【正文】 案一需電動(dòng)機(jī)和 一個(gè)轉(zhuǎn)向器。由主控制器分別進(jìn)行控制， 器件和 控制程序較多。 方案二 ：轉(zhuǎn)向和動(dòng)力結(jié)合的 電動(dòng)小車。 轉(zhuǎn)向和動(dòng)力結(jié)合的 電動(dòng)小車是使用兩個(gè)獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)各自帶動(dòng)一個(gè)輪胎 位于兩側(cè)，通過 兩 個(gè)輪胎 速度的改變 實(shí)現(xiàn) 小車的 轉(zhuǎn)向。 控制所用程序較少，控制器控制起來(lái)簡(jiǎn)單 （ 這種轉(zhuǎn)向方式類似于坦克的轉(zhuǎn)向 方式。 ） 為了小車的平衡再裝上 保持平衡的 輪 子 。 電動(dòng)小車 控制器 傳感器 控制信 號(hào) 路面數(shù)據(jù) 自動(dòng)尋跡小車 3 綜上分析，本設(shè)計(jì) 使用方案二。 電動(dòng)機(jī)模塊 為了實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小車對(duì)行走路徑的準(zhǔn)確定位和精確測(cè)量， 有以 下兩種方案： 方案一 ： 采用直流電機(jī)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大， 響應(yīng)快速，體積小，重量輕，較大的起動(dòng)轉(zhuǎn)矩使其有 從零轉(zhuǎn)速至額定轉(zhuǎn)速具備可提供額定轉(zhuǎn)矩的性能 。可用變速齒輪改變其速度來(lái)達(dá)到本系統(tǒng)要求。 價(jià)格較低。 方案二 ： 采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是 一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成角位移或線位移的精密執(zhí)行原件。 控制 方便 ， 體積小，靈活性和可靠性高，具有瞬時(shí)啟動(dòng)和急速停止的優(yōu)越性，比較適合本系統(tǒng)控制精度高的特點(diǎn)。 價(jià)格較高。 從成本分析，本設(shè)計(jì)用方案一。 （經(jīng)濟(jì)條件好時(shí)方案二最好。） 調(diào)速系統(tǒng) 方案一 ：旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)。旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。且技術(shù)落后，因此擱置不用。 方案二 ：靜止可控整流器。簡(jiǎn) 稱 VM 系統(tǒng)。 VM系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。 VM 系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。 方案三 ：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng) 晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流自動(dòng)尋跡小車 4 電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱 PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過改變脈沖寬度來(lái)進(jìn)行直流調(diào)速。 可在行進(jìn)間變速，直道高速，彎道低速。 方案四：調(diào)速齒輪組調(diào)速。采用齒輪與齒輪的組合，利用齒輪組半徑比來(lái)調(diào)速，能達(dá)到本設(shè)計(jì)的最低要求以低速勻速前進(jìn)。價(jià)格便宜，實(shí)現(xiàn)起來(lái)簡(jiǎn)單。 與 VM系統(tǒng)相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)： （ 1）由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈 動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1： 10000 左右。由于電流波形比 VM 系統(tǒng)好，在相同的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。 （ 2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 （ 3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。 根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了 H型單極型可逆 PWM 變換器進(jìn)行調(diào)速。 脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式 變換器，簡(jiǎn)稱 PWM 變換器。脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車的前行與倒車，本設(shè)計(jì)采用了可逆 PWM 變換器?？赡?PWM 變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H 型、 T型等類型。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式 H 型變換器，它是由 4 個(gè)三極電力晶體管和 4個(gè)續(xù)流二極管組成的橋式電路。 綜上，考慮到本設(shè)計(jì)重在尋跡， 本設(shè)計(jì) 使用價(jià)格便宜，簡(jiǎn)單的方案四。（經(jīng)濟(jì)條件好時(shí)方案三最好。） 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 模塊 方案一 ：采用集成芯片 L9110 驅(qū)動(dòng) 直流 電機(jī)。 L9110 是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式 功率放大專用集成電路，將分立電路集成在單片 IC 之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè)TTL/COMS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直自動(dòng)尋跡小車 5 接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每個(gè)通道能通過 750~800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá) ~；同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開關(guān)功率管的使用上安全可靠。 L9110 被廣泛用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開關(guān)功率管等電路上 。 方案 二 ：用功率管構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路來(lái)驅(qū) 動(dòng)電機(jī) 。 性能可靠，具有自動(dòng)保護(hù)功能，但結(jié)構(gòu)較復(fù)雜多用于交流。 綜 上分析， 本設(shè)計(jì) 選擇方案一 。 控制模塊 方案一 ：采用 FPGA 作為系統(tǒng) 的 主控制器。 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大集 ， 成度高，體積小，穩(wěn)定性好， IO 口資源豐富，易于進(jìn)行功能擴(kuò)展，處理速度快，但 是 適用于 大規(guī)模實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)，價(jià)格高，編程實(shí)現(xiàn)難度大。本系統(tǒng)只需要完成信號(hào)檢測(cè)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的控制，邏輯功能簡(jiǎn)單，對(duì)控制器的數(shù)據(jù)處理能力要求不高，所以不選擇此方案。 方案二 ：采用嵌入式系統(tǒng)作為主控制器。嵌入式系統(tǒng) 工作頻率較高，速度較快，控制能力很強(qiáng)，也有較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。但同樣價(jià)格較高，編程實(shí)現(xiàn)難度大。 方案三 ：采用 AT89S52 單片機(jī)作為主控制器。 AT89S52 是一款低功耗，高性能的 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含有 8KB 的 Flash 片內(nèi)程序存儲(chǔ)器，256 Bytes 的 RAM， 32 個(gè)外部雙向輸入 /輸出 (I/O)口， 5個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)，2層中斷嵌套中斷等。價(jià)格便宜，使用方便。編程實(shí)現(xiàn)難度低，適合用來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制功能。 綜 上分析，本設(shè)計(jì)使用方案三。 傳感器 模塊 方案一：采用光敏電阻組成光敏 傳感 器。光敏電阻原理簡(jiǎn)單，使用方便 ，價(jià)格低廉，但受光照強(qiáng)度影響很大，可靠性不高。 方案二：采用角度傳感器。實(shí)用角度傳感器來(lái)測(cè)量車體水平方向和自動(dòng)尋跡小車 6 豎直方向的角度，感測(cè)到的傾角信號(hào)經(jīng)編碼后傳感給單片機(jī)，由單片機(jī)控制電動(dòng)機(jī)的運(yùn)行。角度傳感器靈敏度合適，響應(yīng)速度好，但使用復(fù)雜，價(jià)格高昂，且不易購(gòu)買。 方案三：采用光電傳感器。光電傳感器原理簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便，價(jià)格低廉，可集發(fā)射器和接收器于一體。使用這類光電傳感器電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定，能完成需要的信號(hào)檢測(cè)功能。 綜上分析， 本設(shè)計(jì) 選擇方案三。 電源模塊 方案一：電腦 USB 串口供電。能直接為單片機(jī)提供穩(wěn) 定的 +5V 直流電壓。 USB 串口線又容易得到。需要很長(zhǎng)的線，而且要有交流電和電腦配合。 方案二： 用 4 節(jié)五號(hào)電池串聯(lián) 6V直流電源。 在不超過單片機(jī)工作電壓范圍的情況下，又能驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。且這個(gè)電源結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，容易得到。 綜上所述 ， 本設(shè)計(jì) 選 擇方案二。 自動(dòng)尋跡小車 7 2 硬件 設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì) 硬件 由一下三個(gè)模塊組成： L9110 為主的 電動(dòng)小車 模塊 。 AT89S52 為控制器的 控制器 模塊 。 傳感器 為主的傳感器 模塊。 整個(gè)設(shè)計(jì)由傳感器模塊向控制模塊提供路面情況，控制模塊根據(jù)情況控制電動(dòng)小車移動(dòng)， 三個(gè)模塊相互合達(dá) 到設(shè)計(jì)要求 。 主要元器件的介紹 電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L9110 L9110 是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的兩通道推挽式功率放大專用集成電路，將分立電路集成在單片 IC 之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè) TTL/COMS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性；兩個(gè)輸出端能直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)的正反向運(yùn)動(dòng)，它具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每個(gè)通道能通過 750~800mA 的持續(xù)電流，峰值電流能力可達(dá) ~；同時(shí)它具有較低的輸出飽和壓降；內(nèi)置的鉗位二極管能釋放感性負(fù)載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動(dòng)繼電器、直 流電機(jī)、步進(jìn)電機(jī)、開關(guān)功率管的使用上安全可靠。 L9110 被廣泛用于玩具汽車電機(jī)驅(qū)動(dòng)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)和開關(guān)功率管等電路上。 其特點(diǎn)有，低靜態(tài)工作電流；寬電壓電源范圍 ~12V；每個(gè)通道具有 800mA 連續(xù)輸出能力；較低的飽和壓降， TTL/COMS 輸出電平兼容，可直接連 CPU；輸出內(nèi)置鉗位二極管；適用于感性負(fù)載，控制驅(qū)動(dòng)集成于單片 IC 中；具備管腳高壓保護(hù)功能；工作溫度 20℃ ~80L9110℃ 。管腳定義： 1． OA： A 路輸出腳。 2． VCC：電源電壓。 3． VCC：電源電壓。 4． OB： B 腳輸出管腳。 5． GND：地線。 6． IA： A 路輸入管腳。 7． IB： B 路輸入管腳。 自動(dòng)尋跡小車 8 8． GND：地線。 其管腳圖如圖 所示。其 應(yīng)用電路如 圖 所示 。 管腳波形圖如圖 所示。 T=25℃時(shí)的參數(shù) 如 表 。 電器特性標(biāo)如表 。 圖 L9110 管腳圖 圖 L9110 的應(yīng)用電路圖 標(biāo) T=25℃時(shí)的參數(shù)表 符號(hào) 參數(shù) 最小 典型 最大 單位 VCCmax 電源電壓 5 12 V Iout max 輸出電流 — 800 1000 mV VH in 輸入高電平 5 12 V VL in 輸出低電平 0 V PD max 允許電源損耗 — — 800 mW Topr 操作溫度 30 25 85 ℃ L9110V C CM直 流 電 機(jī)正 轉(zhuǎn) 信 號(hào)反 轉(zhuǎn) 信 號(hào)G N D自動(dòng)尋跡小車 9 表 T=25℃ Vcc=5V時(shí)電器特性標(biāo) 范 圍 符號(hào) 參數(shù) 最小 典型 最大 單位 IDD 靜態(tài)電流 — 2 uA Vo1 輸出飽和壓降 Io=500mA — 1 V Vo2 輸出飽和壓降 Io=200mA — V I in 操作電流 — 100 200 uA I out 持續(xù)輸出電流 750 800 850 mA I max 電流峰值 — 1500 2020 mA 圖 管腳波形圖 AT89S52 AT89S52 單片機(jī)由 以 下功能部 件組成： 微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行 I/O 口、串行口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成 ,對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。 微處理器 ： 該單片機(jī)中有一個(gè) 8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運(yùn)算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功輸入 A輸入 B輸入 A輸入 B自動(dòng)尋跡小車 10 能，不僅可處理數(shù)據(jù)，還 可以進(jìn)行位變量的處理。 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 ： 片內(nèi)為 256 Bytes RAM，片外最多可外擴(kuò)至 64K字節(jié)，用來(lái)存儲(chǔ)程序在運(yùn)行期間的工作變量、運(yùn)算的中間結(jié)果、數(shù)據(jù)暫存和緩沖、標(biāo)志位等，所以稱為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。 程序存儲(chǔ)器 ： 由于受集成度限制，片內(nèi) 有 8KB Flash 存儲(chǔ)器 ，如果片內(nèi)的只讀存儲(chǔ)器的容量不夠，則需用擴(kuò)展片外的只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64K 字節(jié)。 中斷系統(tǒng) ： 具有 5 個(gè)中斷源， 2 級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器 ： 片內(nèi)有 2個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器， 具有四種工作方式。 串行口 ： 1個(gè)全雙工 的串行口，具有四種工作方式。可用來(lái)進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行 I/O 口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。 輸入 /輸出 (I/O)口 ： P1 口、 P2口、 P3口、 P4 口為 4 個(gè)并行 8位 I/O 口。 特殊功能寄存器 ： 共有 21 個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的個(gè)功能的部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的 RAM區(qū)。 下面對(duì)它的進(jìn)行介紹 : P0 口： P0 口是一個(gè) 8 位漏極開路的雙向 I/O 口。作為輸出口，每位能驅(qū)動(dòng) 8 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P0 端口寫 “1”時(shí)，引腳用 作高阻抗輸入。當(dāng)訪問外部程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)， P0 口也被作為低 8 位地址 /數(shù)據(jù)復(fù)用。在這種模式下， P0 不具有內(nèi)部上拉電阻。在 flash 編程時(shí)， P0口也用來(lái)接收指令字節(jié)；在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)。程序校驗(yàn)時(shí)，需要外部上拉電阻。 P1 口： P1 口是一個(gè)具有內(nèi)部上拉電阻的 8 位雙向 I/O 口， p1 輸出緩沖器能驅(qū)動(dòng) 4 個(gè) TTL 邏輯電平。對(duì) P1 端口寫“ 1”時(shí)，內(nèi)部上拉自動(dòng)尋