循迹小车
小车走翘翘板
摘 要
本次设计的简易智能电动车采用简单的人工智能技术，使用AT89C52作为小车的检测和控制核心。根据题目设定的行进及具体要求，分别采用红外传感器进行寻迹行驶、黑带采集及变速行驶，采用霍尔元件对小车行驶过程中的速度进行测量，并在终点进行行驶路程的测量，采用直流减速电机对小车实行较精确定位，由LCD显示出各项功能知识。由数码管进行行驶时间显示，由蜂鸣器及LED构成声光提示电路。最后，小车的运行过程中的各种自动化过程由单片机通过编程实现。
关键词： AT89C52 红外传感器 减速电机 光电管 霍尔元件
一、方案比较
1．轨迹探测模块设计与比较
方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。
方案二：红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
单片机就是通过接收到的高低电平为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。对于发射和接收红外线的红外探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。
经测试，此种方法简单可靠。
经反复对比后，采用方案二。
1、 控制电机方案比较
方案一 ：利用步进电机的准确定长步进性能方便的实现调速和方向的偏转，且能准确的测量速度、路程以及时间，简化编程和硬件连接的工作量。但是步进电机在与机械配合的小车改装上难度极大，非短时间所能完成。该方案实现较困难。
方案二 ：用玩具小车上自带的双直流电机，只需对后轮电机进行简单改造，加上一个齿轮减速装置即可，两电机分别负责小汽车的驱动和转向的功能，依据外围红外反射传感器所采集到的信息可以补足直流电机定位不准的缺点，同时红外反射传感器的使用还能实现比较准确的寻迹行驶，用较好的控制算法及特色硬件来提高小车的整体性能，可具有很高的性能/价格比。
经比较验证，显然方案一的机械结构也短时间内难以满足题目的要求，而方案二本身是与小车相兼容的，性能也比较好，采用方案二。
2、电机驱动方案的比较
方案一：采用传统的功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。
方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。
方案三：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。且由L298N结合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。
因此决定采用L298N控制直流电机。
4、显示存储信息和全程时间部分的方案比较
方案一 ：用普通的数码管来实现显示功能。这种方法简单易行，并且适合于硬件操作，但是数码管消耗电流特别大，对电源的容量要求很高，而且不能显示汉字因而难以适应电池供电系统的节能运行要求。
方案二 ：使用液晶显示板来完成显示的功能。液晶显示板的操作需要一定的难度和技巧，而且很容易损坏，所以其硬件需要谨慎使用，但是它解决了数码管存在的各种问题，如消耗电能特别小、能显示多行汉字等。
经验证比较，方案二不但能节省电能，而且能实现普通数码管无法实现的汉字显示功能。采用方案二。
5、动态平衡点检测的方案比较
方案一：采用“液体摆”式惯性器件
液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2所示。当壳体水平时，电极插入导电液的深度 相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。若液体摆水平时，则RI ＝RIII。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。如图3所示，左边电极浸入深 度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII 减少，即RI＞RIII。反之，若倾斜方向相反，则RI＜RIII。在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。但由于小车在行驶中振动较使得小车在未到达平衡点时由于振动的原因使上面所述的RI ＝RIII，从而是的小车检测到假平衡点而发生误操作，因此这种方案不可取。我们决定采用方案二
方案二：采用三个集成光电耦合器件，利用小车爬坡时系统产生一定的弧度，使三个光电管在任意时刻至少有一或两个导通，利用软件编程实现对整个系统平衡的控制。
方案三：
像寻迹电路那样采用红外对管，将3个红外对管排成一排，在做一个装有红外发射管的单摆，在水平状况下，使发射管正对于中间的接收管，当小车爬坡时，单摆与接收管不再垂直，而产生一定倾角，中间的接收管不再接收，基于这种原理，理论上是可行的，但是由于红外对管受可见光的影响很大，测试结果与理论相差甚远。
综上所述，我们采用方案二
二、系统整体方案设计与论证
对于本系统来说，要实现的基本目的是能够在规定时间内使小车分别完成在水平和倾斜两种状态下的从A至B停5秒后再从B退向A端，并分别显示前进和倒退的时间完成以上任务后，又要使得小车在两分钟内从有配重物体的跷跷板的起始端前进到达板平衡位置处停留5秒以上，并以声光提示，并显示所用时间，且配重物体可在板上任意调节。基于以上要求并结合我们所掌握的资料 ，我们共设计了以下几种方案。
方案一：题目的要求决定了小车在任何时候都必须“直来直往”,即要求小车是直向行驶的，可以通过做一个绝对标准的跷跷板和采用一个性能极其优良的电动车，使小车在任何时候仅依靠其物理结构保证在板上是直向行驶的，但受客观条件的限制，这种方案很难能够真正的实现。
方案二：采用智能控制方法，使小车在非直线行驶时自动的校正行驶方向，以保证小车在总体上的行驶是直向行驶的，基于此原理我们决定采用寻迹行驶的方案，即在车前下方加上垂直于地面的红外对管，使之正对于板上的一条黑色轨迹线利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。就是通过单片机接收到的高低电平为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。
关于平衡点的检测，要用到倾角传感器，这里我们总结了两种方案
方案一：采用“液体摆”式惯性器件
液体摆的结构原理是在玻璃壳体内装有导电液，并有三根铂电极和外部相连接，三根电极相互平行且间距相等，如图2所示。当壳体水平时，电极插入导电液的深度 相同。如果在两根电极之间加上幅值相等的交流电压时，电极之间会形成离子电流，两根电极之间的液体相当于两个电阻RI和RIII。若液体摆水平时，则RI ＝RIII。当玻璃壳体倾斜时，电极间的导电液不相等，三根电极浸入液体的深度也发生变化，但中间电极浸入深度基本保持不变。如图3所示，左边电极浸入深 度小，则导电液减少，导电的离子数减少，电阻RI增大，相对极则导电液增加，导电的离子数增加，而使电阻RIII 减少，即RI＞RIII。反之，若倾斜方向相反，则RI＜RIII。在液体摆的应用中也有根据液体位置变化引起应变片的变化，从而引起输出电信号变化而感知倾角的变化。在实用中除此类型外，还有在电解质溶液中留下一气泡，当装置倾斜时气泡会运动使电容发生变化而感应出倾角的“液体摆”。但由于小车在行驶中振动较使得小车在未到达平衡点时由于振动的原因使上面所述的RI ＝RIII，从而是的小车检测到假平衡点而发生误操作，因此这种方案不可取。我们决定采用方案二采用三个集成光电耦合器件，利用小车爬坡时系统产生一定的弧度，使三个光电管在任意时刻至少有一或两个导通，利用软件编程实现对整个系统平衡的控制。
采用三个集成光电耦合器件，利用小车爬坡时系统产生一定的弧度，使三个光电管在任意时刻至少有一或两个导通，利用软件编程实现对整个系统平衡的控制采用三个集成光电耦合器件，利用小车爬坡时系统产生一定的弧度，使三个光电管在任意时刻至少有一或两个导通，利用软件编程实现对整个系统平衡的控制
三、系统组成、原理和电路图
系统总体组成框图如下所示
本系统采用AT89S52作为核心控制部件，通过对小车前下端的左中右三对红外对管组成的寻迹带你路电路所采集的信号进行分析使小车在行驶偏离正常轨道时及时进行分析校正，以保证其直向行驶；用单片机控制电机专用驱动芯片驱动前后两个电机是后轮做匀速行驶，前轮作为左右转向轮；在后轮上加装磁铁，车声固定霍尔元件使得车轮没转过一周磁铁正好正对霍尔元件，使得有霍尔元件组成的地暖露电路输出高电平，通过单片机对霍尔元件输出电平的变化进行计数操作，由此便可得出车速和行程的数据；类似于小车寻迹的方式，当小车的三对红外对管都没有检测到黑带时，说明此时小车运行到了跷跷板的两端，单片机执行相应的停止操作，并执行 相应的时间等数据的显示操作。
寻迹电路如图3.0.2所示
图3.0.2
当小车的三个管子都处于黑带上时，即小车直向行驶时，三个发射管发射的红外线被黑线所吸收，接收管并没有接收到红外线，此时处于截至状态，此时运放的U+>U-，UO>0,，即输出为高电平此时INT1为高电平，单片机不响应中断，当某一个或两个管子处于黑线外部时，即小车 走偏时，对应的接收管导通其对应的运放的U+
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。且由L298N结合单片机可实现对小车速度的精确控制。，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。只需在5
7或10、12输入端加上高低反向电平，4、9端接通电源，9端接+5V电压，4端视电机所需功率加适当的电压但须在5-40V之间选择，再在2、3或13、14输出端接上电机，再在相应的6或11使能端加脉冲电压，调节次脉冲电压的占空比通过单片机便可便可对其实较行精准控制
本小车后轮由于使用的是直流减速电机，，其匀速行驶就可满足此设计要求因此
通过单片机的I/O口线在5、7端加上相反的电平，在6端加上高或低电平，编程操作便可对其进行运转停止和正反转的操作，前轮转向电机与此类似。
图3.0.3
图3.0.4
图3.0.4为由霍尔元件、三极管及电阻组成的测速电路，AH44E位数字集成霍尔元件输出为数字信号，输出信号无需滤波整形，只需对其进行一级放大即可，因此其外围电路相当简单，当有磁铁靠近霍尔元件时（注意磁铁极性），霍尔元件的3端输出的信号经三极管放大后输出为高电平，拿掉磁铁即恢复为低电平，因此可将磁铁固定于车轮上，将测速电路放置于车上的适当位置使得车轮每转过一周测速电路输出一个高电平，可将其输出端接至单片机的T0或T1口，对其进行计数操作，将其读出再进行相应的数据转换即可得到车速或行程
平衡点的检测装置如图3.0.5所示
图3.0.5
图中A,B,C分别为光电对管，采用三个集成光电耦合器件，利用小车爬坡时系统产生一定的弧度，使三个光电管在任意时刻至少有一或两个导通，利用软件编程实现对整个系统平衡的控制。