【正文】 接收數(shù)據(jù)，并且通過串口方式發(fā)送給計算機。 圖 NRF24L01 模塊實物圖 常用的無線通信模塊為 NRF24L01， 圖 為該模塊的實物圖。由于通信過程中必須使用線纜進行連接，因此無法采集到 智能汽車運行過程中的數(shù)據(jù)。顯示器的數(shù)據(jù)為串行輸入，節(jié)省單片機 I/O 口資源。這里選用的 Nokia 5110 液晶模塊， 圖 為該液晶模塊的實物圖。 圖 循跡模塊實物圖 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 15 輔助及調(diào)試電路設(shè)計 在智能玩具車基本硬件模塊組裝完成之后還需要花費大量的時間進行調(diào)試，在調(diào)試過程中需要一些輔助的調(diào)試設(shè)備。 圖 傳感器模塊電路設(shè)計圖 該電路設(shè)計 具 有如下功能和特點： （ 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變阻器調(diào)節(jié)； （ 3） 有一個專門設(shè)計的觸碰傳感器，使得 智能小車能夠規(guī)避前方障礙 ； （ 4） 輸出信號全部都為數(shù)字信號，方便與單片機相連； （ 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。 本文設(shè)計了 一款 專門 用作黑 、 白線檢測的傳感器，特別適合復(fù)雜黑白線、交叉黑白線的檢測，它 使用 5 路巡線、 1 路避 障共 6 路 的 高靈敏度的紅外傳感器 ，能夠?qū)诎拙€進行 準(zhǔn)確的識別。高低電壓的 模擬的電信號通過 電平比較器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號。紅外對管裝有一對紅外發(fā)射管和紅外接收管，紅外 光 在不同顏色的表面具有 不同的 反射性質(zhì) 。 圖 編碼器實物圖 循跡電路設(shè)計 目前在路徑檢測上廣泛采用的 是紅外對管檢測 ， 電路基本原理圖如圖 所示。具有雙向測速功能，可直接輸出方波，通過兩路方波的相位差來識別轉(zhuǎn)動方向。 市售的集成封裝的編碼器精度高，測速準(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。光電編碼器的最大特點就是 傳感器檢測非接觸 ， 不收機械運動的抖動誤差影響， 因此它的 響應(yīng)快 、精度高、可靠性高。本文主要通過光電脈沖測速傳感器來測量小車的速度。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 12 圖 舵機轉(zhuǎn)動角度與接收脈沖 的關(guān)系 測速模塊設(shè)計 在智能玩具車設(shè)計中，速度反饋是一個重要環(huán)節(jié)，良好的速度反饋是智能汽車在告訴運行過程中精確的調(diào)節(jié)速度的前提 。一般而言，舵機的基準(zhǔn)信號都是周期為 20ms， 最小 寬度為 1ms，最大寬度為 2ms。 控制線是用來傳送脈沖的。 因此 普通直流電機一般是整圈轉(zhuǎn)動做動力輸出， 而 舵機 主要用于 控制某物體轉(zhuǎn)動一定角度控制（例如機器人的關(guān)節(jié)驅(qū)動）。 舵機 與普通直流電機的區(qū)別在于直流電機是連續(xù)轉(zhuǎn)動的，而舵機只能在一定角度內(nèi)轉(zhuǎn)動。 表 電機接口控制信號邏輯 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： 未連接控制信號時的默認(rèn)狀態(tài) 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 11 舵機 驅(qū)動設(shè)計 智能玩具車的轉(zhuǎn)向系統(tǒng)需要 舵機（ Servo） 來控制，如圖 所示，舵機是 由直流電機、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)。控制邏輯如表 和表 所示。 如圖 所示為 2403ND 直流電機驅(qū)動模塊的實物圖。相對于 采用分立元件搭建電路，集成模塊價格便宜，操作簡單，穩(wěn)定性高，因此本設(shè)計采用了 2403ND 直流電機驅(qū)動模塊。 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，即可實現(xiàn)電機正反方向的調(diào)速。導(dǎo)通對角線上的一對管 子就能使電機運轉(zhuǎn)，而每一側(cè)的開關(guān)管不允許同時導(dǎo)通。使用此方案可以實現(xiàn)電動機的單向調(diào)速，若想實現(xiàn)雙向控制，就要使用 H 橋來控制電機正反轉(zhuǎn)動 。 圖 簡單直流電機調(diào)速驅(qū)動電路 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 9 其中 VT 為功率 MOS 管，電流大小由電機功率決定。然而單片機芯片的輸出能力非常弱，不可能直接控制電動機轉(zhuǎn)動，所以需要一個專門的電動機驅(qū)動模塊來驅(qū)動電機。電動機的控制是通過脈寬調(diào)制（ PWM）實現(xiàn)的。 圖 最小應(yīng)用 系統(tǒng) 實物圖 電機 驅(qū)動模塊設(shè)計 在智能玩具車運行過程中，電動機的速度是根據(jù)傳感器的反饋隨時調(diào)整的。實際電路中，芯片輸入端和輸出端與地接大容量濾波電容外，還需要接小容量電容（ ~10μF），用于抑制芯片自激振蕩，壓窄高頻帶寬，減小高頻噪聲。 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 的實物圖 。 表 智能車常用模塊的電壓需求情況 模塊名稱 需求電壓 典型單元 單片機供電 舵機供電 編碼器供電 I/O 外設(shè) 光電傳感器 常用 IC 芯片 5~6V 5V 5V/ 5V 5V/ STM32F103VBT6 FUTABA S3003 歐姆龍 E6A2CW3C Nokia 5110 LCD BFD1000 緩沖 IC 供電根據(jù)需求而定 其中，除了舵機電壓可以提升至 6V 外，大多數(shù)供電電壓需求為 5V 或 ，而電池電壓為 12V。 供電電路 設(shè)計 由于智能玩具車各模塊對電源的需求不同，故不能直接使用單一的電源。 芯片硬件結(jié)構(gòu) 本設(shè)計使用的 MCU 是 ST 公司推出的 STM32 系列 32 位微控制器， 如圖 所示為STM32F103 芯片及引腳圖， 該 芯片的各項硬件參數(shù)性能如下： 圖 STM32F103 芯片及引腳圖 內(nèi)核 32 位 CortexM3 內(nèi)核 ， 最高 72MHz 工作頻率， 支持 單周期乘法和硬件除法。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 6 3 硬件設(shè)計 主控電路設(shè)計 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。 （ 3） 信息交互部分包括 LCD 顯示模塊和無線通信模塊。 （ 2） 動作控制部分包括舵機控制與電機驅(qū)動。在功能和作用上，系統(tǒng)成了 分成了三個 主要部分 ，即信息獲取 與處理部分、動作控制部分和信息交互部分 ： （ 1） 信息獲取和處理部分包括兩種傳感器：光電傳感器陣列和編碼器，以及擔(dān)任信息處理作用的 STM32F103 主控芯片。 圖 系統(tǒng)組成框圖 主控芯片 接收傳感器輸入的信號 ，其中紅外傳感器陣列用來檢測線路，編碼器用來檢測電機運動路程信息； 接收到的傳感器信息由 MCU 處理，輸出控制信號，控制舵機和電機進行相應(yīng)的動作。 （ 3） 電機 和 驅(qū)動 模塊 采用 集成 MOS 管電機驅(qū)動 ，小車轉(zhuǎn)向采用舵機控制； （ 4） 循跡電路 傳感器采用集成式光電傳感器，小車行駛時記錄編碼器的輸出脈沖； 軟件方案： （ 1） 開發(fā)軟件 采用 MDKARM 集成開發(fā)環(huán)境 （ 2） 調(diào)試軟件采用 串口調(diào)試助手軟件 和 JLINK 仿真軟件 。 通過 單片機 I/O 接口接收信息 ，程序控制小車改變方向。 方案二：利用紅外對管 傳感器 作為尋跡 方案 ， 紅外光電對管 集成了紅外發(fā)射管和接收管， 因為 傳感器 發(fā)射 出的是紅外光 ， 所以 接收信號 對 外界 可見光 的影響較小， 并且光電對管輸出 對信號 可以通過電平轉(zhuǎn)換電路變成數(shù)字信號輸出 ，可靠性高 ，適合單片機的接收控制 。 而顏色傳感器雖然能夠檢測出顏色信息，但是由于外界環(huán)境和光線強弱的變化，極易出現(xiàn)傳感器判斷失誤的現(xiàn)象。 循跡電路 方案一：采用發(fā)光二極管 （ LED） 或著 鹵素?zé)舻?其他外部光源 ，用光敏二極管 或顏色傳感器 接收 發(fā)射的光線信息 。采用 H 型橋式電路 可以實現(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， 因此 是一種廣泛采用的 電機 調(diào)速技術(shù)。用由 MOSFET 管組成的 H 型橋式電路，用單片機 或可編程芯片輸出占空比可調(diào)的脈沖控制信號 ， 即可以 精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。 方案 二 ：采用功率三極管或 MOSFET 構(gòu)成 H 橋 驅(qū)動電路 。但 該方案的缺點就是繼電器的工作頻率有限，無法實現(xiàn)高頻 PWM調(diào)節(jié) 。開關(guān)穩(wěn)壓電源 工作 中 會產(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行抑制和屏蔽，就會嚴(yán)重地影響電源的安全有效輸出 [3]。開關(guān)電源的優(yōu)點是：功耗小、效率高；穩(wěn)壓范圍寬；效率 高，濾波電容的容量和體積 少；電路形式多樣 靈活 。開關(guān)電源是現(xiàn)代電力電子技術(shù) 發(fā)展而成的新型電源 ， 通過控制開關(guān)管開關(guān)斷的時間 占比 ， 來持續(xù)輸出 穩(wěn)定 電壓。線性穩(wěn)壓直流電源的 優(yōu) 點是 反應(yīng)速度 最 快、輸出紋波小，工作噪聲低；然而，它的的缺點是 在大功率條件下電源 效率較低、發(fā)熱量大。 方案一：線性穩(wěn)壓電源。 電源電路 電源電路的好壞關(guān)乎著整個系統(tǒng)的安全性、穩(wěn)定性，是整個系統(tǒng)最基礎(chǔ)的一環(huán)。 Cortex M 系列是 ARM 專為工業(yè)控制、智能電器等領(lǐng)域特別推出的嵌入式核心，繼承了 ARM 芯片一貫的優(yōu)點，具有高性能，低功耗的優(yōu)點，系統(tǒng)集成度高。并且，片上系統(tǒng)集成度較低，實際運用需要大量的外圍電路，不利于系統(tǒng)的小型化和穩(wěn)定性。 51 系列單片機作為一種經(jīng)典的單片機品種，技術(shù)成熟且技術(shù)資料豐富，開發(fā)周期短， 特別適合低端智能玩具上使用。 主控芯片 智能玩具車中的 主控芯片是 該系統(tǒng) 的 核心 ，它負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的信息獲取、處理和控制。智能玩具車的硬件模塊大體可以分為三部分，即傳感器電路、驅(qū)動電路和輔助電路。 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 2 2 設(shè)計方案 硬件設(shè)計方案 在智能玩具小車的整體設(shè)計中硬件的設(shè)計至關(guān)重要。智能汽車是一個綜合的浩大的工程， 包括傳感器的應(yīng)用、電動機的應(yīng)用、電路設(shè)計、自動控制原理、系統(tǒng)調(diào)試、機械結(jié)構(gòu)設(shè)計等。 研究內(nèi)容 本文主要通過對玩具小車的控制系統(tǒng)設(shè)計研究，以達(dá)到模擬智能汽車的目的。智能汽車正式兩種產(chǎn)業(yè)的有機結(jié)合，必然會的到蓬勃的發(fā)展。近年來， 隨著移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展， 智能車輛 與下一代移動通信技術(shù)和云計算相結(jié)合， 己經(jīng)成為世界車輛工程領(lǐng)域研究的熱點和汽車工業(yè)增長的新動力，很多發(fā)達(dá)國家都將其納入到重點發(fā)展的智能交通系統(tǒng)當(dāng)中 [2]。 智能車輛在普通車輛的基礎(chǔ)上增加了先進的傳感器、控制器、執(zhí)行器 和無線通信 等裝置，通過車載傳感系統(tǒng)和信息終端，實現(xiàn)與人、車、路等的智能信息交換，使車輛 能夠 智能的 感知周圍 環(huán)境，自動分析車輛行駛的安全及危險狀態(tài)，并使車輛按照人的意愿到達(dá)目的地，最終實現(xiàn)替代人來操作的目的。 智能汽車是當(dāng)今車輛工程領(lǐng)域研究的前沿， 20 世紀(jì) 80 年代以來，隨著 計算機技術(shù)、 信息技術(shù)、 通信 和 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展 以 及其他學(xué)科的 相互發(fā)展和 滲透， 使得 控制科學(xué)與工程研究的 研究不斷深入，控制系統(tǒng)向智能化 的發(fā)展已成為一種趨勢。Sensors。 關(guān)鍵詞 ：智能循跡小車；嵌入式；傳感器；自動控制 沈陽理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文 II Abstract Intelligent Vehicle is a collection of environmental awareness, planning decisions, multilevel driver assistance functions in an integrated system, which focused on the use of puters, modern sensor, information fusion, munications and automatic control technology. This thesis simulated intelligent unmanned vehicles, to achieve its basic functionality through the toy car. Among them, the use of embedded microprocessors and various sensors on the installation and toy car to achieve its induction surroundings change, access to road information, after processing, realtime munication with the puter via the wireless munication module. Implementation of this intelligent toy car, toy cars by electronic hardware and sensor design modifications and programming software for embedded processors, de