（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，710000）

基于智能小車的硬件設(shè)計與調(diào)試

王津紅

（西安職業(yè)技術(shù)學(xué)院，710000）

本文對智能小車硬件設(shè)計進(jìn)行了分析研究，結(jié)合工程經(jīng)驗，對智能小車的硬件設(shè)計和調(diào)試方法進(jìn)行了許多實踐和探索性的拓展，為從事相關(guān)行業(yè)的工程人員提供了方向性的建議。

智能小車;硬件設(shè)計;工程經(jīng)驗;調(diào)試方法

1 背景

機(jī)器人競賽進(jìn)入校園已有十多年的歷史，已成為培養(yǎng)創(chuàng)新人才，促進(jìn)教學(xué)改革的有力手段。智能小車作為機(jī)器人競賽中的有效載體，其設(shè)計開發(fā)涉及自動控制、傳感技術(shù)、模式識別、計算機(jī)、電子、電氣、機(jī)械等多個學(xué)科。開展自主智能小車的學(xué)習(xí)與研究工作，對促進(jìn)自動控制與人工智能水平的提高，具有良好推動作用。本文結(jié)合機(jī)器人大賽、全國大學(xué)生電子設(shè)計大賽的要求，就智能小車的設(shè)計和制作調(diào)試，提出相應(yīng)的觀點(diǎn)和建議。

2 研究目的

2013年度，西職院機(jī)電工程系成立“科技創(chuàng)新工作項目小組”，并申請立項：“基于單片機(jī)控制直流舵機(jī)機(jī)器人的開發(fā)”。我作為小組成員負(fù)責(zé)智能小車的硬件開發(fā)。本文從小車中最基本的模塊，從人才的培養(yǎng)角度提供引導(dǎo)性方向，拓展學(xué)生思路，讓學(xué)生能夠有意識發(fā)揮，而非簡單的復(fù)制電路圖搭建電路。讓學(xué)生感受到能力的躍變過程，讓小車動了起來。

3 硬件剖析

常見題目要求：必須使用至少一種傳感器來對機(jī)器人進(jìn)行精確控制，要求有尋跡、搬運(yùn)、識別顏色、感光、滅火等功能，且為自動控制。下面我們從要求的角度進(jìn)行硬件設(shè)計的探討。

3.1電機(jī)選擇

智能小車要求具備基本車輛的轉(zhuǎn)向和驅(qū)動功能，比賽中多有時間限制，所以還得有調(diào)速要求。傳統(tǒng)習(xí)慣上，參賽選手常選擇兩種，A:通常為后輪直流電機(jī)驅(qū)動+前輪舵機(jī)轉(zhuǎn)向B: 雙步進(jìn)電機(jī)或舵機(jī)+萬向輪。直流電機(jī)控制簡單，轉(zhuǎn)速快，但無法精準(zhǔn)控制轉(zhuǎn)角，多需要傳感器配合。步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)角控制精準(zhǔn)，但轉(zhuǎn)速較低。這需要根據(jù)比賽題目要求做出選擇。

3.2車體底板的制作

智能小車車身制作可以根據(jù)經(jīng)濟(jì)條件而做出不同選擇，常見的可采用覆銅板、薄金屬板、亞克力板等，根據(jù)設(shè)計要求，通過劃線、定位、剪裁設(shè)計出相應(yīng)的款式，再拿不同的螺絲加緊固件固定。若經(jīng)濟(jì)條件允許，可以直接買玩具車，進(jìn)行拆卸改裝！但玩具車多用直流電機(jī)，為增加轉(zhuǎn)角控制，習(xí)慣用舵機(jī)代替。車體的制作還要考慮到，電路板的安裝，跟后期傳感器的擴(kuò)展，適當(dāng)情況為方便依據(jù)題目加裝面包板。車體上放置電池要考慮到車體的重心、輪胎的打滑等因素。

3.3電源設(shè)計

小車的電源電壓一般在6-8V左右，電機(jī)工作，電池的損耗較大，常見的78XX系列的穩(wěn)壓芯片，因為壓差，不再符合要求。依據(jù)實際調(diào)試經(jīng)驗，盡量多選LM2940、LM2576、MAX638等低壓差的芯片。并且電源電路部分，從電池輸入段分成兩路，使單片機(jī)和大電流器件分開供電。常見經(jīng)典電路是用兩片LM2940加濾波電容分開為各模塊合理供電，為增加指示性和美觀程度，還會串電阻加發(fā)光二極管。這樣避免了相互的干擾和單片機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。電源設(shè)計不合理，常見的故障會出現(xiàn)，舵機(jī)抖動但無法前行，或者單片機(jī)經(jīng)常掉電，頻繁發(fā)生誤動作。

3.4單片機(jī)最小系統(tǒng)

單片機(jī)是小車的智能控制中心。所謂最小系統(tǒng)，就是單片機(jī)運(yùn)行的最精簡硬件設(shè)計。最小系統(tǒng)的合理設(shè)計是小車能夠平穩(wěn)運(yùn)行的前提。51單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計和AVR的最小系統(tǒng)的設(shè)計許多共同之處，限于篇幅，不做贅述，僅對調(diào)試過程中出現(xiàn)的問題予以羅列。

晶振和電容在做電路板時應(yīng)注意靠近放置，相距過遠(yuǎn)易使晶振無法起振，造成系統(tǒng)工作不穩(wěn)定。典型值為30pF電容，12M晶振。

復(fù)位電路包括上電復(fù)位和手動復(fù)位，51系列單片機(jī)多為高電平復(fù)位。上電復(fù)位的原理為利用電容充電將復(fù)位腳拉至高電平，使單片機(jī)復(fù)位；電容選值多用104或105等高頻瓷片電容，在電容充電結(jié)束后，10K的接地電阻將復(fù)位腳拉至低電平，保證了單片機(jī)正常工作。

實際制作ISP下載接口時，常用雙排的5*2的排針代替，設(shè)計時應(yīng)注意以下兩點(diǎn)，否則極易造成程序下載失?。孩傧螺d接口電源要與單片機(jī)電源共用。②下載線接口所用單片機(jī)引腳避免連接外部器件，或外部器件可設(shè)計為可插拔或按鈕開關(guān)讀取的方式。

51的最小系統(tǒng)EA腳為內(nèi)外存儲器的選擇引腳，在僅需內(nèi)部存儲器時，須將此腳連至高電平，否則無法工作。另外單片機(jī)的P0口無內(nèi)部上拉電阻，在驅(qū)動LED等外部器件時，習(xí)慣在P0口加上10K的排阻，用來增強(qiáng)P0口驅(qū)動能力。

AVR最小系統(tǒng)僅需電源不加任何外圍電路即可工作，且為低電平復(fù)位，在接外部晶振后，再寫下載程序時應(yīng)配置好對應(yīng)的熔絲位，避免造成芯片鎖死。

建議根據(jù)需要用 Protel軟件設(shè)計，用proteus軟件進(jìn)行仿真，建立屬于自己的最小系統(tǒng)，方便以后的學(xué)習(xí)競賽使用。

3.5循跡模塊設(shè)計

循跡模塊一般由紅外一體式發(fā)射接收器管完成，無色為發(fā)射部分，產(chǎn)生人眼不可見的紅外光，黑色部分為紅外接收部分，其阻值可隨紅外光的強(qiáng)弱而變化。判斷好壞從原理出發(fā)，改變光照強(qiáng)弱去測阻值即可。測紅外發(fā)光管也可用手機(jī)攝像頭查看，紅外夜視攝像頭原理正是如此。

如圖所示，常見檢測電路中，常選用LM339運(yùn)算放大器在弱信號檢測場合。使用時在輸出端需要接上拉電阻（阻值選3-15K）到正電源。阻值不同，輸出端高電位的值不同。如果做8路紅外光電管檢測，采用兩片LM339即可，既而簡化了電路。51單片機(jī)無內(nèi)置AD故常采用比較器方式，而AVR等因有內(nèi)置AD或片外AD芯片可直接輸入電壓量變化，通過單片機(jī)A/D端口直接讀取。檢測電路可優(yōu)先考慮使用大功率分離式紅外光電管、激光管等檢測器件，并對紅外光調(diào)制發(fā)射，既而增大探測距離。從電源角度，常使各管輪流掃描，減小功耗。

3.6電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計

由于單片機(jī)端口驅(qū)動能力不足，驅(qū)動電機(jī)等大功率外部器件須外加驅(qū)動電路。由于H橋電路制作過程麻煩，推薦采用H橋集成電機(jī)驅(qū)動芯片L298N。L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。但由于L298工作時功耗較大，可以適當(dāng)加裝散熱片。使用L298N注意該有兩個電源，一路為L298需要的5V工作電源VCC，一路為驅(qū)動電機(jī)電源VSS。應(yīng)該注意，常用舵機(jī)可以直接使用單片機(jī)驅(qū)動，不加電機(jī)驅(qū)動模塊！

3.7路面檢測模塊設(shè)計

習(xí)慣使用金屬感應(yīng)器安裝于小車底盤下，距離地面小于四毫米。當(dāng)行進(jìn)中金屬傳感器檢測到金屬片時將對單片機(jī)發(fā)送中斷信號，單片機(jī)運(yùn)行中斷，繼而改變電機(jī)驅(qū)動信號的電壓占空比，來達(dá)到控制小車的速度。另外利用CCD圖像傳感器可適用于各種量的檢測。具有圖像清晰、準(zhǔn)確特點(diǎn)，但圖像傳感器需要處理的信號量太大，價格昂貴，硬件電路設(shè)計困難，軟件編程復(fù)雜，使用存在諸多的不便，故CCD很少被采用。

3.8顯示模塊設(shè)計

常采用1602 LCD，由單片機(jī)的總線模式連接。從節(jié)能角度出發(fā)，LCD 的背光常用單片機(jī)進(jìn)行控制，用電位器改變屏幕亮度。從性價比的角度講，也可以采用LED七段數(shù)碼管，采用經(jīng)典電路譯碼和驅(qū)動，實現(xiàn)I/O口的并用，且顯示比較直觀。

3.9避障模塊設(shè)計

考慮到避障只需要檢測障礙物，為了便于操作和調(diào)試，常采用漫反射式光電開關(guān)進(jìn)行避障。當(dāng)然也可用超聲波傳感器進(jìn)行避障，但超聲波傳感器需要40KHz的方波信號來工作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在1%內(nèi)，實際電路很少采用模擬電路來做方波發(fā)生器，因為比較難以實現(xiàn)。

3.10轉(zhuǎn)移模塊設(shè)計

常利用電磁繼電器通電的瞬間所產(chǎn)生的磁場來完成金屬鐵片的轉(zhuǎn)移任務(wù)，停電無磁場放下鐵片。電磁繼電器電流小，磁力強(qiáng)，易于單片機(jī)I/O口的控制。在要求簡單的環(huán)境中，可以通過小車前加固Y形金屬裝置，繼而推動物體，實現(xiàn)搬用。

3.11報警和語音提示模塊的設(shè)計

常采用單片機(jī)產(chǎn)生不同的頻率信號，通過蜂鳴器，完成聲音的報警提示功能，其硬件電路簡單容易實現(xiàn)，但缺乏直觀。在救援等方向的要求環(huán)境中，通常采用IDS1420可分段錄放音模塊和功率放大電路；可讀性較好，功耗低容易完成救援小車系統(tǒng)的語音提示功能。

3.12測速模塊設(shè)計

車速檢測的方式有很多種，例如用測速發(fā)電機(jī)、霍爾傳感器檢測、轉(zhuǎn)角編碼盤、反射式光電檢測和透射式光電檢測。但校際比賽中測速應(yīng)用較少，故初學(xué)者大可以不必考慮速度，通過控制驅(qū)動電機(jī)上的平均電壓控制車速，對小車進(jìn)行開環(huán)控制。但開環(huán)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，會受很多因素影響，例如電池電壓、電機(jī)傳動摩擦力、道路摩擦力和前輪轉(zhuǎn)向角度等。這些因素會造成賽車運(yùn)行不穩(wěn)定，通過速度檢測，對車模速度進(jìn)行閉環(huán)反饋控制，即可消除上述各種因素的影響，使得車模運(yùn)行得更穩(wěn)定。

綜上，如圖所示，結(jié)合當(dāng)前電子市場傳感器模塊技術(shù)相當(dāng)成熟，名目繁多，單元模塊的設(shè)計實質(zhì)上是在依據(jù)題目要求情況下，依據(jù)性價比原則和可操作性以及實現(xiàn)的難易程度，根據(jù)系統(tǒng)來做加減法。

4 智能車的測試步驟

小車測試運(yùn)行中，我們可以依據(jù)系統(tǒng)框圖分單元來進(jìn)行，細(xì)分為以下幾個步驟：

①先測整機(jī)電源，保證各個模塊能被良好供電。

②測試循跡模塊

③查單片機(jī)能否正常的燒寫程序和工作。

④不同占空比的信號測試舵機(jī)轉(zhuǎn)角性能，找出PWM設(shè)置參數(shù)。

⑤測試后輪電機(jī)不同頻率和占空比的情況下電機(jī)的驅(qū)動能力。

⑥光電管和舵機(jī)聯(lián)合，編寫相關(guān)程序測試轉(zhuǎn)向情況。

⑦編寫測試程序讓小車初步運(yùn)行。

⑧調(diào)整參數(shù)，記錄變化，進(jìn)而找出最佳配置。

⑨整理數(shù)據(jù)，完善小車硬件設(shè)計、優(yōu)化算法和程序設(shè)計。

[1] 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.第六屆全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品選編.北京:北京理工大學(xué)出版社,2005

[2] 孫浩.智能小車設(shè)計指導(dǎo).第二版.河海大學(xué)計算機(jī)與信息學(xué)院，2010(9)

[3] 梁麗勤.王巖.張寶健.基于 Freescale 單片機(jī)的智能賽車設(shè)計[J] 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新 2010(6) 114-116.

Hardware design and debugging of the smart car

Wang Jinhong
(Xi'an Vocational and Technical College,710000)

In this paper,the hardware design of the smart car were analyzed,with engineering experience, the smart car hardware design and debugging methods have made a lot of practice and conduct exploratory development for engineers engaged in related industries provide directional advice.

Smart car;hardware design;engineering experience;debugging methods