智能小车设计指导 第三版(预览版)

51自能小车制作

智能小车设计指导 第三版(预览版)

河海大学计算机与信息学院(常州)学生分科协

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第三版说明

《智能小车设计指导》是由河海大学常州校区计算机与信息学院学生分科协会员编写的科技类 书籍，主要用于每年一届的校内智能汽车竞赛，供智能汽车初学者学习使用，也可为深入研究智能汽车的读者提供参考。书中围绕智能汽车的设计和制作，讲解了车模改装、电路设计与调试、控制方案、算法设计等一系列知识，并涉及到全国飞思卡尔智能汽车竞赛的内容，是计信科协几代人集体智慧的结晶。

该书第一版主要由孙浩、顾丽萍编写，完成于2009年秋，主要用于校内第三届智能汽车竞赛，在当时取得了很好的效果，对竞赛的进行起了很大的推进作用。

第二版完成于2010年秋，对第一版进行了细节的补充和完善，并拓展了发挥部分。第二版中基础部分（第一版内容）主要由孙浩、顾丽萍完成，摄像头部分由尹海峰完成，电磁部分由李永强完成，算法部分由宋加才完成，最终由孙浩进行统稿。

随着校内智能汽车竞赛整体水平的提高，也为更好的促进本届校内智能汽车竞赛，我总结了学长们的经验，并结合自己的一些理解，对第二版的内容做了一些完善，更加具体的讲解了一些知识，推出了《智能小车设计指导》第三版，这也是应孙浩学长的要求。希望《智能小车设计指导》能给后来的学弟学妹们带来帮助，并进一步创新和突破，取得更大的成就。

本书凝聚着作者的心血，希望大家能够充分利用，针对参赛选手本书做以下几点补充说明：

1. 本书不是为了给各位读者提供一个成熟的模板和电路供大家使用，希望大家能够以书中的内容作为参考，弄清楚其中的原理，根据自己的理解完成设计，而不是照搬电路图。

2. 本书并不能作为唯一参考，只是想告诉大家设计方法和原理，更多的还需要各位读者自己查阅相关参考书和网上的资料。

3. 最终完成智能车设计需要综合单片机编程、模数电、Protel设计、电路焊接、自动控制算法设计等多方面内容，因此需要团队协作，协调掌握，需要有所偏重但是不能只会某一样。

4. 虽然我们提供了较为完善的资料，但是没有一成不变的设计，希望各位读者能够发挥自己的创新精神，积极探索，寻找新的方法。

5. 如果你正在阅读本书，最起码说明你对智能小车的设计感兴趣，但是如果想完成后面的设计需要的更多的是坚持。希望各位读者能够有一颗恒心，最终完成设计。

由于时间仓促和我们的水平有限，如果在阅读的过程中发现什么错误或者有什么好的建议欢迎通过下面的联系方式联系我们，真诚期待您的反馈。

孙继强

2011年9月

联系我们

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目录

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 -

2.4车体前轮定位的调整 ................................................................................................................... - 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 低压差稳压芯片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 .................................................................................................................... - 13 -

3.4.1 舵机的工作原理 ............................................................................................................. - 13 -

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 ............................................................................................................ - 15 -

3.5.1 H桥驱动电路的工作原理 .............................................................................................. - 15 -

3.5.2 常用H桥集成电路芯片L298 ....................................................................................... - 16 -

3.5.3 大电流半桥集成电路芯片BTS7960 .............................................................................. - 18 -

3.6 测速模块 ................................................................................................................................... - 19 -

第四章 程序设计 ..................................................................................................................................... - 20 -

4.1 PWM的相关知识 ....................................................................................................................... - 20 -

4.1.1 PWM简介以及实现 ........................................................................................................ - 20 -

4.1.2 51单片机产生PWM波 .................................................................................................. - 21 -

4.2 舵机的控制................................................................................................................................ - 23 -

4.3 后轮电机的控制 ........................................................................................................................ - 24 -

4.4 程序总体的设计 ........................................................................................................................ - 24 -

4.4.1 查询法 ............................................................................................................................ - 24 -

4.4.1 查表法 ............................................................................................................................ - 25 -

4.5 程序设计的发挥与拓展 ............................................................................................................ - 25 -

第五章 测试与调试 ................................................................................................................................. - 28 -

5.1 测试与调试................................................................................................................................ - 28 -

5.2 智能车的测试步骤 .................................................................................................................... - 28 -

第六章 车速的测量 ................................................................................................................................. - 30 -

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6.1 车速测量的重要性 .................................................................................................................... - 30 -

6.2 车速测量的几种方式 ................................................................................................................ - 30 -

6.2.1 霍尔传感器检测 ............................................................................................................. - 30 -

6.2.2 反射式光电检测 ............................................................................................................. - 30 -

6.2.3 透射式光电检测 ............................................................................................................. - 30 -

6.2.3 光电编码器..................................................................................................................... - 31 -

6.3 车速测量的单片机实现 ............................................................................................................ - 32 -

第七章 摄像头的使用 ............................................................................................................................. - 33 -

7.1 摄像头工作原理及简介 ............................................................................................................ - 33 -

7.2 模拟摄像头视频分离电路设计 ................................................................................................ - 34 -

7.3 摄像头选型................................................................................................................................ - 35 -

7.4 摄像头安装................................................................................................................................ - 37 -

7.5 基本视频信号采集 .................................................................................................................... - 37 -

7.5.1 使用单片机内部A/D转换。 ........................................................................................ - 39 -

7.5.2 使用外部A/D转换器 ..................................................................................................... - 41 -

7.5.3 使用模拟电路对PAL信号进行转化（参考北京科技大学CCD一队） ................... - 41 -

第八章 电磁传感器的使用 ..................................................................................................................... - 43 -

8.1 智能汽车电磁组简介： ............................................................................................................ - 43 -

8.2 20KHz电源参考设计方案.......................................................................................................... - 43 -

8.2.1 电源技术指标要求 ......................................................................................................... - 43 -

8.2.2 电源组成......................................................................................................................... - 44 -

8.2.3 功率输出电路 ................................................................................................................. - 45 -

8.2.4 恒流控制......................................................................................................................... - 47 -

8.2.5 参考设计电路 ................................................................................................................. - 47 -

8.2.6 电源调试......................................................................................................................... - 48 -

8.2.7 注意事项......................................................................................................................... - 49 -

8.3 电磁组传感器及模路径检测设计参考方案 ............................................................................ - 49 -

8.3.1 设计原理......................................................................................................................... - 49 -

8.3.2 磁场检测方法 ................................................................................................................. - 50 -

8.3.3 电路设计......................................................................................................................... - 53 -

8.3.4 传感器的设计与调试 ..................................................................................................... - 57 -

8.3.5 检测方案......................................................................................................................... - 59 -

8.4 软件部分的简要流程图 ............................................................................................................ - 61 -

8.5 结束语 ....................................................................................................................................... - 62 -

第九章 激光传感器的使用与设计 ......................................................................................................... - 63 -

9.1 激光传感器的工作原理和驱动 ................................................................................................ - 63 -

9.2 激光传感器的选用与注意事项 ................................................................................................ - 63 -

9.3 激光管的布局和安装 ................................................................................................................ - 63 -

第十章 算法设计 ..................................................................................................................................... - 65 -

10.1 摄像头组处理算法 .................................................................................................................. - 65 -

10.1.1 黑线提取算法 ............................................................................................................... - 65 - 10.2 车体控制算法.......................................................................................................................... - 67 -

10.2.1 PID算法 ......................................................................................................................... - 67 - 10.2.2 预判算法....................................................................................................................... - 68 -

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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。

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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，常做小车驱动部分的电机有直流电机、减速电机、步进电机等，小车转向部分可采用小型直流电机或舵机。各种电机有不同的工作方式和特点，应根据实际应用场合选择，合理的选择电机对方案的好坏起决定作用。

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走弧线。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年的全国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2009年全国电设中设计的小车，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走弧线，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。减速电机实在直流电机上加入减速齿轮，转速变得很慢，但是力矩大大提高。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摄像头、激光传感器、电磁传感器等作为传感器。

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，舵机的控制也是智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，因此需要通过专用

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桥驱动芯片L298N和在全国大学生飞思卡尔智能汽车竞赛中广泛使用的BTS7960为例，鼓励大家自行选择更合适的驱动方案。

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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，对于低年级刚入门

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。若使用摄像头循迹传感器，单片机将采集并处理大量的数据信息，程序中存在大量的乘除运算等，需要使用高档的单片机。

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。建

议小车中设计多路电源，并合理分配。

6. 测速模块（发挥部分），在完成基础部分之后，若要进一步提高小车的性能，建议加入测速模块。

该模块可以测量出车轮转动的速度，使小车形成闭环控制，更可以应用控制理论进行算法优化设计，大大提高小车性能。

循迹模块

单片机最

电机驱动

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。

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第二章 车体设计

2.1小车的拆卸

一般车模选用带有无线遥控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，初学者在拆卸小车时会感到无从下手，建议首先对将要实现的小车功能有一定了解，可以参照往届比赛中学长的车子。之后对车模各个部件及其作用要有所把握，知道了车模上部件的作用后，自然就知道那些该拆卸了，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购买舵机是附赠的齿轮，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，不同的安装方法力臂长短、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。

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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。理论上大的前瞻可以使小车有更多的时间反应，但是前瞻过大会导致小车难以控制，校内比赛的小车多采用红外传感器，前瞻一般不超过20cm，若采用激光传感器，前瞻可达40-60cm，甚至更远。不要盲目追求前瞻，要重视小车的整体性能。

整体布局需要考虑小车的重心分布，速度越快影响越明显。车体重心最佳分布是在中心偏后的位置，重心尽量低。重心太靠前，导致前轮转弯时力矩过大，使舵机运作吃力，响应变慢，甚至损坏舵机，后轮在急加速、急减速过程中还会出现打滑、飘移等现象，影响小车转弯性能。车体重心也不能太靠后，极端情况时在小车急加速时前轮离地，高速转弯时前轮侧滑。重心偏高会使小车高速转弯时内侧车轮离地，甚至翻车，同时影响直道加减速效果。

在布局时要重点考虑较重部件的位置。比如电池的放置，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。

2.4车体前轮定位的调整

前轮定位包括主销后倾角、主销内倾角、车轮外倾角、车轮前束等，这些机械结构上的微调都会很直接的影响到小车行驶的效果。校内赛中，由于我们使用的是普通玩具车，还基本上涉及不到

这些结构的调整，唯一可以调整的就是前轮前束角。读者如果感兴趣可以自行查看相关资料。

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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以下几点：

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系列稳压芯片不再能够满足要求，因此必须采用低压差的稳压芯片，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。

3. 合理分配使用电源，对一些功率较大的模块（如红外循迹模块），可以单独采用一路电源供电，

避免芯片过热，浪费电能，甚至损坏芯片。

现在各种新型的电源芯片层出不穷，各位读者可以根据自己的需求自行选择电源芯片，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 低压差稳压芯片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购买，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。

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图 3.2 LM2940参考电路图

如图3.2所示，采用两路供电，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，如果使用摄像头作为传感器则可以使用飞思卡尔的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. 合理集成相应的外围模块，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. 最好将程序的下载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

为了照顾刚入门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。

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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下载接口，该下载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

下载线来设计的，与常用的并口下载线，串口下载线和笔记本用的USBASP下载线兼容，只需将下载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芯片的烦恼，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的下载接口在设计时应注意以下两点，否则可能会造成程序下载的失败。

1. 下载线接口中的电源尽量和单片机共用一个电源。

2. 下载线接口中用到的P1.5~P1.7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，防止影响程序的下载，或者将P1口分配为读取按钮开关状态等方式。

对于下载线有几点说明：

1. 51和AVR常用的是ISP下载方式，也就是上面介绍的接口，实物接口如图3.4所示，常用的有

分为并口下载线，串口下载线和USB下载线，一般台式机建议使用并口下载线，速度快而且稳定，图3.5为并口下载线实物图。

2. 购买并口下载线时应注明51/AVR ISP下载线或stk200/stk300下载线，购买USB接口的下载线时

一般的名称为USBASP，特别是在网上购买时应注意区分。

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图3.4接口 图3.5 并口下载线

51的最小系统还应特别注意第31脚（如图）应拉高，31脚EA脚为内外存储器的选择脚，由于我们只用内部存储器，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，下载线接口都与51相同，但是应注意以下两点：

1. AVR为低电平复位，因此复位电路上有所异同。

2. 接了外部晶振以后再写下载程序时应注意配置好对应的熔丝位，否则可能造成芯片锁死。

我建议大家可以根据自己的需要用Protel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为我自己制作的AVR最小系统板。在这个系统板上我们放置了ISP接口，在线仿真用的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。在全国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反面

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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接收器，红外一体式发射接收器市场价格在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购买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接收器已经足够。当然如果追求大功率更远的探测距离也可以购买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隔离器件以消除临近发射管的干扰。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,不易受到其它光线的干扰。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。

红外一体式发射接收器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一种方式。红外一体式发射接收器检测黑线的原理为，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，那就是利用你的手机摄像头，红外线由于波长较长，在人眼的可视范围之外，但是却仍然在手机摄像头的可视范围之内，因此可以用打开手机的拍照功能，看一下便清楚了，这也是红外夜视摄像头的原理。

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一种方式。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。

其他常用型号有ST188、TCRT5000，仅供参考。

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3.3.2 检测电路设计

上面介绍了红外光电管检测黑线的基本原理，图3.8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有几个注意点：

1. 图中的LM393为专业的电压比较器，一片LM393内部含有两路比较器，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路红外光电管的话可以采用两片LM339，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，详细请查找芯片的说明文档。

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发射功率，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。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。

R1、R2阻值的选取直接影响循迹模块的性能及稳定性。合理选取阻值，使得循迹模块有很好的性能，可以准确采集赛道信息，是后期调试的基础，此处须多花心思，往届参赛失败往往是因为循迹模块稳定性差，不适应现场环境的变化。R1、R2阻值的选取因所选光电管而异，切不可照搬电路。以下讲解具体选取方法：

R1为限流电阻，其大小可以决定发射管的功率，一般认为发射管发射功率越大可循迹空间范围越大。应根据使发射管工作在额定情况下的参数选取R1阻值。

例如：型号为TCRT5000的一体光电管，发射管可工作在U = 1.25V，I = 60mA的额定情况下，已知电源电压Vcc=5V，则

计算的R1 = 62.5 Ω，实际选用时，应稍微大于该值。

R2为分压电阻，其阻值的选取影响到光电管接收电路输出电压。实际测得接收管正向电阻随接收到的红外光照强度而变化，其变化范围很大，可以达到几个数量级，如果阻值选取合适，其输出电压即可满足数字电路所采用的高低电平电压范围，而省去比较器。R2阻值选取需根据实际接收管而定。设R2分压后输出电压为Vo，接收管受红外反射光照射时电阻为R’，不受红外反射光照射时电阻为R’’，电压变化范围为1~4V，则

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两式联立，带入测量值R’，R’’可求得R2的理论值范围，选取时根据实际效果调试确定R2。

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对输出模拟电压信号整形，即二值化，以得到标准的高低电平

信号，作为模拟电路到数字电路的入口。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芯片则可以直接输入变化的电压量，通过单片机A/D端口直接读取。通过单片机的A/D口直接读取电压的变化量，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A/D端口采集光电管接收电路输出电压进行判断，相当于用软件模拟了电压比较器模块。 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。

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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，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反面

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。

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

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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，有兴趣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、减速齿轮组、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，减速后传动至输出舵盘。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，体积有大中小三种之分等等，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的一般为桔黄色。

舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）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，转动范围不能超过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。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：日本的Futaba、JR、SANWA等，国产的有北京的新幻想、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)

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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。

舵机是小车转向的控制机构，具有体积小、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→齿轮组减速→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下注意以下两点：

1. 常用舵机的额定工作电压为6V，可以使用LM1117等芯片单独提供6V的电压，如果为了简化

硬件设计直接使用5V供电影响也不是很大，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PWM输出功能

的单片机时而且打算使用快速PWM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

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