教學用智能小車的創新設計

徐亞丹　何俊杰　何秦軍　凌鵬飛　黃良良

摘 要：設計了一種教學用智能小車，由底盤系統、電控系統組成。底盤系統由轉向機構、傳動機構、差速機構、懸架組成。電控系統采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機為核心控制部分，由電源模塊、驅動模塊、方向控制模塊、壁障模塊、尋軌模塊、測速模塊、測距模塊、坡度檢測模塊、液晶顯示模塊組成。文章介紹了總體設計思路和功能，制作了智能小車的硬件電路，并編寫了程序代碼。通過測試，可以實現變速、轉向功能、測距、尋跡、壁障、坡度測量、測速、實時顯示探測參數的功能。該智能小車用于上課演示及實踐教學，學生可以直觀地了解汽車的性能參數。

關鍵詞：小車；智能；創新

引言

《汽車性能評價與選購》課程是高職院校汽車技術服務與營銷專業的核心課程。學生通過該課程的學習，了解汽車性能指標和測試方法。由于汽車性能測試對試驗場地有較高的要求，以及行車安全性方面的考慮，在教學過程中用真車做性能測試有較大的局限性。為了把枯燥的理論通過生動直觀的形式進行展示，使學生產生一種具體的形象思維，在感性認識的基礎上掌握知識要點，擬設計一款智能小車作為汽車性能類課程的教具，讓同學們在一種輕松，活躍的課堂中學習知識，提高學生的學習興趣和積極性。

1 總體設計

根據課程對汽車的測試要求，文章設計的智能小車，采用高仿真汽車底盤的機械結構，運用電控技術，具備以下功能：

1.1 機械結構設計

1-后輪；2-底盤；3-主傳動軸；4-電池組；5-橫拉桿；6-前減震器；7-前差速器總成；8-舵機拉桿；9-舵機；10-電動機；11-電動機散熱片；12-后差速器總成；13-后減震器；14-主傳動齒輪；15-電動機固定座；16-霍爾傳感器；17-后下擺臂；18-磁鋼；19-后傳動軸；20-后連接桿；21-前下擺臂；22-前傳動軸；23-轉向固定座。

1.2 電控系統設計

2 各模塊設計

2.1 單片機模塊

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是單時鐘/機器周期（1T）的單片機，內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S），針對電機控制，強干擾場合。該單片機與其外圍電路構成此整體電路的主控部分。

2.2 電源模塊

電源由電池經過穩壓電路供給。采用5V電源供電。

2.3 驅動模塊

L298可驅動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。

2.4 方向控制模塊

控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。

2.5 避障模塊

避障電路即由多個紅外傳感器構成。紅外傳感器有發射端與接收端組成，通過紅外傳感器（即發射端發射紅外線若觸碰到實體，此時紅外會被反射回來；反射回來的紅外光線會被紅外傳感器的接收端收到，因此接收端輸出變化電壓信號），來感知外界是否有物體存在。

2.6 尋軌模塊

此電路與避障電路一樣，紅外傳感器有發射端與接收端組成，通過紅外傳感器（即發射端發射紅外線若觸碰到實體，此時紅外會被反射回來；反射回來的紅外光線會被紅外傳感器的接收端收到，因此接收端輸出變化電壓信號），來感知外界是否有物體存在。尋軌電路即由多個紅外傳感器構成。

2.7 測距模塊

通過超聲波發射探頭發生超聲波，若遇到物體必備反射回來；反射回來的波被超聲波接收探頭接收到。此過程的整體時間，即為超聲波從發射設備出來到物體，又從物體到發射設備的時間。因此只要知道波速，距離也就確定了。

2.8 坡度檢測模塊

本智能小車采用陀螺儀檢測行進中道路坡度，檢測時的計算方法如下：

angle_n=angle_n-1+（Gyro-C_Gyro）*R_Gyro；

angle_n為當前角度值，它的單位是度（°）；

angle_n-1為上一次計算出的角度值；

Gyro為陀螺儀敏感軸偏轉值，也就是當前敏感軸讀數；

C_Gyro為陀螺儀零點偏移值，這個值的測量方法是：將陀螺儀敏感軸水平放置靜止時的讀數；

R_Gyro為陀螺儀比例。

2.9 測速模塊

測速模塊使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，在車輪上粘上一粒磁鋼，當霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，車輪旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。

2.10 液晶顯示模塊

利用LCD12864作為顯示器，采用此方法大大簡化了硬件，充分的利用了單片機的資源，并且利用軟件設計了簡易的操作界面。可通過液晶顯示器與鍵盤的配合來完成相應的操作。

3 軟件設計

采用模塊化編程，在Keil.C51.v7.02的環境下編程，小車的程序包括液晶界面顯示、變速、轉向（模擬方向盤）、尋軌、壁障、坡度測量、測距。以測距模塊為例，給出超聲波測距程序，以實現車體與其他物體的測距：

4 結束語

（1）文章論述了利用單片機作為控制核心，配合高仿真汽車底盤，整個電控系統由電源模塊、驅動模塊、方向控制模塊、壁障模塊、尋軌模塊、測速模塊、測距模塊、坡度檢測模塊、液晶顯示模塊組成。設計制作了智能小車的硬件電路，并編寫了程序代碼。通過測試，可以實現變速、轉向功能、測距、尋跡、壁障、坡度測量、測速、實時顯示探測參數的功能。

（2）智能小車用于上課演示及實踐教學，學生可以直觀地了解汽車的性能參數，達到設計的目的。

（3）開發專業課實驗設備，教師與學生在一起開發制作的過程中，提高了專業課教師的科學研究、課程建設能力，也提高了學生的創新實踐的能力。

參考文獻

[1]徐亞丹.汽車智能雨刷示教裝置的設計[J].2013（29）：40.

[2]賈寶棟.解剖車模型教具的研制[J].湖南農機，2013，5：138-140.

[3]徐金成.教具制作與實踐教學結合的嘗試[J].機電產品開發與創新，2013，2：149-151.

[4]于洪章.利用自制教具培養學生的創造能力[J].教學儀器與實驗， 2013，6：35.

[5]王寶剛.高職教育自制教具培養學生創新能力的實踐與思考[J].科教導刊，2012，12：32-63.

作者簡介：徐亞丹（1981，2-），女，浙江杭州，碩士研究生學歷，在讀博士研究生，研究方向：機構優化設計。

摘 要：設計了一種教學用智能小車，由底盤系統、電控系統組成。底盤系統由轉向機構、傳動機構、差速機構、懸架組成。電控系統采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機為核心控制部分，由電源模塊、驅動模塊、方向控制模塊、壁障模塊、尋軌模塊、測速模塊、測距模塊、坡度檢測模塊、液晶顯示模塊組成。文章介紹了總體設計思路和功能，制作了智能小車的硬件電路，并編寫了程序代碼。通過測試，可以實現變速、轉向功能、測距、尋跡、壁障、坡度測量、測速、實時顯示探測參數的功能。該智能小車用于上課演示及實踐教學，學生可以直觀地了解汽車的性能參數。

關鍵詞：小車；智能；創新

引言

《汽車性能評價與選購》課程是高職院校汽車技術服務與營銷專業的核心課程。學生通過該課程的學習，了解汽車性能指標和測試方法。由于汽車性能測試對試驗場地有較高的要求，以及行車安全性方面的考慮，在教學過程中用真車做性能測試有較大的局限性。為了把枯燥的理論通過生動直觀的形式進行展示，使學生產生一種具體的形象思維，在感性認識的基礎上掌握知識要點，擬設計一款智能小車作為汽車性能類課程的教具，讓同學們在一種輕松，活躍的課堂中學習知識，提高學生的學習興趣和積極性。

1 總體設計

根據課程對汽車的測試要求，文章設計的智能小車，采用高仿真汽車底盤的機械結構，運用電控技術，具備以下功能：

1.1 機械結構設計

1-后輪；2-底盤；3-主傳動軸；4-電池組；5-橫拉桿；6-前減震器；7-前差速器總成；8-舵機拉桿；9-舵機；10-電動機；11-電動機散熱片；12-后差速器總成；13-后減震器；14-主傳動齒輪；15-電動機固定座；16-霍爾傳感器；17-后下擺臂；18-磁鋼；19-后傳動軸；20-后連接桿；21-前下擺臂；22-前傳動軸；23-轉向固定座。

1.2 電控系統設計

2 各模塊設計

2.1 單片機模塊

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是單時鐘/機器周期（1T）的單片機，內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S），針對電機控制，強干擾場合。該單片機與其外圍電路構成此整體電路的主控部分。

2.2 電源模塊

電源由電池經過穩壓電路供給。采用5V電源供電。

2.3 驅動模塊

L298可驅動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。

2.4 方向控制模塊

控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。

2.5 避障模塊

避障電路即由多個紅外傳感器構成。紅外傳感器有發射端與接收端組成，通過紅外傳感器（即發射端發射紅外線若觸碰到實體，此時紅外會被反射回來；反射回來的紅外光線會被紅外傳感器的接收端收到，因此接收端輸出變化電壓信號），來感知外界是否有物體存在。

2.6 尋軌模塊

此電路與避障電路一樣，紅外傳感器有發射端與接收端組成，通過紅外傳感器（即發射端發射紅外線若觸碰到實體，此時紅外會被反射回來；反射回來的紅外光線會被紅外傳感器的接收端收到，因此接收端輸出變化電壓信號），來感知外界是否有物體存在。尋軌電路即由多個紅外傳感器構成。

2.7 測距模塊

通過超聲波發射探頭發生超聲波，若遇到物體必備反射回來；反射回來的波被超聲波接收探頭接收到。此過程的整體時間，即為超聲波從發射設備出來到物體，又從物體到發射設備的時間。因此只要知道波速，距離也就確定了。

2.8 坡度檢測模塊

本智能小車采用陀螺儀檢測行進中道路坡度，檢測時的計算方法如下：

angle_n=angle_n-1+（Gyro-C_Gyro）*R_Gyro；

angle_n為當前角度值，它的單位是度（°）；

angle_n-1為上一次計算出的角度值；

Gyro為陀螺儀敏感軸偏轉值，也就是當前敏感軸讀數；

C_Gyro為陀螺儀零點偏移值，這個值的測量方法是：將陀螺儀敏感軸水平放置靜止時的讀數；

R_Gyro為陀螺儀比例。

2.9 測速模塊

測速模塊使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，在車輪上粘上一粒磁鋼，當霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，車輪旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。

2.10 液晶顯示模塊

利用LCD12864作為顯示器，采用此方法大大簡化了硬件，充分的利用了單片機的資源，并且利用軟件設計了簡易的操作界面。可通過液晶顯示器與鍵盤的配合來完成相應的操作。

3 軟件設計

采用模塊化編程，在Keil.C51.v7.02的環境下編程，小車的程序包括液晶界面顯示、變速、轉向（模擬方向盤）、尋軌、壁障、坡度測量、測距。以測距模塊為例，給出超聲波測距程序，以實現車體與其他物體的測距：

4 結束語

（1）文章論述了利用單片機作為控制核心，配合高仿真汽車底盤，整個電控系統由電源模塊、驅動模塊、方向控制模塊、壁障模塊、尋軌模塊、測速模塊、測距模塊、坡度檢測模塊、液晶顯示模塊組成。設計制作了智能小車的硬件電路，并編寫了程序代碼。通過測試，可以實現變速、轉向功能、測距、尋跡、壁障、坡度測量、測速、實時顯示探測參數的功能。

（2）智能小車用于上課演示及實踐教學，學生可以直觀地了解汽車的性能參數，達到設計的目的。

（3）開發專業課實驗設備，教師與學生在一起開發制作的過程中，提高了專業課教師的科學研究、課程建設能力，也提高了學生的創新實踐的能力。

參考文獻

[1]徐亞丹.汽車智能雨刷示教裝置的設計[J].2013（29）：40.

[2]賈寶棟.解剖車模型教具的研制[J].湖南農機，2013，5：138-140.

[3]徐金成.教具制作與實踐教學結合的嘗試[J].機電產品開發與創新，2013，2：149-151.

[4]于洪章.利用自制教具培養學生的創造能力[J].教學儀器與實驗， 2013，6：35.

[5]王寶剛.高職教育自制教具培養學生創新能力的實踐與思考[J].科教導刊，2012，12：32-63.

作者簡介：徐亞丹（1981，2-），女，浙江杭州，碩士研究生學歷，在讀博士研究生，研究方向：機構優化設計。

摘 要：設計了一種教學用智能小車，由底盤系統、電控系統組成。底盤系統由轉向機構、傳動機構、差速機構、懸架組成。電控系統采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機為核心控制部分，由電源模塊、驅動模塊、方向控制模塊、壁障模塊、尋軌模塊、測速模塊、測距模塊、坡度檢測模塊、液晶顯示模塊組成。文章介紹了總體設計思路和功能，制作了智能小車的硬件電路，并編寫了程序代碼。通過測試，可以實現變速、轉向功能、測距、尋跡、壁障、坡度測量、測速、實時顯示探測參數的功能。該智能小車用于上課演示及實踐教學，學生可以直觀地了解汽車的性能參數。

關鍵詞：小車；智能；創新

引言

《汽車性能評價與選購》課程是高職院校汽車技術服務與營銷專業的核心課程。學生通過該課程的學習，了解汽車性能指標和測試方法。由于汽車性能測試對試驗場地有較高的要求，以及行車安全性方面的考慮，在教學過程中用真車做性能測試有較大的局限性。為了把枯燥的理論通過生動直觀的形式進行展示，使學生產生一種具體的形象思維，在感性認識的基礎上掌握知識要點，擬設計一款智能小車作為汽車性能類課程的教具，讓同學們在一種輕松，活躍的課堂中學習知識，提高學生的學習興趣和積極性。

1 總體設計

根據課程對汽車的測試要求，文章設計的智能小車，采用高仿真汽車底盤的機械結構，運用電控技術，具備以下功能：

1.1 機械結構設計

1-后輪；2-底盤；3-主傳動軸；4-電池組；5-橫拉桿；6-前減震器；7-前差速器總成；8-舵機拉桿；9-舵機；10-電動機；11-電動機散熱片；12-后差速器總成；13-后減震器；14-主傳動齒輪；15-電動機固定座；16-霍爾傳感器；17-后下擺臂；18-磁鋼；19-后傳動軸；20-后連接桿；21-前下擺臂；22-前傳動軸；23-轉向固定座。

1.2 電控系統設計

2 各模塊設計

2.1 單片機模塊

STC12C5A60S2/AD/PWM系列單片機是單時鐘/機器周期（1T）的單片機，內部集成MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S），針對電機控制，強干擾場合。該單片機與其外圍電路構成此整體電路的主控部分。

2.2 電源模塊

電源由電池經過穩壓電路供給。采用5V電源供電。

2.3 驅動模塊

L298可驅動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個電機。5、7、10、12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。

2.4 方向控制模塊

控制信號由接收機的通道進入信號調制芯片，獲得直流偏置電壓。它內部有一個基準電路，產生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅動芯片決定電機的正反轉。當電機轉速一定時，通過級聯減速齒輪帶動電位器旋轉，使得電壓差為0，電機停止轉動。

2.5 避障模塊

避障電路即由多個紅外傳感器構成。紅外傳感器有發射端與接收端組成，通過紅外傳感器（即發射端發射紅外線若觸碰到實體，此時紅外會被反射回來；反射回來的紅外光線會被紅外傳感器的接收端收到，因此接收端輸出變化電壓信號），來感知外界是否有物體存在。

2.6 尋軌模塊

此電路與避障電路一樣，紅外傳感器有發射端與接收端組成，通過紅外傳感器（即發射端發射紅外線若觸碰到實體，此時紅外會被反射回來；反射回來的紅外光線會被紅外傳感器的接收端收到，因此接收端輸出變化電壓信號），來感知外界是否有物體存在。尋軌電路即由多個紅外傳感器構成。

2.7 測距模塊

通過超聲波發射探頭發生超聲波，若遇到物體必備反射回來；反射回來的波被超聲波接收探頭接收到。此過程的整體時間，即為超聲波從發射設備出來到物體，又從物體到發射設備的時間。因此只要知道波速，距離也就確定了。

2.8 坡度檢測模塊

本智能小車采用陀螺儀檢測行進中道路坡度，檢測時的計算方法如下：

angle_n=angle_n-1+（Gyro-C_Gyro）*R_Gyro；

angle_n為當前角度值，它的單位是度（°）；

angle_n-1為上一次計算出的角度值；

Gyro為陀螺儀敏感軸偏轉值，也就是當前敏感軸讀數；

C_Gyro為陀螺儀零點偏移值，這個值的測量方法是：將陀螺儀敏感軸水平放置靜止時的讀數；

R_Gyro為陀螺儀比例。

2.9 測速模塊

測速模塊使用霍爾傳感器獲得脈沖信號，在車輪上粘上一粒磁鋼，當霍爾開關靠近磁鋼，就有信號輸出，車輪旋轉時，就會不斷地產生脈沖信號輸出。

2.10 液晶顯示模塊

利用LCD12864作為顯示器，采用此方法大大簡化了硬件，充分的利用了單片機的資源，并且利用軟件設計了簡易的操作界面。可通過液晶顯示器與鍵盤的配合來完成相應的操作。

3 軟件設計

采用模塊化編程，在Keil.C51.v7.02的環境下編程，小車的程序包括液晶界面顯示、變速、轉向（模擬方向盤）、尋軌、壁障、坡度測量、測距。以測距模塊為例，給出超聲波測距程序，以實現車體與其他物體的測距：

4 結束語

（1）文章論述了利用單片機作為控制核心，配合高仿真汽車底盤，整個電控系統由電源模塊、驅動模塊、方向控制模塊、壁障模塊、尋軌模塊、測速模塊、測距模塊、坡度檢測模塊、液晶顯示模塊組成。設計制作了智能小車的硬件電路，并編寫了程序代碼。通過測試，可以實現變速、轉向功能、測距、尋跡、壁障、坡度測量、測速、實時顯示探測參數的功能。

（2）智能小車用于上課演示及實踐教學，學生可以直觀地了解汽車的性能參數，達到設計的目的。

（3）開發專業課實驗設備，教師與學生在一起開發制作的過程中，提高了專業課教師的科學研究、課程建設能力，也提高了學生的創新實踐的能力。

參考文獻

[1]徐亞丹.汽車智能雨刷示教裝置的設計[J].2013（29）：40.

[2]賈寶棟.解剖車模型教具的研制[J].湖南農機，2013，5：138-140.

[3]徐金成.教具制作與實踐教學結合的嘗試[J].機電產品開發與創新，2013，2：149-151.

[4]于洪章.利用自制教具培養學生的創造能力[J].教學儀器與實驗， 2013，6：35.

[5]王寶剛.高職教育自制教具培養學生創新能力的實踐與思考[J].科教導刊，2012，12：32-63.

作者簡介：徐亞丹（1981，2-），女，浙江杭州，碩士研究生學歷，在讀博士研究生，研究方向：機構優化設計。