直流电机驱动的小车电气控制系统设计

直流电机驱动的小车电气控制系统设计摘 要：本设计介绍了一种基于单片机控制的自动寻迹小车系统，包含构成小车系统的软硬件设计方法。小车电器控制系统包含:单片机最小系统、黑白线寻迹模块、光电测速模块、光电障碍检测、超声测距、光源检测、直流电动机 PWM 调速及驱动模块、液晶显示行程和时间等功能模块。智能小车以 AT89S51 为控制核心, 在最小系统的基础上，通过外围传感器信号和控制按钮的检测，控制直流电动机的起、停、运动，使整车 具有黑白线寻迹、光引导、超生波测距、运行速度和距离 LCD 显示等功能。关键词：单片机；AT89S51；传感器；直流电机；自动寻迹小车；The Design of Vehicle Electric Control System Based on DC Motor DrivingAbstract：This paper introduces an automatic tracing car system based on Single chip microcomputer controlling, including the hardware and software design methods. The Electric vehicle control system is comprising of the smallest single-chip system, the black line tracing module, the module of measuring speed by photoelectric, the module of detecting obstacle by photoelectric ,the ultrasonic ranging module, the light detection module, the speed controling and driving module based on DC motor, and the LCD dislaying time and stroke module. The smart car with AT89S51 as its control core, makes DC motor starting ,stoping and moving by decting ,the external sensor and controling buttons signal on the basis of the smallest system, so that it has the funtion of black line tracing, uiding light, ultrasonic ranging, and dislaying time and stroke in the LCD.Key words: Single chip; AT89S51; Sensor; DC motor; Automatic tracing car system; 目 录摘 要 .1关键词 .11 前言 .11.1 课题背景 .11.2 课题研究的目的和意义 .11.3 国内外智能车辆的现状 .21.3.1 国外智能车辆的现状研究 .21.3.2 国内智能车辆的现状研究 .32 直流电机驱动的智能小车的硬件设计 .42.1 单片机的选择 .52.1.1 时钟电路 .82.1.2 复位电路 .92.2 直流电机的选择及电机驱动电路 .92.2.1 直流电机的选择 .92.2.2 直流电机驱动电路 .92.3 光电循迹检测 .122.3.1 小车循迹原理 .122.3.2 寻迹传感器模块 .132.4 光源检测电路 .132.5 超声测距避障电路 .162.5.1 超声波测距避障发射电路 .162.5.2 超声波测距避障接受电路 .162.5.3 NE555 芯片工作原理 .172.6 车速、行程检测原理 .182.6.1 车速检测 .182.6.2 行程测量 .192.7 液晶显示器电路 .192.8 电源模块 .212.8.1 系统供电单元介绍 .212.8.2 稳压芯片简介 .223 直流电动机驱动的智能小车软件设计 .233.1 主程序设计 .233.2 直流电动机正、反转控制程序设计 .243.3 直流电动机 PWM 调程序设计 .253.4 光电寻迹与转向控制程序设计 .273.5 超声波测距程序设计 .283.6 光源检测及控制程序设计 .293.7 转速、行走距离测量程序设计 .303.8 液晶显示程序设计 .314 结论 .32参考文献 .32致 谢 .错误！未定义书签。附录 1 .33附录 2 .4411 前言1.1 课题背景目前，在企业生产技术不断提高、对自动化技术要求不断加深的环境下，智能车辆以及在智能车辆基础上开发出来的产品已成为自动化物流运输、柔性生产组织等系统的关键设备。世界上许多国家都在积极进行智能车辆的研究和开发设计。移动机器人是机器人学中的一个重要分支，出现于20世纪06年代。当时斯坦福研究院(SRI)的Nils Nilssen和 Charles Rosen等人，在1966年至1972年中研制出了取名Shakey的自主式移动机器人，目的是将人工智能技术应用在复杂环境下，完成机器人系统的自主推理、规划和控制。从此，移动机器人从无到有，数量不断增多，智能车辆作为移动机器人的一个重要分支也得到越来越多的关注。智能小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术，是典型的高新技术综合体 1。智能车辆也叫无人车辆，是一个集环境感知、规划决策和多等级辅助驾驶等功能于一体的综合系统。它具有道路障碍自动识别、自动报警、自动制动、自动保持安全距离、车速和巡航控制等功能。智能车辆的主要特点是在复杂的道路情况下，能自动地操纵和驾驶车辆绕开障碍物并沿着预定的道路(轨迹)行进。1.2 课题研究的目的和意义目前，国内外的许多大学及研究机构都在积极投入人力、财力研制开发针对特殊条件下的安全监测系统。其中包括研究使用远程、无人的方法来进行实现，如机器人、远程监控等。无线传输的发展使得测量变得相对简单而且使得处理数据的速度变得很快甚至可以达到实时处理。该智能小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分：传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动避障功能，还可以扩展寻迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路2设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的，本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。本设计就采用了比较先进的 S51 为控制核心， S51 采用 CHOMS 工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。世界各国在智能微型车领域进行了很多研究，己经应用于各个领域，在探测和军事领域使用特别多。近年来，我国也开展了很多研究工作，以满足不同用途的需要。世界各国开发、研制星球探测车系统己经有了多年的历史。美国和前苏联是从 20 世纪 60 年代末期开始进行月球表面探测任务的。美国曾在 1966-1968 年间，向月球成功发射了两次无人巡游探测器。1997 年，由美国 JPL(全称 JetPropulsion Laboratory，美国太空总署喷气推进实验室)研制的 Sojourner 号探测车登上了火星。它验证了小型火星车的性能，并完成了一系列技术试验。2004 年 1 月，美国的“勇气号”和“机遇号”火星探测车再度登陆火星。前苏联在 1959-1976 年间，总共成功发射了两个月球探测车。单片机的应用领域越来越广泛，无论是在生活，生产上，单片机无处不在。ATMEL 公司的 AT89S51 单片机可以广泛应用于计算机外部设备、工业实时控制、仪器仪表、通讯设备、家用电器等各个领域。AT89S51 可以说是单片机领域的主流产品 ，其应用如此广泛，所以有必要去学习和应用该单片机，以满足实际产品开发的需要，也是适应社会智能化、自动化的趋势。通过构建智能小车系统，培养设计并实现自动控制系统的能力。在实践过程中，熟悉以单片机为核心控制芯片，设计小车的检测、驱动和显示等外围电路，采用智能控制算法实现小车的智能循迹。灵活应用机电等相关学科的理论知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识。1.3 国内外智能车辆的现状1.3.1 国外智能车辆的现状研究国外智能车辆的研究历史较长，始于上世纪 50 年代，它的发展历程大致可以分3为三个阶段：第一阶段：20 世纪 50 年代是智能车辆研究的初始阶段。1954 年美国 Barrett Electronic 公司研究开发出了世界上第一台自主引导车系统，该系统只是一个运行在固定路线上的拖车式运货平台，但它却具有了智能车辆最基本的特征即无人驾驶。早起研制该系统的目的是为了提高仓库运输的自动化水平，应用领域仅局限于仓库内的物品运输，随着计算机的应用和传感器技术的发展，智能车辆的研究不断得到新的发展。第二阶段：从 80 年代中后期，世界主要发达国家对智能车辆开展可卓有成就的研究，在欧洲，普罗米修斯项目于 1986 年开始了在这个领域的探索，在美洲，美国于 1995 年成立了国家自动高速公路系统联盟，其目标之一就是研究发展智能车辆的可行性，并促进智能车辆技术进入实用化，在亚洲，日本与 1996 年成立了高速公路先进巡航/辅助驾驶演剧协会，主要目的是研制自动车辆导航的方法，促进日本智能车辆的整体进步。进入 80 年代中期，设计和制造智能车辆的浪潮席卷了全世界，一大批世界著名的公司开始研制智能车辆平台。第三阶段：从 90 年代开始，智能车辆进入了深入、系统、大规模的研究阶段。最为突出的是，美国卡内基-梅陇大学机器人研究所一共完成 Navla 系列的自主车的研究，取得了显著的成就。目前，智能车辆的发展正处于第三阶段，这一阶段的研究成果代表了当前国外智能车辆的主要发展方向。1.3.2 国内智能车辆的现状研究相比于国外，我国开展智能车辆技术方面的研究起步较晚，开始于 20 世纪 80 年代，而且大多数研究尚处于针对某个单项技术研究的阶段。虽然我国在智能车辆技术方面的研究总体上落后于发达国家，并且存在一定的技术差距，但是我国也取得了一系列的成果 1，主要有：中国第一汽车集团公司和国防科技大学机电工程与自动化学院于 2003 年研制成功了我国第一辆自主驾驶轿车。该自主驾驶轿车的正常交通情况下的高速公路上，形式的最高稳定速度为 12km/h，最高峰值速度可达 170km/h，并且具有超车功能，其总体技术性能和指标已经达到了世界先进水平。上海交通大学应用现代控制理论设计出了一种自动驾驶汽车模型，该模型在汽车系统的动力学建模的基础之上，设计了自动驾驶的专项系统，它能根据玩到的弯曲变化程度实时的计算出车辆的转向盘角度，控制车辆按照预设道路行驶。4吉林大学设计并制造了一辆用 CCD 识别地面铺设的条状路标导航的智能车辆，车辆由图像识别、行驶、转向、制动、避障和其他辅助系统组成。目前，该车可以稳定的跟踪直线、弧线、S 型线等轨迹自动行驶，车速可达 20km/h。在国家科工委和国家 862 计划的资助下，清华大学计算机系智能技术与系统国家重点实验室自 1988 年开始研制的 THMR 系列移动机器人取得了很大的成功。它兼有面向高速公路和一般道路的功能，目前已经能够在校园的非结构化道路环境下，进行道路跟踪和避障自主行驶。智能车辆研究也是智能交通系统 ITS 的关键技术。目前。国内的许多高校和科研院所都在进行 ITS 关键技术、设备的研究，随着 ITS 研究的兴起，我国已形成了一支ITS 技术研究开发的专业技术队伍。并且各个交通、汽车企业越来越加大了对 ITS 及智能车辆技术研发的投入，整个社会的关注程度在不断提高。交通部已将 ITS 研究列入“十五”科技发展计划和 2010 年长期规划。相信经过相关领域的共同努力，我国ITS 及智能车辆的技术水平一定会得到很大的提高。2 直流电机驱动的智能小车的硬件设计智能小车以单片机为控制核心,除了机械结构外，主要包括控制盒检测两大模块，系统总体原理框图如图 1 所示。小车电器控制系统包含:单片机最小系统、黑白线寻迹模块、光电测速模块、光电障碍检测、超声测距、光源检测、直流电动机 PWM 调速及驱动模块、液晶显示行程和时间等功能模块。图 1 直流电机驱动智能小车系统总体原理框图Fig 1 DC motor intelligent car system principle block diagram52.1 单片机的选择通过前面课程的学习，MCS-51 系列单片机已经能够满足本设计的要求，这里选用 AT89S51 做控制芯片。AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，片内含 4k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读程序存储器，器件采用ATMEL 公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准 MCS-51 指令系统及 80C51 引脚结构，芯片内集成了通用 8 位中央处理器和 ISP Flash 存储单元，AT89S51 在众多控制应用系统中得到广泛应用。AT89S51 单 片 机 主 要 性 能 特 点 :（ 1） 4k Bytes Flash 片 内 程 序 存 储 器 ； （ 2） 128 bytes 的 随 机 存 取 数 据 存 储 器 （ RAM） ； （ 3） 32 个 外 部 双 向 输 入 /输 出 （ I/O） 口 ； （ 4） 5 个 中 断 优 先 层 、 2 层 中 断 嵌 套 中 断 ； （ 5） 6 个 中 断 源 ； （ 6） 2 个 16 位 可 编 程 定 时 器 /计 数 器 ； （ 7） 2 个 全 双 工 串 行 通 信 口 ； （ 8） 看 门 狗 （ WDT） 电 路 ； （ 9） 片 内 振 荡 器 和 时 钟 电 路 ； （ 10） 与 MCS-51 兼 容 ； （ 11） 全 静 态 工 作 ： 0Hz-33MHz； （ 12） 三 级 程 序 存 储 器 保 密 锁 定 ； （ 13） 可 编 程 串 行 通 道 ； （ 14） 低 功 耗 的 闲 置 和 掉 电 模 式 。 单 片 机 管 脚 说 明 :VCC： 电 源 电 压 输 入 端 。 GND： 电 源 地 。 P0 口 ： P0 口 为 一 个 8 位 漏 级 开 路 双 向 I/O 口 ， 每 脚 可 吸 收 8TTL 门 电 流 。 当P1 口 的 管 脚 第 一 次 写 1 时 ， 被 定 义 为 高 阻 输 入 。 P0 能 够 用 于 外 部 程 序 数 据 存 储器 ， 它 可 以 被 定 义 为 数 据 /地 址 的 低 八 位 。 在 FIASH 编 程 时 ， P0 口 作 为 原 码 输 入口 ， 当 FIASH 进 行 校 验 时 ， P0 输 出 原 码 ， 此 时 P0 外 部 必 须 被 拉 高 。 6P1 口 ： P1 口 是 一 个 内 部 提 供 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P1 口 缓 冲 器 能 接 收输 出 4TTL 门 电 流 。 P1 口 管 脚 写 入 1 后 ， 被 内 部 上 拉 为 高 ， 可 用 作 输 入 ， P1 口 被外 部 下 拉 为 低 电 平 时 ， 将 输 出 电 流 ， 这 是 由 于 内 部 上 拉 的 缘 故 。 在 FLASH 编 程和 校 验 时 ， P1 口 作 为 第 八 位 地 址 接 收 。 P2 口 ： P2 口 为 一 个 内 部 上 拉 电 阻 的 8 位 双 向 I/O 口 ， P2 口 缓 冲 器 可 接 收 ，输 出 4 个 TTL 门 电 流 ， 当 P2 口 被 写 “1”时 ， 其 管 脚 被 内 部 上 拉 电 阻 拉 高 ， 且 作为 输 入 。 并 因 此 作 为 输 入 时 ， P2 口 的 管 脚 被 外 部 拉 低 ， 将 输 出 电 流 。 这 是 由 于 内部 上 拉 的 缘 故 。 P2 口 当 用 于 外 部 程 序 存 储 器 或 16 位 地 址 外 部 数 据 存 储 器 进 行 存取 时 ， P2 口 输 出 地 址 的 高 八 位 。 在 给 出 地 址 “1”时 ， 它 利 用 内 部 上 拉 优 势 ， 当对 外 部 八 位 地 址 数 据 存 储 器 进 行 读 写 时 ， P2 口 输 出 其 特 殊 功 能 寄 存 器 的 内 容 。P2 口 在 FLASH 编 程 和 校 验 时 接 收 高 八 位 地 址 信 号 和 控 制 信 号 。 P3 口 ： P3 口 管 脚 是 8 个 带 内 部 上 拉 电 阻 的 双 向 I/O 口 ， 可 接 收 输 出 4 个TTL 门 电 流 。 当 P3 口 写 入 “1”后 ， 它 们 被 内 部 上 拉 为 高 电 平 ， 并 用 作 输 入 。 作为 输 入 ， 由 于 外 部 下 拉 为 低 电 平 ， P3 口 将 输 出 电 流 （ ILL） 这 是 由 于 上 拉 的 缘 故 。P3 口 除 了 作 为 普 通 I/O 口 ， 还 有 第 二 功 能 ： P3.0 RXD（ 串 行 输 入 口 ） P3.1 TXD（ 串 行 输 出 口 ） P3.2 /INT0（ 外 部 中 断 0） P3.3 /INT1（ 外 部 中 断 1） P3.4 T0（ T0 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 ） P3.5 T1（ T1 定 时 器 的 外 部 计 数 输 入 ） P3.6 /WR（ 外 部 数 据 存 储 器 的 写 选 通 ） P3.7 /RD（ 外 部 数 据 存 储 器 的 读 选 通 ） P3 口 同 时 为 闪 烁 编 程 和 编 程 校 验 接 收 一 些 控 制 信 号 。 I/O 口 作 为 输 入 口 时 有 两 种 工 作 方 式 ， 即 所 谓 的 读 端 口 与 读 引 脚 。 读 端 口 时 实际 上 并 不 从 外 部 读 入 数 据 ， 而 是 把 端 口 锁 存 器 的 内 容 读 入 到 内 部 总 线 ， 经 过 某 种 运算 或 变 换 后 再 写 回 到 端 口 锁 存 器 。 只 有 读 端 口 时 才 真 正 地 把 外 部 的 数 据 读 入 到 内 部总 线 。 89C51 的 P0、 P1、 P2、 P3 口 作 为 输 入 时 都 是 准 双 向 口 。 除 了 P1 口 外P0、 P2、 P3 口 都 还 有 其 他 的 功 能 。 RST： 复 位 输 入 端 ， 高 电 平 有 效 。 当 振 荡 器 复 位 器 件 时 ， 要 保 持 RST 脚 两 个机 器 周 期 的 高 电 平 时 间 。 7ALE/PROG： 地 址 锁 存 允 许 /编 程 脉 冲 信 号 端 。 当 访 问 外 部 存 储 器 时 ， 地 址 锁 存允 许 的 输 出 电 平 用 于 锁 存 地 址 的 低 位 字 节 。 在 FLASH 编 程 期 间 ， 此 引 脚 用 于 输入 编 程 脉 冲 。 在 平 时 ， ALE 端 以 不 变 的 频 率 周 期 输 出 正 脉 冲 信 号 ， 此 频 率 为 振 荡器 频 率 的 1/6。 因 此 它 可 用 作 对 外 部 输 出 的 脉 冲 或 用 于 定 时 目 的 。 然 而 要 注 意 的 是 ：每 当 用 作 外 部 数 据 存 储 器 时 ， 将 跳 过 一 个 ALE 脉 冲 。 如 想 禁 止 ALE 的 输 出 可 在SFR8EH 地 址 上 置 0。 此 时 ， ALE 只 有 在 执 行 MOVX， MOVC 指 令 是 ALE 才 起 作 用 。另 外 ， 该 引 脚 被 略 微 拉 高 。 如 果 微 处 理 器 在 外 部 执 行 状 态 ALE 禁 止 ， 置 位 无 效 。 PSEN： 外 部 程 序 存 储 器 的 选 通 信 号 ， 低 电 平 有 效 。 在 由 外 部 程 序 存 储 器 取 指期 间 ， 每 个 机 器 周 期 两 次 /PSEN 有 效 。 但 在 访 问 外 部 数 据 存 储 器 时 ， 这 两 次 有 效的 /PSEN 信 号 将 不 出 现 。 EA/VPP： 外 部 程 序 存 储 器 访 问 允 许 。 当 /EA 保 持 低 电 平 时 ， 则 在 此 期 间 外 部程 序 存 储 器 （ 0000H-FFFFH） ， 不 管 是 否 有 内 部 程 序 存 储 器 。 注 意 加 密 方 式 1 时 ，/EA 将 内 部 锁 定 为 RESET； 当 /EA 端 保 持 高 电 平 时 ， 此 间 内 部 程 序 存 储 器 。 在FLASH 编 程 期 间 ， 此 引 脚 也 用 于 施 加 12V 编 程 电 源 （ VPP） 。 XTAL1： 片 内 振 荡 器 反 相 放 大 器 和 时 钟 发 生 器 的 输 入 端 。 XTAL2： 片 内 振 荡 器 反 相 放 大 器 的 输 出 端 。 单片机控制系统基本由最小系统和外围信号 I/O 口组成，其中最小系统包括电源（地） ，CPU 时序电路（一般使用11.0592M 或者 12M 和 30P 电容组成） ，复位电路。有了以上三块，单片机就能够正常工作。AT89S51 是一个低功耗，高性能 CMOS 8 位单片机，功能强大的微型计算机的AT89S51 可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。其应用范围广，性能良好，可用于解决复杂的控制问题。利用 AT89S51 的 IO 端口对传感器信号进行实时判断监控来控制步进电机做出相应的反映。系统中单片机硬件资源分配如下：P0.0P0.7 为液晶显示器的数据端口，P1.5、P1.6、P1.7 三个端口产生液晶显示器对应的控制信号；P1.4 作为 LCD 背光控制或声音报警输出端；P1.3 作为超声波发射控制端；P1.0、P1.2、P1.3 作为 3 路黑白地线光电检测信号的检测端；P3.0 作为启动按钮，启动之后作为金属探测传感器信号输入端；P3.1 用作电池电压检测输入端；P3.2（INT0）用于地线寻迹中断，当有跑偏使立即响应中断，并查询是 P1.0 还是 P1.2 变为 0；P3.3(INT1)用于接收超声波回波信号，当收到超声波回波时，立即停止定时，从而计算距离前方障碍物之间的距离。P3.4 用作车速光电信号计数输入；P3.5（T1）作为启动之前的功能设置键，启动之后作为定时器用，没 10ms 读一次 T0 的计数值，用来计算速度；P3.6 和 P3.7 作为两组8光引导检测信号输入端；P2.0P2.7 作为 4 各直流电动机的控制端口。单片机最小系统图如图 2 所示。图 2 单片机最小系统Fig 2 MCU minimum system2.1.1 时钟电路单片机的时钟产生有两种方法：内部时钟方式和外部时钟方式。系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89 单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚 XTAL1 和 XTAL2 分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容 C2 和 C3 构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为 12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值通常取 33PF。在焊接刷电路板时，晶体振荡器和电容应尽可能安装得与单片机芯片靠近，以减少寄生电容，更9好地保证震荡器稳定和可靠地工作。2.1.2 复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚 RST 通过一个触发器与复位电路相连，触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期中由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。所谓上电复位，是指计算机加电瞬间，要在 RST 引脚出现大于 10MS 的正脉冲，使单片机进入复位状态。按钮复位是指用户按下“复位”按钮，使单片机进入复位状态。2.2 直流电机的选择及电机驱动电路2.2.1 直流电机的选择本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本系统要实现对路径的准确定位和精确测量，因此采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。我们所选用 Along/奥隆的直流电机，其工作电压为 DC3-12V；减速比为 1：74；减速后电机的转速为 100r/min。选用车轮直径为 6cm。V=2rv (1) 由公式（1）可见 V=2rv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s能够较好的满足系统的要求。2.2.2 直流电机驱动电路智能小车采用的 H 桥功率对管驱动直流电动机，电路原理图如图 3 所示。脉宽调制（Pulse Width Modulation），是利用电力电子开关器件的导通与关断，将直流电压变成连续的直流脉冲序列，并通过控制脉冲的宽度或周期达到变压的目的。所采用的电力电子器件都为全控型器件。用单片机控制晶体管使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；H 桥电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也很高，是一种广泛采用的调速技术 2。本系统中通过控制单片机的 P2.0P2.7 8 个 I/O 口就可以方便的控制 4 各直流电动机的正转、反转。要使电动机运转必须导通对角线上的一对晶体管。根据不同晶体管对的导通情况，电流可能从左至右或葱油至左流过电动机，从而控制电动机的转10向。4 个电动机的不同转向控制小车前进、后退或左右转弯；当左边 2 各电动机正转，右边 2 个电动机反转时，小车右转弯，并可以原地 360转弯。图 3 H 桥功率对管驱动直流电动机的原理图Fig 3 H bridge power tube drive DC motor principle diagram例如，如图 4（注意：图 4 只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）所示，当 Q1 管和 Q4 管导通时，电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机，然后再经 Q4 回到电源负极。按图中电流箭头所示，该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管 Q1 和 Q4 导通时，电流将从左至右流过电机，从而驱动电机按特定方向转动 3。（电机周围的箭头指示为顺时针方向）11图 4 H 桥电路驱动电机顺时针转动Fig 4 H bridge circuit to drive the motor clockwise rotation图 5（注意：图 5 只是示意图，而不是完整的电路图，其中三极管的驱动电路没有画出来）所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况，电流将从右至左流过电机。当三极管 Q2 和 Q3 导通时，电流将从右至左流过电机，从而驱动电机沿另一方向转动。图 5 H 桥驱动电机逆时针转动Fig 5 H bridge driver motor rotates counterclockwisePWM调速的优点如下 4：（1）电流一定连续；（2）可使电动机在四象限中运行；（3）电机停止时有微振电流，能消除静摩擦死区；（4）低速时，每个晶体管的驱动脉冲仍较宽，有利于保证晶体管可靠导通；12（5）低速平稳性好，调速范围可达20000 左右。2.3 光电循迹检测2.3.1 小车循迹原理系统中的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路” 。本系统采取的方法是红外探测法，检测电路原理图如图 6 所示。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体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，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收，光电管导通，比较器输出为高电平；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光，光电接受管截止，比较器输出为低电平。单片机根据检测到得高低电平来控制小车前进的方向是左转还是右转，使小车行进不偏离黑线。本智能小车的地线寻迹共采用三路光电检测电路，实际电路采用 P1.0 对应的一组红外光电对管对着黑线中间，P1.1 对着左边黑线外白底区，P1.2 对着黑线右边白底区；这样，单片机只要检测到 P1.0=0，就表示小车还在黑线中间走；当小车左向偏离黑线，则应该控制小车右转，当小车右向偏离黑线，则应该控制小车左转。检测信号分别于 P1.0、P1.1、P1.2 相连，并且采用与或非组合后送给中断输入端（INT1） ，当任意一路传感器检测到车偏离黑线行驶时，就响应响应中断来做出方向调整。图 6 光电循迹与车速检测电路原理图Fig 6 Photoelectric tracking and vehicle speed detection circuit schematic diagram132.3.2 寻迹传感器模块GD系列反射式光电传感器是经常使用的传感器。如图7所示。这个系列的传感器种类齐全、价格便宜、体积小、使用方便、质量可靠、用途广泛。我们采用GD1作为红外检测传感器。GD1含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）。通过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。A、K之间接发光二极管，C、E之间接光敏三极管 5。（二者在电路中均正接，但要串联一定阻值的电阻）在黑线检测的测试中，若检测到白色区域，发射管发射的红外线没有反射到接收管，测量接收管的电压为48V ，若检测到黑色区域，接收管接受到发射管发射的红外线，电阻发生变化，所分得的电压也就随之发生变化，测的接收管的电压为05V，测试基本满足要求 6。判断有无黑线我们用的一块比较器LM393。图 7 GD1 管脚图及内部电路Fig 7 GD1 pin diagram and internal circuitryLM393 电压比较器是将一个模拟电压信号与一个基准电压相比较的电路。比较器的两路输入为模拟信号，输出则为二进制信号，当输入电压的差值增大或减小时，其输出保持恒定。因此，也可以将其当作一个 1 位模/数转换器（ADC） 。对路面检测的电路设计就是通过电位器设定一个阈值，以此确定是否有光反射。并且以此阈值为标准，向单片机输入满足 TTL 电平的数字信号。如图 8 LM393 原理结构图和表 1 LM39314引脚功能表。 LM393 是双电压比较器集成电路，特点如下：(1)工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源:118V；(2)消耗电流小，Icc=0.8mA；(3)输入失调电压小，V IO=2mV；(4)共模输入电压范围宽，Vic=0Vcc-1.5V；(5)输出与 TTL,DTL,MOS,CMOS 等兼容；(6)输出可以用开路集电极连接“或”门；(7)采用双列直插 8 脚塑料封装（DIP8）和微型的双列 8 脚塑料封装（SOP8）。图 8 LM393 内部电路Fig 8 Of the LM393 internal circuit表 1 LM393 引脚功能表Table 1 LM393 pin function table15引出端序号 功能 符号 引出端序号 功能 符号1 输出端1 OUT1 5 正向输入端2 1N+(2)2 反向输入端1 1N-(1) 6 反向输入端2 1N-(2)3 正向输入端1 1N+(1) 7 输出端2 OUT24 地 GND 8 电源 VCC2.4 光源检测电路系统的光引导利用两组光敏电阻来实现。光源检测电路原理图如图 9 所示。图 9 光源检测电路Fig 9 Light detection circuit光敏电阻的阻值会随着光强弱变化而变化，在小车的前端左右分别放置 1 组光敏电阻电路对光源进行检测。将两路光源检测电路检测到的电平信号分别送到单片机 P3.6和 P3.7，依此来引导智能小车沿光源方向行驶。特别注意只是因光敏电阻电路对光非常敏感，制造时要注意防止旁边散光的干扰，所以必需为每只光敏电阻加上黑色隔离板。虽然制作有一定难度，但其能见长度和相16对简明的控制措施显示了很大的优越性。2.5 超声测距避障电路2.5.1 超声波测距避障发射电路超声波从发射信号到遇到障碍物反射接收的时间间隔小到几毫秒到几时毫秒，根据这个时间 t 可以计算出距障碍物距离 S，距离的计算公式为 S=Vt/2。超声波测距发射电路原理图如图 2-10 所示。当计算的距离小于程序中设定的障碍安全距离时，则认为遇到障碍。所以这个距离可以方便的在程序中调节。NE555 的第 4 脚使能端可由单片机 P1.3 端口控制，调节 5RW2 可以改变信号输出的振荡频率，当需要发射超声波信号时，令 P1.3=1。如图 11 超声波测距避障发射电路图 10 超声波测距发射电路原理图Fig 10 Ultrasonic Ranging transmitter circuit schematic2.5.2 超声波测距避障接受电路超声波测距接收电路原理图如图 11 所示。经过放大的信号在经比较器 LM311 整形，输出 TTL 信号由单片机 P3.3(INT1)接收。工作原理为单片机通过程序设置P1.3=1，启动反射 40kHz 的超声波，超声波发射器向某一方向发射，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为 340m/s，根据计时器记录时间 t，就可以计算出发射点距离障碍物的距离（s） ，即：s=340t/2。就得到小车距前方障碍物的距离 7。17图 11 超声波测距接收电路原理图Fig 11 Ultrasonic Ranging receiver circuit diagram2.5.3 NE555 芯片工作原理NE555是一个能产生精确定时脉冲的高稳度控制器。如图12 NE555内部框架图。NE555的特点有： （1）只需简单的电阻器、电容器，即可完成特定的振荡延时作用。其延时范围极广，可由几微秒至几小时之久； （2）它的操作电源电压范围极大，可与TTL，CMOS等逻辑电路配合，也就是它的输出准位及输入触发准位，均能与这些逻辑系列的高、低态组合； （3）其输出端的供给电流大，可直接推动多种自动控制的负载； （4）它的计时精确度高、温度稳定度佳，且价格便宜；（5）静态电流 最大值 VCC = 5 V, RL = =6mA VCC =15 V, RL = =15Ma。NE555各引脚功能：Pin 1 (接地) -地线(或共同接地) ，通常被连接到电路共同接地。 Pin 2 (触发点) -这个脚位是触发NE555使其启动它的时间周期。触发信号上缘电压须大于2/3 VCC，下缘须低于1/3 VCC 。 Pin 3 (输出) -当时间周期开始555的输出输出脚位，移至比电源电压少1.7伏的高电位。周期的结束输出回到O伏左右的低电位。于高电位时的最大输出电流大约200 mA 。 Pin 4 (重置) -一个低逻辑电位送至这个脚位时会重置定时器和使输出回到一个低电位。它通常被接到正电源或忽略不用。 Pin 5 (控制) -这个接脚准许由外部电压改变触发和闸限电压。当计时器经营在稳定或振荡的运作方式下,这输入能用来改变或调整输出频率。 18Pin 6 (重置锁定) - Pin 6重置锁定并使输出呈低态。当这个接脚的电压从1/3 VCC电压以下移至2/3 VCC以上时启动这个动作。 Pin 7 (放电) -这个接脚和主要的输出接脚有相同的电流输出能力，当输出为ON时为LOW，对地为低阻抗，当输出为OFF时为HIGH，对地为高阻抗。 Pin 8 (V +) -这是555个计时器IC的正电源电压端。供应电压的范围是+4.5伏特(最小值)至+16伏特(最大值)。参数功能特性： （1）供应电压 4.5-18V ；（2）供应电3-6 mA； （3）输出电225mA (max)； （4）上升/下时间 100 ns。图12 NE555内部框架图Fig 12 NE555 internal framework of Fig其中图中2脚的功能为触发，5脚功能为控制电压，6脚功能为阀值，7脚功能为放电端。2.6 车速、行程检测原理2.6.1 车速检测车速的检测原理也采用反射式红外光电传感器，在车轮上有 8 个直径 8