【正文】 占比 ， 來持續(xù)輸出 穩(wěn)定 電壓。開關(guān)穩(wěn)壓電源 工作 中 會(huì)產(chǎn)生高頻 交流電壓和電流 ，導(dǎo)致 尖峰干擾和庇振干擾， 如果不采取一定的措施進(jìn)行抑制和屏蔽，就會(huì)嚴(yán)重地影響電源的安全有效輸出 [3]。 方案 二 ：采用功率三極管或 MOSFET 構(gòu)成 H 橋 驅(qū)動(dòng)電路 。采用 H 型橋式電路 可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)速度 快 、 穩(wěn)定性強(qiáng)， 因此 是一種廣泛采用的 電機(jī) 調(diào)速技術(shù)。 而顏色傳感器雖然能夠檢測(cè)出顏色信息，但是由于外界環(huán)境和光線強(qiáng)弱的變化，極易出現(xiàn)傳感器判斷失誤的現(xiàn)象。 通過 單片機(jī) I/O 接口接收信息 ，程序控制小車改變方向。 圖 系統(tǒng)組成框圖 主控芯片 接收傳感器輸入的信號(hào) ，其中紅外傳感器陣列用來檢測(cè)線路，編碼器用來檢測(cè)電機(jī)運(yùn)動(dòng)路程信息； 接收到的傳感器信息由 MCU 處理，輸出控制信號(hào)，控制舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)作。 （ 2） 動(dòng)作控制部分包括舵機(jī)控制與電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 3 硬件設(shè)計(jì) 主控電路設(shè)計(jì) 主控電路是智能小車系統(tǒng)各功能模塊的控制中心，它負(fù)責(zé)信息的獲取、處理和執(zhí)行。 供電電路 設(shè)計(jì) 由于智能玩具車各模塊對(duì)電源的需求不同，故不能直接使用單一的電源。 在芯片供電中，使用三端固定式集成穩(wěn)壓器 來提供降壓穩(wěn)壓供電 ，圖 為 的實(shí)物圖 。 圖 最小應(yīng)用 系統(tǒng) 實(shí)物圖 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì) 在智能玩具車運(yùn)行過程中，電動(dòng)機(jī)的速度是根據(jù)傳感器的反饋隨時(shí)調(diào)整的。然而單片機(jī)芯片的輸出能力非常弱，不可能直接控制電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，所以需要一個(gè)專門的電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。使用此方案可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的單向調(diào)速，若想實(shí)現(xiàn)雙向控制，就要使用 H 橋來控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)動(dòng) 。 固定任意一側(cè)開關(guān)管的狀態(tài)，在另一側(cè)接上 PWM 控制信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反方向的調(diào)速。 如圖 所示為 2403ND 直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的實(shí)物圖。 表 電機(jī)接口控制信號(hào)邏輯 IN1 IN2 ENA 輸出狀態(tài) 0 無輸出， OUT OUT2 懸空 0 0 1 剎車， VOUT1 = VOUT2 = VGND 0 1 1 正轉(zhuǎn)， VOUT1 VOUT2 = 電源電壓 1 0 1 反轉(zhuǎn)， VOUT2 VOUT1 = 電源電壓 1 1 1 剎車， VOUT1 = VOUT2 = 電源電壓 * *注： 未連接控制信號(hào)時(shí)的默認(rèn)狀態(tài) 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 舵機(jī) 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 智能玩具車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要 舵機(jī)（ Servo） 來控制，如圖 所示，舵機(jī)是 由直流電機(jī)、減速齒輪組、傳感器和控制電路 構(gòu) 成 ，是 一套 典型的 伺服 控制系統(tǒng)。 因此 普通直流電機(jī)一般是整圈轉(zhuǎn)動(dòng)做動(dòng)力輸出， 而 舵機(jī) 主要用于 控制某物體轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度控制（例如機(jī)器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)）。一般而言，舵機(jī)的基準(zhǔn)信號(hào)都是周期為 20ms， 最小 寬度為 1ms，最大寬度為 2ms。本文主要通過光電脈沖測(cè)速傳感器來測(cè)量小車的速度。 市售的集成封裝的編碼器精度高，測(cè)速準(zhǔn)確，碼盤和電路都封裝在編碼器內(nèi)，極大降低了損壞的概率。 圖 編碼器實(shí)物圖 循跡電路設(shè)計(jì) 目前在路徑檢測(cè)上廣泛采用的 是紅外對(duì)管檢測(cè) ， 電路基本原理圖如圖 所示。高低電壓的 模擬的電信號(hào)通過 電平比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)。 圖 傳感器模塊電路設(shè)計(jì)圖 該電路設(shè)計(jì) 具 有如下功能和特點(diǎn)： （ 1） 集成 5 路循跡傳感器，適合復(fù)雜黑線 、 白線的跟蹤 ； （ 2） 有一路蔽障用的紅外傳感器，蔽障距離可以通過滑動(dòng)變阻器調(diào)節(jié)； （ 3） 有一個(gè)專門設(shè)計(jì)的觸碰傳感器，使得 智能小車能夠規(guī)避前方障礙 ； （ 4） 輸出信號(hào)全部都為數(shù)字信號(hào)，方便與單片機(jī)相連； （ 5） 全部傳感器都有 LED 燈作為指示，方便調(diào)試 （ 6） 支持電壓為 滿足 系統(tǒng)需求。這里選用的 Nokia 5110 液晶模塊， 圖 為該液晶模塊的實(shí)物圖。由于通信過程中必須使用線纜進(jìn)行連接，因此無法采集到 智能汽車運(yùn)行過程中的數(shù)據(jù)。使用 NRF24L01 模塊進(jìn)行通信需要在智能車上加裝一個(gè)模塊，接收端沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 16 需要一款單片機(jī)提供 SPI 協(xié)議驅(qū)動(dòng) NRF24L01 模塊接收數(shù)據(jù)，并且通過串口方式發(fā)送給計(jì)算機(jī)。 主程序 智能玩具車的主程序流程可以用圖 來表示。) { 讀取光電傳感器的數(shù)值 ()。 速度控制 ()。 // 小車轉(zhuǎn)角 循跡算法 傳感器布局 在小車的調(diào)試制作過程中，不難發(fā)現(xiàn)傳感器的布局對(duì)賽道 的檢測(cè)、控制算法有很大的影響。智能車會(huì) 在彎道突然減速，在直道會(huì)突然加速，機(jī)械磨損大。此傳感器布局的不足之處在于：由于布局在兩排上，控制算法的復(fù)雜程度有了很大的增加， 若要 判斷 具體的彎道信息 ，往往需要 加 上一次的檢測(cè)數(shù)據(jù)。 圖 直道及簡(jiǎn)單彎道的循跡 路徑 根據(jù)上面所述，可以把直道和簡(jiǎn)單彎道的循跡方法概括成流程圖 ，如下圖 所示。 圖 垂直路口的循 跡 路徑 尋 T 字形的交叉線主要的思想是：最邊上來那兩個(gè)傳感器（ SS SS2 或 SS SS5）沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 22 檢測(cè)黑線的時(shí)候讓小車再走一段時(shí)間，再判斷最前面那個(gè)傳感器 SS3 的狀態(tài)，如果任然有 黑線，就說明尋到了 T 字路口。 //更新傳感器數(shù)據(jù) 類似的，可以保存 SS2~SS5 的傳感器上一次檢測(cè)數(shù)據(jù)為 SS2_Last~SS5_Last。為了避免這個(gè)問題的發(fā)生，智能車應(yīng)該在進(jìn)入彎道前判斷是否為普通小曲率彎道，若不是，則應(yīng)降低車速，進(jìn)一步判斷彎道類型。如圖 (c)所示，轉(zhuǎn)彎過程中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)只有 SS3和 SS5（或 SS1）檢測(cè)到黑線時(shí)，可以判斷已經(jīng)出彎。出彎道的條件為：以 SS3 傳感器為中心，左右兩側(cè)均能檢測(cè)到黑線，例如圖 (c)的情況， SS SS3 和 SS5 檢測(cè)到黑線，可以確定小車已經(jīng)出彎。 圖 復(fù)雜賽道分段循跡示例 U型彎 S型彎 直道 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 26 自動(dòng) 控制算法 PID 算法介紹 PID 控制 是 比例、積分、微分控制 的簡(jiǎn)稱，它是工程實(shí)際中應(yīng)用最廣泛的調(diào)節(jié)器控制規(guī)律 。 圖 PID 控制系統(tǒng)原理圖 比例調(diào)節(jié)作用是按照比例反映系統(tǒng)的偏差，系統(tǒng)一旦出現(xiàn)偏差，比例調(diào)節(jié)左用用來減少偏差。積分作用的強(qiáng)弱取決于積分時(shí)間T1， T1 越小，積分作用就越強(qiáng) [10]。在微分時(shí)間選擇合適的情況下，對(duì)系統(tǒng)干擾不利。 其中起主要作用的是比例項(xiàng)；積分項(xiàng)會(huì)導(dǎo)致轉(zhuǎn)向延遲，故常常將積分項(xiàng)系數(shù)置 0，適當(dāng)調(diào)節(jié)微分項(xiàng)系數(shù)能使小車優(yōu)化路徑，達(dá)到更好的轉(zhuǎn)向效果。 圖 為智能車速度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。后者主要是輸出占空比可調(diào)的 PWM 波形，電機(jī)速度與 PWM 波的占空比成正比關(guān)系。 首先是捕獲 /比較模式寄存器（ TIMx_CCMR1/2），該寄存器總共有 2 個(gè)， TIMx _CCMR1 和 TIMx _CCMR2。 綜上所述 ， PWM 相關(guān)的函數(shù)設(shè)置過程如下 ： （ 1） 開啟 TIM3 時(shí)鐘以及復(fù)用功能時(shí)鐘，配置 PB5 為復(fù)用輸出； （ 2） 初始化 TIM3,設(shè)置 TIM3 的 ARR 和 PSC； （ 3） 設(shè)置 TIM3_CH2 的 PWM 模式，使能 TIM3 的 CH2 輸出； （ 4） 使能 TIM3； （ 5） 修改 TIM3_CCR2 來控制占空比。 GPIO_SetBits (GPIOC, GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_3)。由于初始化代碼與之前類似，下面 給出舵機(jī)調(diào)角度控制函數(shù) ，其中舵機(jī)角度 控制參數(shù)值范圍為 60~120 度 。 } 無線通信 NRF24L01 無線通信模塊是采用 SPI 總線接口與 MCU 通信的，最大的 SPI速率為 10MHz。 SPI 接口一般使用 4 條線通信： 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 31 （ 1） MISO 主設(shè)備數(shù)據(jù)輸入，從設(shè)備數(shù)據(jù)輸出。 從圖 中可以看出，主機(jī)和從機(jī)都有一個(gè) 串行移位寄存器，主機(jī)通過向它的 SPI串行寄存器寫入一個(gè)字節(jié)來發(fā)起一次傳輸。 外設(shè)的寫操作和讀操作是同步完成的。 液晶顯示 Nokia5110（ PCD8544）模塊的通信協(xié)議是一個(gè)沒有 MISO 只有 MOSI 的 SPI 協(xié)議。 圖 LCD5110 復(fù)位時(shí)序圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 33 LCD 初始化程序 流程圖 如下 圖 所示 ： 圖 LCD 初始化程序流程圖沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 5 制作與調(diào)試 硬件部分制作 根據(jù)本智能玩具車的設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)的制作主要是硬件制作，包括三個(gè)部分：玩具小車車模的制作組裝， PCB 電路模塊的制作，各元器件的焊接和模塊的連接。 舵機(jī)轉(zhuǎn)向是整個(gè)控制系統(tǒng)中延時(shí)較大的環(huán)節(jié)，可以通過增大舵機(jī)的工作電壓來提高舵機(jī)反應(yīng)的靈敏度，但是過高的電壓容易使舵機(jī)燒毀，因此需要多次實(shí)際調(diào)試來取得一個(gè)最為合適的電壓參數(shù)，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，舵機(jī)電壓調(diào)高到 6V比較合適。需要考慮的是高電壓（ 12V）與低電壓（ ）的隔離，防止特殊情況下電路燒毀，同時(shí)注意電源模塊發(fā)熱量較大，應(yīng)做好散熱措施。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 電機(jī)控制 此模塊調(diào)試實(shí)現(xiàn)的功能是 利用 MCU 的在線調(diào)試功能（ ISP）實(shí)現(xiàn) ，當(dāng)連接單片機(jī)與電機(jī)控制芯片的 I/O 加上一定的電平可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)左右轉(zhuǎn)向，前后轉(zhuǎn)向以及停止等功能，同時(shí)通過 改變 PWM 占空比對(duì)電機(jī)調(diào) 速。當(dāng)兩對(duì)管都放置黑線之外的白色地板上時(shí)，單片機(jī)對(duì)應(yīng) I/O 口收到的電平都為低，輸入電壓為 左右，當(dāng)左邊的紅外線管進(jìn)入黑線范圍，對(duì)應(yīng)電平變高，為 左右，同時(shí)指示等紅燈亮，說明要控制小車右轉(zhuǎn)；當(dāng)在右邊時(shí)同左邊情況對(duì)應(yīng)，需控制左轉(zhuǎn)。 如前面所述，需要調(diào)試獲得的參數(shù)數(shù)據(jù)為：電機(jī) PID 參數(shù)；舵機(jī) PID 參數(shù)；定時(shí)器中斷時(shí)間；延時(shí)時(shí)間；循跡算法參數(shù)。 測(cè)試的場(chǎng)地是白色卡紙板上粘上黑色不反光膠帶制成，周圍設(shè)置了一定的防撞措施如圖 所示為測(cè)試場(chǎng)地示意圖 ，從起點(diǎn) A 處開始，小車逆時(shí)針行駛。結(jié)果表明，小車能很好的完成循跡 功能 ，即使 遇到復(fù)雜的路線，小車通過降低速度可以提高循跡成功率 。 小車 能很好的完成沿黑色軌道前進(jìn)，改變軌道的形狀及轉(zhuǎn)彎角度，小車仍可以完成循跡任務(wù)。論文介紹了該設(shè)計(jì)的總體思想和一些用到的基本的原理及系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計(jì)。并且各個(gè)模塊可以自由修改，為以后的升級(jí)產(chǎn)品提供了實(shí)現(xiàn)空間。 小車能很好的完成沿黑色軌道前進(jìn)，改變軌道的形狀及轉(zhuǎn)彎角度，小車仍可以完成循跡任務(wù)，基本上能實(shí)現(xiàn)小車的路徑規(guī)劃功能。 雖然 只是一個(gè)簡(jiǎn)單的智能算法，但有這樣的基礎(chǔ) 鋪墊 之后，就可以把更多的智能算法用于玩具 小車 的開發(fā) 中來 ，這也是 實(shí)現(xiàn) 小車智能化的一個(gè)重要方法。各個(gè)功能在硬件和軟件的設(shè)計(jì)上都使用了模塊的電路組件。沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 1 結(jié)論 21 世紀(jì)的電子和計(jì)算機(jī)技術(shù)飛速發(fā)展，對(duì)傳統(tǒng)玩具進(jìn)行信息化智能化改造，智能玩具能夠?qū)崿F(xiàn)越來越多的功能，更需要不斷應(yīng)用現(xiàn)代先進(jìn)的技術(shù)開發(fā)出更新穎的產(chǎn)品以滿足大眾的需求。本設(shè)計(jì)采用的算法只 適用于一般情況，特殊一些的情況就可能出現(xiàn)需要具體的分析，提出單獨(dú)的循跡算法 。 B C 起點(diǎn) A D E F沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 4 表 小車實(shí)際場(chǎng)地 測(cè)試 時(shí)間記錄表（單位： s） 測(cè)試次數(shù) AB 路段 BC 路段 CD 路段 DE 路段 F 路段 備注 1 — 2 / 脫軌 3 — 注：小車 因速度過快而脫離軌道后仍能自行返回原軌道，無須人為搬回。在進(jìn)行 實(shí)際測(cè)試 時(shí)，經(jīng)過反復(fù)的實(shí)驗(yàn)，不斷的來修改參數(shù)來完善結(jié)果。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 3 軟件參數(shù)調(diào)試 首先需要檢查的是軟件編譯是否有錯(cuò)誤和警告，各模塊變量參數(shù)是否定義錯(cuò)誤，在軟件代碼編譯無誤之后，將其下載到 MCU 之中。 表 為電機(jī)測(cè)試 記錄表 。由于在小車在設(shè)計(jì)中采用模塊 化設(shè)計(jì)，所以可以方便的對(duì)各電路模塊 測(cè)試，即： MCU 控制模塊的調(diào)試、無線模塊的調(diào)試、紅外尋跡模塊的調(diào)試以及電機(jī)、舵機(jī)控制模塊的調(diào)試，最后進(jìn)行實(shí)際的場(chǎng)地測(cè)試。模塊的體積小且安裝固定比較方便，出現(xiàn)問題可以立即檢查哪個(gè)部分的原因，不用拆解電路就可以及時(shí)更換損壞的零件。小車搭建要求機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、牢固，考慮到各模塊的大小，將主要電路放在小車后輪處，這樣可以使小車重心后移，有利于轉(zhuǎn)向的靈活。 LCD5110 的初始化 過程為 ：接通電源后，內(nèi)部寄存器和 RAM 的內(nèi)容是不確定的，這需要一個(gè) RES 低電平脈沖復(fù)位一下。 如圖 為 NRF24L01 模塊與 MCU 連接圖。這樣，兩個(gè)移位寄存器中的內(nèi)容就被交換 [13]。 （ 3） SCLK 時(shí)鐘信號(hào)，由主設(shè)備產(chǎn)生。 SPI 是英語 Serial Peripheral interface 的縮寫，指的是串行外圍設(shè) 備接口 。 pwmval=((k10)*5)/18+49。