简易智能电动车设计

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

简易智能电动车

摘要：本简易智能电动车采用简单的人工智能技术，以单片机为核心，根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号，可以自动寻迹，变速行驶，前轮转动控制，正向逆向行驶，记忆状态，车辆弯道寻迹运行，绕过障碍物行驶，准确进入车库并停车，实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号，以及测量全程时间、全程路程等功能。采用液晶显示板实时显示金属薄片相关信息以及全程时间和全程路程等，大幅度降低了功耗。整机使用双电源分别给电机部分、传感器和芯片部分供电。

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

1 方案比较、设计与论证 1.1 控制电机选择的比较与论证

方案一 利用步进电机的准确定长步进性能方便的实现调速和方向的偏转，且能准确的测量速度、路程以及时间，简化编程和硬件连接的工作量。但是步进电机在与机械配合的小车改装上难度极大，非短时间所能完成。该方案实现较困难。

方案二 用玩具小车上自带的双直流电机分别负责小汽车的驱动和转向的功能，依据外围红外反射传感器所采集到的信息可以补足直流电机定位不准的缺点，同时红外反射传感器的使用还能实现比较准确的寻迹行驶，用较好的控制算法及特色硬件来提高小车的整体性能，可具有很高的性能/价格比。

经比较验证，显然方案一的机械结构也短时间内难以满足题目的要求，而方案二本身是与小车相兼容的，性能也比较好，采用方案二。

1.2 整机控制的比较与论证

方案一 单片机地址使用两片GAL16V8译码控制双电机，通过读入红外对射传感器信号清看门狗MAX813L，达到控制寻迹逻辑的目的。这样能节省单片机的口资源，而且能充分利用单片机外64K地址。 但是，经测试GAL16V8消耗电能太大,每片工作电流大约40mA，对简单的电池供电的系统来说十分不利。

方案二 用简单的或门电路构成译码电路，控制双电机和红外对射传感器。单片机用位控技术完成其他控制功能。虽然这样占用了单片机很多的资源，但是对于能源要求很高的本系统来说，这在很大程度上保证了系统的正常工作，而且能大幅度节省能源。

经验证比较，方案一存在消耗电能过大的缺点，而且对于本系统来说，能源问题是十分关键的，但方案二完全避免了这个问题，采用方案二。

1.3 显示存储信息和全程时间部分的比较与论证

方案一 用普通的数码管来实现显示功能。这种方法简单易行，并且适合于硬件操作，但是数码管消耗电流特别大，对电源的容量要求很高，而且不能显示汉字因而难以适应电池供电系统的节能运行要求。

方案二 使用液晶显示板来完成显示的功能。液晶显示板的操作需要一定的难度和技巧，而且很容易损坏，所以其硬件需要谨慎使用，但是它解决了数码管存在的各种问题，如消耗电能特别小、能显示多行汉字等。

经验证比较，方案二不但能节省电能，而且能实现普通数码管无法实现的汉字显示功能。采用方案二。

1.4 探测及绕开障碍物的比较与论证

方案一 探测障碍物使用超声波传感器。经实验，使用超声波传感器探测信号时十分容易受到外界环境的影响，使单片机控制系统接收到许多错误的信息。

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

方案二探测障碍物改用红外反射传感器。红外反射传感器受外界的影响小，对大型物体具有比较好的探测效果，同时返回信息也要及时、可靠一些。但是对于小型障碍物它就暴露出发射光源过于分散的缺陷，使测量信号不准确。

方案三：使用光敏传感器，直接根据诱导光源的信号进行判断。这需要光敏传感器能及时反馈可靠的信息，而光敏传感器拥有很高的灵敏度，为了抗干扰还可以把光敏传感器预先进行特殊处理，使其只有在光源正射时才能测到信号，这样就使了光敏传感器的返回信号更加可靠，单片机一旦接到的光敏传感器返回的信息，便能作出正确的判断。倘若测不到信号，说明光敏传感器被障碍物挡住，正前方不能通行，单片机控制电动车绕道障碍物行驶。

2 理论分析与计算

2.1 系统结构的简单布局图

图1.1 系统各部分关系图

如图1.1所示，整个系统完成从外部环境（车道）获取信息，并把所获取的信息转换成单片机最小系统能够识别的有效信号，然后单片机控制系统对双直流电机和显示部分进行控制，再转化为简易智能电动车的具体行为，整个过程运用了简单的人工智能技术。

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

图1.2最小系统原理图

2.2 系统的硬件设计

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

2.2.1 功能流程图

图1.3 系统功能图

2.2.2 原理分析和说明 2.2.2.1单片机控制部分

（1）按寻迹线行驶

根据不同位置红外反射传感器采集到的信号，单片机控制小车前轮的转向，以达到寻迹的目的。寻迹行驶过程中使用增量控制方案，由于小汽车本身的机械结构并不十分稳定，所以为了防止小汽车在拐弯的过程中偏离轨道的程度太大，本系统采用一定步进的增量调节速度方式。小车左右方向转动分别有两档，因此小汽车能在有限长度内处理好大弯道和小弯道两种情况。此外，由于小车前轮附近的位置反馈传感器能及时把前轮的转动幅度和方向反馈给单片机，单片机便能依据这些信号在寻迹线附近对小车的位置进行对应的调整。再加上小汽车的前轮具有定位锁死的功能，这样，在寻迹用的红外反射传感器和位置反馈传感器探 测的信号和单片机控制的有机结合之下，小车按照寻迹线行走的稳定性和可靠性得到了很大的保障。其中传感器探测到的具体信号和单片机控制的对应状态关系如下：

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

图1.4 自动寻迹状态图

（2）.正逆向行驶

使用L293B控制后轮电机的正转和反转，L293B的内部结构是一个桥式电路，有两个可选择的导通通道，直流电机所需要的工作电流的极性就由不同的导通方式来决定[1]。这两个通道的导通分别决定后轮电机正转和反转两种状态。 （3）脉宽调制调控速度 如图1－7所示电路

:

图1.7脉宽调制电路

计算频率公式推导

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

此处用到施密特触发器，因为它具有上限阈值电压V2、下限阈值电压V1的特性，且受电源VDD限制。

上边电路产生的信号周期的频率满足式（1）[2]

———－（1）

令 V2(VDD－V1) / V1(VDD－V2)＝k然后算出参数k 公式（1）化简为 f = k / RC ————（2） 整理得 T=(1/k) RC

当VDD=5V时，下限阈值电压V1=1.4V ，上限阈值电压V2=3.6V 所以有 k = 1.89

进而由脉冲产生图有公式

1.89 ( R1∥R2 + R2 ) C = T ————(3) （T表示方形脉冲的一个周期大小）

（R1∥R2）: （R1∥R2 + R2 ) = 1 : 5 ————(4)

可以通过调节电阻和电容的大小改变振荡电路的周期。利用可控电位计x9312的变阻功能，实现定频调制脉宽。速度是由驱动电压的大小决定的，当驱动电压的高电平时间长时，电机转动速度快，反之，速度就慢。本作品能实现脉冲信号占空比在1：100～100：1的范围内的任意可调。从而高低电平的变化控制后轮电机的转速，实现了变速调制。 （4）准确停车

停车问题主要需要考虑行车速度、后轮电机的机械特点等等，一般停车方案主要靠自由停车，由于车速不同，难以控制。本小车后轮不具备机械锁死功能，停车显然不能依靠简单的自由停车，经实验验证，采用电压反接制动方式能迅速使后轮电机停转，车速下降为零。准确停车问题得到解决。 （5）绕开障碍物行驶

当小车车头前方的激光传感器接收到信号后会迅速将反馈信息传递给单片机，单片机根据信号的强弱会作出相应摆角的调整。这样，当小车前方出现障碍物时，小车会立即改变转动幅度和方向适应新的道路。 （6）光诱导行驶

经特殊改制的光敏传感器接受到200w白炽灯泡发出的强光时，小车将在强光源的引

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

导之下向前行驶。小车前头三个光电传感器成扇形分布（其结构见图小车传感器位置俯瞰图），中间光管与两边光管的夹角都为60度，左右接收光管都经过了特殊处理，基本上相互之间没有干扰，三个光管在不同位置采集到光源信号后会发出不同的返回信号，这就为小车的转向提供了可靠的保证。 （7）拨码开关选择方式

考虑到刚开始启动时小车不能测到寻迹线，而且小汽车在拐弯的过程中可能会出现拐的程度过大的情况，这时候拨码开关就发挥出他的价值了。拨码开关的状态有两种，一种是刚开始的小车启动，只要开关打到这一种状态，小车就会从起跑线起跑，恰好解决了起跑时小车测不到寻迹线的缺陷，另外一种是小车在行驶过程中的自检，任何拐弯的准确程度都是 难以预料的，而在行驶过程中小车始终保持自检就能解决这个问题，小车的自检包括调整车轮的转动幅度、调整小车的速度以及调整采样时间等。 （8）声光信号提示

小汽车在引导线的引导下前进时，会陆续检测到金属薄片，金属探测器把信号传递给单片机之后，单片机立即把命令发给简单的声光系统，如下图示：

图1－8 金属探测器测试情况 该装置简单可靠，而且容易控制，是一种比较理想的检测装置。 （9）电源连接方式

考虑到电机消耗功率大，容易对微机等产生干扰，所以我们采用双电源供电的方式。芯片和传感器共用一个，并经稳压电路把电压稳定调节在5v左右，这样做可以保证芯片正常工作，足以满足为多种传感器供电的目的。

2.2.2.2 外围传感器

在该作品中，传感器是必不可少的信号接收和发射装置，它们负责采集所有外部环境的各种信息，基本上小车的每一个动作都和传感器有着密切的关系。 图1.9是各传感器布局图：

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图1.9 电动车传感器布局图

小汽车的各部分功能都与相对应的传感器有着密切的联系，单片机的所有控制信号都依据各传感器采集到的信号来判断。 （1）光电传感器

亦称光敏传感器[3]，它是一种能量转换器件，是利用各种手段将光能量变换成相应的电信号的器件，即把入射电磁辐射能量转换成电能，然后通过对电能信号的测量了解辐射源的大体性质（在本系统中，主要为光源位置）。

图1.10、图1.11分别是光电传感器发射区、接受区的接法：

图1.10 发射电路

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

图1.11接收电路

如下图1－5所示，固定在车头部位的光电传感器成向外发射状分布，中间光电传感器与两边光电传感器的夹角为60度左右（示意图如图1－10），接收光信号时，三个光电池的状态组合成不同的各种信息，通过比较器返回信息给单片机，由单片机处理和判断方向和转动幅度这部分传感器主要完成循诱导光源（200w白炽灯）行驶的功能；

中间光管接收信号正面行驶

左边光管接收信号左拐

右边光管接收信息右拐

图1.12光敏传感器测量信号简图

（2）红外反射传感器

车前轮附近的三个横向排列的红外反射传感器[3]是用来探测寻迹行驶信号的，两个相连传感器之间有一定的距离，当路面信息改变时，左中右三个传感器将反馈回不同的信息，单片机接收到相应的信号后将会在约定的反应时间里面做出向左、向右转动前轮或者中间锁定前轮的动作；

（3）金属探测传感器

该部分是利用涡流原理来解决的，把产生磁效应的线圈固定在车身底部距地面0.5cm左右的地方，利用振荡电路和选频电路的结合构成金属探测器主体。首先把振荡频率固定在某个值上（本设计拟采用1250hz），然后调整选频电路的中心频率f0，当f0的大小在1250附近时，选频电路的输出脚（LM567的8脚）将会保持低电平输出，当探测器遇到金属薄片时，振荡电路的频率将产生相应的改变，此时选频电路的中心频率与振荡频率不再相匹配，因此输出脚将会由低变高，以示出金属物体（铁片）被检测到。下图是选频电路：

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

1.13选频电路原理图 （4）红外对射传感器

后轮的红外对射传感器是用来测量小车行驶的速度的传感器。该传感器的对射口与小车后轮电机的一个连动齿轮成90度，该齿轮的齿宽足以挡住对射口，当齿轮随车轴一起转动时，红外对射管就会测到不连续的对射信号，再返回信息给单片机，单片机就可以根据这些信号进行计数了。

（5）激光反射传感器：

激光反射传感器主要利用激光的聚焦和稳定的特点，发射管与接收管调好一定角度后，就能比较准确的测量到前方的障碍物，然后单片机根据信号的强弱程度来控制小车的转动幅度和速度，以达到绕开障碍物目的。 （6）位置反馈传感器：

该传感器安装在前轮附近，能及时把前轮的摆幅方向反馈给单片机，单片机利用位置反馈传感器测到的信息和其他传感器的综合信息及时调整前轮的转动幅度以及协调处理前轮的方向迹摆幅控制。

以下是各传感器与单片机之间简单的关系说明：

图1.14 单片机与传感器之间的关系图

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2.2.2.3 液晶显示部分

（1）液晶板简图

图1－15液晶显示屏简图

（2）液晶板原理分析和说明

该液晶显示为8位并行数据模式，分为初始化设置、写命令、写数据、读数据等操作程序，三条控制线RS、RW、E分别对应液晶板控制中的命令字或数据输入的选择控制位、读或写状态的选择控制位和片选信号控制位。该液晶一屏幕能完全显示四行汉字或ASCII码，单片机对其各控制位进行位控，能轻松显示题中要求的各种显示内容.液晶显示的内容主要包括：探测到的金属薄片的数目，每一块金属薄片（中心线）离起跑线的距离以及全程时间和全程路程。

3 系统的软件设计 3.1 系统软件的简单介绍

系统的软件设计分为对双直流电机的控制、对传感器信号的处理和显示控制。其关键部分在于对直流电机的控制，前轮电机的正转和反转分别决定小汽车方向的左拐弯、右拐弯及直线行驶，后轮电机的正转和反转则分别决定小汽车的前进和倒车，在寻迹过程中，单片机始终使用增量控制的方案，即在调整拐弯或速度控制以及纠偏寻迹的过程中，路面信号采样速度、行驶速度、方向调整幅度等都是需要随时调整的，而且都是以一定步进值连续增加或者连续减少这些参数值的。传感器部分的控制主要负责从外界采集信息，不同的信息对应不同的处理方案。液晶部分的控制主要负责实时显示相关有效信息。

3.2系统软件简单结构以及流程图

该系统主要以传感器的探测点为出发点，逐步在寻迹或者探测障碍物的过程中实现各项指定的功能。 如图1－9为系统流程图。

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

图1.16 软件流程图

4 实际测试

4.1测试设备

模拟跑道：带直线和半圆弧引导线，地上铺有若干宽15cm长不定的薄铁板，道路中间设有障碍物、终点设有车库。 秒表：精度0.01s 卷尺：精度0.001m

4.2测试结果

4.2.1 基本要求

题目要求一：小车按引导线到达B点，在直道区测量金属薄片的数量立即发出声光信号，并实时存储、显示在“直道区”所测到的薄铁片数目。

实际测量结果：小车准确沿引导线行驶，到达B点后准确的测量出薄铁片的数目，同时显示出正确的结果。

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

题目要求二：电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点，在C点停车5秒钟，停车期间发出断续的声光信号。

实际测量结果：小车准确沿圆弧引导线到达C点，并在C点准确停车5秒钟，发出声光信号。

题目要求三：电动车在光源的诱导之下，通过障碍区到达车库，电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。

实际测量结果：电动车顺利绕过障碍物到达车库。

题目要求四：电动车到达车库后立即停车，全程时间小于90秒。 实际测量结果：

电动车行走的时间基本上在90s左右。

4.2.2 发挥部分：

题目要求一：电动车在“直道区”在行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。

测试结果：

设定有两片金属薄片，且其离起跑线的距离分别为60cm和180cm，先把测量结果显示如下：

测量结果：

到达车库停车后液晶板准确显示行驶的全程时间。

4.2.3 其他功能的测量结果：

1.准确显示全程走过的路程；

2.当停车位置不准时先倒车然后纠正停靠位置。

5．测试结果分析

由上述测量结果可以看出简易智能电动车很好的完成了题目要求的基本要求和发挥部分的前两项内容。全程时间的测试具有较低的误差，在寻迹的过程中基本上达到了不脱离引导线的良好效果，而且在液晶显示部分添加了全程路程的显示 。

本简易智能电动车采用简单的人工智能技术,以单片机为核心,根据位置反馈传感器、红外对射、反射传感器、光电传感器以及金属探测传感器所探测到的信号,可以自动寻迹,变速行驶,前轮转动控制,正向逆向行驶,记忆状态,车辆弯道寻迹运行,绕过障碍物行驶,准确进入车库并停车,实时探测金属薄片存储相关信息并发出声光信号,以及测量全程时间、全程路程等功能。

参考书目：

1 沈德金、陈粤初等编著，MCS－51系列单片机接口电路与应用程序实例， 北京：

北京航空航天大学出版社，1991年4月

2 Howard M.Berlin ，Guide to CMOS Basics, Circuits, &Experiments Howard

M.Berlin,Ltd

3 苏铁力等编著，传感器及其接口技术，北京：中国石化出版社，2000年

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/abt4.html