【毕业学位论文】（Word原稿）简易智能电动车-计算机技术

- 0 - 简易智能电动车 摘要 本简易智能电动车采用简单的人工智能技术，以 据、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号，可以自动寻迹，变速行驶，前轮转动控制，正向逆向行驶，记忆状态，车辆弯道寻迹运行，绕过障碍物行驶，准确进入车库并停车，实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号，以及测量全程时间、全程路程等功能。 关键词 ： 电检测器、 速、电动小车 TC in to - 1 - 目 录 一、 前 言 .、总体方案 设计 .、 控制器模块 .、控制 电机的选择 的比较与论证 .、 电机驱动模块的选择 .、 路面轨迹探测模块 .、 金属探测方案比较 .、 障碍探测模块方案分析与比较 .、 寻找光源方案分析与比较 .、 路程测量选择 .、 电源选择 .0、 显示模块 选择 .1、 系统总体设计方案和实现方框图 .、单元模块设计 . . 1、 路面轨迹探测电路 . . 2、 探测金属模块 . . 3、 电机驱动电路 . . 4、 超声避障模块电路 . . 5、 霍尔测距模块 . . 6、 光敏二极管电压信号采集 . 四、系统调试 . 1、 硬件调试 . 2、 软件调试 . 3、 软硬件结合调试 . 4、 系统软件的设计 . 五、系统功能、指标参数 . 六、设计总结 . 参 考 文 献 . 附录 硬件原理图 . - 2 - 一、前言 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。设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有自动寻迹、寻光、避障功能，可程控行驶速度、准确定位停车。 根据题目的要求，确定如下方案：在现有玩具电动车的基础上，加装光电、红外线、 超声波传感器及金属探测器，实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量，并将测量数据传送至单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。 这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制，控制灵活、可靠，精度高，可满足对系统的各项要求。本设计采用 用超声波传感器检测道路上的障碍，控制电动小汽车的自动避障，快慢速行驶，以及自动停车，并可以自动记录时间、里程和速度，自动寻迹和寻光功能。 80一款八位单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。它是第三代 单片机的代表。 本设计就采用了比较先进的 8080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 。 二、总体方案设计 1、 控制器模块 ： 方案 1：采用 优点： 可以实现复杂逻辑功能，规模大，速度快，密度高，体积小，稳定性高，容易实现仿真、调试和功能扩展。 缺点： 成本高，引脚多， 复杂。本设计对数据的处理要求不高，此方案的优势得不到充分体现。 方案 2：采用 51案。 优点：算术运算功能强，软件编程灵活，自由度大，技术成熟，体积小，成本低， - 3 - 容易实现仿真、调试和功能扩展，并而 51运用我们比较熟练。 缺点：速度相对较低。 方案 3：采用嵌入式处理器 （ 案。 优点： 运算功能强大，速度较快，编程灵活，自由度大，外围器件少，成本适中，容易实现仿真、调试和功能扩展。 缺点： 本设计可采也用此方案，取决于对相关技术的熟悉程度。所以我们选择方案 2。 2 控制 电机的选择 的比较与论证 ： 方案一：使用步进电机。步进电机的优点是具有快速启动和停转能力、转 动角度精确。但此方案缺点显著，步进电机的功率小、速度慢，另外，其价格较高，且在原有的小车结构上不易找到合适的步进电机进行安装，硬件改造难度很高。 方案二：使用小车上原有的直流电机。虽然直流电机不易精确控制，但对 于小车来说，其精确性并不十分重要。而其调速平滑方便，可实现频繁的无级快速起动、制动和反转；调整范围广、过载能力强、能承受频繁的冲击负载等优点则显得尤为突出。 经比较验证，显然方案一的机械结构 也短时间内难以满足题目的要求，而方案二本身是与小车相兼容的，性能也比较好，采用方案二。 方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制。通过控制开关的切换速 度实现对小车的速度进行调整。此方案电路简单，但继电器易损坏、寿命短，可靠性不高。 方案二： 采用由分离元件达林顿管组成的 种电路由于管子交替工作在饱和与截止的模式下，因此效率非常高； 子开关的速度很快，稳定性也极强。 方案三 :采用单片集成电路 集成的桥 式驱动电路，最大驱动电流可达到 4A， 可简单的实现转速和方向的控制 。 缺点： - 4 - 小车启动时，由于突然施加的电压比较高，车轮容易打滑。 由于我们 对方案二不是很熟悉，综合总个系统的设计。我们选择了方 案三。 4、路面轨迹探测模块： 方案一：用光敏传感器。地面的黑色和白色反光程度不同，由此判断传感 器是否在黑线上方。但此方法易受到外界光源的影响，检测的灵敏度与小车的行驶环境有关，这就降低了系统的适应能力和可靠性。 故最终未采用该方案。 方案二 ： 分别置于轨道的两侧，根据其接受到白线的先 后来控制小车转向 来调整车向，但测试表明，如果两只光电开关之间的距离很小，则约束了速度 ，如果着重于小车速度的提升，则随着车速的提升，则势必要求两只光电开关之间的距离加大，从而使得小车的行驶路线脱离轨道幅度较大，小车将无法快速完成准确的导向从而有可能导致寻迹失败。 方案三、 用三只光电开关： 一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小 车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中 间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，虽然小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆（因为所购小车的内部结构决定了光电开光之间的距离到达不了精确计算值 1厘米），但只要控制好行驶速度就可保证车身基本上接近于沿靠轨道行驶。 综合考虑到寻迹准确性和行驶速度的要求，采用方案三 。 5、 金属探测方案比较 ： 方案一、使用 探测线圈和探测仪 构成的金属探测器。此类金属探测器利用 探测线圈产生 的 交变磁场 在接近 金属 材料时产生 微弱变化 这一原理 ， 将变化信号放大处理进而实现探测金属的目的。由于该探测器结构复杂，在 短期内不可能完成制作，为节省时间，我们放弃了该方案。 方案二、使用电感式接近开关代替金属探测器。电感式接近开关本身就 是 理想的传感器。当金属 物体 接近开关的感应区域，开关就能无接触，无压力、无火花、迅速 作出反应。用它作为本次小车的金属传感器，简单易行、准确且抗干扰性能优越。 - 5 - 本系统中采用方案二。 6、 障碍探测模块方案分析与比较 ： 方案一、采用一只红外传感器置于小车中央。一只红外传感器小车中央安 装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会 与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。 方案二：利用激光测距来测量有效的安全距离来控制。此方案探测距离准确、性能可靠；但造价较高，器件不易购买。 方案三：采用超声波探测。由于超声波频率高、波长短、定向性好，而且振幅小、加速度大、能量集中，适合于测量距离。特别是对这一题目而言，超声波不易受强光干扰，提高了系统的可靠性。 智能小车应以准确、智能见优 。因此 ，采用方案三。 7、 寻找光源方案分析与比较 ： 方案 一 ：采用光敏电阻。在车头部装朝四个不同方向的光敏电阻，当光敏电阻受到光源照射时，电阻很小，背光时电阻很大。通过一个 集四路光敏电阻上的分压，通 过比较实现光源的探测。 方案二 ：采用被动式红外探测器。被动式红外探测器内部只有接收红外光的光敏三极管，只能被动地接收障碍物等其他物体发射的红外光。这种检测方法利用日光灯发热产生的较强的红外光来检测光源，在能检测到和不能检测到光源的临界点，光敏三极管的射极输出电压有一个较大的跃变，便于后级处理。 由于通过 集 比较麻烦。所以我们选择了方案二。 8、 路程测量 选择 ： 方案一：借鉴光电鼠标的工作原理。在车轮上均匀地安装多个遮光条， 用计数光脉冲的方法测量小车的位移，并据此计算车子的速度。 方案二：用霍尔开关感应 车轮的转速。在车轮上均匀地安装磁片，在车 轮中心轴上安装霍尔开关。 - 6 - 考虑到方案二安装相对简单，且能够达到题目要求，因此我们选择了方案二。 9、电源选择： 方案一：所有器件采用单一电源。这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且 造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电。 方案二：双电源供电。对电机驱动电路与单片机以及其周边电路分别独立供电。这样做可以消除电动机驱动所造成的干扰，提高了系统稳定性。 由于系统稳定性对小车完成即定任务至关重要，故采用方案二。 10、 显示模块 选择： 方案 1：使用 优点 ：功耗小，显示形式多样。 缺点： 编程难度较高，亮度较低。 方案 2： 使用 优点 ：编程难度低。 缺点： 功耗较大，电路连接相对较复杂。 我们选择了方案二。 系统总体设计方案和实现方框图 ： 本题是一个光、机、电一体的综合设计，在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术，系统可分为传感器检测部分和智能控制部分。 传感器检测部分：系统利用光电、金属、超声波等传感器完成对路面、障碍物、路程、光源和金属物的探测或检测，因此有相应的 5个电路。 智能控制电路部分：根据传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制小车的电机、显示数码管、蜂鸣器以及发光二极管，完成小车的自动寻迹、探测金属、逃避障碍物、寻找光源、显示路程等各项任务。控制部分包括 机驱动电路和 示 电路。 - 7 - 综上所述，系统总体方框图如图 2 1所示： 图 2 1 系统框图 三、单元模块设计 1. 路面轨迹探测电路：2面探测 电机驱动 铁片检测 行程测量 声音提示 光源检测 障碍 探测 图 3 1 红外传感器工作原理 - 8 - 二极管和光敏三极管组成，由发光二极管发出的光线经地面反射后射入光敏三极管并控制其通断。如图 3 1所示，当传感器处于黑线上方时，由于黑线红外光线的反射能力很弱，光敏三极管截止，输出端输出为高电平；反之，传感器离开黑线时，输出端输出为低电平。 我们采用了 5个 控制 控制小车的行驶，实现循迹功能。 电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感 器，它由 频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接 近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。 我们选用的接近开关外部引出了蓝、黑、棕三个颜色的线。其外部电路 如图 3 2所示。当检测到金属时，输出端输出低电平。 从单片机通过 现对铁片的探测和计数。 3 电机驱动电路 ： 图 3 3 电机驱动电路 电机驱动采用的是 单片集成电路 成 机驱动电路 ，其电路原理 ： 图 3 2 接近开关工作示意图 - 9 - 4超声避障模块电路 ： 1234567141312111098 4 超声波发射电路 我们在车头安装了 超声 探头，用于探测障碍物。 该电路由反相器和超声波 - 10 - 发射换能器 T 构成，由单片机定时器产生的 40方波信号由 输出。经 74相器发射，提高发射的功率。 4 5所示。 设计中采用了红外线检波接收专用芯片 作超声波检波接收电路，该芯片常用于电视机红外 遥控接收器。因红外遥控常用的载波频率 380以可以利用该芯片作为接收电路使用。 5霍尔测距模块 ： 置于磁场中的静止载流导体，当它的电流方向与磁场方向 不一致时，载流 导体上平行于电流和磁场方向的两个面之间产生电动势，这种现象称霍尔效应。 由于汽车后轮是驱动轮，容易与地面打滑，测速传感器必须安装在前轮 。 为了提高测量精度，如图 3示，我们在一个前轮上均匀安装了 3 个磁片 ,每当磁铁片经过霍尔片时，传感器输出端输出一个脉冲，通过主单片机的定时器来计数脉冲个数 4，依此计算车子的行程。假设 车轮周长为 C，则车子行程为 s=，结合车子行驶时间 t，又可得车子的平均速率为 v=s/t。结合实际情况产图 3霍尔开关测距原理示意图 - 11 - 生调速信号，发给从单片机，从而实现速度反馈调节。 6光敏 二极管 电压信号采集 ： 采用被动式红外探测器。被动式红外探测器内部只有接收红外光的光敏二极管，只能被动地接收障碍物等其他物体发射的红外光。这种检测方法利用日光灯发热产生的较强的红外光来检测光源。 7 光源采 集电路 四、系统调试： 1、硬件调试： 2、软件调试： 车速调节 的 方法有两种：一 是 用步进电机代替小车上原有 的 直流电机；二是 在原有直流电机 的 基础上，采用 虑到 步进电机的复杂性和 不便于修改等因素，这里选择后者，利用单片机输出端输 出高电平 的 脉宽及其占空比 的 大小来控制电机 的 转速，从而控制小车 的 速度。经过多次试验，最终确定合适 的 脉宽和占空比，基本能保证小车在所需要 的 速度范围内平稳前行。 分析电路图 模块电路测试 总体测试 总结 - 12 - 3、软硬件结合调试： 经过多次的调试和检测；智能小车能按照预想的那样正常工作，问题不大， 实验测试结果满足要求。 4、 系统软件的设计 ： 五、系统功能、指标参数： 1测试仪器： 卷尺 、秒表 2. 测试方法与结果 ： 让小车在跑道上跑完全程，观察小车实际实现的功能。我们让小车跑 5次全程，记