智能电动小车的设计

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摘要：本设计采用MC9S12XS128单片机最小系统板作为智能小车的控制核心，使用红外线光电传感器作为车道信息的检测，用超声波来测量两车之间的车距，由BTS7960芯片分别驱动双侧直流电机。单片机从红外传感器读取跑道标志线信息及边界信息，并用超声传感器计算车距，经过综合分析和优化的算法，以实现两车在对应的车道内正常行驶，并实现超车和避碰。

关键词：智能小车 单片机 红外线光电传感器 超声波

中图分类号:TP368.1 文献标识码：A 文章编号：1007-9416(2012)02-0001-03

智能电动小汽车能在规定黑边线跑道内隔圈相互超车行驶,由于跑道较窄，因此采用自行改装的小车架进行电动汽车制作，经最后调试与测试，均能稳定地按要求进行超车行驶。

1、系统设计方案

系统主要由主控电路板、光电传感器、超声波传感器、直流电机、电机驱动模块、液晶显示器等部分组成，主控电路板由MC9S12XS128单片机最小系统板、电压转换电路、按键和电源等部分组成。

1.1 硬件配置方案

硬件系统由微处理器、超声测距模块、车道信息检测模块、电机驱动等组成。为了前车与后车交换信息，可使用无线通讯模块，但由于会占用较多的时间，增加程序复杂度，因此设计中采用了向前进行超声测车距来判断前后车位置的确认，并根据车距来控制后车的车速，以防止两车相碰。

1.2 行车策略

行车有外道行车和内道行车两种方案，在外车道行走可以比较平稳的转弯但路程较多，在内车道行走虽然行程较短，但弯道标志线复杂，行车设计不确定因素较多，经过权衡，以牺牲速度保证不碰撞为原则，采用在正常行车道中外道行车，而在超车时，超越车在超车道左侧行驶，有利于避让。

1.3 电机驱动模块

电机驱动采用BTS7960集成驱动块。具有逻辑电平输入、电流诊断、斜率调节、死区时间产生和过温、过压、欠压、过流及短路保护的功能，驱动电流大。

1.4 信号检测系统

要实现两车能正常行驶并实现超车，必须有以下的检测和控制：两车之间的间距、道路边界的检测，起跑线、转弯标志线、超车区以及行车圈数的检测。信号检测系统包括道路检测和运行状态检测，其中道路检测包含用红外线光电传感器进行道路边界线检测和标志检测；运行状态检测包含用红外线光电传感器来计算行驶圈数及用超声波来测车距等。

1.5 控制系统

控制系统在单片机程序控制下，根据道路检测情况控制电动小汔车在规定的道路内行驶。在直道上前后车需保持一定的距离，当检测到转弯标志线时，利用左右电机差速的方式转过一定的角度，在进入超车区时，前车减速并靠右侧车道缓慢行驶，后车则从左侧车道快速绕行并超车。

电动小汽车两车的距离检测采用超声波测距的方法。在小汽车行驶中，前车以一定的速度领跑，后车在直线段启用超声测距来自动调节与前车的车距，从而保证两车在行驶中不相碰。在超声波测距算法中，为了减少干扰，采用多次确认与数据滤波相结合，从而使车距测量正确可靠。

2、电路设计

2.1 系统电路设计框图

智能电动小车电路系统组成框图如图1所示。

2.2 红外线道路黑边沿识别电路

图2为道路黑边沿识别电路。光电传感器TCRT5000集成了发射和接收元器件，通过地面反射回来光的强弱产生相应的变化电压，再经LM393运放器比较来向单片机输出高低电平信号，从而判断黑线的位置。

2.3 电机驱动电路

图3为左右电机驱动模块电路中的其中一路。由2片BTS7960驱动芯片组成两路桥式驱动电路来驱动电机。第5脚(SR)外接电阻为4.7K,第6脚外接电阻为10K,第2脚(IN)、第3脚（INH）外接电阻均为10K。通过输入第2脚的PWM波来控制电机电压的大小与极性变化，从而进行变速与转向。

2.4 超声波测距电路

超声波测距由超声波发射、接收、计算共三步完成。超声波发生器在某一时刻发出1-5个周期的超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器所接收，这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体之间的距离。

2.4.1 超声波发射电路

超声波发射电路原理图如图4。发射电路主要由反向器74LS04和超声波换能器构成，单片机端口输出的40KHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上拉电阻R10、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

2.4.2 超声波检测接收电路

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图5）。实验证明用CX20106A接收超声波，具有很高的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当调整电容C4的大小可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

3、程序设计

3.1 主程序

小车控制软件由主程序和中断服务程序组成。各道路标志线的检测采用定时器中断检测，其他信息的采集采用定时查询方式。主程序主要实现对当前车所在位置的判断，并根据不同路段实现相应的控制策略。包括是否启动超声测距、直道正常寻迹行驶、弯道转弯角度控制、是否超车等等。小车行车控制主程序流程图如图6。

3.2 中断程序

中断程序用于处理跑道中的转弯标志及圈数计数，其中断程序流程如图7。

4、测试分析与结论

通过对两电动小汔车功能测试，均能相互超车，并且在行驶中，保持一定的间距。说明设计方案基本正确。每圈行驶的时间有所不同，分析原因主要是细木工板做的跑道表面颜色差异较大，造成循迹干扰而消耗了一定的时间。由于两车行驶速度有差异，在弯道转弯以后两车间距较大。另外，超声波的接收会受到高速电机的干扰影响，在软件及硬件的调试上费时较多。总体上小车都能完成相互超车的功能，达到了设计要求。

参考文献

[1] MC9S12XS128 数据手册..

[2]楼然苗.超声波高度测量器的设计[J].微计算机信息,2006,22(10-2):273-285.

[3]楼然苗,李光飞编著.单片机课程设计指导[M].北京:北京航空航天大学出版社,2007年6月第1版

[4]李光飞,李良儿,楼然苗,等编著.单片机C程序设计实例指导[M].北京:北京航空航天大学出版社,2005年9月第1版.

作者简介

周佐谕,连海树,毛姝姝:浙江海洋学院机电工程学院学生。

指导教师:李良儿（1949―），男，汉，教授，研究方向：单片机应用技术、新型传感器。

楼然苗（1965―），男，汉，高级实验师，研究方向：嵌入式单片机应用技术。