毕业设计（论文）基于光电管的智能车硬件设计

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1、XX学院毕业论文（设计） 第 29 页 目录目录I摘要IIIAbstractIV第一章 绪论11.1 引言11.2 智能汽车比赛简介11.3 智能汽车研究目的和意义21.4 论文结构2第二章 机械组件32.1 车模搭建32.2 舵机安装32.3 轮胎调整42.4 底盘调整52.5 编码电机安装5第三章 硬件电路模块方案63.1 电源与接口模块63.2 传感器模块73.2.1 红外管与红外接收管73.2.1 聚光LED灯与光敏电阻93.2.2 激光管与激光接收管93.3 电机驱动模块93.4 测速模块93.5 数据传输模块与上位机方案10第四章 模块方案设计114.1 电源与接口模块设计114.

2、1.1 电源电路114.1.2 接口电路124.1.2 系统转接板144.2 传感器模块设计154.2.1 传感器电路测试154.2.2 传感器PCB板设计164.3 电机驱动模块电路184.4 测速模块194.5 数据传输与上位机204.5.1 数据传输实现204.5.2 上位机模块21第五章 组装系统22第六章 设计总结23参考文献25附录26致谢29诚信承诺书30基于光电管的智能车硬件设计摘要全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路

3、的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。制作智能汽车所涉及的专业知识包括控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对大学生的知识融合和实践动手能力的培养，对汽车电子技术的发展，具有良好的长期的推动作用。在实现智能车的过程中我们采用了各种的方案比对，对所有电路进行模块化接口化处理，大大降低了电路在实现过程中出现的错误，分为：电源接口模块，传感器模块，测速模块，电机驱动模块，数据传输与上位机模块等。然后通过接口连接在一起，实现工作稳定的智能车硬件电路。他使用了传感器，编码电机，无线模块，稳压管等作为重要的任务器件。实现了赛道识别，速度测控，赛车数据传输，电源稳

4、压，速度控制等功能。 关键字 智能车，传感器，稳压电路，PCB设计 Freescale Smart carelectronic hardware design groupAbstract National University Freescale cup competition in the provision Smart car model car platform, using Freescale Semiconductors 8-bit, 16-bit microcontroller as the core control module, by increasing the road s

5、ensors, motor drive circuit and the preparation ofcorresponding software, make a road to self-identify model car, in accordance with the stipulated way to complete the shortest time for the better.Smart cars are involved in production of professional knowledge, including control, pattern recognition

6、, sensor technology, automotive electronics, electrical, computer, machinery and many other disciplines, and students practical hands-on knowledge integration and ability, the development of automotive electronics,has good long-term boost. In the process of intelligent vehicle we use a variety of pr

7、ograms than for all circuit modular interface processing, greatly reduces the circuit in the realization of the process error, divided into: the power interface module, sensor module, measuringspeed module, motor drive module, data transfer and PC module.Then connected through the interface to achie

8、ve stability in the work of intelligent vehicle hardware.He used the sensor, coding machine, the wireless module, such as an important regulator of the task of the device.Track to achieve the recognition, measurement and control the speed, the car data transmission, power regulator, speed control an

9、d other functions.Key words Smart car, sensor, voltage regulator, PCB design第一章 绪论1.1 引言汽车是人类利用科学改变生活的开始，从工业革命蒸汽开始到电气化然后是智能化，汽车始终代表着人们生活中的科技实用领域。在科技的推动下，汽车也即将步入智能化。所谓的智能汽车就是无人驾驶的汽车，通过程序实现驾驶，可以达到火车一样的安全可靠驾驶。给人们的出行安全带来更大的保障，火车之所以安全是因为他有一个很可靠的铁轨，只要铁轨安全也就能保证火车常年的运行而不出问题。科技是必须为生活服务的，所以智能汽车即将也能成为生活的主导交通工具

10、。它们可靠通过可靠的程序，灵敏的传感系统，高速的处理器来实现汽车更加安全的行驶，相信在以后的发展中会给人们生活带来更大的便利。 制作智能汽车所涉及的专业知识包括控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对大学生的知识融合和实践动手能力的培养，对汽车电子技术的发展，具有良好的长期的推动作用。1.2 智能汽车比赛简介 “飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。2006年引入中国举办第一届邀请赛。 全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体

11、公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。 该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，自2006年首届举办以来，成功举办了三届，得到了教育部吴启迪副部长、张尧学司长及理工处领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区170余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年第三届被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中9个科技人文竞赛之一（教高函200730号文，附件2），2009年第四届被邀申请列入国家教学质量与教学改革工程资助

12、项目。1.3 智能汽车研究目的和意义智能控制系统现在已经广泛应用于生活中，而汽车作为已经产生了上百年的技术产品，智能化却迟迟没有跟上脚步。这是由于汽车在行驶中需要考虑太多的参考条件，一般的智能系统是无法完成这么多条件判断的。因此虽然也有很多的智能系统应用于汽车，但是都不能实现到汽车的控制上。其实人们并不是不敢去开发智能汽车，在技术发展中也出现过很多模式的只能汽车现代智能小车从其诞生到现在，已经发展到了第三代。第一代智能小车是示教再现型智能小车。它们装有记忆存储器，由人将作业的各种操作要求示范给智能小车，使之记住操作的程序和要领。当它接到再现命令时，则自主地再现示教的动作。第二代智能小车是装有简

13、单计算机和简单传感器的离线编程的工业智能小车。它能感知外界信息和进行“思维”，比绍一代智能小车更灵活、更能适应环境变化的需要。第三代是智能小车。智能小车是“其有感知、思维和动作的机器”。它装有多种传感器，能识别作业环境，能自主决策，具有人类大脑的部分功能，且动作灵活，是人工智能技术发展到高级阶段的产物。只要技术水平达到了能够减少汽车在生活中的事故，那么智能汽车也将向火车一样给人们的生活带来跟多的便利和安全。1.4 论文结构 为了更加方便智能车的结构设计，在计划前期我们就采用模块化原理，对智能车实行模块化设计。这样不仅提高了设计的工作效率，电路实现起来也简单，模块与模块之间只要进行接口处理就能实

14、现，而且如果出现故障更换模块方便。论文以模块实现步骤分布完成。第一章：绪论（介绍智能车的发展以及比赛情况）第二章：机械组件（车模组装与调试）第三章：模块方案（比较硬件电路模块的可行性方案）第四章：模块方案设计（确定了模块方案的电路实施过程以及遇到问题）第五章：组装系统（系统模块的组装）第六章：论文总结（总结设计情况）第二章 机械组件2.1 车模搭建首先我们拿到车模要先查看车模清单是否有少的部件，然后才开始组装。车模原装的底盘上有安装好的的电机.轮胎.后轮轴上已经装好了齿轮。电机的位置可以通过螺丝来调整它与齿轮的距离。一般情况不要调节电机位置，因为车模为塑料多次调节可以引起螺丝松动。在装配过程中

15、厂商会提供很多垫片，要分清他们的用途并且保存好他们，因为在调试过程中可以用来修改汽车的机械参数。2.2 舵机安装舵机是一个汽车能把握方向的唯一因素，舵机的安装位置和方式将决定汽车在转向时角度大小和灵敏度。安装图示上会提供一些安装的方法，但是这些只能是作为参考，如果你想你的汽车能够比别人转的角度更大更快，你就必须做与众不同的设计。例如：必须把舵机的转动力矩加长，通过这样来提高舵机转动灵敏度。下面列举两种方式安装舵机。1. 舵机横向贴底盘安装法如下图2.1所示：图2.1 横向舵机安装图 舵机竖直中间安装方法如下图2.2所示：图2.2 竖直舵机安装图 优缺点对比：横向安装方便，因为车模提供的空间刚好

16、适合于安装舵机而无需做支架。但是会有很严重的问题就是他会导致转向时左右的最大转角不一样大。从而导致汽车在转向的时候出现同样一个弯道，左转和右转一边回很顺利另外一边回很吃力或者出线。在力矩加长的情况下这样的情况会好转，但是还是会有很大的差别。如果用舵机置于中间的装配方法，则能很好克服着项缺点，因为是两转向杆与地面平行而且长度一样所以当舵机转动一定角度时，轮胎的转动角度也一样，能达到很高的控制效果。但是这样的设计安装起来非常的麻烦必须要做很牢固可靠的支架，因为在汽车行驶过程中转向杆会给舵机带来很大的扭力而且容易损坏舵机。 由于是第一次做比赛，所以考虑到支架需要专业的工具才能完成，所以我们选择了第一

17、种方案，为了克服左右转向不一的问题，我们对车模与轮胎接触的边缘进行打磨，增大最大角度。2.3 轮胎调整为了增加前轮转弯时的稳定性，对前轮相关部分进行了部分改动。首先，更改前后垫片的数量，使前轮主销后倾，这样，车轮具有更好的自动回正功能。其次，更改连杆的长度，使车轮内倾，使车前轮形状近似“内八字”，车轮转弯时，前半部分重心上移，促使赛车转弯更加稳定。再次，我们通过更改舵机连杆的长度，增加前轮前束，同样增加了前轮的稳定性。后轮我们也做了相应的处理，更换后轮轮距调节块，使后轮两轮之间间距加大。这样，车在转弯时不容易产生侧滑。其次，调节后轮差速，使赛车转弯更加灵活。2.4 底盘调整 为了提高赛车运行时

18、的稳定性，对底盘相关部分作了部分改动。首先，前轮相关位置加垫片，降低了前轮重心。其次，更改后轮车轴处的调节块，使后轮重心升高，这样，车身前倾，一定程度上，增加了车的稳定性。2.5 编码电机安装 编码电机使用齿轮方式安装在汽车尾部，通过加工的支架固定，支架设计成可调的的方式，可以调节它与后此轮的耦合度，因为如果耦合太大影响汽车速度，而且行驶时候会产生大量噪音，如果耦合过小会打滑对速度控制产生影响。 第三章 硬件电路模块方案硬件电路模块主要有：1. 电源与接口模块2. 传感器模块3. 电机驱动模块4. 测速模块5. 数据传输模块与上位机3.1 电源与接口模块对于一个系统来说供电是首要的，没有供电什

19、么都无法运行，所以做好电源并且保证他能给我们的系统和模块提供更高的电源质量是非常重要的。整个系统采用大赛指定的7.2V 2000mAh Ni-Cd蓄电池作为系统能源，并且通过降压稳压电路分出6v，5v分别给舵机和单片机以及无线模块和传感器模块供电使用。核心控制模块采用组委会提供的HC9S12XS128模块，他提供了128个接口插槽。我们没有全部用到，但是要把所要用到的口引出来，所以我们决定把电源降压和接口集成在一块转接板上。来实现供电和接口转接的功能模块。在下章节里我再详细介绍接口电路与电源电路集成模块。现在先介绍我们在电源模块实现的方案。大赛指定7.2V 2000mAh Ni-Cd蓄电池，我

20、们所要设计的变压有6V，5V其中舵机6V 传感器编码电机跟无线模块，最小系统供电都为5V。系统供电图如下图3.1所示： 图3.1系统供电框图 能够产生稳定的5V，6V的稳压电路很多，我们需要的是一个稳定的电压给模块供电当电池电压变得很低时也能正常工作的电路，在试验中我们必须知道什么是我们最需要的。找到各样的稳压管参数进行比较。例如：我们比较LM2940和7805以及TL431之间的区别，同样是稳压管LM2940比7805的转换效率高。7805直接输入不接输出的情况下，其内部还会有3mA的电流消耗（静态电流）。而LDO元件的静态电流就比它远远小得多了,2940就属于LDO元件。TL431的负载能

21、力很弱，输出电流很小，因此常作为参考电压源使用。LM2940才是专为大功率供电使用的。 通过类似这样的筛选，我们确定用LM2940作为5V稳压电路，用LM1117作为6V稳压电路。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V，LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.2513.8V输出电压范围。因为考虑到我们的舵机为了提高其工作效率，可能会采取提高电压的方式，所以外部电阻采用可调的精密电位器调节电压达到6V的输出。3.2 传感器模块传感器应该算是硬件部分的主导技术了，一辆车能否跑快取决于它如何去分辨这条道路，分辨率越高你就越能看清

22、楚前方道路，也就能做到最好的判断。更加完美的完成，所以这里也是本论文的重点，如果说摄像头组是给汽车装了个眼睛的话，那我们的光电组也能算上蜗牛的触角了。光电传感器一般由两部分组成：发射管和接收管。发射管发射光线，光线经过赛道的反射，由接收管接收到，通过不同的光强接收管的状态不同，实现赛道信息的采集。因为白色和黑色对于光线的反射系数不同，反射回的光线强度也不同，被不同的接收单元接收到后，表现出不同的状态（如电阻值的变化，或者电流或电压的变化）。 下面列举各种传感器实现方案：3.2.1 红外管与红外接收管红外管可以分为两总组合方式，分离式和对管，分离式就是说发射管和接收管是分开的，他们的发射接收角是

23、可变的，可以自动的调节以达到最佳效果。原理如图3.2所示： 图3.2分离发射管图 由上图能看出分离式光电接收管可以有更好的前瞻性，但是由于慢反射的角度可变，而且非常小，如果接收管没有很好的灵敏度，在区分黑白赛道颜色时产生的信号就会很小只有20-50mV的压差，不能用做信号输出。所以角度的调整和接收管的挑选时很困难的事情，而且贵州地区能买到的只有很少型号的接收管。 另外的就是光电对管了，也就是我们最后采用的实现方式，它的发射管和接收管方向是平行的，封装在一起，接收管的定向性比较好，而且比分离的接收管灵敏度高很多，安装也方便。但是由于平行安装，如果与地面角度过于小就会导致反应数字变小。经过多次测量

24、光电管与地面保持700 左右的角度最为合适。只有的方式只要是能保证对管能有较高的区分电压能达到1-2V就达到信号输出标准了。如下图3.3所示： 图3.3光电对管反射3.2.1 聚光LED灯与光敏电阻聚光LED与光敏电阻搭配，其实与红外光管分离式是一样的原理，但是由于比赛场地大多都用大功率的钠灯照明，所以考虑到可见光对光敏电阻干扰过大，所以我们在准备初期就不取用这种方法了。3.2.2 激光管与激光接收管激光管和激光对管其实电路实现是一样的，同样是通过接收管的电压或者电流变换得到的信号。不同的是他采用了透镜成像原理，能探测到更远的距离，如果调试好的话可以达到一般摄像头的距离。这是一个突破增强了前瞻

25、性，车子可以预先准备，可以更好的控制速度，速度可以更快。透镜成像原理如下图3.4所示： 图3.4透镜成像原理这里物象可以用激光接收管来做，当在一定范围内，激光点打在赛道上成像的倒影会打在接收管上。要注意的是这个物象是倒影，在对焦和固定透镜的时候会产生很大麻烦。每对管子都必须对焦，预防交叉干扰。综合上述的方案，我们选择性能更加可靠的红外光电对管，当然激光是个不错的选择但是我们第一次做比赛，不得不选择更加安全保险的方式。而且时间不够，我们掌握激光透镜原理调试要花费很多时间。况且红外对管的稳定性好，也方便调试。具体实现方法将在第四章介绍。3.3 电机驱动模块 目前有两种电机驱动模式，用飞思卡尔专用的

26、33886，和自己制作的MOSFET电路。由于实践证明光电组的速度没有达到要用MOSFET来供电的范畴，所以我们只考虑的33886来实现。3.4 测速模块 速度测量反馈回来的信号用于控制速度，可以提供变速的条件依据。这里可以用做测速的可以用红外对管，也可以用霍尔元件来自己制作，但是精度不够，影响速度控制，而且需要制作编码盘，打孔。主要是安装复杂，我们缺少模型制作工具的情况下，我们选择购买现成的编码电机，主要可以节省我们的时间和精力。3.5 数据传输模块与上位机方案对于测试数据的传输我们采取了两种：有线传输 就是直接通过上位机串口接单片机串口传输。这样的方式直接而且成本低，可以对质量较大的串口线

27、做改变，使用一些质量较轻的线代替，在小车行驶中不会产生太大的干扰。无线传输 使用无线模块传输，就关电组来说所需要传输的数据量非常少我们采用高频传输的无线模块，完全能够传输我们采集的数据和小车运行参数。对于上位机的编写有很多方式，有各种的编程软件都可以实现，可以选择C+,VB，JAVA等。而对于控制类的编程来说我们使用的是LabVIEW 8.5，这是一款可视化的专业控制编程软件。它所有的控制都是可视化的控件组成，而且可以提供很多图形模式，能让我们汽车运行的数据看起来更加的直观。第四章 模块方案设计在挑选模块的实现方式后我们进入到最重要的环节，就是模块电路的实现。4.1 电源与接口模块设计4.1.

28、1 电源电路为了能使智能车系统能正常工作，需要对电池电压进行调节。其中，单片机系统、路径识别传感器模块、测速模块电路需要5V电压，伺服电机工作电压范围是4.8V到6V，因此我们给其接到6v上。直流电机是用7.2V的电池直接供电。根据方案对比我们选用了LM2940 与LM1117来实现5V和6V的稳压。下面分别介绍我们在使用LM2940 和LM1117的电路。LM2940 5V稳压电路5V稳压电源模块不只为S12单片机供电，而且还要为传感器和无线模块等供电考两次到小车可能做频繁的加速，减速动作使得电池两端电压会有较大的波动，因此为了确保系统能正常工作避免单片机意外的重启，在电源输入端加上旁路电容

29、。如图4.1所示，为了消除来自电源的干扰，在输入端分别接入了电容值比较大的的电解电容和瓷片电容。图4.1 LM2940 稳压电路 LM1117 6V稳压电路稳压芯片选择低电压差的LM1117。其输出电压和输入电压差可以低到1.3V，而电池电压高于7.2V,因此LM1117满足6V稳压要求。通过运用公式V=1.25*（1+R2/R3）调节可变电阻R2，可以得到输出电压稳定到6V。实验证明LM1117能够为舵机提供稳定的电压，在赛车运行中，电压的波动范围在5.88-6.08V之间，能够很好的维持舵机的稳定工作。下面是LM1117原理电路如图4.2所示： 图4.2 LM1117稳压电路电源模块介绍完

30、了，基本电路很简单。下面介绍接口。 4.1.2 接口电路我们要用到的单片机是S12XS128，他提供128个接口，我们用PP3用于舵机控制， PP1 PP5 用于33886 OUT1 OUT2输出,PJ6 PJ7用于光电管组控制，PJ0 PJ1 33886,TXD0/PS1 RXD0/PS0 无线串口输入输出,AN0-AN11用于光电输入A/D转换。比赛官方提供的最小系统版如图4.3所示：图4.3系统板构造图 他对应的管脚图如图4.4所示：图4.4 单片机接口表 我们必须取出我们所需要用到的端口，然后引出来到电路板上，为其他模块提供接口。在设计中我们只取用我们需要用到的口的管脚，因为系统版是插

31、槽式的，所以我们只要在需要用的口设置插针然后引出来就可以了。接口电路原理图如下图4.5所示： 图4.5 转接板电路图 排布在中间的是稳压电路，然后输出相应的电压。两边的插孔是单片机插孔引出的对应的模块接口，用于链接相应的模块电路。4.1.2 系统转接板系统转接板就是集合电源模块和接口模块在一起的系统板，他将是以单片机为中心的控制单元平台，也是各个模块的供电和接口平台。把所有的模块接口综合在一起也方便检测模块的工作是否稳定，如果模块出问题也方便更换。在设计PCB版中虽然电源电路，我们遇到的问题是我们只能制作单面的PCB版，所以相对来说可能会出现很多的跳线，这也是不可避免的。也需要做很大的调整才能

32、更好的减少跳线的使用，加强系统版的稳定性。PCB板如图4.6所示：图4.6 电源接口模块PCB板图实物图见附录图附2转接板原图。4.2 传感器模块设计4.2.1 传感器电路测试第三章节中，我们挑选了ST188光电对管作为传感器使用，ST188是采用的高发射功率的红外发射管，和高灵敏度的红外接收管组成。其工作特性和外形如下图4.7所示:图4.7 ST188 参数 参数给定了，我们需要做一些测试，例如光电管各种垂直距离的黑白赛道数值时多时，以及标准赛道情况下我们如何安放光电管比较合适。同一批号的光电管也会出现不同的参数，所以我们必须经过测试电路来选择参数更加接近的，这样能更好的让程序判别黑白赛道。

33、下面是我所做的测试电路以及光电管测试过程。如图4.7所示： 图4.7 光电管测试电路 上图左为简单的测试电路图，其中1K的精密电位器是用来调节发射管功率的，经过测试为100比较合适，我们选用直接从较大电阻20K中取出电压值，这样方便电路的设计，而且取出的电压值能达到理想的范围。右图为测试模型图，使用白色KT板宽度60CM，中间贴上宽为2.5CM的黑色胶带。3接下来做好测试支架开始在垂直1.5CM-3CM距离进行测试。测试数据如下表4.1所示：表4.1光电管测试数据高度 ST188号1号黑白v2号黑白v3号黑白v4号黑白v5号黑白v6号黑白v7号黑白v8号黑白v9号黑白v10号黑白v11号黑白v

34、12号黑白v1.5cm0.25v4.80v0.22v4.70v0.20v4.9v0.18v4.70v0.17v4.69v0.18v4.83v0.25v4.99v0.22v4.89v0.21v4.98v0.23v4.77v0.28v4.87v0.28v4.88v2.0cm0.27v4.52v0.25v4.45v0.24v4.64v0.22v4.47v0. .21v4.43v0.22v4.45v0.24v4.47v0.27v4.47v0.25v4.33v0.27v4.35v0.28v4.70v0.30v4.72v2.5cm0.23v4.02v0.22v4.00v0.27v3.85v0.22v4.2

35、2v0.19v4.02v0.24v3.86v0.20v3.98v0.19v3.78v0.25v3.79v0.27v4.08v0.22v4.05v0.23v4.07v3.0cm0.30v3.02v0.23v3.10v0.21v2.78v0.23vv2.37v0.24v2.54v0.29v2.58v0.27v2.46v0.40v2.88v0.32v2.96v0.32v2.86v0.38v3.05v0.40v3.24v通过上表分析在1.5cm-3cm这段测试距离中稳定段在2.0cm-2.5cm之间，虽然3.0cm距离的数据可以使用但是支架过高抖动系数不利于数据采集。数据在测试过程中由于支架定位不稳定

36、所以也可能产生误差。实验室照明和比赛照明条件也不一样也会影响到测试数据的准确性。但是我们得到的数据显示这批光电对管在一定的环境下工作是稳定的，数值相差不大，所以决定开始做开始PCB电路板设计。在电路板设计中，我们制作了多块板子，其中买到的ST188有两种型号，L3和L4经过测试L4的接收距离比L3远，但是L4的每个管子的参数差距太大。而且制作出来的传感器对环境的要求高，容易受光线干扰。4.2.2 传感器PCB板设计 把上诉电路应用到实际的电路板设计中，首先我们必须考虑到赛道的检测，和接口的问题。赛道规定的是：黑线宽度25mm，赛车可以沿着黑线自主循线。当任何时刻只有一路传感器在黑线上的情况（每

37、两个传感器之间的间距是25mm），传感器由一种状态转化为另一种状态所移动的距离，即有效距离为：25mm。当有时有一路传感器在黑线上，有时有两路传感器在黑线上的情况下（12.5mm传感器两两间距25mm）。如图4.8所示：图4.8传感器设计图试验初期我们选用A形方案，而且在电路上仍然采用紧密电位器调节发射功率。这样做起到了不错的效果，就算环境不理想，我们可以改变光电管发射功率来实现调节。但是发现一个问题，当汽车进入弯道时候如果转向不理想250mm长的传感器电路板显得过于长，最边上的光电管容易检测到赛道以外的地方引，引起程序判别错误，认为黑线在赛道以外因而转向跑出赛道。后来经过考虑我们采用了B形排

38、列方式，这样做检测的精度也会得到有效的提高，因为在程序执行中要检测到最边上的光电管程序才会让舵机打死，所以距离小了也提高了反应速度。下面是我们制作的PCB版图，因为原来是单面板制作所以需要做很多的调整，在论文设计中我又按照原来的模型做了双面板的PCB图，效果要比单面板好很多。如下图4.9所示：图4.9传感器PCB板 在焊接电路时候一定注意元件位置的安排，因为考虑到电阻是可以以其他方式放置的所以没有我们只用做两个焊盘代替就可以，在实际安装的时候一定要了解它的位置和电阻值，我们直接用于PCB板设计后，把接地的12端集合，然后为了防止干扰我们把光电管间隔分为两组。分别用接口中的PJ6 PJ7口通过9

39、012 或者8050开关三极管来交替点亮。这样也能降低光电管的功率消耗。这里会出现一个问题，就是关于接口的排序，因为出于电路设计的考虑我们必须按照能排布的方式设计转接板模块的接口排序，光电管我们也只能按照光电管的设计思路来排布接口所以两边不能达到对接，必须有在排线序列上做一些调整，这些对应的口在排布对齐能工作后必须迅速固化起来，避免在之后的测试中脱落后出现不必要的麻烦。经过多次的设计后我们光电管基本达到能适应很多变化的环境，而且工作稳定。实物图见附录图4传感器原图。这样我们的传感器模块就基本制作完成了。下面一节我们对电机驱动模块进行实用设计。4.3 电机驱动模块电路 电机驱动使用飞思卡尔专用电

40、机驱动芯片MC33886。驱动电路如图4.6 所示。为了增大驱动能力，减少单个33886的发热量，我们采用两片MC33886 并联的方案。系统使用PWM 控制电机转速，充分利用单片机的PWM 模块资源。电机PWM 频率设定为8KHz。 由于MC33886芯片的工作电压为5-40V，导通电阻为140毫欧姆，PWM频率小于10KHz，具有短路保护、欠压保护、过温保护等功能。因此这种芯片是很好用的。我们将电机驱动芯片安装在制作的电机驱动PCB板上，在PCB 板设计时，考虑到芯片散热问题，在mc33886上我们安装了散热片，通过实际运行效果表明这种设计较好的达到了要求。为了防止电动机突然停止时产生的电

41、磁干扰，我们在电动机的两端焊接了一个0.1F 滤波电容。 其功能电路如图4.10所示： 图4.10 双片33886驱动电路 原图如附录图3电机驱动原图所示。4.4 测速模块 测速模块我们采用的是编码电机，他每一个周期能采集200个数发送到单片机上。这个采集量足够我们很准确的判断汽车的速度，编码电机共有3个接口电源，地，以及数据。速度模块真正遇到问题是安装的问题，由于找到相同口径的齿轮很困难，我们只好找到一些废弃的玩具汽车，用他们的齿轮来进行改装。也可以采用皮带的方式，但是皮带容易打滑，可能影响到编码电机的发送。所以还是使用齿轮。这样可以通过齿轮的比例来计算在车轮转动一圈，编码电机转动多少圈从的

42、得到更精缺的数据。具体安装需要加工模型把编码电机很好的固定在与后轮传动轴的同轴方向上。并且保持齿轮与齿轮的结合度不能过高或者过低，使用铅笔粉来润滑，这样可以不像使用润滑油一样会产生污染到其他组件。具体装配图如图4.11所示：图4.11 编码电机安装图4.5 数据传输与上位机4.5.1 数据传输实现在汽车调试过程中我们必须保证能检测到智能车运行的数据，如果用有限链接的话不方便调试所以必须采用有一定数据传输能力的无线模块，用于汽车和上位机的链接，这里我们选用了SZ05系列的嵌入式无线模块，原理图如下图4.12所示：图4.12 SZ05无线模块无线模块分别用于上位机串口端，和单片机串口端，RX1接用

43、户系统输出，TX1接系统输入，然后接上电源和地就能实现正常通信。波特率设置为115200。原图如附录图5无线模块原图所示。10 4.5.2 上位机模块上位机的编写，用于监视汽车运行数据。还需要控制汽车运行状态，停车或者起步。所以这样的控制必须是更直观的，我们才能更好的调试汽车。我们选用labview 8.5编写，这是一个专门用于工程控制的软件，他的编程都是可视化的。我们设置速度调节，传感器状态显示，停车 启动，速度写入，舵机调节等控制选项。能很好的采集控制汽车的运行参数。界面如下图4.13所示： 图4.13 LEBVIEW上位机系统界面 其中右下界面是停车与运行，小车状态以及33886驱动报警

44、，右上方文本框可以在线写入所要速度方向参数，往左的看上面读数的地方是可以现场采集传感器的值这个更提高我们的传感器适应能力。往下是方向的角度盘可以观察舵机偏转情况，还可以写入角度初始值来控制舵机在运行中出现的偏差。最顶上条状的是传感器的显示，每一个传感器的值都在这里显示。右边是所记录赛道障碍的标示分别于十字线，起跑线，出道检查。左下方式一个大的坐标显示，他可选速度，方向，马达等各种控制的数据以坐标曲线方式显示。控制马达转速的占空比信号输入，它将能直接控制马达的输出。 第五章 组装系统 因为我们已经模块化了所有的外围电路，所以我们在系统装配的时候变得很简单，只要接口能正确的链接系统就能正常工作了。

45、我们用PP3用于舵机控制， PP1 PP5 用于33886 OUT1 OUT2输出 ,PJ6 PJ7用于光电管组控制， PJ0 PJ1 33886,TXD0/PS1 RXD0/PS0 无线串口输入输出,AN0-AN11用于光电输入A/D转换。 系统版模块需要提供的接口：舵机口（VCC PP3 GND 三口）,33886电机驱动（VCC PP1 PP5 PJ0 PJI GND 六口）,传感器口(PJ6 VCC AN0-AN11 GND PJ7十六口 )，无线模块口（VCC TXDO RXDO GND 四口）,编码电机接口（VCC PP7 GND）。 各模块板接口：舵机口（VCC红线 PP3蓝线

46、GND黑线 三口）,33886电机驱动（VCC PP1 PP5 PJ0 PJI GND 六口）使用排线,传感器口(PJ6 VCC AN0-AN11 GND PJ7十六口 )，无线模块口（VCC TXDO RXDO GND 四口）使用16根排线,编码电机接口（VCC PP7 GND）。 除了舵机口和无线模块口可以直接按顺序链接外，电机驱动口和传感器口需要交叉链接，具体链接如图5.1所示：图5.1 系统组装接口图其中有传感器模块接口比较复杂，由于AN口是8个数据一起转换方式，而光电管是分组开关点亮。所以必须把传感器的AN 0 2 4 6 8 10口接在系统板接口的AN 0 1 2 3 4 5 ,而

47、传感器AN 1 3 5 7 9 11 接在系统板的 AN 6 7 8 9 10 11 上这样才能正常转换。基本系统就这样搭建完成。 第六章 设计总结飞思卡尔智能汽车是一个智能系统，他需要有信息的来源这就是传感器，而后信息的流向大脑也就是处理器。处理后然后流向反应装置电机。这就是一个完整智能系统的反应链，而我们则需要去通过电子的方式模拟着一个反应链。无论是智能程度如何规模如歌，这将所有的智能系统都将需要去实现的。我们设计的系统，能很好的完成比赛的要求，而我涉及的部分则是对系统的硬件以及硬件电路和接口电路进行实现操作，我们在机械方面的欠缺，通过查找机械方面的资料来弥补，最终达到了我们预计的目标。汽

48、车电路在运行中会出现故障，电路方案在测试过程中需要修改，这些都是必须的。那么作为一个硬件设计实施者我们需要做到什么？我们需要做的就是在有限的时间里努力去发现问题和解决问题。最重要的是记住接口的链接，要明白每一个接口的用途和链接方法，以及电路的每个测试点的电位参数。因为在长期的测试中会出现很多的意外。在测试的过程中要保护好汽车，因为车模都是塑料的，而车在运行中会跑出轨道，而且速度很高。在车测试过程中必须有人负责汽车的安全。就算我们很努力的保护汽车，汽车的传感器还是损毁了两次。在比赛前要做好备用模块，在其中模块实在无法工作的时候，可以更快的更换。如果你不了解自己的设计，那么关键时刻万一出问题你就会

49、变得很彷徨。因为这是一个比赛，你必须比别人更了解情况。智能汽车硬件实施问题：1. 首先是原件采购的问题，元件采购大部分都得从网上购买，采购周期长，所以要做好提前的准备。2. 由于是单面板，在电路制作过程中焊点会非常的小，焊接的时候容易引起虚焊。造成接触不良。3. 排线接口与排针尺寸不对，在接口的时候必须对排针做弯曲处理。4. 舵机安装不对称，汽车左右的最大转角不一样。 智能汽车硬件改进方案： 1.传感器可以使用激光，因为如果只是红外传感器它始终有一定的感测距离，这也局限了速度的提高。如果使用激光传感器他的感测距离会是红外传感器的几倍。 2.舵机安装需要修改，因为之前的不对称安装舵机转角左右会有

50、偏差，在比赛中会出现有的弯度即使汽车打死也过不去。 3. PCB板设计采用双面板，这样电路可以减少很多的跳线，而且电路实施起来方便，检测故障一目了然。 4.接口标注，在实施过程中我们往往会忘记接口的功能，在PCB板制作过程中标注好接口功能。 5.跟换最小系统，由于最小系统版S12XS128体积太大，应该采用功能更加强大，系统板体积更小的。比赛是艰苦的，想起反复的做电路板，反复的测试电路，当你闻到松香的味道你就会认真起来，当你看到窗上的铁栅栏你都会想起你还为完成的电路图。一个个的焊点从奇形怪状到一体化。你就会发现，你真的很理解你自己，你是一个能把一个简单电路实现功能的人了。参考文献 1 卓晴，黄

51、开胜，邵贝贝学做智能车-挑战“飞思卡尔”杯.北京：北京航空航天大学出版社，2007.3 1105. 2 孙增圻，张再兴智能控制的理论与技术J，控制与决策.1996，2(01) 3 自动控制原理/蒋大名、戴胜华主编。北京：清华大学出版社、北方交通大学出版社，2003.6 4 张幽彤，陈宝江汽车电子技术原理及应用M北京：北京理工大学出版社，2006 5 谭浩强C程序设计北京：清华大学出版社，2001 6 吴怀宇,程磊,章政.大学生智能汽车设计基础与实践M.电子工业出版社，2008 7 沈长生，常用电子元器件使用一读通M. 北京. 人民邮电出版社2004 8 周斌，李立国，黄开胜. 智能车光电传感器布局对路径识别的影响研究. 电子产品世界， 2006.5 9 Freescale,Inc.MC33886 Datasheet. U.S.A:Freescale Semicondutor,Inc,2005 10 侯国屏，王坤，叶齐鑫LabVIEW7.1编程与虚拟仪器设计北京：清华大学出版社，2005 附录 图1 舵机安装位置原图图2 转接板原图图3 电机驱动原图 图4传感器实物图 图5无线模块原图