智能小車的設(shè)計與制作

馮 超，姜曉鋒

西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 611756

智能小車的設(shè)計與制作

馮 超，姜曉鋒

西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 611756

本項目以2010年國家大學(xué)生創(chuàng)新性試驗計劃為課題背景，首先對智能型運輸貨物機器人總體設(shè)計方案進行敘

述，闡述各個要素的工作原理，然后就整個機器人系統(tǒng)分為四個模塊，并對每個模塊的設(shè)計和制作進行闡述。本項目“智能型運輸貨物機器人”是在一定空間和條件下自動完成對一個設(shè)定目標的搜索，并通過控制機器人的機械設(shè)備將其裝載到小車上，搜索過程中可檢測并躲避障礙物。本項目基于單片機系統(tǒng)來設(shè)計和實現(xiàn)，主要包括四部分，即傳感器檢測系統(tǒng)、單片機控制系統(tǒng)、電動機驅(qū)動系統(tǒng)、機械控制系統(tǒng)。集成了傳感器技術(shù)、單片機技術(shù)、機械控制技術(shù)、程序設(shè)計與控制、Multisim仿真軟件和PCB電路板的設(shè)計等知識，實現(xiàn)了控制、檢測、運動及軟硬件完美的結(jié)合。

機器人；單片機控制；設(shè)計；制作

1 設(shè)計任務(wù)概述

小車在無人操作的情況下可以完成循跡、避障等功能，并能檢測到金屬塊發(fā)出報警聲音。

2 系統(tǒng)方案論證與選擇

本系統(tǒng)主要由微控制器模塊、電源模塊、避障模塊、循跡傳感器模塊、直流電機及其驅(qū)動模塊、金屬檢測模塊、角度測量模塊，語音提示模塊以及液晶顯示模塊等構(gòu)成。本系統(tǒng)的方框圖如下所示：

系統(tǒng)總框圖

2.1 車體方案

小車利用履帶前進的，比較平穩(wěn)，而且左右輪是兩個相同的電機分開牽動的，通過單片機控制可以利用兩邊轉(zhuǎn)速差來實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎功能。這樣，當兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。

2.2 控制模塊

采用MSP430單片機，MSP430系列單片機是一種16位的超低功耗的混合信號處理器。其之所以稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應(yīng)用需要，把許多模擬電路、數(shù)字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。MSP430單片機更適合于低功耗、高速實時控制以及數(shù)據(jù)計算，它擁有更多的片上資源供設(shè)計使用，是設(shè)計的不錯選擇。

2.3 電源模塊

采用7.2V可充電動力電池組。動力電池組具有較強的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測試在用此種供電方式下，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

2.4 電機模塊

采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，小車電機內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實現(xiàn)通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。

2.5 電機驅(qū)動模塊

電機的驅(qū)動芯片選用L298N作為驅(qū)動芯片。工作穩(wěn)定電機驅(qū)動信號由單片機提供，信號經(jīng)過光耦隔離后，傳至PWM控制芯片L298N，通過L298N的輸出腳與兩個電機相連。

2.6 避障模塊

用漫反射式光電開關(guān)進行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。

2.7 循跡模塊

當小車在白線地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射光發(fā)射紅外線信號，經(jīng)過白色反射后，被接收管接收，一旦接收管收到信號，輸出端將輸出低電平；當小車行駛到黑線時，紅外線信號被黑色吸收后，將輸出高電平，從而實現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機的I/O口，當I/O口檢測到信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑線吸收了，表明小車在黑色的引線上；同理，當I/O口檢測到信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。

3 硬件系統(tǒng)的設(shè)計與功能實現(xiàn)

3.1 主線路板制作

在本項目中我們選擇了制作雙面線路板，優(yōu)點是可以使線路簡單，容易布局布線，很適合完成基本任務(wù)后的擴展，增加了電路板的可靠性，散熱也較好，缺點是增加了制作工藝。

3.2 微控制器電路的設(shè)計與原理

微控制器電路是整個智能救援小車系統(tǒng)的核心控制部分，它負責對各路傳感信號的采集、處理、分析及對各部分硬件電路進行調(diào)整。本設(shè)計制作的智能救援小車系統(tǒng)以MSP430F單片機控制電路為整個系統(tǒng)的控制電路，通過各種傳感器電路，采集各種傳感器信息，以發(fā)出各種控制信號命令，來完成相應(yīng)的操作。

電源電路為系統(tǒng)提供基準電源，是整個系統(tǒng)工作穩(wěn)定性關(guān)鍵所在，本系統(tǒng)采用7.2V可充電動力電池組，可充電反復(fù)利用，動力電池組具有較強的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測試在用此種供電方式下，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機工作良好。

3.3 電機驅(qū)動電路的原理與設(shè)計

本設(shè)計中采用的電機專用驅(qū)動芯片L298.L298可直接對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉(zhuǎn)，停止的操作，操作非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調(diào)試時在依照上表，用程序輸入對應(yīng)的碼值，即可以實現(xiàn)對應(yīng)的操作。

3.4 避障電路的原理與設(shè)計

用漫反射式光電開關(guān)進行避障。光電開關(guān)實際發(fā)射頭與接收頭于一體的檢測開關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。單片機根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物。由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機對信號的處理。

3.5 循跡電路的原理與設(shè)計

采用RPR220型光電對管完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，循跡電路是用以實現(xiàn)小車沿著場地的黑色弧形引導(dǎo)軌跡BC進行前進和位置校正的，且小車不能偏離該軌跡。 本項目中采用RPR220型光電對管完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，傳感器的數(shù)據(jù)線輸出信號為開關(guān)量，可直接與單片機的I/O引腳相連接，硬件電路實現(xiàn)比較簡單，其靈敏度可以通過調(diào)節(jié)多圈電位調(diào)。

在循跡檢測傳感器設(shè)計中，我們在車體底盤的前端裝有兩個傳感器，用來檢測黑色弧形軌跡，起到循跡前進的作用。

3.6 金屬檢測電路的原理與設(shè)計

金屬傳感器性能的好壞對于該系統(tǒng)的功能是否能實現(xiàn)，起著十分重要的作用。我們選用的是LJ12A3-4-Z/BX型號的電感式接近開關(guān)進行金屬檢測工作，其電路原理如下圖所示，由于其數(shù)據(jù)輸出端通過5.1K上拉電阻，輸出的是TTL電平，輸出信號為開關(guān)量，可直接與單片機的I/O引腳相連接，硬件電路簡單，容易操作。

[1]馬忠梅，等.單片機的C語言應(yīng)用程序設(shè)計.北京航空航天大學(xué)出版社，2007.

[2]胡宴如.模擬電子技術(shù).高等教育出版社，2007.

[3]楊志忠.數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ).高等教育出版社，2006.

[4]謝文和.傳感技術(shù)及其應(yīng)用.高等教育出版社，2002.

[5]祁偉，等.單片機C51程序設(shè)計教程與實驗.北京航空航天大學(xué)出版社，2006.

[6]21IC中國電子網(wǎng).www.21ic.com.

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1674-6708（2011）47-0178-02