案三。

3、路面探測(cè)方案論證探測(cè)路面黑線的原理：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，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷傳感器和黑線相對(duì)位置。

方案一：采用可見(jiàn)光發(fā)光二極管和光敏二極管采用普遍可見(jiàn)光發(fā)光管和光敏管組成的放射－接收電路。其缺點(diǎn)在于易受到環(huán)境光源的影響。即便提高發(fā)光管亮度也難以抗?fàn)幫饨绻獾母蓴_。

方案二：采用反射式紅外放射－接收器采用反射式紅外放射－接收器。直接用直流電壓對(duì)放射管舉行供電，其優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)樸，對(duì)環(huán)境光源的抗干擾才能強(qiáng)，在要求不高時(shí)可以使用。

方案三：采用脈沖調(diào)制的紅外放射－接收器在方案二的根基上采用脈沖調(diào)制放射。由于環(huán)境光干擾主要是直流分量，因此假設(shè)采用帶有特定交流分量的調(diào)制信號(hào)，那么可在接收端采用相應(yīng)的手段來(lái)大幅度裁減外界干擾。缺點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)繁雜﹑本金高。

根據(jù)此題目中對(duì)探測(cè)地面的要求，由于傳感器可以在車(chē)體的下部，放射、接收距地面都很近，外界光對(duì)其的干擾都很小。在根本不影響效果的前提下，為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，我們選用了方案二。

4、障礙物探測(cè)模塊方案一：超聲波探測(cè)采用超聲波器件。超聲波波瓣較寬，一個(gè)發(fā)生器就可以監(jiān)視較寬的范圍。其優(yōu)點(diǎn)為抗干擾才能強(qiáng)，不受物體外觀顏色的影響。缺點(diǎn)為實(shí)現(xiàn)電路繁雜，且用通常的測(cè)量方法在較近距離上有盲區(qū)。

方案二：光電式探測(cè)采用光電式放射、檢測(cè)模塊。由于單個(gè)放射器的照射范圍不能太小，因此不使用激光管。用波瓣較寬的脈沖調(diào)制型紅外放射管和接收器。其優(yōu)點(diǎn)是電路實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)樸，抗干擾性較強(qiáng)。

由于題目中已知障礙物外表為白色，有利于紅外線的反射。同時(shí)從電路實(shí)現(xiàn)的難易程度上考慮，我們最終選擇了方案一。

5、尋光定向模塊題目條件是在終點(diǎn)線后放置200W白熾燈用以指向，因此采用普遍光敏三極管舉行檢測(cè)。

方案一：車(chē)轉(zhuǎn)式安裝采用固定方向安裝方式。將兩個(gè)光敏三極管固定在車(chē)頭的左右兩邊指向前方，當(dāng)車(chē)頭對(duì)準(zhǔn)光源時(shí)，兩傳感器輸出平衡；

當(dāng)車(chē)的方向不準(zhǔn)時(shí)，通過(guò)兩傳感器輸出的區(qū)別操縱車(chē)原地轉(zhuǎn)向來(lái)探索光源。

方案二：模擬雷達(dá)掃描用裝在車(chē)底盤(pán)上的步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)圓盤(pán)左右掃描，裝在圓盤(pán)上的光敏傳感器通過(guò)掃描，可以切實(shí)定位光源。

我們采用了方案一。

6、車(chē)輪檢速及路程計(jì)算模塊方案一：磁感應(yīng)式采用霍爾元器件（霍爾元器件應(yīng)用霍爾效應(yīng)，輸出量與磁場(chǎng)的大小有關(guān)）并在車(chē)輪上安裝磁片，利用位置固定的開(kāi)關(guān)型霍爾元器件來(lái)檢測(cè)車(chē)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)，通過(guò)單位時(shí)間內(nèi)的脈沖數(shù)舉行車(chē)速測(cè)量。

方案二：光反射式采用反射式紅外器件。在車(chē)輪輪輻面板上平勻畫(huà)出黑底白線或白底黑線，通過(guò)正對(duì)線條的反射式紅外器件，產(chǎn)生脈沖。通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)測(cè)速。

方案三：光對(duì)射式采用對(duì)射式紅外傳感器。在輪輻面板上平勻刻出孔，在輪子兩側(cè)固定相對(duì)的紅外放射、接收器件。在過(guò)孔處接收器可以接收到信號(hào)。從而輪子轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)可以產(chǎn)生連續(xù)脈沖信號(hào)，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)舉行車(chē)速測(cè)量。

選擇了方二。

7、供電電源選擇空8、方案論證總結(jié)綜上所述，本設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

二、硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1、電動(dòng)機(jī)PWM驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)概括電路如圖2所示。本電路采用的是基于PWM原理的H型驅(qū)動(dòng)電路。采用H橋電路可以增加驅(qū)動(dòng)才能，同時(shí)保證了完整的電流回路。

圖2H型驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)當(dāng)為高電平，為低電平日，、管導(dǎo)通，、管截止，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)為低電平，為高電平日，、管截止，、管導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)工作狀態(tài)切換時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生反向電流，通過(guò)四個(gè)養(yǎng)護(hù)二極管D1、D2、D3、D4接入回路，防止電子開(kāi)關(guān)被反向擊穿。

采用PWM方法調(diào)整馬達(dá)的速度，首先應(yīng)確定合理的脈沖頻率。脈沖寬度確定時(shí)，頻率對(duì)電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性有較大影響，脈沖頻率高馬達(dá)運(yùn)行的連續(xù)性好，但帶負(fù)載才能差；

脈沖頻率低那么反之。經(jīng)試驗(yàn)察覺(jué)，脈沖頻率在50Hz以上，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)平穩(wěn)，但智能車(chē)行駛時(shí)，由于摩擦力使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，甚至停轉(zhuǎn)。當(dāng)脈沖頻率在10Hz以下時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯的跳動(dòng)現(xiàn)象，經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，本車(chē)在脈沖頻率為15～20Hz時(shí)操縱效果最正確。為便當(dāng)測(cè)量及操縱，在實(shí)際中我們采用了20Hz的脈沖。

脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)理加在電機(jī)兩端的平均功率，其表達(dá)式為：

式中P為電機(jī)兩端的平均功率；

為電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的功率；

K為脈寬。

當(dāng)K=1時(shí)，相當(dāng)于參與直流電壓，這時(shí)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，；

當(dāng)K=0時(shí)，相當(dāng)于電機(jī)兩端不加電壓，電機(jī)靠慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。

當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定開(kāi)動(dòng)后，有(f為摩擦力)那么所以，由上式可知智能車(chē)的速度與脈寬成正比。

由上述分析，、這對(duì)操縱電壓采用了20Hz的周期信號(hào)操縱，通過(guò)對(duì)其占空比的調(diào)整，對(duì)車(chē)速舉行調(diào)理。同時(shí)，可以通過(guò)、的切換來(lái)操縱電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

在實(shí)際調(diào)試中，我們察覺(jué)由于橋式電路中四個(gè)三極管的參數(shù)不一致，使操縱難度加大，因此我們用專(zhuān)用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)管L298構(gòu)成。

圖3L298內(nèi)部電路使用一片L298便可完成對(duì)兩路電機(jī)的操縱。

圖4用L298實(shí)現(xiàn)雙路電機(jī)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)信號(hào)由單片機(jī)的P1.1~P1.4口輸出，同時(shí)使用一片74HC08驅(qū)動(dòng)LED完成行駛狀態(tài)指示。

在工業(yè)操縱系統(tǒng)中，單片機(jī)總要對(duì)操縱對(duì)象實(shí)現(xiàn)操作，因此，在這樣的系統(tǒng)中，總要有后向通道。后向通道是計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)操縱運(yùn)算處理后，對(duì)操縱對(duì)象的輸出通道接口。

根據(jù)單片機(jī)的輸出和操縱對(duì)象實(shí)現(xiàn)操縱信號(hào)的要求，后向通道具有以下特點(diǎn)：

（1）小信號(hào)輸出、大功率操縱。根據(jù)目前單片機(jī)輸出功率的限制，不能輸出操縱對(duì)象所要求的功率信號(hào)。

（2）是一個(gè)輸出通道。輸出伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)操縱信號(hào)，而伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中的狀態(tài)反應(yīng)信號(hào)通常是作為檢測(cè)信號(hào)輸入前向通道。

（3）接近操縱對(duì)象，環(huán)境惡劣。操縱對(duì)象多為大功率伺服驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，電磁、機(jī)械干擾較為嚴(yán)重。但后向通道是一個(gè)輸出通道，而且輸出電平較高，不易受到直接損害。但這些干擾易從系統(tǒng)的前向通道竄入。

單片機(jī)在完成操縱處理后，總是以數(shù)字信號(hào)通過(guò)I/O口或數(shù)據(jù)總線送給操縱對(duì)象。這些數(shù)字信號(hào)形態(tài)主要有開(kāi)關(guān)量、二進(jìn)制數(shù)字量和頻率量，可直接用于開(kāi)關(guān)量、數(shù)字量系統(tǒng)及頻率調(diào)制系統(tǒng)，但對(duì)于一些模擬量操縱系統(tǒng)，那么應(yīng)通過(guò)數(shù)／模轉(zhuǎn)換成模擬量操縱信號(hào)。

根據(jù)單片機(jī)輸出信號(hào)形態(tài)及操縱對(duì)象要求，后向通道應(yīng)解決：

（1）功率驅(qū)動(dòng)。將單片機(jī)輸出信號(hào)舉行功率放大，以得志伺服驅(qū)動(dòng)的功率要求。

（2）干擾防治。主要防治伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)通過(guò)信號(hào)通道﹑電源以及空間電磁場(chǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的干擾。通常采用信號(hào)隔離﹑電源隔離和對(duì)功率開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)過(guò)零切換等方法舉行干擾防治。

（3）數(shù)/模轉(zhuǎn)換。對(duì)于二進(jìn)制輸出的數(shù)字量采用D/A變換器；

對(duì)于頻率量輸出那么可以采用本設(shè)計(jì)調(diào)速采用PWM調(diào)速[5]：

為順?biāo)鞂?shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車(chē)的左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)，本設(shè)計(jì)采用了可逆PWM變換器。可逆PWM變換器主電路的布局式有H型、T型等類(lèi)型。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。圖3.4為雙極式H型可逆PWM變換器的電路原理圖。

4個(gè)電力晶體管的基極驅(qū)動(dòng)電壓分為兩組。VT1和VT4同時(shí)導(dǎo)通和關(guān)斷，其驅(qū)動(dòng)電路中Ub1=Ub4；

VT2和VT3同時(shí)動(dòng)作，其驅(qū)動(dòng)電壓Ub2=Ub3=-Ub1。

雙極式PWM變換器的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）電流確定連續(xù)；

（2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行；

（3）電機(jī)中斷時(shí)有微