智慧型小車設計報告
摘要：隨著智慧型控制技術和檢測感測技術的飛速發展，智慧型小車在工業生產和家庭生活中得到了廣泛應用。智慧型小車控制系統採用stc89c52微控制器作為檢測和控制核心，使用反射式紅外光電感測器檢測路面的標誌線，採用紅外蔽障感測器控制兩車之間的距離。
小車驅動採用前輪雙驅動，利用減速直流電機控制小車的轉向和速度。通過不斷對微控制器i/o口進行掃瞄來監測感測器的狀態，根據監測資料控制兩輛小車循線、轉彎、交換速度和切道等動作，最終實現兩小車按預定軌道行駛，並在規定區域超車的功能。系統相當於乙個簡單的車輛自動駕駛系統，經進一步改進後可應用在智慧型交通和無人探測等方面。
關鍵字：智慧型小車；微控制器；感測器；減速直流電機；循線
目錄1 方案論證與比較 - 1 -
1.1總體方案設計與比較 - 1 -
1.2電機的比較與選擇 - 2 -
1.3電機驅動模組的比較與選擇 - 2 -
2 理論分析與計算 - 3 -
2.1訊號檢測與控制 - 3 -
2.1.1轉彎與前進訊號的檢測與控制 - 3 -
2.1.2加速減速(超車)訊號的檢測與控制 - 4 -
2.1.3發揮部分切換跑道交換速度訊號的檢測與控制 - 4 -
2.2兩車之間的通訊方法 - 5 -
2.3 關於節能的設計 - 6 -
3 電路與程式設計 - 6 -
3.1電路設計 - 6 -
3.1.1微控制器最小系統 - 6 -
3.1.2電機驅動模組 - 6 -
3.1.3循線模組 - 7 -
3.1.4兩車通訊模組 - 8 -
3.2程式設計 - 8 -
3.2.1程式流程圖 - 8 -
3.2.2源程式 - 9 -
4 系統測試 - 9 -
4.1測試方法 - 9 -
4.1.1小車轉彎的測試方案與測試條件 - 9 -
4.1.2順利超車的測試方案與測試條件 - 9 -
4.1.3發揮部分換道與速度交換測試方案與測試條件 - 9 -
4.2測試結果 - 10 -
5 結論 - 10 -
參考文獻 - 10 -
附錄 - 11 -
1 方案論證與比較
1.1總體方案設計與比較
方案一：採用stc89c52微控制器作為整機的控制單元。
以stc89c52微控制器為核心的控制電路，採用模組化的設計方案，運用反射式紅外光電檢測感測器、紅外蔽障感測器組成不同的檢測電路，實現小車在行駛中轉彎、加速、減速、超車等問題。並將測量資料傳送至微控制器進行處理，然後由微控制器根據所檢測的各種資料實現對電動小車的智慧型化控制。
在本系統中，（1）小車左側反射式紅外光電感測器檢測板的內邊界線，然後將訊號傳送到微控制器系統進行處理，使行駛在後方的小車沿板的內邊界線自主行走，從而使小車走完整個賽道；微控制器通過檢測小車左側光電感測器的輸出訊號，確定汽車是否過於接近跑道左側擋板，從而發出電機驅動訊號，對汽車運動方向實現轉彎與糾偏，避免跑出賽道。（2）小車右側的反射式紅外光電感測器檢測板的外邊界線，使行駛在前方的車小車沿板的外邊界線自主行走，並且可避免小車從右側掉下賽道。（3）小車正前方的反射式紅外光電感測器檢測小車通過的黑線的條數，從而控制兩輛小車在正常行駛、超車時分別行使在不同的賽道。
並且可控制行駛在前邊的小車何時減速以便後邊的車能順利超過。並且在發揮部分檢測標誌線，實現發揮部分的交替超車與領跑。（4）小車前方的紅外蔽障感測器訊號用作兩車之間的通訊訊號，在超車部分，若小車甲檢測到前方已超過它的乙車，甲車便加速前進。
縮短完成整個賽道的時間。
圖1 智慧型小車執行基本原理圖框圖
方案二：採用stc89c52微控制器作為整機的控制單元，轉彎、加速、減速、超車全部用軟體來實現
利用賽道上的標誌線，通過微控制器識別標誌線，程式設計讓其在轉彎標誌線處延時後轉彎，在超車部分，對標誌線的條數進行計數，計夠條數後進行超車處理。
由於此種方案不定因素很多，比如說電池電量不斷減小，小車速度越來越慢，這樣延時不精確便很容易掉出賽道，並且別的功能也很難控制。
方案三：選用一片cpld作為系統的核心部件，實現控制與處理的功能。
cpld具有速度快、程式設計容易、資源豐富、開發周期短等優點，可利用vhdl語言進行編寫開發。但cpld在控制上較微控制器有較大的劣勢。同時，cpld的處理速度非常快，而小車的行進速度不可能太高，若採用該方案，必將在控制上遇到很多不必要增加的難題
綜合考慮了感測器、電機的驅動等諸多因素，方案一簡潔、靈活、可擴充套件性好，並且我們對微控制器掌握的比較好，且能達到題目的設計要求，因此本設計採用方案一來實現，充分利用stc89c52的微控制器資源。
1.2電機的比較與選擇
方案一：採用步進電機。
步進電機的乙個顯著特點就是具有快速啟停能力,如果負荷不超過步進電機所能提供的動態轉矩值，就能夠立即使步進電機啟動或反轉。另乙個顯著特點是轉換精度高，正轉反轉控制靈活。
方案二：採用減速直流電機。
直流電動具有優良的調速特性，調速平滑、方便，調整範圍廣；過載能力強，能承受頻繁的衝擊負載，可實現頻繁的無級快速啟動、制動和反轉；能滿足生產過程自動化系統各種不同的特殊執行要求。
由於普通直流電機更易於購買，並且電路相對簡單，所以採用直流電機作為動力源。
1.3電機驅動模組的比較與選擇
電機驅動模組的主要作用是控制小車的正轉、前進、加速、減速、轉彎和停車。由以下方案：
方案一：採用電阻網路或數字電位器調整電動機的分壓。
但是電阻網路只能實現有級調速，而數字電阻的元器件**比較昂貴，且可能存在干擾。最重要的問題是，一般電動機的電阻很小，電流很大，分壓不僅降低效率，而且難以實現。
方案二：採用繼電器對電動機的開或關進行控制。
這個電路的優點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間長，易損壞，壽命較短，可靠性不高。
方案三：採用由達林頓管組成的h型pwm電路。
pwm電路由四個大功率電晶體組成h橋式電路構成，四個電晶體分為兩組，交替導通和截止，用微控制器控制達林頓管使之工作在開關狀態，根據調整輸入控制脈衝的占空比，精確調整電動機轉速。這種電路由於管子工作只有飽和和截止狀態下，效率非常高。但是h型pwm電路必須要用分立元件搭起來，所以比較麻煩。
方案四：採用直流電機專用驅動晶元l298。
l298作為驅動的原理與h型pwm電路相同，只是將這些分立元件整合在一塊晶元內部，方便適用。
從硬體和電路的工作量，以及成本考慮，選擇方案四。
2 理論分析與計算
2.1訊號檢測與控制
2.1.1轉彎與前進訊號的檢測與控制
根據題目要求，我們設計後邊的小車正常情況下沿賽道內外邊沿行駛，在車左側裝3個紅外對管，車沿軌道，向左偏離軌道，向右偏離軌道時通過微控制器識別比較器輸出端經過編碼的訊號控制兩個電機便可實現後邊小車的轉彎與前進。前邊的小車正常情況下沿賽道外邊沿行駛，在車右側裝兩個紅外對管，車沿軌道，向左偏離軌道，向右偏離軌道時通過微控制器識別比較器輸出端經過編碼的訊號控制兩個電機便可實現前邊小車的轉彎與前進。
沿賽道內側行走時，由於轉彎處角度有銳角、鈍角、直角，根據三個紅外對管分別是否檢測到反射訊號，並將訊號通過比較器後編碼，經分析可能出現的情況如下：
（1）000： 偏左右轉
（2）001： 偏左右轉
（3）010： 不存在
（4）011： 偏右左轉
（5）100： 不存在
（6）101： 由於在轉銳角彎時，車直接轉彎會掉到賽道外，所以讓前進一定時間後左轉
（7）110： 不存在
（8）111： 偏右左轉
沿賽道外側行走時，轉彎處角度只有直角，根據兩個紅外對管分別是否檢測到反射訊號，並將訊號通過比較器後編碼，經分析可能出現的情況如下：
（1）00：偏右左轉
（2）01：偏右左轉
（3）10：前進
（4）11：偏左右轉
2.1.2加速減速(超車)訊號的檢測與控制
小車正前方光電感測器檢測經過標誌線的條數，在到達超車區域前，總共經過8條標誌線，通過微控制器計數，計數值到8，前邊小車延時一定時間後停止，等待後邊的車超過。
小車正前方蔽障感測器檢測到後車跑到它前邊，便延時一定時間後加速，並順利通過整個賽道。
2.1.3發揮部分——切換跑道交換速度訊號的檢測與控制
圖2 賽道圖形
發揮部分要完成甲車追乙車必須進行準確換道與交換速度，如圖2所示，兩個箭頭所指標誌線分別為兩輛小車的換道與交換速度標誌，小車正前方的紅外對管通過計標誌線條數檢測這兩道標誌，以完成準確換道與交換速度。
2.2兩車之間的通訊方法
兩車通訊通過紅外蔽障感測器實現，兩車通訊出現在超車過程中，當後車超過前車時，被超過的前車通過紅外蔽障感測器檢測到後車跑到它前邊，利用微控制器延時一定時間後加速，以便順利通過整個賽道。
紅外蔽障感測器的靈敏度要能很好的控制，否則極易受到干擾，會把別的物體檢測成另一輛小車。
2.3 關於節能的設計
經反覆試驗與檢測小車行進時的功率很小，並且我們小車前端伸出的感測器模組全部用廢舊的電路板焊接拼製而成，不僅製成了我們所需要的形狀，而且達到節能的目的。
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