电磁循迹智能小车设计

第1章绪论1.1背景介绍智能车辆是一个综合系统，集成了环境感知、规划决策、多等级辅助驾驶等功能。它运用了计算机、现代传感、信息融合、通信、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体[1-2]。电磁循迹智能车基于电磁感应原理，赛道导线通交变电流产生磁场，车上传感器感知信号，经控制算法调整行驶。其在科技竞赛如全国大学生智能车竞赛、工业巡检、智能物流等领域应用广泛。近年来，智能车辆已成为世界车辆工程领域的热点和汽车工业增长的新动力，许多发达国家都将其纳入智能交通系统的重点发展领域[3]。随着技术进步，它融合多技术，向更智能、自主方向演进，在教育、科研、工业等领域具重要价值，是理论与实践结合的典型，有力推动相关领域技术创新与应用，展现出广阔的发展前景与实用意义。在自动驾驶车辆与人工驾驶车辆共存的混合交通场景中，及时预测附近人工驾驶车辆的驾驶意图对于自动驾驶车辆的安全高效行驶至关重要[4-5]。1.2本设计完成的工作本设计在电磁循迹智能车上进行了展开，完成的工作包括多个关键模块构成了主控芯片的最小系统，保证了控制核心平稳的运行来为程序执行、传感器信号处理和整体的逻辑控制提供基础支撑，它是整个智能车系统的运算和控制的中枢，电源、主控、驱动、指示共同工作构成了一个完整的硬件平台，电磁循迹智能车的电磁传感器信号采集处理、路径识别算法运行、电机实时控制使智能车可以实现精准循迹运行，使整体系统的稳定性与功能性提高了。电磁循迹的最大优势在于受到昼夜和天气因素影响较小，对外界的抗干扰能力强[6]。本设计通过多个模块的设计整合来完成电磁循迹智能车硬件电路的建设，包括了控制、供电、驱动、状态反馈和保护这多个流程来给智能车的实际运行和功能提供基础上的保证。第2章系统的总体设计理念电磁感应的智能循迹系统来完成精确度高的路径跟踪和稳定控制，可以在竞赛及工业导航上使用，有超强抗干扰能力的同时兼具超低价格、高速及低功耗等特点[7-8]。总体设计可以实现的功能：整合多种功能模块，DRV8701-1/2模块和DRIVESTAGE-1/2模块实现电机驱动控制，LEDS模块使状态指示显示，单片机系统是核心，配合最小系统、5V稳压电路、电机驱动接口、音频电路、OLED显示模块等，具有控制、供电、显示、声音功能一体化，选用DRV8701专业电机驱动芯片，配合功率管组成的DRVEISTAGE模块维持电机驱的稳定性与高效性；5V稳压电路提供稳定电源，保障各模块正常工作，提升整体性能。设置接口及保护电路，防止过流、过压对电路的损害；复位电路确保单片机稳定启动与初始化，增强系统可靠性，让电路在可以在各种控制信号和负载条件下安全运行。便于扩展：单片机具备丰富的接口，外接传感器、存储设备连接会更加方便，OLED显示接口、电机驱动接口给后续功能升级预留空间，使系统扩展与升级更加方便。总体方框图如图2.1所示。图2.1系统总体方框图第3章系统的硬件设计本设计是以AI8051U-48单片机作为为核心来完成信号的处理与功能上的控制。PWM信号和光电开关传感器是作为输入端。PWM信号通过单片机解析占空比通过了MCU的处理后发出PWM波通过电机驱动电路驱动直流电机来带动车轮前进或差速转向[9]。光电开关传感器通过光的发射和接收来将障碍物信息以电信号的形式传至单片机，OLED显示屏实时显示运行上的信息，蜂鸣器遇到异常情况报警后向驱动电路发出指令来控制小车的运行。3.1单片机最小系统AI8051U-48单片机的最小系统主要由电源电路、时钟电路、复位电路和程序下载接口和外设基础接口组成。AI8051U-48单片机如图3.1所示。图3.1AI8051U-48单片机主要电路原理如下：1、电源电路，AI8051U-48单片机的供电电压是5V。2、单片机芯片3、AI8051U-48芯片是核心，集成了中央处理器、存储器、输入输出接口等，负责执行指令和控制各功能模块。3.1.1电源滤波与保护模块电源滤波和保护模块在智能车中起到了过流保护和稳定供电的作用。F1串联电路超过350mA后会熔断来防止元件的损坏，C5、C6、C7组成了滤波电路其中大电容是用来滤低频的纹波，小电容是用来抑高频的噪声，使用“通交流、阻直流”特性来平滑电压并在过流保护与滤波的两个作用下，保证了智能车电路稳定安全的运行。电源滤波与保护电路如图3.2所示。图3.2电源滤波与保护电路3.1.2稳压二极管电路模块二极管在智能车中起到了整流作用，VCC电压未超过D4的稳压值时，二极管处于反向截止状态基本无电流通过，对电路影响极小。若VCC电压超过D4的稳压值，二极管进入反向击穿状态。电流在较大范围内变化时，两端电压会基本稳定在击穿电压值，VCC电压钳制在稳定水平，防止了后续电路由于电压过高而损坏。用稳压二极管的反向击穿特性来实现对电路电压的稳定作用，确保电路在过压情况下正常工作，起到保护电路的作用。稳压二极管电路如图3.3所示。图3.3稳压二极管电路3.1.3复位电路复位电路在智能车中使单片机和其他芯片恢复初始状态。按下复位按键RST，让芯片重新开始初始化，使程序正常运行。本设计的复位方式有两种。电源接通瞬间，5V电源通过R4对C3充电。由于电容两端电压不会突变P4.7引脚为低电平，芯片会进入到复位状态。C3进行充电两端电压逐渐升高，P4.7引脚电压会慢慢的上升，当电压上升到芯片可识别的高电平范围时复位结束，芯片开始正常工作。R4和C3的值决定了这个过程的时间，当按下RST按键时，C3会经过按键迅速放电，P4.7引脚会拉到低电平来触发芯片复位。松开按键后C3开始充电，重复上电复位时的过程时芯片退出复位状态，进入正常工作模式。复位电路如图3.4所示。图3.4复位电路3.2稳压电路模块采用LM39100芯片，在智能车中用于将输入电压稳压至5V。搭配电容（C8、C9、C10）滤波，将输入电压转换为稳定的5V电源，为系统供电。稳压电路设计如图3.5所示。图3.5稳压电路设计3.3电机驱动模块电机驱动模块是循迹智能小车在电机控制中的一个重要组成的部分，它负责驱动了2个直流电机使智能车能够按照预定的速度移动[10]。电机6号引脚接5V后1号引脚接地会进行供电，DRV8701芯片通过CPH、CPL接收PWM信号来调节速度，占空比越大转速就会越高，使能信号高电平会激活芯片，方向信号决定车的转向，芯片解析信号生成驱动信号后从GHx、GLx输出，驱动级由MOSFET组成桥接结构后不同电平组合使相应MOSFET连痛，电机电压极性会实现正反转，Q1、Q4与Q2、Q3导通时转向相反，电源VM供电C3、C4滤波稳压，FAULT引脚监测故障遇到了异常时会切断输出，R54元件可以有效防止电流倒灌，这个模块经过芯片处理信号控制电流来实现电机转向、调速和保护机制运行。电机驱动电路如图3.6所示。图3.6电机驱动电路3.4音频电路模块本模块通过S8050三极管驱动蜂鸣器，在智能车中用于发声警示。SPK引脚接收信号，R54限制流入T1基极电流。SPK高电平时T1导通，5V电源经BZ1、T1形成回路，扬声器发声；SPK低电平时T1截止，回路断开，扬声器不发声，这样来控制BZ1发声。音频电路如图3.7所示。图3.7音频电路3.5OLED显示模块OLED屏幕在智能车中用于显示小车状态和参数信息。引脚VCC接入5V电源后GND接地，给模块提供电力上的保证并形成基本的工作回路。复位引脚接收复位信号后初始化OLED屏幕，能够让它进入稳定的工作状态，片选的作用是激活模块，引脚信号有效时会响应外部的控制信号，传输内容的性质是命令选择引脚决定的，高电平表示传输显示的数据，低电平表示传输控制的命令。OLED显示电路如图3.8所示。图3.8OLED显示电路3.6模拟信号处理模块此电路利用OPA2377运放，它可以工作在信号放大、调理，助力智能车传感信号处理方面上。以U5A为例，IN5经R46接入同相输入端，R45、R44与VR5构成反馈网络，依运放“虚短”“虚断”调节输出。U5B原理同。C24、C26耦合电容隔直通交。C25、C27与电阻组成低通滤波抑高频噪声。D7、D8肖特基二极管钳位，防输出电压过高损坏元件。模拟信号处理电路如图3.9所示。图3.9模拟信号处理电路3.7指示灯模块红色灯示电源通电，绿灯反馈智能车动态。红色指示灯DV，VM高电平时，电流经VM、DV、R1到GND，R1限流，DV发光；翠绿色指示灯EN，SLEEP高电平时，电流经SLEEP、EN、R11到GND，R11限流，EN发光。低电平则截止。5V经R7使红色LED指示电源通电；经R6，P0.3低电平时绿色LED指示设备动态，电阻均起限流保安全作用。指示灯电路如图3.10所示。图3.10指示灯电路3.8信号缓冲驱动模块74HC125PW在智能车中是缓冲器提高了PWM信号驱动的能力并使信号稳定传输，当使能端是低电平时，输入信号经缓冲会从对应输出端传输来驱动后续电路。当使能端为高电平时，输出呈高阻态就会切断信号的传输，本芯片可以在电路中控制信号的通断来提升信号驱动的能力。信号缓冲电路如图3.11所示。图3.11信号缓冲电路3.9控制信号接口模块控制信号接口电路通过电阻分压给智能车提供PWM和GPIO信号输入输出通道来维持信号稳定传输，控制口接收微控制器的PWM1、GPIO1、PWM2、GPIO2控制指令信号。R6、R7是下拉电阻在无信号输入时会使引脚电平拉低来维持信号稳定。电源提供的工作电压用来防止电路过压或者欠压确保可靠的信号输入。控制信号接口电路如图3.12所示。图3.12控制信号接口电路3.10本章小结本章展现了电磁循迹智能车的关键电路原理图其中包含了主控最小系统、电源稳压、电机驱动，这些电路是智能车用来实现循迹功能的硬件基础，完成准确的设计和布局可以有效的保证各个模块的协调和工作，后续的软件编程和循迹的算法实现可以通过上面的内容提供有效帮助。第4章系统的软件设计4.1主程序流程设计本智能车流程设计始于系统初始化，智能车各部件和参数进行设定。开启ADC检测，将电池电压等模拟信号转为数字量。检测数据及系统状态经屏幕显示方便实时查看，后续是读取光电管状态来判断：若输出高电平，设置固定偏差值，同时蜂鸣器报警，提示异常，若未输出高电平蜂鸣器不响可以计算偏差值，用偏差去运用控制算法生成信号来控制电机，实现对智能车行驶方向与速度的调整来让智能车按预期状态运行。系统的主程序流程图如图4.1所示。图4.1总流程图4.2子程序流程设计4.2.1电机驱动程序电机驱动子流程从开始进入初始化，对单片机、DRV8701芯片进行设置，配置引脚模式与芯片参数。检测PWM信号后用单片机定时器精准测量周期和占空比。信号经CPH和CPL引脚输入DRV8701芯片，芯片可以根据信号来解析结果来调控输出电流同时改变电机转速与方向，流程返回检测PWM信号环节会进行不断重复循环来实现对电机运行状态的持续动态调节，保证稳定运行和能够精准响应指令。电子驱动子程序如图4.2.1所示。图4.2.1电机驱动流程图4.2.2OLED显示程序OLED显示流程从开始起步开展OLED初始化，调理配置驱动芯片和寄存器的参数，设定显示模式和亮度让显示屏进入就绪状态，完成了上述之后OLED会去除屏幕残留内容，设置光标位置来精准确定显示起始坐标。读取单片机信息后获取传感器数值、系统状态的数据并把这些信息写入显示。完成显示后，流程进入返回环节，可按需再次执行显示流程，确保信息可以及时正确显示。OLED显示流程程序如图4.2.2所示。图4.2.2OLED显示流程图4.3本章小结本章围绕智能车系统设计来讲解了三个关键的流程。系统初始化开始后通过ADC检测、屏幕显示及光电管状态读取这几个操作，通过光电管输出情况去获得计算结果计算偏差值来完成对电机的智能调控，保证智能车运行稳定和准确性，电机控制流程中，系统从启动开始后通过初始化后持续检测PWM信号让DRV8701芯片准确的调节电机转速和方向后形成闭环控制，给智能车运行提供了动力上的支持。OLED显示流程是从初始化OLED起步，经过清屏、设置光标位置来将单片机信息有效显示来实时了解车辆状态。第5章系统的安装调试5.1必备的模块和元器件本设计用到的模块及元器件主要有：AI8051U-48单片机、电机驱动模块、稳压芯片、按键、开关、电阻、电容、以及若干导线。5.2综合检测该系统是基于Keil和Proteus软件环境仿真调试的，Proteus软件中进行硬件的设计，通过在Keil软件进行程序的编写与编译下装到单片机中，在Proteus中进行系统的仿真。在硬件方面，对智能车的各模块和元器件逐一排查。单片机作为控制核心引脚连接稳固无虚焊的情况，电磁传感器安装位置精准能敏锐捕捉赛道电磁信号，电机驱动模块运行稳定无过热现象电机转动顺畅，速度传感器反馈及时，电源模块输出电压稳定电容、电阻元件参数正常焊接良好。软件测试中初始化子程序顺利完成各模块初始化，变量赋值正确，循迹子程序能准确读取传感器数据，快速计算转向控制量，使智能车稳定循迹。速度控制子程序根据速度偏差调整电机转速车速接近目标值并且响应很快，按键处理子程序对按键操作响应灵敏，消抖效果良好功能切换无误。在模拟赛道测试时智能车启动迅速，能稳定跟踪电磁信号在弯道和直道都能保持良好行驶状态，速度控制精准可以按设定速度行驶遇干扰后能快速恢复稳定，在赛道电磁信号微弱区域循迹稳定性稍差。5.3检测结果经全面检测电磁循迹智能车硬件连接稳固各模块运行正常，电磁和速度传感器数据反馈精准电机驱动稳定，软件层面各子程序运作良好初始化快速完成，循迹时能依信号灵活转向速度调控稳定按键响应也灵敏。模拟赛道测试智能车启动迅速，直道行驶平稳弯道也能较好循迹。在电磁信号复杂区域，循迹存在短暂偏差；高速过弯时，速度调整不够及时。总体上来看智能车基本功能达标，但在复杂场景的适应性上还有提升空间。结论本智能车系统设计通过协调了多种关键元器件的功能和优化流程来完成预期功能与性能上的目标，使用了AI8051U-48单片机为核心来搭配各个模块共同运作，来实现对车辆运行状态上的控制，光电管和ADC传感器可以使车辆有效准时的对外界发生的变化做出一定的反应，DRV8701电机驱动芯片共同配合，来使驱动级模块赋予电机稳定的动力上的输出，设计上用了模块化思路方便了以后的维护和升级，循环流程的机制保证了车辆可以根据复杂环境来调整车辆的运行状态。设计上还有可以改进的的空间如可提升传感器精度和抗干扰的能力可以通过优化电路减少一定的功耗，未来可以引入先进传感器技术来提升系统性能。参考文献[1]张丽霞，田硕，潘福全，等.基于MPC的智能车辆路径规划与跟踪控制[J].河南科技大学学报(自然科学版)，2024，45(1):1-11，117.[2]张德宇，侯立刚，张晓勇，等.基于MC9S12XS128单片机的多功能智能小车系统设计[J].电子设计工程，2014，22(11):100-102，106.[3]杨飞，张荣.依托智能汽车竞赛的新工科人才培养模式探索[J].教育现代化，2018，5(34):1-2.[4]LiuS，ZhengK，ZhaoL，etal.AdrivingintentionpredictionmethodbasedonhiddenMarkovmodelforautonomousdriving[J].ComputerCommunications，2020(157):143-149.[5]郎悦茹.基于高速公路的驾驶员换道意图识别[J].汽车实用技术，2022，47(14):109-112[6]秦磊，王佳宇，黄名扬，等.基于单片机的电磁循迹智能车系统的设计[J].物联网技术，2018，8(7):102-104，109.[7]杨亚男，姚世豪，吴振辉.基于STC32G/STC8H系列单片机的多功能开发学习板[J].物联网技术，2023，13(10):159-162.[8]李蒋.基于51单片机的汽车用LED流水灯仿真设计[J].汽车电器，2023(1):28-31，35.[9]肖玉萌，程登良，杨文俊.电磁循迹智能小车设计[J].湖北汽车工业学院学报，2021，35(1):75-80.[10]王英杰.基于STC32G单片机的电磁循迹智能小车设计[J].汽车电器,2024,(08):1-5.附录A设计原理图图A设计原理图附录B主程序#include"include.h"unsignedintdiangan[2];shortleft=0,right=0,temp_angle=0;shortL_duty=0,R_duty=0,motor_duty=1200;voidSystem_Init(void);//上电初始化配置intZA_flag=0,ZA=0;voidmain(void){ chartxt[20];u8i=0;System_Init();UART_Init(UART1,115200ul);//初始化串口1波特率1152008位数据,切换管脚需进入该函数内部，默认第一管脚GPIO_LED_Init();GPIO_KEY_Init();Global_IRQ_Enable();//使能全局中断Global_IRQ_Disable();OLED_Init();//OLED初始化OLED_CLS();for(i=0;i<2;i++){LED_Ctrl(Beep0,RVS);delay_ms(100);} ADC_Init();//电感初始化 Motor_Init(Motor_FREQ);//初始化电机PWM，参数PWM频率 while(1) { ZA=GPIO_ReadPin(P3_3); diangan[0]=Get_ADCResult(0); //读取ADC8通道值P00diangan[1]=Get_ADCResult(1); //读取ADC9通道值 P01 left=(float)(diangan[0]-100.0)/(2300.0-100.0)*100.0; right=(float)(diangan[1]-100.0)/(2300.0-100.0)*100.0; left=(left<0)?0:left;//归一化后限制输出幅度 left=(left>100)?100:left; //归一化后限制输出幅度 right=(right<0)?0:right;//归一化后限制输出幅度 right=(right>100)?100:right; //归一化后限制输出幅度 temp_angle=left- right; if(ZA_flag==0&&ZA==1) { ZA_flag