2003年全国大学生电子设计竞赛一等奖 简易智能电动车(E题)

校园电子

方案的选择与论证

根据题目要求，系统可以分为四个

基本模块，由四片八位单片机分别实现，一片８９Ｃ５２作为主机，三片８９Ｃ２０５１为从机，主从机之间用单片机通信联系，　如图

１所示。对各模块的实现，分别有以下一

些不同的方案。

１．测金属计算路程模块金属探测使用接近开关，对于路程的计算我们有以下两种方案：

方案一 在小汽车前后各放一个接近开关Ｊ１、Ｊ２，相距为Ｌ。设前端Ｊ１探测到金属片前端的时间是ｔ１，Ｊ２探测到金属片前端的时间是ｔ２，Ｊ１探测到金属片后端的时间是ｔ３，Ｊ２探测到金属片后端的时间是ｔ４。假设小车在直线段上是匀速行驶，则小车的速度为Ｌ／（ｔ２－ｔ１），铁板中线到起跑线的距离是［Ｌ×ｔ１＋Ｌ×（ｔ３－ｔ１）／２］／（ｔ２－ｔ１），由于小车启动时是加速运动，所以距离要根据实验测得的数据进行修正。

方案二 在小车的前端放置一个接近开关。通过光电传感器或霍尔开关使轮子每转一周产生若干个脉冲，单片机记下脉冲数和时间，再用实验的方法测出轮子的周长，就可以算出小车的平均速度，进而算出铁片中线到起点的距离。光电传感器可以通过两种方法得到脉冲数，一种方法是在一个车轮上涂上黑白相间的条纹，通过黑白对光线的反射强弱不同产生脉冲，缺点是轮子表面凹凸

不平容易干扰反射，并且经常使用，白的

部分容易变黑干扰反射；另一种方法是按照光电编码盘的原理，在小车的主轴上套上一个布有均匀透光孔的圆盘，使用光电开关进行测速，由于我们的这辆小车的主轴上空间很小，所以这种方法也不容易实现。霍尔开关的电路简单，安装也很方便（只需将小磁铁均匀地贴在轮子上即可），但是由于小磁铁放置太多彼此之间会互相干扰，所以小磁铁的放置数量是有限的（只能１￣３片），同时由于小磁铁之间是互斥的，所以很难实现精确均匀分布，因此使用霍尔开关的精度比较低。

综合以上方案，接近开关价格比较昂贵，我们本着节约的原则没有采用。由

于小车本身结构的原因，光电传感器不

方便安装，安装上的效果可能也不会太好，所以也没有采用。最终我们选择了霍尔开关的方案，考虑到本题对速度要求不是太高，我们在轮子上安装了１块小磁铁。

２．电动机驱动调速模块

方案一 在电动机前段加电位器使之分压减少以降低转速；同时在前端并联一个电容可以使电动机缓慢加速，从而避免突然加速对系统的冲击，避免轮子打滑。这种方案的缺点是调节转速需要人工手动调节电位器，非常不方便；小车刹车时由于电容放电，刹车也很缓慢，不能及时刹车。

方案二 采用专用集成电路芯片Ｌ２９８驱动电机，用单片机控制Ｌ２９８的输入使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。电子开关的速度很快，稳定性也极强。缺点是小车启动时，由于突然施加的电压比较高，车轮容易打滑。

综合以上两种方案，我们选择第二种。

３．时钟模块

由于我们这个系统的单片机比较多，

根据以往的实践经验我们特别加了一个

时钟模块以统一整个系统的时间，这样可以使整个系统统一行动，减少因为时间不统一而出错的几率，增强系统的稳定性。

４．主控模块

主控模块是系统的核心，它担负着跟踪黑线、躲避障碍物、寻找光源的任务。

跟踪黑线的大致原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸的反射系数不同，可根据接收到的反射光强判断是否在寻迹行驶。

方案一 采用直流不调制的反射式红外发射－接收器，经过电压比较器比较后送入单片机。电压比较器的介入有助于降低输入阻抗，并且将输出电压规范到两个标准值。可是我们实际做的效果并不理想。考虑不理想的原因主要是周围环境光线的干扰。

方案二 脉冲调制的反射式红外发射－接收器。考虑到环境光干扰主要是直流分量，如果采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外，红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，如果使用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大（５０～１００ｍＡ），这样也大大提高了信噪比。

基于上述考虑，我们采用第二种方案。

５．躲避障碍物的选择

躲避障碍物有以下两种方案可供选择：

方案一 超声波测距。超声波传感器的原理是：首先它发射出一束超声波，超声波碰到物体反射回超声波传感器，ＣＰＵ记录下时间ｔ并通过公式Ｓ＝３４０×ｔ／２计算出小车同障碍物之间的距离，加以躲避。

方案二 反射式红外线光电传感器。这种器件只能输出开关量，因为它只在

２００３年全国大学生电子设计竞赛一等奖

简易智能电动车（Ｅ题）

?北京科技大学 孟凡伟　蒋林明　孙学彬??辅导教师 牟世堂 金 波 王尚军?

图

１

校园电子小于阀值距离处发生电平翻

转变为低电平，大于阀值距

离则输出高电平。

方案三 采用试验的方

法，确定一条比较精确的路

线，让单片机记住就可以

了。

由于时间的限制，我们

决定针对本题采用试验的方

法，虽然通用性比较差，但

针对本题可以完成任务。

６．电源选择

方案一 所有器件采用

单一电源。这样供电比较简

单。但是由于我们的小车有两台电机，电动机启动瞬间电流很大，而且ＰＷＭ驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。

方案二 双电源供电。将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路完全隔离，利用光电耦合传输信号。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机所造成的干扰彻底消除，提高了系统稳定性。

我们认为本设计的稳定可靠性更为重要，故采用方案二。

系统的具体设计与实现

１．系统的硬件设计

（１）电动机ＰＷＭ驱动电路的设计与实现 小车有两台电机，都采用ＰＷＭ控制技术，后轮电机采用ＰＷＭ调节小车行驶的速度，前轮电机采用ＰＷＭ调节小车的转角。由于我们有一个基于ＰＷＭ原理的Ｈ型驱动电路，所以为了节省时间我们直接采用这个电路来控制前轮。该电路采用ＴＩＰ１４２大功率达林顿管，以保证电动机启动瞬间的８Ａ电流要求。电路如图２所示。

当Ｕ１为高电平，Ｕ２为低电平时，Ｑ２、Ｑ３管导通，Ｑ４、Ｑ１　管截止，电动机正转；当Ｕ１为低电平，Ｕ２为高电平时，Ｑ２、Ｑ３管截止，Ｑ４、Ｑ１管导通，电动机反转。另外四个二极管可以在Ｕ１由高变低时，通过Ｄ１、Ｄ３两个二极管形成电动机线圈感应回路，起到了保护电动机的作用。

我们运用了４Ｎ２５　光耦集成块将控制部分与电动机的驱动部分隔离开来，这样不仅增加了各系统模块之间的隔离度，也使驱动电流大大增强了。

我们采用电机控制专用芯片Ｌ２９８来

控制后轮电机（如图３ａ）。Ｌ２９８是双Ｈ桥

高电压大电流功率集成电路，可以用来

驱动２个直流电动机或步进电动机等感

性负载。采用Ｌ２９８作为电机驱动电路，可

靠性高，可以方便地控制电机正反转。由

图３可见，每个Ｈ桥的下侧桥臂晶体管发

射极连在一起，其输出脚（１和１５）用来

连接电流检测电阻；９脚接逻辑控制部分

的电源；４脚为电机驱动电源Ｖｓ；５、７、

１０、１２脚输入标准ＴＴＬ逻辑电平信号，用

来控制Ｈ桥的开和关；６、１１脚则为使能

控制端（控制逻辑如图３ｂ）。

Ｌ２９８的主要参数是：允许驱动电压

Ｖｓ＝５０Ｖ；允许控制电压Ｖｓｓ＝５０Ｖ；直流

允许输出电流Ｉｏ（ＭＡＸ）＝２Ａ；直流最大允许

尖峰电流Ｉｏ（ｐｅａｋ）＝３Ａ（ｔ＝１００μｓ）；允许采

样电压ＶＳＥＮＳＥ＝－１￣２．３Ｖ；允许功耗

Ｐｔｏｔ＝２５Ｗ　（ＴＣＡＳＥ＝７５℃）。

注意到Ｌ２９８每一路输出可以正常提

供１Ａ的电流，峰值电流（１００μｓ之内）

可达３Ａ。将每个Ｌ２９８芯片的两路输出并

联后驱动电机，则可以输出２Ａ的电流，图

４为Ｌ２９８的输出并联方法。这时，每一片

Ｌ２９８单独驱动一个直流电机。

Ｌ２９８的外围电路和控制都比较简

单，需要仔细考虑的是采样电阻Ｒｓ的选

择。以下几个因素是必须考虑的：电阻本

身可能达到的功耗；　Ｌ２９８的允许采样电

压是２．３Ｖ，超过这一幅度芯片会自动保

护；　Ｌ２９８的允许电流和允许功率限制。

假设可能出现的最大电流为ＩＭＡＸ，驱

动电源电压为Ｕ，选择电阻阻值Ｒｓ，则上

述条件限制可以表示为

：

图３

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图

６

根据现有的电源条件（７．６￣７．８Ｖ

镍氢电池），可选Ｕ＝１５．４Ｖ（两节电池串联）或Ｕ＝２３．１Ｖ（３节电池串联）。若选Ｕ＝１５．４Ｖ，ＩＭＡＸ几乎可以允许达到最大值２Ａ，令Ｒｓ＝１Ω已经可以满足要求（因为实际电机电流不可能达到２Ａ）；若选Ｕ＝２３．１Ｖ，则为了保护芯片，必须强制ＩＭＡＸ＜２．５／（Ｕ－２．５）＝１．２Ａ，如此选择Ｒｓ＝２Ω是比较稳妥的。实际试验选择Ｒｓ＝１．５Ω也还可以正常工作；令Ｒｓ＝１Ω时，一旦转速过快，芯片会烧毁。

最后，不论Ｒｓ＝１Ω还是Ｒｓ＝２Ω，电阻的功耗ＰＲ（ＭＡＸ）＝Ｒｓ２×ＩＭＡＸ都会比较大。实际使用时，以选择５Ｗ系列的电阻为宜，否则会导致整个电路驱动能力的下降。

图５为用Ｌ２９８驱动直流电机的整体电路图，其中ＰＷＭ（脉宽输入）和Ｄｉｒｅｃ－

ｔｉｏｎ（转动方向）由控制电路给出。

（２）　路面黑线检测电路的设计与实现　为了检测路面黑线，在车底部的前部和中部各并排放置三个光电传感器，如图６所示。（３）车速及路程检测电路的设计与

实现 在车头放置一个接近开关，小车

经过铁片会分别给单片机一个下降沿和一个上升沿脉冲，单片机记录下两个时间ｔ１和ｔ２。接近开关亦称无接触开关、无触点行程开关，它由振荡器和整形放大器组成，振荡器起振后在开关的感应头上产生一个交变的磁场，当金属体接近感应区时，在金属体内产生涡流，从而吸

收了振荡器的能量，使振荡器停振，由整

形放大转换成电信号，从而达到检测的目的。霍尔速度传感器的使用原理图如图７所示，汽车后轮每转一圈，霍尔元件产生１个脉冲送入单片机，单片机进行

计数，完成脉冲数到距离的转换。（４）显示电路的设计与实现 我们采用两片专用芯片ＭＡＸ７２１９来控

制四片共阴数码管以实现对时间、路程、速度的显示，电路如图８所示。

（５）电源电路的设计与实现 我们采用１０节ＡＡ电池为系统供电，其中６节电池为前后电机和接近开关提供９Ｖ电压，另外４节电池经专用稳压芯片ＬＭ２９４０－５为传感器和集成芯片提供稳定

的５Ｖ电压。电路如图９所示。（６）躲避障碍物和感光、停

车电路的设计与实现 避开障碍物我们采用试验的方法确定最佳路线，让单片

机记住这条路线，反复试验可靠性比较

高。感光电路是两个光敏三极管，大致结构如图１０所示。当两个光敏三极管的信号同时为低时，我们认为车头正对光源，这样就找到了光源。停车传感器的结构如图１１所示，喇叭口与灯光成一个角度，使光敏传感器只有在接近光源处才能被照射到，实现停车。

（７）其它硬件特点 各个模块之间完全使用插座连接，各个模块在车上用机械方法固定，插

拔装卸非常方便，真正实现了硬件模块

化。小车的抗干扰能力很强，在我们自己的测试场地里有很多脚印，但小车从来没有受到过影响。

系统的软件设计

１．方案比较与分析

方案一 本系统可以采用单ＣＰＵ或两片ＣＰＵ通过中断相连接，这样结构比较简单，每片ＣＰＵ资源利用率比较高。

方案二 采用一片ＣＰＵ为主机，多个单片机为从机，主从机之间采用多机通信传递信息，这样结构比较复杂，采用查询方式不容易控制。

由于在本题中我们使用了四种共１０个传感器，信息量比较大，所以我们采用一个主机带三个从机的多机通信方式来控制，这样总体资源足够，使我们在控制上有很大的灵活性。同时还可以为以后的功能扩展留出端口，以便进一步完善小车功能。

２．软件的总体设计思想

本软件系统设计运用分时多任务与面向对象的编程思想，以单片机多机串行通信为基础架构。单片机控制电路主要由一片８９Ｃ５２和三片８９Ｃ２０５１组成，８９Ｃ５２作为整个控制部分的核心，负责对三片８９Ｃ２０５１控制与监视。三片８９Ｃ２０５１分别标识以０ｘ０１、０ｘ０２、０ｘ０３，其中，０ｘ０１为时间发生器（ＴＩＭＥＲ），负责时间发生与任意大小延时监视；０ｘ０２为运动系统控制器（ＰＷＭ），负责电机的正转反转调速、脉冲式左转右转与持续式左转右转；０ｘ０３为辅助信息采集器（ＣＯＬＬＥＣＴＯＲ），负责采集小车运行速度与金属块的检测等，并分析反馈给主机，从而控制协调整个系统的运行，但考虑到小车寻迹信号、

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图１０