引言：

隨著電子技術(shù)、計算機技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，消費產(chǎn)品呈現(xiàn)光、機、電一體化、智能化、小型化的趨勢。各種智能化小車在市場玩具中占一個很大的比例。傳統(tǒng)玩具的市場比重正在逐步縮水，高科技含量的電子玩具蒸蒸日上，日益成為電子玩具行業(yè)的發(fā)展主流。智能控制與傳統(tǒng)控制有機的結(jié)合起來，取長補短，提高整體優(yōu)勢，更好地滿足人們的需求。智能技術(shù)必將迎來它的發(fā)展新時代，因此，我們設(shè)計了這款智能小車。

1、機械部分總方案

在小車的機械要求保證預(yù)定的功能的前提下，我們還考慮到小車的經(jīng)濟、可靠、外形美觀，性能好、富有時代特點。

轉(zhuǎn)向機構(gòu)與驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計是至關(guān)重要的。為了保證小車轉(zhuǎn)向時精確、靈敏、可靠性高且在轉(zhuǎn)向時小車前輪純滾動而無滑動，利用阿克曼原理及解析算法，設(shè)計出等腰梯形的雙搖桿機構(gòu)，小車的完美轉(zhuǎn)向變?yōu)楝F(xiàn)實。

1.1、機械控制原理

在以單片機為核心的控制下，直流減速雙電機驅(qū)動小車后輪，舵機通過等腰梯形雙搖桿機構(gòu)控制小車轉(zhuǎn)向。

如圖一所示：

圖一：機械控制原理圖

1.2、阿克曼原理：

如圖二所示：

圖二：阿克曼原理示意圖

轉(zhuǎn)彎時因輪距與軸距的關(guān)系，兩前輪轉(zhuǎn)角不同，內(nèi)側(cè)輪轉(zhuǎn)向角比外側(cè)轉(zhuǎn)向角大，要使車輛轉(zhuǎn)向順利，車輪在地面純滾動而不產(chǎn)生滑移，必須使所有車輪都繞同一瞬時轉(zhuǎn)動中心滾動，兩前輪轉(zhuǎn)軸延長線與后輪輪軸延長線交與一點，這是阿克曼原理。此時，轉(zhuǎn)向的內(nèi)外輪轉(zhuǎn)角關(guān)系為 ：

ctgβ-ctgα=M/L

由解析法計算等腰梯形雙搖桿機構(gòu)連桿、連架桿長度：

已知連架桿AB的三個位置與連架桿CD的三個位置相對應(yīng)，即三組對應(yīng)位置為

，用解析法設(shè)計該四桿機構(gòu)。

建立直角坐標系，如圖所示，和分別為AB和CD的初始角，各桿長度分別用矢量和表示。將各矢量分別在軸和軸投影，得到投影方程

在上述方程中消去并整理，可得與之間的函數(shù)關(guān)系

在上式中令：

通過化簡可得到：

將兩連架桿對應(yīng)的參數(shù)分別代入到方程得到，再根據(jù)其他條件選定機架長度，據(jù)此，可求出其余桿的長度

有了小車的驅(qū)動結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)，將小車其他零件裝配好，可得到小車的裝配圖，如圖三：

圖三：小車整體裝配圖

2、電路部分總體方案

智能小車采用52單片機作為控制器，通過控制電路控制舵機轉(zhuǎn)向和直流減速電機的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)動方向，使小車能夠走直線和轉(zhuǎn)彎。運用集成的紅外對管GP2A25來巡線，安裝在車子前方，并排安裝三個，采集路面信號反饋給單片機，再由單片機控制電機的轉(zhuǎn)動和方向的調(diào)整，從而達到巡線的效果。整個小車還采用金屬傳感器來識別小車巡線上的金屬。

整個小車的結(jié)構(gòu)圖如圖四所示：

圖四：電路部分總方案圖

下面分別討論以上五個模塊。

2.1、單片機最小系統(tǒng)

單片機要能夠工作，必須加上晶振和復(fù)位電路，如果用到P0口的話還得給其加上上拉電阻，保證通電后P0為高電平。另外還得有給單片機燒寫程序的下載器，這個老師已給。單片機是此電路的核心部分。設(shè)計采用的52單片機，其工作電壓為5V（20引腳接5V，40引腳接地）。單片機根據(jù)程序輸出邏輯電壓從而完成控制作用。本設(shè)計使用單片機的P0.5到P0.7引腳來作為紅外巡線的反饋控制引腳。P0.4為金屬傳感器的控制端口，只可惜時間上不允許我們把金屬探測的功能做出來。P2.0到P2.3，為直流減速電機的控制線接口，能控制左右電機的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停轉(zhuǎn);P2.4和P2.5為電機的使能端接口，分別控制左右電機的轉(zhuǎn)速。P2.6為舵機的控制線接口，通過控制占空比來控制舵機的轉(zhuǎn)向及轉(zhuǎn)角大小。電路圖如圖五：

圖五：單片機最小系統(tǒng)

2.2、電源模塊

首先單片機用到的是5V的數(shù)字電，而電機驅(qū)動要用到L298的芯片，這種芯片用到12V的模擬電壓，驅(qū)動舵機用到的又是5V的模擬電壓。這就用到了三種電壓。我手上有一塊12V的電池，能夠供給L298作為電機驅(qū)動的電源。然后我選擇L7805來得到5V的模擬電壓。最后供給單片機的也是此電壓，然后把數(shù)字地和模擬地共地，從而得到了整個智能小車的總體供電系統(tǒng)。但是由于數(shù)字電和模擬電共在一起，干擾很大，系統(tǒng)的效果并不是很好。電路圖如圖六：

圖六：電源模塊電路圖

2.3、直流電機驅(qū)動模塊

電機驅(qū)動我們選擇芯片L298，當然在單片機和L298之間我們加了光耦，用來隔離數(shù)字電路和模擬電路。設(shè)計采用的光耦是TLP521-4，它主要由發(fā)光二極管和光敏三極組成。其工作原理如下：當光耦的輸入端（如IN1）接收到高電壓時，發(fā)光二極管沒有導(dǎo)通不發(fā)光，光敏三極管呈高阻態(tài)（可以認為其為斷路），此時輸出端（如OUT1）輸出高電壓;當光耦的輸入端接收到低電壓時，發(fā)光二極管導(dǎo)通發(fā)光，光敏三極管導(dǎo)通呈低阻態(tài)（可以認為其短路），此時輸出端輸出低電壓。由此可以看出通過光耦可以順利地將數(shù)字電路的邏輯電壓信號轉(zhuǎn)換到模擬電路中。而L298是雙H高電壓大電流功率集成電路。直接采用11L邏輯電平控制。可以驅(qū)動繼電器、直流電動機、步迸電動機等電感性負載。在此電路中L298連接保護電路根據(jù)單片機提供的邏輯電壓對電機進行驅(qū)動。具體驅(qū)動方式如下：當使能端為高電平時。輸人端1N1（IN3）為高電平信號，IN2（IN4）為低電平信號時，電機正轉(zhuǎn);輸人端INl（IN3）為低電平信號，IN2（IN4）為高電平信號時，電機反轉(zhuǎn);INl（IN3）與IN2（IN4）相同時，電機快速停止。當使能端為低電平時。電動機停止轉(zhuǎn)動。電機驅(qū)動采用的是PWM（脈寬調(diào)制）的方式。這是單片機上常用的模擬量輸出方法，通過外接轉(zhuǎn)換電路，可以將占空比不同的脈沖轉(zhuǎn)換成不同的電壓，以驅(qū)動直流電機轉(zhuǎn)動從而得到不同的轉(zhuǎn)速。PWM波的占空比越大，電機轉(zhuǎn)動速度越快，當占空比達到100%時，速度達到最大。電路圖如圖七所示。

圖七：電機驅(qū)動電路和光耦隔離電路圖

2.4、舵機驅(qū)動

舵機驅(qū)動我們選擇的是單片機的P2.6端口，在接到舵機之前我們也用了光耦來隔離數(shù)字電路和模擬電路，如圖七所示。而舵機的連接電路也很簡單，僅僅只有三根線：紅線接5V電壓，黑線接地，白線為信號控制線，接入單片機即可。舵機的內(nèi)部有一個基準電路，產(chǎn)生周期為20ms，寬度為1.5ms的基準信號，將獲得的直流偏置電壓與電位器的電壓比較，獲得電壓差輸出。最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定電機的正反轉(zhuǎn)。當電機轉(zhuǎn)速一定時，通過級聯(lián)減速齒輪帶動電位器旋轉(zhuǎn)，使得電壓差為0，電機停止轉(zhuǎn)動。接口連接圖如圖八所示。

2.5、紅外探測電路和金屬傳感器電路

紅外探測采用的是GP2A25集成紅外對管。其工作原理是當其檢測到黑線，即發(fā)射管發(fā)射的信號被黑線吸收而不能接收時單片機的端口得到一個高電平，否則為低電平。金屬傳感器的原理和紅外對管的原理相差無幾。接口連接圖如圖八所示。

圖八：舵機、紅外以及金屬探測器接口電路

3、程序部分

我所設(shè)計的三個紅外對管探測地面的算法是：首先中間檢測到黑線，則車直行，這時當黑線偏離時，左右的紅外對管都有可能檢測到。到檢測到就向相應(yīng)方向轉(zhuǎn)。這時黑線必將到達中間的紅外對管下面，車又直行。以下（圖九）為程序流程圖。

圖九：程序流程圖

程序有很多都是老師提供，只有紅外巡線的程序是我自己編寫，故我將此段程序?qū)懹诟戒浿小?/p>

4、調(diào)試部分

當電路板焊接好以后，首先是在不通電的情況下進行測試，看有無短路斷路問題存在。還好，我此次焊接的電路板并沒有這種問題。下一步就是通電測試了。主要是看單片機有沒有起振，有沒有開始工作，各管腳的電壓值等等啊。還好，一切正常。第三步就是燒寫程序以后的程序測試了。這也是耗費我最多時間的地方。在測試中，我先是發(fā)現(xiàn)自己的電路數(shù)字電路和模擬電路的相互干擾特別嚴重，舵機在工作的時候會很顫。于是我把電路分離開，重新測試。這時在測試的過程中我先后發(fā)現(xiàn)了其中一個直流電機存在問題，舵機也壞了。我又更換它們再次測試。

在整個測試過程中，我收獲頗豐。以前沒有調(diào)試過舵機，這次終于在自己的努力和老師的不吝賜教下學會了如何調(diào)試舵機。還有就是對整個電路系統(tǒng)的把握上也得到了很大的提高。

5、總結(jié)

看到小車比賽的視頻或是現(xiàn)場的比賽，勾起了兒時的美好回憶，興起了自己動手制作智能巡跡小車的念頭。曾經(jīng)還認為小車的硬件部分應(yīng)該是比較簡單的，通過自己的實踐才明白，從小車的整體構(gòu)思設(shè)計到每個零件的設(shè)計和加工，都蘊含了機械設(shè)計的各項原則，滿足性能要求，經(jīng)濟、可靠、外形美觀的諸多限制。

在小車轉(zhuǎn)向方面，我們認真研究了阿克曼原理并查閱了相關(guān)的資料最終采用解析法確定了平面等腰梯形四雙搖桿機構(gòu)，實現(xiàn)了小車轉(zhuǎn)向時靈敏、準確，純滾動無滑動的完美結(jié)構(gòu)。

電路方面，我們的收獲也很大。不僅鍛煉了自己在電路板焊接、測試方面的能力，包括了檢查錯誤，改正錯誤的能力;還學習了單片機的有關(guān)知識，這其中包括了直流電機、舵機、紅外巡線等方面的知識。

附錄：

1、 總電路圖

2、 機械結(jié)構(gòu)總圖