【正文】 實現(xiàn)電動小汽車的前行與倒車，本設(shè)計采用了可逆PWM變換器。可逆PWM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。我們在設(shè)計中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個三極電力晶體管和4個續(xù)流二極管組成的橋式電路。綜合考慮系統(tǒng)的各項性能，最后我們決定采用PWM調(diào)速系統(tǒng)。 尋跡模塊方案一：采用光電自動尋軌傳感器，通過采集黑白線返回主控制單片機的電信號不同，來實現(xiàn)自動尋跡的功能。方案二：采用反射式紅外傳感器來進(jìn)行探測。只要選擇數(shù)量和探測距離合適的紅外傳感器，可以準(zhǔn)確的判斷出跑道邊界的位置。方案的選擇：方案二中的反射式紅外傳感器驅(qū)動方便，識別率高，并且采集速度快，返回信號準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)題目的要求，即能精確實現(xiàn)循跡黑線，方案二雖然效果更佳，但價格較昂貴。所以選擇方案二。 轉(zhuǎn)向裝置模塊方案一：雙電機控制。采用兩個直流電機控制小車后輪，檢測不到黑線走直線時，單片機控制兩輪轉(zhuǎn)速相等。當(dāng)傳感器檢測到黑線，需要向左轉(zhuǎn)時，增加右輪轉(zhuǎn)速，降低左輪轉(zhuǎn)速；需要向右轉(zhuǎn)時，增加左輪轉(zhuǎn)速，降低右輪轉(zhuǎn)速。但此種方法必須精確控制兩車輪轉(zhuǎn)速直行時相等，否則將會出現(xiàn)小搖擺及抖動，達(dá)不到平滑運動的效果。方案二：步進(jìn)電機控制前輪。步進(jìn)電機將電脈沖信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的角位移的特種電機，步進(jìn)電機的顯著特點是快速啟動能力，測到障礙物時能夠快速轉(zhuǎn)向；另外步進(jìn)電機的精度高，不會失步，在負(fù)荷不超過動態(tài)轉(zhuǎn)矩值時，可以瞬間啟動和停止。逆轉(zhuǎn)時能夠精確返回原始位置。外加機械機構(gòu)可以把角度變成直線位移。但步進(jìn)電機的價格比較昂貴。經(jīng)過比較分析，采用方案一即兩個直流電機控制轉(zhuǎn)向。本章小結(jié)通過我們組內(nèi)討論以及題目的要求，我們的電動智能小車選主要采用STC系列中的STC89C51單片機，其設(shè)計主要用12V/6800mAh的鋰電池，能穩(wěn)定安全地給電機供電；由于單片機輸出的電流有限，無法直接驅(qū)動電機工作，因此需要通過專業(yè)的電路進(jìn)行驅(qū)動，只要單片機給出相應(yīng)的控制信號，便可控制電機工作。以STC 89C51為控制核心，用于探測黑白交線的位置，基礎(chǔ)由若干個光電管組成，通過反射紅外線的變化判斷黑白交線的有無，便于走黑白交線。綜合考慮系統(tǒng)的各項性能，我們決定采用PWM調(diào)速系統(tǒng)；采用光電自動尋軌傳感器，通過采集黑白線返回主控制單片機的電信號不同，來實現(xiàn)自動尋跡的功能；采用雙電機控制控制小車的轉(zhuǎn)向。第3章 系統(tǒng)硬件設(shè)計，電壓可達(dá)到12V，其中通過穩(wěn)壓芯片7805獲取5V直流電源為單片機供電，12V電源為電機供電以獲得較高速度，該電源輸出電流能力較大，而且能較長時間為小車提供穩(wěn)定的電流，使系統(tǒng)運行穩(wěn)定，符合實際要求。電源原理圖如圖31所示。 圖31 電源原理圖電源穩(wěn)壓芯片7805/7905 是一種典型的組合裝封三端穩(wěn)壓集成電路模塊帶金屬基板散熱按裝片該模塊多用于有處理器的5V電源的處理板戲稱電腦穩(wěn)壓塊輸入電壓可達(dá)直流12V輸出5V+5%以內(nèi)，電流1A,最大短時可達(dá)3A(極限) 在超過500毫安輸出時最好加裝散熱器 ，7805面對字標(biāo)左腳進(jìn)右腳出，中間腳接地。在實際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)穩(wěn)壓管溫度過高時，穩(wěn)壓性能將變差，甚至損壞。，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來，但應(yīng)用時需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。另外在輸出電流上留有一定的余量，以避免個別集成穩(wěn)壓電路失效時導(dǎo)致其他電路的連鎖燒毀。 本設(shè)計最小系統(tǒng)分兩部分，一部分是晶振部分，另一部分是復(fù)位電路部分。最小系統(tǒng)原理圖如圖32所示。圖32最小系統(tǒng)原理圖單片機的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個確定的狀態(tài)，一般來說，單片機復(fù)位電路作用是把一個例如狀態(tài)機初始化到空狀態(tài)，而在單片機內(nèi)部，復(fù)位的時候單片機是把一些寄存器以及存儲設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個值。單片機復(fù)位電路原理是在單片機的復(fù)位引腳RST上外接電阻和電容，實現(xiàn)上電復(fù)位。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個機器周期以上時復(fù)位有效。復(fù)位電平的持續(xù)時間必須大于單片機的兩個機器周期。具體數(shù)值可以由RC電路計算出時間常數(shù)。復(fù)位電路由按鍵復(fù)位和上電復(fù)位兩部分組成。(1)上電復(fù)位：STC89系列單片及為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳RST上連接一個電容到VCC，再連接一個電阻到GND，由此形成一個RC充放電回路保證單片機在上電時RST腳上有足夠時間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個電阻和電容的典型值為10K和10uF。(2)按鍵復(fù)位：按鍵復(fù)位就是在復(fù)位電容上并聯(lián)一個開關(guān)，當(dāng)開關(guān)按下時電容被放電、RST也被拉到高電平，而且由于電容的充電，會保持一段時間的高電平來使單片機復(fù)位。單片機系統(tǒng)里都有晶振，在單片機系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機所需的時鐘頻率，單片機晶振提供的時鐘頻率越高，那么單片機運行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機晶振提供的時鐘頻率。在通常工作條件下，普通的晶振頻率絕對精度可達(dá)百萬分之五十。高級的精度更高。有些晶振還可以由外加電壓在一定范圍內(nèi)調(diào)整頻率，稱為壓控振蕩器(VCO)。晶振用一種能把電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。單片機晶振的作用是為系統(tǒng)提供基本的時鐘信號。通常一個系統(tǒng)共用一個晶振，便于各部分保持同步。有些通訊系統(tǒng)的基頻和射頻使用不同的晶振，而通過電子調(diào)整頻率的方法保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時鐘頻率。如果不同子系統(tǒng)需要不同頻率的時鐘信號，可以用與同一個晶振相連的不同鎖相環(huán)來提供。，由于單片機內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個晶振和兩個電容即可，電容容量一般在15pF至50pF之間。 電機的左右輪分別由兩個獨立的電機驅(qū)動，通過控制兩個電機正轉(zhuǎn)時間的不同，實現(xiàn)小車的前進(jìn)和左右的方向選擇。應(yīng)用L298N進(jìn)行電機驅(qū)動，IN1和IN2控制小車左輪并且通過ENA控制占空比，這樣能控制小車的左輪驅(qū)動能力。IN3和IN4控制小車右輪并且通過ENB控制占空比來控制小車右輪的驅(qū)動能力，以達(dá)到調(diào)節(jié)速度的要求。輸出端OUT1和OUT2接左輪，OUT3和OUT4接右輪，前進(jìn)時，兩輪驅(qū)動能力相同，左轉(zhuǎn)時，右輪比左輪驅(qū)動力強，右轉(zhuǎn)時，同理。而二極管的引入能夠起到保護(hù)電機的作用。電機驅(qū)動原理圖如圖33所示。 圖33 電機驅(qū)動原理圖 L298N 為SGSTHOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機專 用驅(qū)動芯片( Dual FullBridge Driver ) ，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相步進(jìn)電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機，內(nèi)含二個HBridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯準(zhǔn)位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機，且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號。循跡采用反射式光電傳感器，反射式光電傳感器具有一對紅外信號發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當(dāng)紅外的檢查方向遇到障礙物（反射面）時，紅外信號反射回來被接收管接收。經(jīng)處理之后，通過數(shù)字傳感器接口返回微控制器，微控制器可利用紅外波的返回信號來識別周圍環(huán)境的變化。當(dāng)遇到黑線時，圖中三極管8050導(dǎo)通，反相器輸入口處檢測到低電平，經(jīng)反相器后變?yōu)楦唠娖?，供單片機識別，同時指示燈被點亮，圖中滑動變阻器，可方便改變光電傳感器的輸入電流，從而改變靈敏度，可減少電路中“毛刺”，以增加電路的抗干擾能力。循跡模塊原理圖如圖33所示。 圖33循跡模塊原理圖在本設(shè)計中我們采用紅外一體式發(fā)射接收器，發(fā)射管和接收管的直徑都為3mm，此時探測環(huán)境都在檢測電路板之下，不易受到其他光線的干擾。傳感器都選用RPR220發(fā)射紅外傳感器。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。紅外一體式發(fā)射接收器由于感應(yīng)的是紅外光，常見光對它不干擾。紅外一體式發(fā)射接收器檢測黑線的原理為：由于黑色吸光，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的關(guān)照射在上面后反射的部分比較小，接收管接收到地紅外線也就較少，表現(xiàn)為電阻比較大，通過外接的電路就可以讀出檢測的狀態(tài)，同理當(dāng)照在白色表面時發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻比較小。本設(shè)計中當(dāng)檢測到黑線，小車會自動偏轉(zhuǎn)而遠(yuǎn)離邊緣