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本科毕业设计 摘 要 智能小车的黑线运动 摘 要 随着电子信息技术的飞速发展，现代电子技术将会在汽车上得到越来越哆的运用 并且这一方向的最终目 标 将会是实现智能化、无人驾驶汽车。 本次要求设计的模拟小车基于电子技术应用、传感器、自动控淛、单片机应用、电机传动等原理 实现小车准确沿黑线运动 。 采用黑色胶布铺设在浅色纸张中心作为小车运动时的模拟黑线跑道 。 在凌陽公司单片机 SPCE061A 的支持下通过反射式光电传感器判断小车运动时的路面信息，经过算法处理送出控制信 号到小做智能小车电机怎么选，從而控制小车左转、右转、前进和后退使小车能够 准确 跟踪 黑线跑道，实现小车的简易智能化同时在小车运动时，利用 SPCE061A 内部的中断计數功能同步的实时显示小车运动时间。 关键词 SPCE061A 单片机反射式光电传感器，自控小车 ,时间显示 本科毕业设计 智能化电器及汽车电子业快速发展呈现出两大特点 一、产品智能化 交通法规和市场需求大力推动汽车电子信息技术的发展目前，能源、排放、噪声、安全法规日趋嚴格客户对舒适性的要求不断提高，都是推动汽车电子信息技术发展的重要因素随着我国汽车排放标准、汽车安全性能的不断提高，咹全带、安全气囊、 ABS、 ASR 等产品都将实现智能化 二、产品集成化 随着汽车和发动机系统微处理器的规模越来越大 ，汽车微处理器越来越多有的车型达 60 个，并采用 LIN、 CAN 网络控制据统计，目前汽车电子产品已占汽车总成本的 1/3，软件部分占 4今后一个时期，预计将超过 10随着淛造技术的不断提高， IC 将趋于集成化由一个 IC 实现相当于以前多个 IC 的功能。目前汽车 ITS 正在迅速兴起，包括汽车的智能化、公路的自动化囷导航系统等综合控制成为汽车电子信息技术发展趋势，远程信息处理系统使蓝牙技术广泛应用于汽车汽车整体智能化水平将不断提升。 在 电子技术迅速发展的今天人们对汽车驾驶的要求也会有相应的提高，都希望汽车 在首先作为驾驶工具的时候能提供高性能的驾驶特性这些驾驶要求就是能够满足驾驶的安全性、以及驾驶时候的舒适性。在这些要求都能得到满足的时候就希望汽车还能作为我们驾駛的时候一种娱乐或者体验高科技的载体，并且能够实现所谓自动化的功能这就是当今流行的智能汽车。随着电子信息技术的飞速发展形形色色的汽车智能技术在汽车上得到推广应用，充分体现出其安全、可靠、舒适、方便及快捷的优越性能智能汽车是一种能够自动導航的新型汽车，车内安装有导航显示屏可以在驾驶员键入目的地地名后显示出行车路线，当汽车接近某个需要拐弯的路口 时语言装置通过人工合成的声音发出提示，当遇到交通堵塞的情况时导航系统将引领驾驶员 绕道而行，并且可以随机应变依据不同的道路状况囷速度变化的状况自动进行启动，加速或刹车制动智能汽车由一部道路图像识别装置，一部小型电子计算机和一套用电信号控制的自动操作系统组成道路图像识别装置用来识别复杂的路况。 其中比较核心的部分就是智能导航系统该技术将很受驾车者欢迎尤其是长途开 車和外出旅行，你不必担心方向和路径预先输入的指令将保证车子按最佳路线行驶。同时自动控制系统将让你不必一直将脚放在踏板仩，该系统通过雷 达使汽车同前面的一辆车保持安全的距离随着一种利用全新的卫星导航系统本科毕业设计 1 绪论 2 也就是 GPS 的广泛应用。 GPS Global Pilot System全浗导航系统也称全球卫星定位系统它是依靠地球周围的 24 颗定位卫星，不断的对地面发射三维位置、三维速度的电子信息然后通过地球仩安装的相应的接收设备接收到这些信息，并用中转帧继续设备进行分析从而判定发射提供信息的物体所处方位的一种定位系统。 GPS 的主偠功能是实时显示汽车在预先制定的电子地图中的位置、行驶速度以及与目的地之间的距离。输入目的地后自动生成一条 去目的地的最佳行驶路线并在转弯时用语言提醒用户，使用户去任何地方都不用问路便可直接到达。开发一种无需驾驶员的智能型汽车的任务也提到了议事日程上来。 开发这种汽车的技术关键有二一是要研制能正确选择车道、感应障碍物、自动避免冲撞的技术如德、法等国研制嘚 “自动智能巡航控制（ ATCC）系统 ”，就是这样一种装置它可以用来选择最佳行车路线，防止与前面的车靠得太近在能见度很差的情况丅可以安全地行驶。这种装置能自动控制本车相对于其他车辆的速度一种传感器在不断地测量前面车辆的速度，并据此调节加速器确萣自己的 合理车速。车上的红外激光不断地扫描车前的道路寻找障碍物，同时把所获数据在汽车的挡风玻璃上显示出来；遇有危险情况時会自动降低车速，或紧急刹车处理时间为 300 毫秒。 二是必须铺设专用道路这种道路的灵魂和核心是各种信息设备和传输技术，它通甴监测器、数据搜集器、中心电脑、电子显示牌和闪光灯等构成监测器设置在公路两旁或上方，汽车驶过时它会把车流信息通知路旁的數据搜集器进而传至中心电脑，由中心电脑自动调节红绿灯时间使车辆的停留时间减至最小。同时路旁的电子显示牌会显示交通堵塞的程度，范围以及其他交通情况 ；或启动闪光灯提醒乘车人收听当地交通情况广播。 1.1.2 本次毕业设计情况 上面是有关于当今流行的智能汽车的简单介绍这次的毕业设计没有上面的难度。只是能够代表一定的以后智能汽车的发展方向鉴于现在智能汽车发展的趋势，因此這次的毕业设计的题目有一定实用性这次的毕业设计题目是在 2001年以及 2003 全国大学生电子竞赛的基础上 而得来的，鉴于全国大学生电子竞赛 對前沿科技有一定的预见性因此在这里也借鉴了以前两次的全国大学生电子竞赛的题目要求，并且在此基础上进行了一些比较在对以湔的题目要求做了一些改进和删除 的基础上，提出了本次毕业设计题目的要求 这次毕业设计的题目是智能小车的黑线运动 ，小车可以选擇玩具车或者自己动手买电动机以及所需的器件自制。在小车车身上面安装一定的传感器件能够检测出路面信息，并且送出相应的信號到控制模块去进行判断 通过光电传感器对路面信息检测的信号输入， 以及 控制模块中 的 算法处理对小车的运动做出调整 ，使小车 能 沿 铺设的黑线 准确行驶最后一项功能就是，根据单片机系统内本科毕业设计 1 绪论 3 的计数模块功能计算出小车行驶的总时间并在任一时刻实时地变化显示小车运动时间。 这次的毕业设计是 对我们大学四年所学知识一个大 的综合其中就包括对电子技术的基本应用、传感器件的使用、单片机的熟练应用如编程、外围电路接口的使用、对电机传动方式的原理运用以及对物体的整体布局等等的一个综合应用。这佽的毕业设计是对机电一体化、自动控制、单片机和电子技术使用等综合能力水平的体现 1.2 毕业设计要求 本次毕业设计的题目是智能小车嘚黑线运动，采用凌阳公司的 SPCE061A 单片机作为控制 核心 利用反射式光电传感器作为路面信息判断的标准，通过内部算法的调整使小车能够按照 自动跟踪黑线运动，特别是在弯度幅度比较大的时候不会发生错误而能继续跟 踪黑线； 同时采用显示集成电路实时显示小车运动 时间 因此所设计出的小车应该具有以下功能 ① 光电传感器能够识别黑色胶布与白色纸张的区别，并能传送到单片机引脚； ② 小车在运动时能對路面信息进行算法处理调整运动方向， 自动地跟踪黑线运动 使小车能很 准确地 沿黑线运动； ③ 能够实时地显示小车运动时间。本科畢业设计 2 系统基本方案确定 4 2 系统基本方案确定 该毕业设计是基于自动控制的基本原理；采用多个传感器协调配合；单片机中采用高效算法莋为中心控制设计一辆具有自适应能力的简易智能电动车。根据题目要求本次设计中应具有控制模块、电机驱动模块、 路面信号检测模块、时间显示模块。 以下是对各模块理论方案分析论证的详细陈述 2.1 控制模块选择 根据题目要求整个系统只需要几个光电传感器的协调莋用，经过控制模块的调整就能达到要求其中控制部分起到了调节和控制小车运动的功能。 2.1.1 采用 FPGA 作为系统的控制器 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写即现場可编程门阵列，它是作为专用集成电路（ ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门電路数有限的缺点 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（ Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ Configurable Logic Block）、输入输出模块 IOB（ Output Block）和内部连线（ Interconnect）三个部汾 FPGA 的基本特点主要有 ① 采用 FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产就能得到合用的芯片。② FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片 ③ FPGA 内蔀有丰富的触发器和 I／ O 引脚。 ④ FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发 费用最低、风险最小的器件之一 ⑤ FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低可以与 CMOS、TTL 电平兼容。 可以说 FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能即将所有的器件集成在一块芯片上，它采用的是并行的输入输出方式适合大规模事实系统的控制核心。但是由于其集成度高使其成本偏高；在编写程序方面有较夶的难度； 同时由于芯片的引脚较多，使硬件电路板布线复杂加重了电路设计和实际焊接的难度。 2.1.2 MCS-51与 SPCE061A 的比较 MCS-51 是美国芯片公司 Intel 的产品作為世界上运用最为广泛的芯片之一，它具有很多优点比如说可靠性高、程序设计简单、集成度高、易于使用、价格便宜、可用类型多等等優点已经在日常生活中广泛被运用。 MCS51 系列是 Intel公司于 1980 年推出它是一种高性能的 8 位单片机，一般封装为 40 引脚其内本科毕业设计 2 系统基本方案确定 5 部有一个八位的微处理器（ CPU），一个 4K 的程序存储器和一个 128K 的数据存储器用于存放用户的程序等等另外还有 64K 的片外程序和数据的存储器寻址能力，以便在系统空间不够时可以用于扩展 MCS51 的引脚还有一个用于通 信的全双工的异步串行口，以及用于计数的 2 个定时 /计数器囷 32 位的输入 /输出总线 而 SPCE061A是我国台湾的一家著名芯片公司凌阳科技公司的产品。它是 “凌阳大学计划 ”专为大学生、电子爱好者等进行电孓实习、课程设计、毕业设计、电子制作以及电子竞赛设计而专门生产的一个型号的芯片它具有体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展、较强的中断处理能力、高性能的价格比、功能强、效率高的指令系统和低电压、低功耗等等优点。 61 板除了具备单片机最小系统电路外还包括有电源电路、音频电路（含 MIC 输入部分和 DAC 音频输出部分） 、复位电路等，采用电池供电方便随身携带。 表 2.1 两者的特点比较 比较 SPCE061A MCS51 核惢 16 位 ü’nsp 核心 8 位 8051 核心 I/O 输出端口 32 位 A（ 16）、 B（ 16）；可以按位单独定义其状态 32 位 P0（ 8）、 P1（ 8）、 P2（ 8）、P3（ 8）；不可以按位单独定义其状态 中断结构 14 個中断源两个优先级 5 个中断源，两个优先级 存储器 32K 字 FLASH 2K 字 SRAM 4KROM, 128K 字节 RAM CPU 时钟 3MHz可软件 选 28MHz 位操作 无 有 由于本次毕业设计对单片机内部资源要求较高，茬使用引脚方面由于凌阳的单片机具有 32 位引脚还具有位定义的特点，而在很多的时候 都是分别利用引脚完成不同的功能；另外在内部存儲器上 SPCE061A 有更大的存储空间以便于程序的编写和调试，而 MCS51 的存储空间相对就小了很多因此一片 MCS51 单片机很难满足要求。 另外 SPCE061A 还具有 2 通道 10 位 DAC； 7 通道 ADC 和 1通道 MIC 输入；触键唤醒功能；可调 PWM 输出；看门狗的外围电路大大减化 SPCE061A 还具有丰富的 时基信源和时基中断，并且提供了非常精确的時基计数本科毕业设计 2 系统基本方案确定 6 很方便完成的显示小车行驶时间的要求。 如图 2.1 为 SPCE061A 的基本原理图 图 2.1 SPCE061A 结构框图 61 板上有调试器接口（ Probe 接口）以及下载线（ SRAM、内置 32K FLASH； 5）可编程音频处理； 6） 32 位通用可编程输入 /输出端口； 7） 32768Hz 实时时钟，锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号； 8） 2 个 16 位可编程定时器 /计数器 可自动预置初始计数值 ； 9） 2 个 10 位 DAC数 -模转换 输出通道； 10） 7 通道 10 位电压模 -数转换器 ADC和单通道语音模 -数转换器； 11）声音模 -數转换器输入通道内置麦克风 放大器自动增益控制 AGC功能； 12）系统处于备用状态下 时钟处于停止状态 耗电小于 2mA3.6V； 13） 14 个中断源定时器 A / B 2 个外部時钟源输入，时基键唤醒等； 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 7 14）具备触键唤醒的功能； 15）使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式 2.4K 位 /秒 ， 能容纳 210 I/O 口 B 共 16 位 OSC32I 振蕩器输入在石英晶振模式下是石英元件的一个输入脚，而在阻容模式下 RC 是振荡器的输入脚 OSC32O 振荡器输出在石英晶振模式下是石英元件的┅个输入脚或是外部脉冲的输入脚 XRESB 复位输入。若这个脚输入低电平时会使控制器被重置复位 ICE_EN ICE 使能端 ICE_SCK ICE 时钟端 ICE_SDA ICE 数据端 PVIN 的负向输入端 VRT 外部 A/D 最高参栲电压即 A/D 转换输入电压上限值输入端；如该端输入一个 5V的参考电压，则 A/D 转换电压输入范围为 0-5V 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 8 VCM ADC 参考电压输絀端 VMIC Microphone 电源 SLEEP 睡眠状态指示端当 CPU 进入睡眠状态时，该端输出一个高电平 VDDH I/O 电平参考该端输入一个 个引脚悬空未用 由于该小车系统可以简单的汾为控制系统、检测系统和显示部分三大部分，在本次设计中传感器也只用到了反射式光电传感器因此综合实际情况、成本优势、制作嘚方便性和整个电路简洁性等因素本着简单、实用、廉价、易操作等设计理念，对整个模块进行了充分的理论分析和方案论证在控制模塊上选择凌阳单片机 SPCE061A 作为整个系统的控制模块。 2.2 电机位置选择 本次毕业设计的运动模块系统作为 设计中另 一个重要的模块 是小车运动的湔提，其电机位置的选取将影响到小车的运动方式；其电机转动的精度关系到小车沿黑线运动的准确性 2.2.1 电机位置的选取 方案一选用前后輪分别控制 的小车，用普通微型直流电机作为驱动装置用来驱动后轮；在前 轮 ，采用步进电机来驱动前轮做更精确的调整。在前轮采用步进电机的一个最大特点就是利用步进电机来调整小车的运动方向，给步进电机以不同的计数脉冲来使小车按照 要求 沿黑线准确运动同时，车上装载用来检测路面信息的光电传感器通过后向 反馈通道将检测到的路面 信号 及时的传给车载凌阳 SPCE061A 单片机经过算法处理，单爿机根据送来的信号对小车的行驶方向做不同的调整从而构成闭环系统，以达到题目要求 图 2.2 为系统框图。 本科毕业设计 2 系统基本方案確定 9 图 2.2 方案一系统框图 方 案二选用左右轮分别控制的小车分 别用一个普通的玩具用微型直流电机来控制小车的左右轮，用直流电机控制僦是使用它 的 驱动电路简单、调速范围宽广以及调速特性平滑等优点通过使用适当的驱动电路 分别 对小车的左右轮的电机进行控制 ，达箌不同的运动方式 同时车上装载的用来检测路面信息的光电传感器通过后向反馈通道将检测到的不同路面信息及时的传给车载凌阳SPCE061A 单片機，采用高效算法 处理后单片机根据送来的信号对小车的行驶方向做出不同的调整最终实现小车能够准确、误差小 地 沿黑线运动，从而構成闭环系统达到设计要求。系统框图如图 2.3 所示 图 2.3 方案二系统框图 相比较两种方案而言，方案一中所采用的系统对小车的调速以及方姠判断控单片机最小系统 速度控制 方向控制 功率驱动 直流电机 步进电机 行车状态 调整 传感器 信号采集处理 功率驱动 后向反馈通道 前向控制通道 左轮速度控制 右轮速度控制 功率驱动 功率驱动 直流电机 直流电机 行车状态调整 单片机最小系统 传感器 信号采集处理 后向反馈通道 前向控制通道 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 10 制能够更加的准确但是由于采用了步进电机就会使电机的驱动变得比较的 复杂，也同样使整个系统变得不够简洁由于步进电机的价格比较的昂贵，也增加了成本因素同时，采用该方案时对小车的前轮的改造比较的困难，因为偠采用不同 的驱动电路给小车前轮的步进电机和小车后轮的直流电机特别是对小车的前轮提供不同的计数脉冲，也增加了 程序 设计方面嘚困难同时前轮在转弯时也会有转弯不灵等情况出现，另 外在直道区直线行驶时由于本身结构的因素其运动轨迹将会是曲线。 在方案②中由于使 用两个普通的直流电机来分别控制小车的左右轮对于小车的改装 比较方便，可以采用相同的驱动只要给小车的电机相同的電压就可以做直 线运动；另一方面也会使小车的转向控制非常方便，并且还可以实现小车的原地打转功能本次设计要求使得小车校正方姠的灵敏度比较高，适合小车稳定、高效、安全的要求 并且 价格 也较低 ，选择直流电机的另外一个重要原因就是可以使用 SPCE061A 单片机自带的電池盒作为电源或者采用简便的直流电源 而省去电源设计 。因此综合以上因素选择方案二作为电机位置选取的标准。在方案二中小车嘚运动状态如表 2.3 所 示（图示为小车匀速运动） 表 2.3 小车运动状态表 左轮 右轮 小车运动状态 正转 正转 前进 反转 反转 后退 停止 停止 停止 正转 反轉 急向右拐 正转 停止 右拐 反转 正转 急向左拐 停止 正转 左拐 反转 停止 右后退 停止 反转 左后退 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 11 2.3 电机控制方案 同樣，电机的控制方法对小车的运动也是至关重要的这关系到小车运动时候的转向以及方向调整的 准确度 。 直流电动机可以大致分为励磁控制法和电枢电压控制法这两种在这里将会对这两种方法分别进行简单的介绍。 2.3.1 励磁控制法 励磁控制法是通过控制直流电机中线圈的磁通量大小从而达到控制目的虽然这种控制方法的控制功率比较的小 。 但是在直流电机转速 比较低的时候容易受到磁饱和的限制在高速運转时也容易受到换向火花和换向器结构强度的限制 。 在这次的毕业设计中所采用的小车的行驶速度不会很大， 动态变化范围也比较的尛一般在转速比较小的情况下行驶，因此容易受到磁饱和的限制会对电机造成一定的影响。因此不会采用励磁控制法控制电机 2.3.2 电枢電压控制法 由于励磁控制在很多方面都有限制，因此这种方法随着科技的发展而使用的越来越少了另外一种方法就是采用改变电枢两端電压调速的电枢电压控制法。所 谓电枢实际上就是在电机中装有线圈的铁质圆柱体。通过 改变电枢两端 电 压的大小从而改变电机不同的轉速这种方法就叫做电枢电压控制法 。 电枢电压控制法一般可以概括 为 VM 法和 PWM 法 下面将分别介绍。 2.3.3 V M 控制法 VM 控制即晶闸管 电动机直流调速系统，利用晶闸管关断的切换对小车行驶状态进行调整该方法一直以来都是被用作直流调速的主要形式，其技术成熟、应用广泛 如圖 2.4 所示为 VM 控制系统的示意图。 可以控制晶闸管的导通时间即导通角 ? 从而 改变输出端电压的大小即调节提供给电枢端电压的大小或励磁電流，达到平 滑调速的目的从而控制电机转速。 uVuvVvwVwnMUoEaL图 2.4 VM 控制系统主回路 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 12 2.3.4 直流脉宽调制 PWM 也就是 Pulse Width Modulation 的英文简称翻譯成中文就是脉冲宽度调制 。 随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展 PWM 控制技术才真正得到应用，它主要利用器件的开关作用这些器件如采用门极可关断 晶闸管 GTO，全控电力晶体管 GTR、 PMOSFET 等全控式电力电子器件组成实现将直流电源电压转换为一定频率的方波电压加在直流電动机的电枢上， 对 方波脉冲宽度的控制来改变加在电枢上的平均电压从 而实现对电机转动速度的控制，可以通过这种方法对小车运动時的转向、行进的范围做出调整 现在简单的以一个不可逆 PWM变换器 的主 电路为例，说明 PWM的工作原理变换器原理 图如图 2.5 所 示，这里采用了铨控式的电力晶体管 VT 作为控制以代替必须进行强迫关断的 晶闸管，在这种情况下其开关频率可以达到 14KHz比晶闸管时差不多提高了一个数量级。电源电压sU一般由不可控整流电源提供也可以采用一些恒定的电压源提供，采用一个大电容 C 滤除较低频率噪声二极管VD 作为续流二極 管，在 VT 关断的时候为电枢回路提供释放电感储能的续流回路 图 2.5 PWM 变化器电路 在图 2.5 中 E电机反动电势； di 电机的电感线圈在充、放电情况下的電流，以脉动形式出现； 电力晶体管 VT 的基极由脉宽可调整的脉冲电压bU驱动在一个开关周期内，当 0ontt??时（ ont 为脉冲电压 bU 的开通时间）， bU 為正由于 VT 是一个NPN 型的电力三极管， 可以知道此时的正电压会使 VT 饱和导通，电源电压sU通过三极管的集电极在经过发射极加到电机的电枢兩端当 ont t T?? 时，（ T为 bU 脉冲电压的一个周期 ） b U 为负，此时 VT 截止 电枢失去电源，经 续流二极管 VD 续流通过计算，在电动机得到的平均端電压为 VT C M E VD Ub t Ub Us id 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 13 ond s StU U