第一章 绪论
1.1 设计背景
随着智能机器人技术、汽车工业的迅速发展，关于智能小车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，可见其研究意义很大。智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖智能控制、模式识别、传感技术、电子电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。一般主要由路径识别、速度采集、角度控制及车速控制等模块组成。
本设计就是在这样的背景下提出的，设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程，具有智能PWM限速、返回、准确定位停车等功能。
1.2 设计概述
智能小车系统集中地运用了计算机、传感器、信息通讯、人工智能及自动控制等技术，是典型的高新技术综合体。本次毕设的自动往返电动小汽车就是这种综合体的一种尝试。
自动往返电动小汽车是指小车能够在跑道上自动往返行驶，无须人的操作。小车从起跑线出发后自动行驶到终点，并能在终点停车一段时间，然后返回起点。同时小车可以在要求区域内自动加速和减速。以单片机为控制核心，辅以传感器、控制电路、显示电路等外围器件，构成了一个车载控制系统。电动小车能够根据题目要求在直线方向上完成调速、急刹车、停车、倒车返回等各种运动形式。这辆小车还可以通过液晶实时显示一次往返时间和行驶距离、行驶速度。另外，采用C语言编程算法进行速度调节，经过PROTEUS仿真后，成功地实现了从最高速降至低速的平稳调速。
本系统主要采用C语言编程算法进行速度调节。通过C语言编程控制和PWM脉宽调制技术的结合，提高了对小车位置的控制精度，并且实现了低速段车速的恒速控制。
1.3 设计任务和主要内容
设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车，能在如图1-1所示的跑道上自动往返行驶。在跑道B,C,D,E,F和G处设有2cm宽的金属线。
1. 小车从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。
2. 到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以小车中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值）。
3. D～E间为限速区，小车往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，但不允许在限速区内停车。
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A B C D E F G 0.5m 0.5m 2m 0.5m 图1-1 小车跑道顶视图
各路段行驶速度要求： BD段：小车全速前进。
DE段：首先以最快的速度减速，并同时开始计时，降至慢速度后保持基本恒速前进，当接近8秒时，开始加速并冲出此段区间。 EF段：小车全速前进。
FG段：首先以最快的速度减速，并且保持最低速度前进，当小车中间的传感器探测出黑线时便立即停车。
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第二章 系统方案论证与分析
根据题目中的设计要求，本系统主要由主控单片机模块、电源模块、电机驱动模块、黑线检测模块、测速模块以及液晶显示模块构成。本系统的方框图如图2-1所示：
液晶显示 SST89E516RD主控单片机 测速模块 电源模块 L298电机驱动芯片 黑线检测模块
2.1 小车车体选择
在确定了毕业设计选题以后，指导老师就给我提供了由亿学通电子推出的“DIY 竞赛小车”散件车体。其具有结构小巧、运动灵活、扩展性强、控制简单等诸多特点。
该小车车体套件具备功能如下：
（1）支持四个独立电机的安装，增大了驱动力和转弯的灵活性 （2）配置了测速码盘（安装在第一级输出），提高了转速测量精度 （3）配备开关量转速测量传感器接口
（4）配备了外部电源接口和电池盒接口，方便了小车用电选择 （5）保留了万向轮固定孔，四轮车可以方便改装为三轮车 （6）为单片机控制板预留了电源和控制端口
（7）保留了 DIY竞赛小车的扩展板，可以直接把单片机电路、显示电路、通讯电路、遥控电路等焊接上面，不需要再额外增加电路，方便了扩展
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2.2 主控单片机
2.2.1 采用凌阳16位单片机
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。且实验室器材室没有此型号单片机。因此决定不再使用此方案，考虑其他方案。
2.3 电机模块
2.3.1 采用步进电机
采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。
虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。因此决定放弃此方案。
2.3.2 采用直流电机
采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。
综合以上考虑，我选择使用直流减速电机作为自动往返电动小车的驱动电机。
2.4 电机驱动调速模块
小车运行过程中要求电动机的转速在一定范围内调节,调速范围根据负载的要求而定。由公式[1]
U??I?R?n?Ce?
[1]
n :电枢转速, Uα :电机端电压, Iα :电机端电流, Rα :电枢电阻, Ce :常数, φ :每极总磁通 可以看出,调速可以有三种方法:
（1）改变电机端电压Uα,即改变电枢电源电压;
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（2）改变磁通φ,即改变激磁回路的调节电阻Rj以改变激磁电流Ij; （3）在电枢回路中串联调节电阻Rtj。此时的转速公式[2]为:
n?U??I?(R??Rtj)Ce? [2]
在实际电路设计中，改变电机的磁通φ或调节枢回路中串联调节电阻Rtj并不方便、
实用。因此，主要选择通过改变电机两端电压的方法来实现电机的调速控制。
下面是通过调节电机两端电压达到调速目的的三种方案：
方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大，分压不仅会降低效率且实现困难。
方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态,精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高。H型电路保证了可以简单的实现转速和方向的控制。电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。L298为SGS-THOMSON Microelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片(Dual Full-Bridge Driver) ，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。内含二H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，输出电压最高可达50V。可以直接通过电源来调节输出电压，可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。
PWM脉宽调制实际上就是改变电机端电压的平均值从而进行调速的一种方法。这种方法便于与单片机等数字系统接口，实现方便，而前两种方法必须要配合一定的外围模拟电路才能达到单片机控制目的，基于以上分析, 在电动机驱动模块上拟选定采用PWM脉宽调制方法。选用L298双全桥步进电机专用驱动芯片。
2.5 电源管理
2.5.1 采用单电源供电
所有器件采用12V蓄电池为直流电机供电。将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其它芯片供电。这样供电比较简单，但是由于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。因此我们放弃此方案。
2.5.2 采用双电源供电
采用双电源供电方式。将电动机驱动电源与单片机以及周边电路电源完全隔离。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，故采用12V蓄电池为
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