简易智能电动车及电源电路设计

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摘要:简易智能电动车由一个电动玩具车改造而成。系统的控制部分以单片机为核心,通过对前向通道各种传感器信号的采集、处理,较好地实现了后向通道驱动及转向电机的运动控制和相关信息的处理、显示和声光报警。

关键词:电动车,路径跟踪,避障,光源引导

本系统要求设计并制作一个简易智能电动车,其行驶路线示意图如图1所示:

图1  智能电动车行驶路线示意图


1 设计方案包括基本要求,发挥部分及其它创新部分
总电路框图如图2所示:
1.1 基本要求
① 电动车从起跑线出发(车体不得超过起跑线)、沿宽度为2cm的黑色引导线到达B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1~3块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时,立即发出声光指示信息,并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。
② 电动车到达B点后进入“弯道区”,沿圆弧引导线到达C点(也可脱离圆弧引导线到达C点)。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片,要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C处停车5秒,停车期间发出断续的声光信息。
③ 电动车在光源的引导下,通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。

④ 电动车完成上述任务后立即停车,全程不得超过90秒,行驶时间达到90秒时立即自动停车。


图2 系统总体框图


1.2 发挥部分和创新部分
① 电动车在“直道区”行驶过程中,我们存储并显示出了每个薄铁片(中心线)至起跑线间的距离。
② 电动车进入停车区域后,能准确驶入车库中。
③ 停车后,能准确显示全程行驶时间及成功或完成信息。
2 单元电路的方案论证与电路参数计算
2.1 线路跟踪电路
方案一:采用CCD单色摄像头,配计算机主板及图像采集卡。对白背景下,黑线的识别,目前做的比较成熟,效果相当好。但成本高,很难找到合适的载体。
方案二:采用颜色传感器。目前颜色传感器的应用,越来越广泛,效果也可以。但几百元的价格及相对复杂的处理电路,并且还需要光源,所以也不是一个很好的选择。
方案三:采用一左一右两个红外发射接收对管。该传感器不但价格便宜,容易购买,而且处理电路(如图3所示),简单易行,实际使用效果很好,能很顺利地引导小车到达C点。
在该电路中,加比较器LM311的目的,是使模拟量转化为开关量,便于处理。为使发射有一定的功率,发射回路要求不小于20mA的电流。
根据    ,故可选择R1=150Ω。
启动时,小车跨骑在黑线上。两个红外发射接收对管,分别安装在黑线的两侧的白色区域,输出为低电压,当走偏,位于黑线上时,输出为高电压。因黑线较窄(2cm),为及时调整车的方向,选择比较器的阀值为2.5v,即黑白相间的位置,即开始调整。实验表明,效果较理想


 

图3  红外发射接收对管处理电路

2.2 避障电路
方案一:采用激光传感器测距。能非常准确地测出小车与障碍物的距离,但价格也高,处理复杂,不符合我们的要求。
方案二:采用超声传感器。进口的超声传感器,换能器薄,并且带处理电路,输出与距离成比例的模拟信号,通过AD转换,可获得距离信息,价格贵。也有一些较简单的超声传感器及处理电路,能输出开关量信息,价格也不贵,是一个好的选择,但由于没买到现成的处理电路,平常又没有做过这种电路,时间紧,故未采用。
方案三:采用左右两个红外传感器。红外传感器,是目前使用比较普遍的一种避障传感器,其处理电路如图4所示,通过调节R23、R24两个电位器,可调节两个红外传感器的检测距离为10—80cm,开关量输出(TTL电平),简单、可靠。我们采用这种电路,能可靠地检测左前方、右前方、前方的障碍情况,为成功避障提供了保证。
 

图4  红外发射及接收处理电路

2.3  光源检测电路
为了检测光线的强弱,我们在小车左前方、右前方加了2只光敏传感器,即光敏电阻。电路如图5所示。光敏传感器根据照射在它上面的光线的强弱,阻值发生变化,输出电压随之变化,通过ADC0809后,得到与光强相对应的数字量,从而引导小车,向光源靠近。不同型号的光敏电阻,暗电阻及亮电阻差别较大,需根据不同参数的光敏电阻,选用不同大小的分压电阻。
 
图5  光源检测电路

2.4  金属检测电路
采用了一只涡流型铁金属探测传感器,型号:LJ18A3-8-Z/BX。可靠探测距离,小于8cm。
2.5  电机驱动电路
电动小车的本身自带的换向及驱动电路,相当粗糙,电机的特性也很不好,不能调速。电压低了,速度慢,驱动力矩小,走不动;电压高时(刚换上电池时),速度又很快,难以调整。在这上面,花费了不少的时间,效果很不好。最后,决定对小车的电机及驱动电路,进行了更换。后轮采用了一对减速直流电机,其驱动电路如图6所示。采用PWM控制,可较方便的对电机进行调速。
 
图6  电机驱动电路

2.6  液晶显示电路
      液晶显示器,选用的是16X2点阵字符型显示器,功耗低,小巧、美观。
2.7  电源电路
      电动车可提供9V的电源(6节干电池)。控制系统使用5V的电源,采用了LM7805进行DC/DC变换。
3 软件设计
3.1 软件所实现的功能
① 路线跟踪
② 障碍检测
③ 寻找光源
④ 金属探测,数目存储、显示
⑤ 运行时间显示
⑥ 起跑线与金属铁片中心点间的距离计算与显示
3.2 软件流程

系统的主程序流程框图如图7所示。


图7  系统的主程序流程框图


4 测试方法与仪表
4.1 测试仪表
秒表两块 ,刻度尺
4.2 测试方法
 将汽车放于起跑线,开启电源开关。小车响第2次声音时,开始前行,第一块秒表开始计时;
 运行到C点停车时,第二块秒表开始计时,到车离开C点第二块秒表停止计时,记录停在C点的时间;
 汽车到终点区即入库停车,第一块秒表停止计时,记录总运行时间。读出并记录此时液晶显示的的时间;
 在“直道区”引导线下分别埋设1、2或3块薄铁片,每次均用直尺测出并记

录该铁片的中心距起跑线的距离;在汽车运行至该铁片发出声光报警时,读出此时液晶显示的距离并记录。
4. 3 测试数据及测试结果分析
 测试条件
 按照题目给定的尺寸,在实验室自做场地,白天和晚上分别测试。
 测试数据 
总共进行20次测量,白天和晚上各10次。
20次中,汽车停留在C点时间,实测值与秒表均为5秒,相对误差和绝对误差为0。
汽车运行总时间测量数据如下表:


绝对误差:最大为1秒;
测试结果表明:晚上明显比白天效果要好。白天,偶尔会有失败的情况。
 距离测试
铁片数目 实际距离 显示距离 绝对误差 相对误差


5 参考文献
[1] 余永权. Flash 单片机原理及应用. 北京:电子工业出版社,1997
[2]  王福瑞等编著。单片微机测控系统设计大全。北京航空航天大学出版社,1999
[3] 李华。MCS-51系列单片机使用接口技术。北京航空航天大学出版社,1990
[4] 何立民。单片机应用系统设计。北京航空航天大学出版社,1993
[5] 方佩敏。新编传感器原理应用电路详解。北京:电子工业出版社,1994
[6] 黄继昌等。传感器工作原理及应用实例。北京:人民邮电出版社,1998。
[7] 纪宗南。单片机外围器件实用手册 输入通道器件分册。北京航空航天大学出版社,1998