单片机智能小车设计程序源码原理图等指导pdf第一章 初识智能小车 1 1.1 常见的两种类型 1 1.2 智能小车的基本结构 1 第二章 车体设计 3 2.1 小车的拆卸 3 2.2 舵机的安装 3 2.3 车体的整体布局 4 第三章 硬件设计 5 3.1 电源模块设计 5 3.1.1 智能车电源设计要点 5 3.1.2 低压差稳压 LM2940 简介 5 3.2 单片机最小系统设计 6 3.2.1 单片机最小系统简介 6 3.2.2 51 单片机最小系统设计 6 3.3 循迹模块设计 9 3.3.1 红外光电管的工作原理 9 3.3.2 检测电路设计 10 3.3.3 光电检测部分的发挥设计 12 3.4 舵机转向模块设计 12 3.4.1 舵机的工作原理 12 3.4.2 常见舵机简介及使用注意事项 13 3.5 后轮电机驱动模块设计 14 3.5.1 H 桥驱动电路的工作原理 14 3.5.2 常用H 桥集成电路 L298 16 3.6 测速模块 17 第四章 程序设计 18 4.1 的相关知识 18 4.1.1 简介以及实现 18 4.1.2 51 单片机产生 波 19 4.2 舵机的控制 21 4.3 后轮电机的控制 22 4.4 程序总体的设计 22 4.5 程序设计的发挥与拓展 23 第五章 测试与调试 24 5.1 测试与调试 24 5.2 智能车的测试步骤 24 第六章 车速的测量 26 6.1 车速测量的重要性 26 6.2 车速测量的几种方式 26 6.2.1 霍尔传感器检测 26 6.2.2 反射式光电检测 26 6.2.3 透射式光电检测 26 6.3 车速测量的单片机实现 27 第七章 头的使用 28 7.1 头工作原理及简介 28 7.2 模拟 头 分离电路设计 29 7.3 头选型 30 7.4 头安装 32 7.5 基 信号 32 7.5.1 使用单片机内部A/D 转换。 34 7.5.2 使用外部A/D 转换器 35 7.5.3 使用模拟电路对PAL 信号进行转化（参考 科技大学CCD 一队） 36 第八章 电磁传感器的使用 38 8.1 智能汽车电磁组简介： 38 8.2 20KHz 电源参考设计方案 38 8.2.1 电源技术指标要求 38 8.2.2 电源组成 39 8.2.3 功率输出电路 40 8.2.4 恒流控制 42 8.2.5 参考设计电路 42 8.2.6 电源调试 43 8.2.7 注意事项 44 8.3 电磁组传感器及模路径检测设计参考方案 44 8.3.1 设计原理 44 8.3.2 磁场检测方法 45 8.3.3 电路设计 48 8.3.4 传感器的设计与调试 52 8.3.5 检测方案 54 8.4 软件部分的简要流程图 56 8.5 结束语 57 第九章 激光传感器的使用与设计 58 9.1 激光传感器的工作原理和驱动 58 9.2 激光传感器的选用与注意事项 58 9.3 激光管的布局和安装 58 第十章 算法设计 60 10.1 头组处理算法 60 10.1.1 黑线 10.2.2 预判算法 63 基础部分 本部分主要介绍制作智能小车所需要最基本的软硬件相关知识，本部分在讲解基础知识以及设 计原理的同时也提供了典型的应用电路，方便初学者进行制作。希望读者能够认真阅读，广泛查阅 资料，弄清楚各模块的原理之后再动手制作，切忌照搬电路图，硬套程序。 第一章 初识智能小车 1.1 常见的两种类型 首先既然是小车就要有一个车最基本的转向和驱动功能，对于一般电子设计常用的小车如下图 所示，图 1.1 为常见的两种小车，首先是第一种，这种小车的优点在于可以获得很大的速度，由于 转向采用的是舵机所以缺点就在于要想转弯一定要有一定的转角。这类小车就是校内智能小车比赛 和飞思卡尔采用的类型，通常为后轮直流电机驱动+前轮舵机转向的方式，但是也有例外，像 2007 年的 大学生电子设计竞赛中的电动车跷跷板一题，为了达到精确的控制效果，很多人将后轮改 为步进电机驱动。 后一种是在本届 电设中设计的小车，小车采用的是双步进电机+双万向轮的方式，当然也有 采用直流电机+万向轮的方式，这类的小车的优点在于转弯不需要转角，可以原地转弯，其次是可以 精确控制小车行进路线，缺点是无法获得很大是速度，这种小车在本文中将不再叙述。 这两种小车都有各自的优点，使用步进电机还是用直流电机驱动也要根据具体的竞赛题来选择，直 流电机的优点在于控制简单，转速快，缺点在于无法控制转过角度，可能要和很多外部传感器配合 使用，增加了硬件的设计难度。步进电机的优点在于角度、转速可控，可以开环控制，缺点在于控 制较为麻烦，无法实现较高的速度。本书将以飞思卡尔智能汽车为参考，介绍智能车的相关基础知 识。 图1.1 智能车常见的两种类型 1.2 智能小车的基本结构 在下面的文章中我将以上图的第一种小车为例介绍一下智能小车的结构。 如图 1.2 所示，小车的结构主要分为以下几个部分： 1. 循迹模块：用于探测黑线的位置，基础由若干个光电管组成，通过反射红外线的变化判断黑线 的有无。高年级的同学建议尝试使用 头等作为传感器。 2. 舵机转向模块，通过一定占空比的方波控制舵机转过的角度，舵机具有力矩大，响应速度快等 特点，在航模，机器人等设计中应用非常广泛，舵机的控制也是只能小车程序设计的重要部分。 3. 电机驱动模块，由于单片机输出的电流有限，无法直接驱动电机进行工作，因此需要通过 的电路进行驱动，只要单片机给出相应的控制信号，便可控制电机工作，本文以较为常用的 H 桥驱动 L298N 为例，鼓励大家自行选择更合适的驱动方案。 4. 单片机模块，根据使用的传感器和控制策略的不同，单片机的选择也不同，对于低年级刚 的同学可以使用 51 单片机，有一定基础的同学可以使用性能稍强的 AVR 系列，高年级同学推 荐使用 MSP430 或者 S12 等其他性能更强的单片机。 第一章 初识智能小车 5. 电源模块，由于小车采用电池供电，因此合理的设计一个电源模块是小车稳定运行的前提。 图1.2 智能小车的基本结构 以上只是针对小车结构的一个简单介绍，要完成整体的设计每一部分都很重要，在后面文章中 我会依次详细叙述。 第二章 车体设计 2.1 小车的拆卸 这一点不用多说，一般选用的是带有无线 功能的可转向的玩具车，所以第一步就是拆掉除 了后轮驱动电机之外的所有多余部分，其次就是在拆卸的时候要充分的考虑到自己的安装要求，切 不可盲目，也没必要留着多余的部件。 2.2 舵机的安装 完成了玩具车的拆卸之后要做的第二步就是安装舵机，现在市场上卖的玩具车虽然也具有转向 功能，但是前轮的转向多是依靠直流电机来驱动，无论向哪个方向转都是一下打到底，无法控制转 过固定的角度，因此根据我们的设计需求，需要将原有的转向部分替换成现有的舵机，以实现固定 转角的转向。舵机的实物图如图 2.1 所示。 需要说明的是由于小车系玩具车改装，在安装舵机是需要合理的利用小车的结构，将舵机安装 牢固，同时还需注意合理利用 舵机是附赠的齿轮，从而将舵机固定在合适的位置。舵机的安装 方式有俯式、卧式多种，不同的安装方 臂长短、响应速度都有所不同，这一点请自己根据实际 情况合理选择，图 2.2 为舵机的安装图。 图 2.1 舵机实物图 图2.2 舵机安装图 舵机安装过程中有一点需要尤其注意，由于舵机不是 360 °可转的，因此必须保证车轮左右转 的极限在舵机的转角范围之内。 舵机安装完毕之后就可以对小车的转角进行控制了，但是由于玩具车的车体设计往往限制了小 车的转角，因此可以对小车进行局部的 “破坏”来增大前轮的转角，要知道在比赛中追求速度的同 时一个大的转角对小车的可控性会有一个很大的提升，如图 2.3 所示，就是对增加小车转角的一个 改造，这是我在去年小车比赛中的用法。将阻碍前轮转角的一部分用烙铁直接烫掉。 但是这种做法也有风险，由于你的改造会破坏小车的整体结构，有可能会对小车的硬件结构造 成破坏，因此如果你的小车在改造之后显得过于脆弱的话那你就要对你的小车采取些加固措施了。 第二章 车体设计 图2.3 增加车轮转角的方法 2.3 车体的整体布局 除了舵机的安装，车体的整体布局也是很重要的一方面，好的布局不仅能够增强小车的美观性，也能 够提高小车的整体性能。首先是电路板的放置，很多自己搭建的电路板要合理的安装在小车上，还要考虑 到比赛过程中可能的冲撞给电路板带来的损害，在电路板的安装中尤其注意循迹模块的安装，由于 循迹模块安装在小车的前部，伸出车体的长短都有讲究在设计时要有所考虑。其次是电池的放置， 由于电池较重，电池的放置直接影响到小车的重心，在追求速度的比赛中对电池安装的位置也要有 所考虑，具体的优劣这里只做提醒，不多叙述。 第三章 硬件设计 3.1 电源模块设计 3.1.1 智能车电源设计要点 电源是整个系统稳定工作的前提，因此必须有一个合理的电源设计，对于小车来说电源设计应 注意两点： 1. 与一般的稳压电源不同，小车的电池电压一般在 6-8V 左右，还要考虑在电池损耗的情况下电压 的降低，因此常用的 78 系列稳压 不再能够满足要求，因此必须采用低压差的稳压 ， 在本文中以较为常见的 LM2940-5.0 为例。 2. 单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，影响单片机的稳定运 行。 现在各种新型的电源 层出不穷，各位读者可以根据自己的需求自行选择电源 ，对于本 设计应该主要注意稳压压差和最大输出电流两个指标能否满足设计要求。 3.1.2 低压差稳压 LM2940 简介 LM2940 系列是输出电压固定的低压差三端端稳压器；输出电压有 5V、8V、10V 多种；最大输 出电流1A ；输出电流1A 时，最小输入输出电压差小于0.8V ；最大输入电压26V ；工作温度-40～+125℃； 内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路。同时 LM2940 价格适 中而且较容易 ，非常适合在本设计中使用。 LM2940-5.0 封装和实物图如图 3.1 所示。 图3.1 LM2940 封装和实物图 从封装可以看出 LM2940-5.0 与78 系列完全相同，实际应用中电路也大同小异。图 3.2 为参考 电路图。 第三章 硬件设计 图 3.2 LM2940 参考电路图 如图 3.2 所示，采用 供电，这样可以使用其中一路单独为单片机，指示灯等供电。另外一 路提供 L298N、光电管、舵机的工作电压，L298N 的驱动电压由电池不经任何处理直接给出。舵机 可以用 6V 供电，也可以直接用 5V 供电。 3.2 单片机最小系统设计 3.2.1 单片机最小系统简介 单片机是小车的控制中心，单片机最小系统的合理设计是小车平稳运行的前提，所谓最小系统，就 是能够保证单片机运行的最精简的硬件设计，由于设计时间有限，不可能设计一块统一规划，功能 刚好符合要求的电路板，因此需要设计若干系统板组合使用。在本次竞赛中各位选手可以根据需要 选择不同的单片机，如果使用 头作为传感器则可以使用飞思 的 S12 系列单片机，如果是使 用其他传感器则可以使用 MSP430、AVR 等系列单片机，具体的型号还需要各位自行选择，对于初学 者 51 单片机也能够满足基础需求，51 系列单片机建议选择 AT89S51 等型号。 在设计单片机最小系统时需要注意以下几点： 1. 需要合理考虑调试过程中的扩展需要，正常情况下需要将所有 IO 口引出，同时需要注意单片机 电源设计，保证最小系统能够稳定供电。 2. 合理集成相应的 模块，如几个 LED 显示，蜂鸣器等，这些小部件可能觉得无关紧要，但是 在调试的时候能够带来很大方便。 3. 最好将程序的 接口集成在最小系统上，这样会极大的方便小车的调整与测试。这一点对于 贴片式封装的单片机不考虑，但是对于 51、AVR 等单片机却经常让初学者忽略。 如图3.3 所示，为 51 单片机的最小系统参考电路图。 3.2.2 51 单片机最小系统设计 为了照顾刚 的同学这里我只着重叙述 51 单片机最小系统的设计，AVR 的设计和 51 有许多 共同之处，这里我只给出参考，不做重点叙述。建议大家能够根据自己的需求独立设计自己的单片 机最小系统，方便以后的竞赛和学习使用。 图3.3 51 单片机最小系统 图3.3 中的51 单片机最小系统由以下几个部分组成： 1. 晶振电路，单片机要想工作必须有一个外部的时钟源，这个时钟源由外部晶振产生，具体电路 为图中的 Y1 、C2、C3，在做电路板时应注意晶振和电容要靠近 18 脚和 19 脚放置，如果放置过 远可能会造成晶振不能起振，或工作不稳定。典型值为 C2、C3 30pF ，Y1 12M 。 2. 复位电路，复位电路包括上电复位和手动复位两部分，51 系列单片机多为高电平复位，也就是 说 RST （9 ）脚上只要有持续两个机器周期以上的高电平就能使单片机复位，因此上电复位的原 理就是利用电容充电的一段时间将复位脚拉至高电平，使单片机完成复位，C1 可以选用 104 或 105 之类的瓷片电容，R1 在电容充电结束后将复位脚拉至低电平，保证单片机正常工作。 3. ISP 接口，该 接口在实际制作时可以用双排的 5*2 的排针代替，电路是根据标准的 ISP 线来设计的，与常用的并口 线，串口 线和笔记本用的 USBASP 线兼容，只需 将 线接口插到本接口上就可以直接向单片机烧写程序，免去了不断拔插单片机 的烦恼， 这一点也是我一直向会员推荐的，无论是 51 还是 AVR 都非常方便。 ISP 的 接口在设计时应注意以下两点，否则可能会造成程序 。 1. 线接口中的电源尽量和单片机共用一个电源。 2. 线 脚不要连接数码管等外部器件，如果要连接外部器件可以设计 为可插拔的方式，防止影响程序的 ，或者将 P1 口分配为 按钮开关状态等方式。 对于 线 和AVR 常用的是 ISP 方式，也就是上面介绍的接口，实物接口如图 3.4 所示，常用的有 分为并口 线，串口 线和 USB 线，一般台式机建议使用并口 线，速度快而且稳 定，图 3.5 为并口 线. 并口 线/AVR ISP 线 线， USB 接口的 线时 一般的名称为 USBASP，特别是在网上 时应注意区分。 第三章 硬件设计 图3.4 接口 图3.5 并口 线 的最小系统还应特别注意第 31 脚（如图）应拉高，31 脚 EA 脚为内外 器的选择脚，由 于我们只用内部 器，因此需要将此脚连至高电平，这一点非常重要，很多人的单片机无法工作 也往往是由于疏忽这一点引起。另外还有一点要引起注意的是 P0 口，与其他几组 I/O 口不同，P0 口没有内部上拉电阻，因此如果驱动 LED 等外部器件时可以在 P0 口加上10K 的排阻，而实际结果 也证明加外部上拉电阻的方式有助于增强端口的驱动能力。 AVR 单片机的最小系统和 51 类似，但是 AVR 有更为强悍的功能，AVR 可以只需电源不需任何外 接电路即可工作，以 ATmega16 为例，内部具有可配置的 1-8M 时钟源，并且可以自动上电复位，当 然除非在不得已的情况下，其他情况还是建议有相应的外部电路。AVR 的最小体统设计可以参照 51 的设计，像晶振电路， 线 相同，但是应注意以下两点： 1. AVR 为低电平复位，因此复位电 有所异同。 2. 接了外部晶振以后再写 程序时应注意配置好对应的熔丝位，否则可能造成 锁死。 我建议大家可以根据自己的需要用 Pro 设计自己的最小系统，这样不仅调试方便也完全没必 要花钱去购置一套开发板，而且在以后的学习中也方便使用。图 3.6 为 制作的 AVR 最小系统 板。在这个系统板上我们放置了 ISP 接口， 仿真用的 JTAG 接口和便于外部器件取电的五组电源 接口，通知放置了四组指示灯和一个蜂鸣器，每组 I/O 口用两排排针引出，两排排针之间留有一定 的间距便于插头的插拔。为了使电路板小巧美观，部分电阻电容采用贴片式封装。以上是我们再设 计这块最小系统时的考虑，总之无论设计如何，都要用稳定易用为标准，没必要一味的追求大而全。在 电设的比赛中我们单片机系统全都采用这块板，而实际的结果也证明这块板子也完全满足我们 的要求。 图3.6 自己制作的最小系统板的正 3.3 循迹模块设计 3.3.1 红外光电管的工作原理 在本设计中我们采用红外一体式发射 ，红外一体式发射 市场价格在 1~几元不等， 图 3.7 所示的是较为常见的一种。这种是将发射管和接收管放置在一个塑料壳内，发射管和接收管 的直径都为 3mm，如果追求大功率更远的探测距离也可以 单独的发射和接收管，但是对于一般 设计来说图中的红外发射和 已经足够。当然如果追求大功率更远的探测距离也可以 单独 的发射和接收管，但是注意相应的管上要注意套上热缩管等 器件以消除 发射管的干扰。系 统中我们设计反射距离在 2cm 左右,此时探测环境都在检测电路板的阴影之下,不易受到光线的 干扰。传感器都选用 RPR220 反射红外传感器。该封装形状规则,便于安装。没有强烈日光干扰(在有 日光灯的房间里) 探测距离能达 5cm 以上 ,完全能满足探测距离要求。 红外一体式发射 由于感应的是红外光，常见光对它的干扰较小，是在小车博鱼·体育(中国)入口、机器人等制 作中广泛采用的 式。红外一体式发射 检测黑线的原理为，由于黑色吸光，当红外发射 管发出的光照射在上面后反射的部分就较小，接收管接收到的红外线也就较少，表现为电阻比较大，通 过外接的电路就可以读出检测的状态，同理当照射在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接 收管的电阻就比较小。 图 3.7 红外光电管的顶部和尾部图 仔细观察可以发现，上图红外光电管分为两部分，一部分为无色透明类似于 LED，这是红外的 发射部分，给他通电后能够产生人眼不可见的红外光，另外一部分为黑色的红外接收部分，它的电 阻会随着接收到红外光的多少而变化，由于它们也是二极管，因此可以用判断二极管的方法辨别极 性，判断光电管好坏最简单的测试方法为用万用表的欧姆档连接接收管的两端，然后将接收管放入 台灯下观察阻值的变化，如果用的是指针式万用表的话则黑表笔的一端为正极，同时注意电阻的变 化幅度。一般引脚的正负放置可能有所差异，上图的光电管经过我的测试发射管长脚的一端为正， 而接收端长脚的一端为负，这个自己在使用之前一定要自己测试一下。另外测试红外发光管的好坏 还有一个比较巧妙的方法，那就是利用你的 头，红外线由于波长较长，在人眼的可视范围 之外，但是却仍然在 头的可视范围之内，因此可以用打开 的拍照功能，看一下便清楚 了，这也是红外夜视 头的原理。 红外光电管由于感应的是红外光，常见光对它的干扰较小，是在小车、机器人等制作中广泛采 用的 式。红外光电管检测黑线的原理为，由于黑色吸光，当红外发射管发出的光照射在上面 后反射的部分就较小，接收管接收到的红外线也就较少，表现为电阻比较大，通过外接的电路就可 以读出检测的状态，同理当照射在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻就比较 小。 第三章 硬件设计 3.3.2 检测电路设计 上面介绍了红外光电管检测黑线 为红外检测的基本电路图。LM339 类似于 增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入 端，用 “+ ”表示，另一个称为反相输入端，用 “-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端 加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择 LM339 输入共模范围的任何一点），另一 端加一个待比较的信号电压。当 “+ ”端电压高于 “- ”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当 “-”端电压高于 “+ ”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于 10mV 就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把 LM339 用在弱信号检测等场合是 比较理想的。LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源 需要接一只电阻（称为上拉电阻，选 3-15K ）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因 为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器 的输出端允许连接在一起使用。对于图 3.8 有几个 ： 1. 图中的 LM393 为专业的电压比较器，一片 LM393 内部含有 比较器，相同的还有 LM339， 两者的不同点在于 LM339 内部有四路比较器，因此如果做 8 路红外光电管的线，相对就简化了电路。 2. 如果采用 LM339 或 LM393 在送单片机的输出端需加约 2K 欧姆的上拉电阻连至 5V，这样才能保 证比较器在输出高电平时有 5V 左右的高电平输出，这一点很容易被忽略，应当引起注意，详 细请查找 的说明文档。 3. 图中 R1、R2 的选择，R1 为限流电阻，不同大小的限流电阻决定了红外发射管的 ，R1 越小，红外发射管的功率就越大，多个并联后小车的能耗也就大幅增加，但是同时增加了光电 管的探测距离，因此可以根据自己的测试情况选择合适的限流电阻，R2 为分压电阻，R2 的选 择应当尤为注意，切不可机械的照搬某一个电路图，直接套用上面的阻值，R2 的选择和采用红 外接收管的内阻有关，由于 R2 和接收管构成分压电路，因此 R2 的大小和接收管的电压变化有 关，具体的选择只需按照分压的原理进行一下简单的计算就可以，这里不再赘述。按照图 3.8 所示，若电路工作正常在光电管在黑线和白纸上移动式则在图中 R2 的上端也就是 LM339 的4 脚应该有明显的电压变化，良好的情况下电压变化可以达到 3-4V ，电压变化非常明显，如果电 压变化不明显，可以尝试着更换 R2 的阻值。 图3.8 循迹电路电路图 4. 图3.8 是采用专业的电压比较器，实际上也有很多电路图也有采用 LM358 或者 LM324 之类的运放， 这一点其实无关紧要，LM393 的引脚和 LM358 兼容，而且不需要在输出脚外加上拉电阻，实际 运用中各有优劣可以自行选择。 5. 图中的 R3 为分压电阻，为比较器提供参考电压，具体参考电压的设定应根据 R2 上端的电压来 决定，如③中介绍，假如输入脚的电压变化为 1.7~4.7V 则参考电压就可以设定在 3V 左右，在 实际应用过程中可以根据当前的环境状况进行调整。对于比较器可以单独用一个电位器（图中 R3）分压提供参考电压，如果为了简化电路也可以几路电压比较器共用一路参考电压，各有优 劣可以自行选择。 6. 对于 51 单片机由于没有内置 AD 建议采用比较器的方式，而对于 AVR 等他内置 AD 的单片机或 者采用片外 AD 则可以直接输入变化的电压量，通过单片机 A/D 端口直接 。通过单片 机的 A/D 口直接 电压的变化量，不仅可以简化外部电路，同时还能保留红外接收管的连续 变化电压信息，通过软件算法进行位置细化，不仅可以得到更精确的位置信息，还可以消除环 境光线的影响。但是同时也就加重了软件设计的难度。 通过上面的介绍相信大家对红外循迹也就有了一个简单的了解，也就会发现上面的电路也不是 唯一的了，建议大家不要局限于上面的电路自己设计更好的循迹电路。 介绍完单个红外管的电路设计，接下来就该介绍多个并联的设计了，只有多个红外光电管并联 才能够起到良好的检测效果，在实际应用中光电管的排列方式，排列间距都有讲究，一般来说 “一”字 型的排列已经能够满足我们的要求如图 3.9 所示。设计者亦可以尝试不同的排列方式和间距之间的 优劣，这里只做简单提示。 图3.9：光电管布局图 如果采用比较器的方式比较器也可以放置在循迹模块的电路板上博鱼体育，也可以放置在主板上，图 3.10 为我以前设计的四路循迹模块实物图。建议大家也可以采用 PCB 的方式设计循迹模块。 图3.10 四组光电管组成的循迹模块正 在设计传感器的排列是还有一点需要考虑的就是传感器之间的距离，通常两个传感器之间的距 离和黑线的宽度相近，但是也不一定所有的间距都相同，为了扩大检测的范围两侧的排布略微稀疏，从而 在检测范围和检测精度之间取一个平衡，如图 3.11 所示为八个传感器组成的印制电路板 PCB 设计图。 第三章 硬件设计 图 3.11 设计完成的印制 PCB 效果图 对于传感器的安装也需要具体考虑，正常情况下，安装完成后离地面的高度大概在 2cm 左右， 高度越高，对于每个传感器来说红外光能够照射到的范围也就越大，但是由于每个红外发射管的功率 有限，接收到的也就越少，可能会影响接收的效果，如果将传感器扬起还可以获得一定的前瞻性，因此需要 根据发射管的功率和实际型号调整到一个合适的值。 3.3.3 光电检测部分的发挥设计 以上介绍了光电检测电路的基本组成，上面的电路能够完成基本的检测功能，在过去几届校区 的比赛中采用最多的也是这种方式，但是上面的电路也有明显的缺点： 1. 检测距离较短，前瞻性较差。 2. 所有光电管一直处在工作状态，功耗较大使电池的续航时间降低 如果想消除以上的缺点可以从以下几个方面考虑： 1. 使用大功率分离式红外光电管或激光管等其他检测器件（激光管在后面会有介绍）。 2. 将红外光进行调制发射，增大探测距离。 3. 各管轮流扫描工作，减小功耗。 以上只是针对学有余力的同学一些提示性的建议，有 的同学可以在原有的基础之上进行改 进。 3.4 舵机转向模块设计 3.4.1 舵机的工作原理 一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、 齿轮组、位置反馈电位计 5k、直流电 机、控制电路板等。 工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组， 后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电 位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电 机的转动方向和速度，从而达到目标停止。 舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和 金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有 大中 种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的 条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。需要根据需要选用不同类型。 舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这两根线给舵机提供最基 本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是 4.8V ，一是 6.0V ，分别对应不同的 转矩标准，即输出力矩不同，6.0V 对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线， Futaba 的一般为白色，JR 的一般为桔。 舵机的控制信号为周期是 20ms 的脉宽调制（ ）信号，其中脉冲宽度从 0.5ms-2.5ms，相对 应舵盘的位置为 0 －180 度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持 在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会 改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期 20ms，宽度 1.5ms 的基准 信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信 号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围 过 180 度，适用于那些需要角度不 断变化并可以保持的驱动当中博鱼·体育(中国)入口。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。 3.4.2 常见舵机简介及使用注意事项 常见的舵机厂家有： 的 Futaba、JR 、SANWA 等，国产的有 的新幻想、吉林的振华等。 现举 Futaba S3003 来介绍相关参数，以供大家设计时选用。之所以用 3003 是因为这个型号是市场 上最常见的，也是价格相对较便宜的一种（以下数据摘自 Futaba 产品手册）。 尺 寸(Dimensions)： 40.4×19.8×36.0 mm 重 量(Weight)： 37.2 g 工作速度(Operating speed) ：0.23 sec/60°(4.8V) 0.19 sec/60°(6.0V) 输出力矩(Output torque) ： 3.2 kg.cm (4.8V) 4.1 kg.cm (6.0V) Futaba S3003 的价格在60 元左右，通用型号的还有辉盛 SG-5010 应用的也较为广泛博鱼(中国)官方网站-BOYU SPORTS。 舵机是小车转向的控制机构，具有体积小博鱼中国官网、力矩大、外部机械设计简单、稳定性高等特点，无论是 在硬件还是软件舵机设计是小车控制部分的重要组成部分，舵机的主要工作流程为：控制信号→控 制电路板→电机转动→齿轮组 →舵盘转动→位置反馈电位计→控制电路板反馈。图3.11 为舵机 的实物图。 图 3.11 舵机实物图 图3.12 为舵机的内部结构图，舵机根据力矩划分有多种型号，价格也从几十到几百元不等，作 为本文中介绍的智能小车的应用，实物如图 3.11 所示，价格在30 元左右的舵机已经能够满足要求， 但是在使用时应注意硬件连接，根据以往的情况来看舵机烧坏的情况也比较常见。 对于舵机的连接有以 意以下两点： 1. 常用舵机的额定工作电压为 6V，可以使用 LM1117 等 单独提供 6V 的电压，如果为了简化 硬件设计直接使用 5V 供 响也不是很大，但是一定要和单片机分开供电，否则会造成单片 机无法正常工作。 2. 一般来说可以将信号线连接至单片机任意一引脚，但是如过连接像 AVR 等带有 输出功能 第三章 硬件设计 的单片机时而且打算使用快速 功能时，应将信号线连接到对应的引脚。 图 3.12 舵机内部结构图 3.5 后轮电机驱动模块设计 3.5.1 H 桥驱动电路的工作原理 前面已经提到过，由于单片机的驱动能力不足，无法驱动像电机这样的大功率外部器件，因此 必须外加驱动电路。电机常用的驱动 很多，在本设计中我们选用硬件设计简单，驱动效率较高 的L298N 作为电机驱动 ，在介绍 L298N 之前有必要介绍一下 H 桥电路博鱼体育。 H 桥驱动电路是较为常见的一种，图 所示为一个典型的直流电机控制电路。电路得名于 “H 桥驱动 电路”是因为它的形状酷似字母 H。 如图 3.13 所示，H 桥式电机驱动电路包括 4 个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对 角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机， 从而控制电机的转向。由于 H 桥电路可以很方便的实现电机正反转的驱动因此应用广泛。 图 3.13 典型H 桥驱动电路 要使电机运转，必须使对角线上的一对三极管导通。例如，如图 3.14 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。 图3.15 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 3.14 H 桥驱动电机正转 图 3.15 H 桥驱动电机反转 驱动电机时，保证 H 桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。如果三极管 Q1 和 Q2 同时 导通，那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。此时，电路中除了三极管外没有其他任 何负载，因此电 的电流就可能达到最大值（该电流仅受电源性能限制），甚至烧坏三极管。基于 上述原因，在实际驱动电路中通常要用硬件电路方便地控制三极管的开关。 图3.16 所示就是基于这种考虑的改进电路，它在基本 H 桥电路的基础上增加了 4 个与门和 2 个非门。4 个与门同一个“使能”导通信号相接，这样，用这一个信号就能 电路的开关。而 2 个非门通过提供 向输人，可以保证任何时候在 H 桥的同侧腿上都只有一个三极管能导通。 图 3.16 改进后的H 桥驱动电路 采用以上方法，电机的运转就只需要用三个信号控制：两个方向信号和一个使能信号。如果 DIR －L 信号为 0，DIR－R 信号为 1，并且使能信号是 1，那么三极管 Q1 和Q4 导通，电流从左至右流经 电机（图3. 17 ）；如果 DIR－L 信号变为 1，而 DIR－R 信号变为 0，那么Q2 和 Q3 将导通，电流则反 向流过电机。 图 3.17 驱动电机转动时的信号示意图 第三章 硬件设计 3.5.2 常用 H 桥集成电路 L298 H 桥电路虽然有着诸多的优点，但是在实际制作过程中，由于元件较多，电路的搭建也较为麻 烦，增加了硬件设计的复杂度。 由于H 桥电路有诸多的优点，但是在实际制作过程中电路又比较麻烦，因此在本设计中我们采 用H 桥集成电机驱动 L298。L298N 的工作原理和以上介绍的 H 桥相同，引脚图如图 3.13 所示： 图3.13 L298 引脚图 L298N 是 ST 公司生产的一种高电压、大电流电机驱动 。该 采用 15 脚封装。主要特点 是：工作电压高，最高工作电压可达 46V ；输出电流大，瞬间 峰值电流可达 3A，持续工作电流为 2A；额定功率 25W。内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进 电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入 信号影响的情况下允许或 器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电 压下工 作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用 L298N 驱动电机，该 可以驱动一 台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。L298 的参考电路图如图 3.14 所示。 图3.14 L298 参考电路图 对于以上电路图有以下几点说明： 1. 电路图中有两个电源，一路为L2

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