中国矿业大学2012届本科生毕业设计
3、对小车进行硬件的设计，给出电路图
4、结合自己所学的专业知识，对小车进行软件设计，使得小车能自动的壁障和循迹
5、对小车进行制作安装与调试，对测试的结果进行分析
2 方案选型设计
2.1车体设计
直接购买的3轮车版，小车为3轮结构 。其中前面两个车轮由前轮电机控制， 在信号控制下前后摆动，来调节小车的前进方向和为小车提供动力。在自然状态下，保持前进。后面1个车轮有轴承，为整个小车提供方向，所以又称后面的轮子为方向轮，驱动的两个轮子为驱动轮。能适应题目中小车准确前进、后退、转弯的要求，而且这种车版一般都价格适中。而自己制作车版成本比较高，且比较粗糙，对于白色基板上的道路面行驶，车身重量以及平衡都要有精确的测量，而且也要控制好小车行驶的路线和转弯的力矩及角度，这些都比较难良好地实现。
2.2电机驱动设计
2.2.1电机选择
使用直流电机作为电动车的驱动电机，直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。
虽然采用步进电机有诸多优点，如可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位但是步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。所以最后确定使用直流电机。
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2.2.2驱动选择
开始时想采用SM6135W电机遥控驱动模块。SM6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路。能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机模块价格比较高，所以放弃。
图1
后采用电机驱动芯片L298N（见图1）。L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装，为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。对照表1通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照逻辑关系表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作。采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和
[17]
原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路（见图2）。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下，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型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定
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性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术[6]。
表1 L298N的引脚和输出引脚的逻辑关系
EN A（B） H H H L
IN1（IN3） H L IN1（IN3) X
IN2（IN4） L H IN2（IN4） X 电机运转情况 正传 反转 快速停止 停止 Q4R410kQ3NPN8050D14148D24148NPN8050Q1NPN9013R31kQ6Q5PNP8550R11kD34148D44148PNP8550Q2NPN9013R210k
图2 H桥式电路
2.2.3H桥式电路工作原理
电路得名于“H桥式驱动电路”是因为它的形状酷似字母H。4个三极管组成H的4条垂直腿，而电机就是H中的横杠。
H桥式电机驱动电路包括4个三极管和一个电机。要使电机运转，必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况，电流可能会从左至右或从右至左流过电机，从而控制电机的转向。
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2.2.4PWM调速技术
这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。
2.3循迹模块
利用光电传感器实现循迹的基本原理 2.3.1光电传感器的工作原理
光电传感器是通过把光强度的变化转换成电信号的变化来实现控制的。光电传感器在一般情况下，有三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。
发送器对准目标发射光束，发射的光束一般来源于半导体光源，发光二极管(LED)、激光二极管及红外发射二极管。光束不间断地发射，或者改变脉冲宽度。接收器有光电二极管、光电三极管、光电池组成。在接收器的前面，装有光学元件如透镜和光圈等。在其后面是检测电路，它能滤出有效信号和应用该信号。
此外，光电开关的结构元件中还有发射板和光导纤维。
三角反射板是结构牢固的发射装置。它由很小的三角锥体反射材料组成，能够使光束准确地从反射板中返回，具有实用意义。它可以在与光轴0到25的范围改变发射角，使光束几乎是从一根发射线，经过反射后，还是从这根反射线返回。
2.3.2光电传感器的分类和工作方式
1、槽型光电传感器 把一个光发射器和一个接收器面对面地装在一个槽的两侧的是槽形光电。发光器能发出红外光或可见光，在无阻情况下光接收器能收到光。但当被检测物体从槽中通过时，光被遮挡，光电开关便动作。输出一个开关控制信号，切断或接通负载电流，从而完成一次控制动作。槽形开关的检测距离因为受整体结构的限制一般只有几厘米。
2、对射型光电传感器若把发光器和收光器分离开，就可使检测距离加大。由一个发光器和一个收光器组成的光电开关就称为对射分离式光电开关，简称对射式光电开关。它的检测距离可达几米乃至几十米。使用时把发光器和收光器分别装在检测物通过路径的两侧，检测物通过时阻挡光路，收
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光器就动作输出一个开关控制信号。
3、反光板型光电开关把发光器和收光器装入同一个装置内，在它的前方装一块反光板，利用反射原理完成光电控制作用的称为反光板反射式(或反射镜反射式)光电开关。正常情况下，发光器发出的光被反光板反射回来被收光器收到；一旦光路被检测物挡住，收光器收不到光时，光电开关就动作，输出一个开关控制信号。
4、扩散反射型光电开关它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光收光器是找不到的。当检测物通过时挡住了光，并把光部分反射回来，收光器就收到光信号，输出一个开关信号。
2.3.3光电传感器的选择
这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。 单片机就是否收到反射回来的红外光为依据确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3CM[5]。
开始时采用发光二极管+光敏电阻，但是该方法缺点明显：易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。克服此缺点的方法：采用超高亮度的发光二极管能降低一定的干扰，但这又会增加检测系统的功耗。
后采用脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用带有交流分量的调制信号，则可大幅度减少外界的干扰；此外红外发射接收管的工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流很大（50～100mA）（ST-188允许的最大输入电流为50mA），则大大提高了信噪比。此种测试方案反应速度大约在5us。
2.4避障模块
探测障碍的最简单的方法是使用超声波传感器，它是利用向目标发射超声波脉冲，计算其往返时间来判定距离的。该方法被广泛应用于移动机器人
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