智能小车设计报告(论文)

智能车模型

摘要：

本作品是以玩具小坦克为车体，以AT89S52单片机为主控芯片，配合直流电动机，黑白传感器、金属传感器、霍尔传感器,LCD液晶显示屏等器件构成多功能智能小车系统。该系统通过调节PWM输出可实现控制小车的前进、后退、转向、加速、减速等动作；可精准地完成小车沿黑色引导线的寻迹（断开引导线亦可）、检测铁片个数、平稳运送乒乓球、实时LCD显示行驶距离、时间和行车轨迹等功能。经过多次测试，小车的各项性能指标均已达到竞赛题目的要求（包括基本要求和发挥部分）。

关键词： AT89S52单片机黑白传感器金属传感器霍尔传感器 LCD显示

1方案设计与论证

1.1电源选择方案

方案一：双电源供电。

方案二：单电源＋DC/DC转换供电。

由于电机驱动和其他芯片工作电压不一样，需各自独立供电。如用双电源供电则需使用两个不同的电池组，占空间，且增加车体重量，从而影响车速。方案二使用6节电池产生约7~9V的电压，进行DC/DC 转换，可得到5V左右的稳定电压。该方案电路简单、性能稳定可靠。因此选择方案二。

1.2直流电机驱动方案

方案一：采用分立元件搭建经典H式直流电机驱动电路

方案二：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。

方案一元件多，接线复杂，一套电路只能驱动一个直流电机。方案二采用一个L298N，可以同时驱动两个电机。使用PWM方式的调速电路搭接简单、驱动电流大、可靠性高。因此选择方案二。

1.3寻迹探测方案

方案一：采用红外光电对管。

方案二：采用黑白线传感器。

方案一所选传感器受光照影响很大，在循迹的过程中可能不能够稳定工作。而采用黑白线传感器抗干扰能力强，检测效果好，且输出信号为开关量，信号处理简单。因此选择方案二。

1.4测速计程模块

方案一：采用光电对管进行测速。

方案二：采用霍耳传感器进行测速。

方案一需将传感器安装在车轮内侧，安装不便。而方案二可将传感器安装在坦克车轮外侧，安装较方便，因此选择方案二。

1.5车载显示模块

方案一：使用周立功7290板的8位数码管显示小车走过的路程和时间

方案二：用12864液晶屏显示小车行驶的路程和时间。

两个方案虽然都可以显示路程和时间，但12864液晶屏不仅可以更清晰地显示出“路程”和“时间”等指示字样，还可绘出特色发挥部分的小车行驶轨迹。因此选择方案二。

1.6最终方案

经过以上分析、对比，最终确定的方案为：以L298N驱动直流电机、以单电源+DC/DC供电、以黑白线传感器循迹、以霍尔传感器计程、以12864液晶屏作为车载计时、路程、轨迹显示。

2 系统设计、分析、实现

2.1 系统总体框图

系统总体硬件框图如图2.1所示：

图2.1 系统总体硬件框图

2.2 电源转换模块

电机驱动模块需要9V电源，其余模块只需5V电源，故需要一个降压电路,如图2.2所示，把9V电池的电源转换成5V电源才能使各模块正常工作。我们选用的电池为6个1.2V充电电池，总电压为7.2V。经实验调试可得，当输入电压为6.9V-9V之间时，降压电路能稳定的输出电压范围为4.8V-5V，波动范围较小，能较好的满足供电需求.

图2.2 DC/DC降压电路

2.3 电机驱动电路模块

L298N 芯片内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相的专用驱动器，内含二个H 桥的高电压大电流双全桥驱动器，接收标准TTL 逻辑电平信号，符合两轮驱动和单片机控制。它可驱动46V ，2A 以下的电机，满足小车马达的驱动要求。

A B A ’B ’

图2.3 电机驱动原理图

L298N 驱动2个电机，2、3脚和13、14脚之间分别接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 （6脚），ENB （11脚）接控制使能端，控制电机的停转。其中5、7、10、12脚分别接单片机的P1.0、P1.1、P1.2、P1.3。

2.4 传感器模块

A 、传感器的安装

传感器的安装如图2.4.1所示，车头一共有5个黑白线传感器和3个金属传感器。中间的金属传感器（检测距离为8mm ）是来检测跑道上的铁片，旁边的两个金属传感器（检测距离为4mm ）是来检测距离引导线70mm 以上的金属片的。由于在拐弯断线处，小车可能会偏出轨道，无法继续寻迹，故最外围的两个黑白线传感器就是使小车在偏离轨道一定范围的情况下，仍能够调整车头，重新回到轨道上，故两个传感器的距离要尽量的远,在不超出车身范围的情况下。中间的黑白线传感器的可扩展为让小车在断线处仍能够画出断线部分的轨迹（显示一断断线，属于特色部分），另外两个黑白线传感器的任务就是让小车完成基本的寻迹功能。

黑白线传感器、金属传感器、霍尔传感器电路接线图大体相同，只是上拉电阻取值有

所不同,如图2.4.2所示。

图2.4.1 传感器模块安装图

图2.4.2 黑白线传感器，金属传感器的接线图

B 、霍尔传感器

霍尔传感器和磁钢配套使用，用来计算小车的行驶路程。本作品用到两个霍尔传感器和20个磁钢，左右后车轮各一对（1个霍尔传感器和10个磁钢），安装方式如图2.4.3所示。磁钢数量越多，测量出的车轮圈数约精确，行驶路程也越精确。

2.4.3 尔传感器安装图

C 、金属传感器

选用的金属传感器为NPN 常开型传感器，理论的测测量距离为4mm ，传感器输出为1、0开关量信号，当金属传感器感应到金属片时，其输出由高电平变为低电平。

D 、黑白线传感器电路模块

黑白线传感器安装在距离地面2～3cm 处，具有良好的反应速度与精度，在光线比较充足的条件下，检测距离可以达到10cm 。该传感器输出为1、0开关量信号，可与单片机直接相连。

3 系统的软件设计 3.1 软件流程图

图2.1小车整体的系统流程图。当小车前头的黑白线传感器同时检测到起点

的黑线时，单片机接收到信号，小车开始加速行驶，且开始交替显示行驶时间和行驶路程，此时由于还没检测到金属片，故行驶距离显示为0 。当小车在行驶的过程中检测到第一片金属片时，小车减速行驶直到停止（让V 型槽上的小球不至于滑出跑道）。数码管显示铁片数量为1，且闪烁提示。此时单片机收到相应信号，控制小车停止5秒，在停止的过程中交替显示行驶距离和时间。当5秒过后，小车继续行驶，当检测到下一块铁片时，小车又停止5秒，铁片显示加1（同样闪烁显示）。到终点时，小车前头的黑白线传感器同时检测到终点的黑线，小车停止，数码管显示铁片数量且交替显示行驶的总时间和第一片铁片到终点的路程。我们的特色是LCD 显示屏还能同步画出小车行驶的轨迹图。当按下ZLG 按键，

LCD

将切换到轨迹显示，并能在LCD上标出铁片位置。

由于发挥部分中要求小车V型槽上的乒乓球不能落地或少落地，故在小车开始行驶时有缓慢加速过程，在小车停止时有缓慢减速过程。

3.1 主程序流程图

3.2 编程思想及核心算法的实现

3.2.1 PWM方波的产生

我们采用内部定时器方式来产生占空比可调的PWM方波信号。

3.2.2 小车拐弯的实现

如图3.2 所示，左1黑白线传感器碰到黑线时，小车向左拐，并锁住拐弯状态等到左2黑白线传感器碰到黑线，左2黑白线传感器碰到黑线时，小车向左拐。右1，右2碰到黑线的处理与左1，左2碰到黑线的处理一样。其他状态小车直走(除特殊情况如起跑线与终点)。

图3.2 黑白线传感器的安装位置

3.2.3 小车行驶路程的计算

小车的行驶的路程是用霍尔传感器来计算的。由于黑线位于两个轮子之间，设左轮走过的路程为S1，右轮走过的路程为S2，故实际距离应为（S1+S2）/2。

3.2.4 小车轨迹的绘制

小车的轨迹是由一段段射线构成的。小车每走一段距离L，就在屏幕上画一条线段，线段长度设计为4个像素。画射线的算法：横坐标X=L*cosθ,纵坐标

Y=L*sinθ。通过描点函数一点点描出来。由于单片机没有计算sinθ，cosθ的函数，所以本组采用查表法。

4 系统性能测试

4.1. 测试仪器

型号YB43020B示波器、型号YB1732A直流稳压电源台、数字信号发生器、卷尺、伟福仿真器、PC机

4.2测试步骤：

A、根据要求做出完整轨迹，总长度为3.7m，接着分别在直道、弯道放置4个铁片，其距离起点依次为40cm、、150cm、220cm、280cm，观察小车能否寻迹，检测到金属片时能否停下5s，显示并给出提示。

B、将小车放置起点处，启动小车，手中秒表开始计时，到终点时停止计时，看数码管显示。

C、重复步骤A、B四次。

D、在轨道中间断开30cm引导线，铁片放一个于偏离轨道7cm处，三个在轨道上，并在车上顶部放置一50cm长的V型直槽，槽内放置一乒乓球，重复B、C步骤，观察乒乓球是否掉落。

4.3 性能指标测试数据

经测量小车履带车轮的半径为24mm，经计算的周长为150.72mm，测试跑道的成都为370mm，第一块铁片距终点的距离为150mm。

从表1中可看出，实际距离和测试距离误差不大于5mm，相对误差小于1.4%，每次行驶的时间误差也很小，故性能指标良好。

5 结论

本作品以AT89S52单片机为主控芯片，配合坦克小车、直流电动机、黑白传感器、金属传感器、霍尔传感器,LCD液晶显示屏等器件构成多功能智能小车系统。该系统通过调节PWM输出可实现控制小车的前进、后退、转向、加速、减速等动作；利用黑白线传感器可精准地完成小车沿黑色引导线的寻迹（断开引导线亦可）；利用金属传感器正确检测铁片个数、利用软件调节启动停止速度来实现平稳运送乒乓球、使用LCD液晶屏显示行驶距离、时间和行车轨迹等功能。经过多次测试，小车的各项性能指标均已达到竞赛题目的要求（包括基本要求和发挥部分）。

附录A 系统设计电路图：