竞速智能循迹小车设计报告

参赛队伍——

参赛人——胡沁玫，万超

                    目录

摘要:………………………………………………

引言：………………………………………………

设计方案：…………………………………………

报告内容安排：……………………………………

技术方案说明：……………………………………

一、 总体模块：……………………………………

二、 设计思路：……………………………………

硬件电路的设计：……………………………………

一、 最小系统：………………………………………

二、 电源电路设计：…………………………………

三、 传感器电路：……………………………………

四、 电机驱动电路：…………………………………

小车调试：……………………………………………

小车循迹规则：………………………………………

软件系统的实现：……………………………………

制作总结：……………………………………………

摘要：

   本次参赛作品是基于AT89S52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。

引 言

当今世界，传感器技术和自动控制技术正在飞速发展，机械、电气和电子信息已经不再明显分家，自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要，“智能”这个词也已经成为了热门词汇。现在国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的水平，特别是日本，比如日本本田制作的机器人，其仿人双足行走已经做得十分逼真，而且具有一定的学习能力，还据说其智商已达到6岁儿童的水平。

而本次学校组织的智能循迹小车大赛也让同学们能充分的参与到实际电子作品的设计，制作中，同时也让同学们能在实际制作中理解传感器系统，自动控制系统。

无容置疑，人才的培养不论是在国外还是国内，都开始重视起来，主要表现在大学生的各种大型的创新比赛，比如：亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛（ABU ROBCON）、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对于电子，电路，自动控制，传感系统相关知识。

学校此次的比赛对于我们来说就是很好的一个平台，让我们能更加的加强自己理论方面的知识，同时，增强理论与实践相结合的发散性，创造性思维的能力。

设计大致方案：

     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。

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。通过个模块的协调工作，最后组成一个完整的小车控制系统，最终实现小车的各项功能。

总体模块：

设计思路：

Ø 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

Ø 将轨迹信息送到单片机

Ø 单片机采用模糊推理求出转向的角度和行走速度，然后去控制

行走部分

Ø 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AT89S52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，AT89S52单片机使用5V电源，电机考虑到电源为充电电池组，额定电压为12V，实际充满电后电压则为11.5-11.8V，所以单片机及传感器模块采用7805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。此次用的是LM324芯片，红外传感器是st178，管脚解法图如图所示，通过lm324的稳压，输出0或1信号，来控制是否检测到黑线。

图2   赛道检测原理图：

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。

L298N的逻辑功能：

表1  SHARP GP2D12实物图

外形及封装：

图3  L298N实物图

L298N电路原理图：

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。

图3.3  L298N电路图

小车调试：

虽然对小车的整个系统已经完全的进行了各系统的焊接与组装工作，源程序也有了一定的准备，但在调试过程中却也出现了一些小问题；

在对红外传感器调试的过程中，在传感器模块的指示灯总是无法点亮，起初我们认为是管脚的解法问题，但在对线路的排错测试里发现，线路的排布是没有问题的，于是我们便再对lm324的接法产生了怀疑，通过网上资料的收集，以及实际电路中的运用发现，芯片没有进行电源的连接（vcc和GND没有连接），在我们连接好后，现红外探测器的指示灯依旧无法点亮，但红外传感器本身能够点亮，于是我们对线路中的电阻产生了怀疑，怀疑运用的电阻的阻值太小，无法产生比较信号，于是，我们换了一个更大的电阻，终于，只是等被我们点亮了，同时，我们还测出了传感器的感应距离。通过此次调试，我们还发现了许多的问题，并一一解决。

小车循迹规则：

在小车前进的过程中，当小车遇到弯道时，红外线传感器偏离原有的直线轨道，若是遇到向左的弯道，则左边的红外传感器，便会探测到黑线，接受到黑线的信号传给单片机，再通过驱动系统传送给减速电机，则减速电机便会对左轮的电机进行减速，使小车向左开始转，当小车遇到右拐弯的时候，也同理对右轮进行减速，从而使小车进行右拐。

软件系统的实现

结论

根据本次比赛要求，我们小组队伍地阅读了大量的资料，并认真分析了设计的需求，还系统学习了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。

通过本次小车的制作，不仅是对我们课本所学知识的考查，更是对我们的自学能力和收集资料能力以及动手能力的考验。本次比赛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。本次小车制作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。通过本次比赛，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，在制作小车的过程中，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。

 

第二篇：简易智能小车设计报告

20##年全国大学生电子设计竞赛

设计报告

E  简易智能电动车

作者：吴作智   赵  青   董全超  

（山东大学控制科学与工程学院  邮编250061）

赛前辅导老师： 姚福安   万  鹏

摘            要

本设计以89C51为核心，采用双CPU分别进行电动车的前轮转向控制和后轮脉冲宽度调速控制，根据题目要求，前进过程中安放在车身不同位置的检测器件对小车的周围环境进行检测，包括地面埋设物（铁片）、前方障碍物和光源，完成小车在直道区、弯道区、障碍区和停车区的各项任务，并采用LCD实现埋设物个数、行车时间等的显示。其中，步进电机的转向控制是本系统设计的重点和难点。

一、方案论证

1、设计要求

本系统要求电动车按照给出的行使路线，在直道区能够正确的检测出埋设铁片的个数；通过弯道区后能够到达指定的地点并停车要求的时间；在障碍区能够准确的躲避障碍物；然后在光源的引导下驶入车库。

  2、各部分方案论述

（1）调速模块

方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压来调速。但电阻网络只能实现有级调速，而且数字电阻的元器件价格比较昂贵。尤其是所使用的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率，实现也很困难。

方案二：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节。此方案电路较简单，但继电器的响应时间有限，机械结构易损坏，寿命不长，可靠性也不太好。

方案三：采用脉冲宽度调制电路。用单片机控制信号的高低电平时间完成调速，用对两个信号的不同控制完成电机的转向和起停的控制。这种电路由于工作在管子的饱和截止状态下，效率非常高，经试验发现，此方法调速简单可行，方便可靠。

基于上述理论分析，拟选择方案三。

（2）转向装置选择

方案一：双电机控制。采用两个直流电机控制小车后轮，直行时两轮转速相等，需要向左转时，增加右轮转速，降低左轮转速；需要向右转时，增加左轮转速，降低右轮转速。但此种方法必须精确控制两车轮转速直行时相等，否则将会出现小摇摆及抖动，达不到平滑运动的效果。

方案二：步进电机控制前轮。步进电机将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电机，步进电机的显著特点是快速启动能力，测到障碍物时能够快速转向；另外步进电机的精度高，每步可以小至0.72度，不会失步，在负荷不超过动态转矩值时，可以瞬间启动和停止。逆转时能够精确返回原始位置。外加机械机构可以把角度变成直线位移。

 经过比较分析，采用步进电机控制转向。

（3）外部传感器选择

校正车行方向即寻迹传感器：

采用红外线光电反射传感器，由于车底盘较低，采用近距离（1――6mm）有效的光电传感器。使CPU根据光电信息精确调整小车的行车方向，使小车运行时达到最小的横向抖动。CPU根据信号发出前轮左转，右转和保持方向的指令，实现自动校正行车方向的目的。

检测两个障碍物传感器：有两种方案可供选择。

方案一：采用超声波测距。超声波传感器测距时有足够的精度，可以达到1cm的近距离，对远距离也有较快的响应信号。但是，本题目的要求是绕过障碍物，这就要求小车在较远距离时即做出绕障的反应，因此没有必要采用精确近距的超声波传感器。

方案二：采用反射式红外线光电开关。本设计采用的光电开关有效距离为1——13cm（对白色障碍物），小车前方只要有障碍，即输出一个开关量，向CPU申请中断，CPU   响应中断即控制电机做出转向反应。所以拟采用此方案。

测车行程传感器：为使小车可以测量并显示小车中心至起点的距离，测小车的圈数换算即可得到。

方案一是采用投射式光电传感器如光电码盘，但对轮子的机械加工较难精确实现。

方案二是采用开关式光电传感器，在车轮上安装一个小磁铁即可实现测圈数，进而得到距离值，为此采用此方案。

二、系统设计与硬件电路

1、  总体设计

小车前后两部分框图如下：

 

    

 

2、  各模块设计

（1）  电机转速控制

本系统利用8050、8550等三极管的组合，构成基于PWM原理的驱动电路。如图     所示，P0.1为正反转控制端，P1.3为起停控制端，原理如下：

①P1.3为低电平

若P0.1为高电平，与低电平或非以后变为低，则Q55基极为低，由Q51构成的反向器使Q51集电极为高。于是，Q52、Q53、Q54导通，Q55、Q56、Q57截止。其中Q52为激励极，Q53、Q54为功放极。电流流向为：电池正极→Q53→电机“+”端→电机“-”端→Q54→地，电机正转。

                              图Ⅱ－3 直流调速驱动电路

若P0.1为低电平，与低电平或非以后变为高，则右边三个管即Q55、Q56、Q57导通，左边三个管截止，电机反转。

②P1.3为高电平

P1.3与低电平或非以后变为低，使Q51和Q55均截止，电机停转。

该电路原理简单、容易控制、带负载能力强，我们采用PWM控制，通过软件控制脉冲宽度的大小，设置高低电平的保持时间，来完成电机转速大小的改变，这样使得工作简单方便，而且准确可靠。

（2）电机转向控制

 这个设计中电机的转向主要有两个作用，一是在直道区和弯道区根据地面黑线使小车按照指定的路线行使，不偏离跑道，并到达要求的位置；二是在障碍区控制小车前轮转向使其准确地躲避障碍物，并在光源的引导下进入车库。

控制原理图如下图Ⅱ－4：

  

具体电机我们使用了35BYJ46型号的步进电机来完成此部分内容。这是一种四相五线制的电机，驱动器采用51单片机的口P1.0――P1.3，依次触发三极管导通，构成四相四拍步进电机。步进电机的工作电流为96mA,由于电机启动电流较大，所以采用额定电流为1500mA的三极管8050驱动电机。本程序采用循环设计法，将控制模型放在内存单元中，按顺序驱动四相四拍电机。

电机接口示意图如下图Ⅱ－5：

              图Ⅱ－5

其励磁顺序如表Ⅱ－1；

技术指标如表Ⅱ－2；                     

                              表Ⅱ－1

                                  表Ⅱ－2

   按照以上资料，在程序中利用P1口的前四个脚依次对两对相的正负进行控制可使电机步进转动，当信号顺序相反时电机反方向步进。每步进一步转动的角度为7.5º/85.25，在行进过程中根据检测的信号对距离、速度等数据进行计算，得电机需要转动的角度。

（3）检测

①  地面埋设物（铁片）

采用金属接近开关LM18—3008NA，工作电压6——36V,有效检测距离8mm，这种专用传感器，使用发便，对金属的检测较可靠。本设计安装此传感器在车的底部，当有接近金属时，输出低电平，送给单片机记下金属片个数，并显示出来。

②路面黑线检测

采用红外反射式二极管和LM324N四运算放大器构成信号发射接收电路，运算放大器对信号比较后产生输出信号，电路图如图Ⅱ－6：

                                    图Ⅱ－6

③前方障碍物

采用专用红外光电开关G18—3A10NA，工作电压10——30V，有效检测距离10cm，当前方有障碍物时传感器内部开关闭合，输出端为低电平，此信号对单片机P3.2产生中断0，控制转向左或右。电路图如图Ⅱ－7             

            图Ⅱ－7

④光源

使用光敏电阻检测前方20cm高白炽灯发出的光，引导小车前进。此部分研究如下：

如图Ⅱ－8所示，200W的白炽灯距离光敏电阻2m时，测得阻值大约为Rmax=10kΩ,而不在光源照射范围内的阻值在50K左右，经过计算，取R1为5.1K，为了方便可调，我们使用了一个50K的电位器。为了使管子能够饱和导通，集电极的电阻尽量取得大些。

                                          

                           图Ⅱ－8

三、软件设计

  控制程序的主要任务是：

（1）       判别旋转方向；（2）按顺序传送控制信号；（3）寻地面黑线；（4）检测障碍物；（5）检测光源。

各部分程序流程如下：

以上程序全部用汇编语言来编写，调试时，经过语法查错和逻辑查错，与硬件联合调试，先单独调试好每一个模块，然后再连接成一个完整的系统。经过最后的调试，总程序可以顺利执行。

四、测试

1、  测试所用仪器设备：

PC机

数字式万用表：Fluke 175

示波器：Instek  GOS-620

万利单片机仿真器

模拟跑道：直道长7m,弯道半径0.8m

卷尺：精度0.001m

秒表：精度0.01s

铁片：三块，厚度0.5mm，大小分别为15×15cm²，15×18 cm²,15×14 cm²

障碍物：用白纸包裹的纸盒两个，长、宽、高为25cm×10cm×10cm

2、  测试内容

（1）速度测试

数据如表Ⅳ－1所示：

                        表Ⅳ－1

                                                   跑道长度：7m

        (2) 寻线控制

      

测试情况如表Ⅳ－2：

                        表Ⅳ－2

由上述结果可知，小车的黑线牵引行驶基本可靠。

       （3）铁片检测

  下表Ⅳ－3是检测路面埋设物（铁片）的实验情况：

                                  表Ⅳ－3

由上我们发现，由于我们使用的安装在车盘底部中心的接近开关测试距离太小，不到1cm，再加上铁片不平整以及路面平整度等的原因，小车在铁片上行驶时，有可能发生误检（多检），这时显示的数目会很快加一并不能保持，这种情况是可以理解的，而且我们相信，只要路面足够平整，铁片检测这一环节是没有问题的。

     （4）障碍物检测

 下图是测试时所用场地及小车所走路线示意图。   

此项是小车功能的一个难点，由于存在诸多因素，如探测距离的偏差、电源供电不稳等，很难使小车及时发现前方障碍并顺利躲避，根据此图，我们计算并调整了小车转向的度数，结合小车前进的速度，发现障碍物时，小车倒车并继续检测，直到绕过障碍。我们发现，如果使小车一进入障碍区就驶向两个障碍物之间的区域，如图中虚线所示，可保证前轮CPU较小的工作量，使小车少走弯路，减少出现错误的可能。总的来说，此部分由于控制因素太多，加上时间非常紧张，我们的小车行驶实际情况距离预想状态还有一定的差距。

（5）光源检测

小车前方光源采用200W的白炽灯，按照题目要求距地面高度20cm,实验示意图如下：

我们在小车的上面正前方安装了黑色内里的圆筒，光敏电阻在里面感受正前方向的光线，由此使小车按照光源的位置来调整方向，实验证明基本是可行的，但是，由于题目中光源在车库的旁边而不在车库内部，小车只能向光源的方向前进，无法准确的进入车库，这是我们目前尚未解决的问题。

3、  误差分析及改善措施

小车转向控制采用模糊控制的思想，由于寻线，测障，测光有不同的精度要求，所以按照寻线，测障，检测光源将小车转动的角位移分为很小一步，一小步，稍大一步，这通过在多次试验中确定小车前轮的步进电机的步数而得到。虽然步数是确定的，但转向属于模糊控制，所以必定造成小车的横向抖动误差较大。基于模糊控制的算法，我们将小车运行的路线分为三部分寻线时步数较少，不至于偏离路线太大；有障碍物时，步数较大，有利于小车迅速绕障；进入光源照射区时，步数中等，直到最后到达终点。这种方法可以减小误差。经过多次实验，证实模糊控制可以较好的完成任务。

测试过程中，一个不可忽略的问题就是小车的不稳定性，这与我们的器件太多，连接复杂有一定的关系，而且我们的电源使用两套（＋5V和＋12V），在接通时，我们测量两个CPU的电压，为4.85V，这可能也是由于器件较多，电源容量不够所致，进而会影响电路的工作。在电源方面，我们一开始采用的是单一电源供电，这样供电比较简单，但由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰；因此我们考虑将电动机的驱动电源与单片机及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号，提高了系统的稳定性。

五、结论

        我们采用双CPU分别进行电动车的脉冲宽度调速控制和步进电机的转向控制，用安放在车身不同位置的检测器件检测地面埋设物（铁片）和前方障碍物，用光敏电阻检测光源，并用LCD实现埋设物个数、指定行程等的显示。但是由于小车前轮与横杆之间有一定的间隙，所以小车在行驶过程中车轮难免会有一定的晃动，但是，我们在程序中进行实时的黑线检测，使小车一离开黑线前轮便小幅转向，这样便使小车始终不离开黑线。在测障方面我们采用了两个放在车两侧的传感器，可以使小车检测的前方障碍物，从而倒车并继续检测，直到绕过障碍物。最后，我们采用光敏电阻方法使小车在光源引导下进入车库。经过四天的奋战，我们较好的完成了任务，不仅基本部分完成，而且对小车的功能进行了我们感兴趣的扩展，如安装行驶指示灯、显示行使时间等。虽然在制作过程中遇到很多困难，但经过我们的团结合作，终于完成了制作。