智能小車的設計與制作

馮 超，姜曉鋒

西南交通大學電氣工程學院，四川成都 611756

智能小車的設計與制作

馮 超，姜曉鋒

西南交通大學電氣工程學院，四川成都 611756

本項目以2010年國家大學生創新性試驗計劃為課題背景，首先對智能型運輸貨物機器人總體設計方案進行敘

述，闡述各個要素的工作原理，然后就整個機器人系統分為四個模塊，并對每個模塊的設計和制作進行闡述。本項目“智能型運輸貨物機器人”是在一定空間和條件下自動完成對一個設定目標的搜索，并通過控制機器人的機械設備將其裝載到小車上，搜索過程中可檢測并躲避障礙物。本項目基于單片機系統來設計和實現，主要包括四部分，即傳感器檢測系統、單片機控制系統、電動機驅動系統、機械控制系統。集成了傳感器技術、單片機技術、機械控制技術、程序設計與控制、Multisim仿真軟件和PCB電路板的設計等知識，實現了控制、檢測、運動及軟硬件完美的結合。

機器人；單片機控制；設計；制作

1 設計任務概述

小車在無人操作的情況下可以完成循跡、避障等功能，并能檢測到金屬塊發出報警聲音。

2 系統方案論證與選擇

本系統主要由微控制器模塊、電源模塊、避障模塊、循跡傳感器模塊、直流電機及其驅動模塊、金屬檢測模塊、角度測量模塊，語音提示模塊以及液晶顯示模塊等構成。本系統的方框圖如下所示：

系統總框圖

2.1 車體方案

小車利用履帶前進的，比較平穩，而且左右輪是兩個相同的電機分開牽動的，通過單片機控制可以利用兩邊轉速差來實現轉彎功能。這樣，當兩個直流電機轉向相反同時轉速相同時就可以實現電動車的原地旋轉，由此可以輕松的實現小車坐標不變的90度和180度的轉彎。

2.2 控制模塊

采用MSP430單片機，MSP430系列單片機是一種16位的超低功耗的混合信號處理器。其之所以稱之為混合信號處理器，主要是由于其針對實際應用需要，把許多模擬電路、數字電路和微處理器集成在一個芯片上，以提供“單片”解決方案。MSP430單片機更適合于低功耗、高速實時控制以及數據計算，它擁有更多的片上資源供設計使用，是設計的不錯選擇。

2.3 電源模塊

采用7.2V可充電動力電池組。動力電池組具有較強的電流驅動能力及穩定的電壓輸出性能，經測試在用此種供電方式下，單片機和傳感器工作穩定，直流電機工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復利用等，能夠滿足系統的要求。

2.4 電機模塊

采用直流減速電機。直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，小車電機內部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調速功能，很方便的就可以實現通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。

2.5 電機驅動模塊

電機的驅動芯片選用L298N作為驅動芯片。工作穩定電機驅動信號由單片機提供，信號經過光耦隔離后，傳至PWM控制芯片L298N，通過L298N的輸出腳與兩個電機相連。

2.6 避障模塊

用漫反射式光電開關進行避障。光電開關的工作原理是根據光線發射頭發出的光束，被物體反射，其接收電路據此做出判斷反應，物體對紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。

2.7 循跡模塊

當小車在白線地面行駛時，裝在車下的紅外發射光發射紅外線信號，經過白色反射后，被接收管接收，一旦接收管收到信號，輸出端將輸出低電平；當小車行駛到黑線時，紅外線信號被黑色吸收后，將輸出高電平，從而實現了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機的I/O口，當I/O口檢測到信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑線吸收了，表明小車在黑色的引線上；同理，當I/O口檢測到信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。

3 硬件系統的設計與功能實現

3.1 主線路板制作

在本項目中我們選擇了制作雙面線路板，優點是可以使線路簡單，容易布局布線，很適合完成基本任務后的擴展，增加了電路板的可靠性，散熱也較好，缺點是增加了制作工藝。

3.2 微控制器電路的設計與原理

微控制器電路是整個智能救援小車系統的核心控制部分，它負責對各路傳感信號的采集、處理、分析及對各部分硬件電路進行調整。本設計制作的智能救援小車系統以MSP430F單片機控制電路為整個系統的控制電路，通過各種傳感器電路，采集各種傳感器信息，以發出各種控制信號命令，來完成相應的操作。

電源電路為系統提供基準電源，是整個系統工作穩定性關鍵所在，本系統采用7.2V可充電動力電池組，可充電反復利用，動力電池組具有較強的電流驅動能力及穩定的電壓輸出性能，經測試在用此種供電方式下，單片機和傳感器工作穩定，直流電機工作良好。

3.3 電機驅動電路的原理與設計

本設計中采用的電機專用驅動芯片L298.L298可直接對電機進行控制，無須隔離電路。通過單片機的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對電機進行正反轉，停止的操作，操作非常方便，亦能滿足直流減速電機的大電流要求。調試時在依照上表，用程序輸入對應的碼值，即可以實現對應的操作。

3.4 避障電路的原理與設計

用漫反射式光電開關進行避障。光電開關實際發射頭與接收頭于一體的檢測開關，其工作原理是根據發射頭發出的光束，被物體反射，接收頭據此做出判斷是否有障礙物。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。單片機根據接收頭電平的高低做出相應控制，避免小車碰到障礙物。由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機對信號的處理。

3.5 循跡電路的原理與設計

采用RPR220型光電對管完成系統循跡任務，循跡電路是用以實現小車沿著場地的黑色弧形引導軌跡BC進行前進和位置校正的，且小車不能偏離該軌跡。 本項目中采用RPR220型光電對管完成系統循跡任務，傳感器的數據線輸出信號為開關量，可直接與單片機的I/O引腳相連接，硬件電路實現比較簡單，其靈敏度可以通過調節多圈電位調。

在循跡檢測傳感器設計中，我們在車體底盤的前端裝有兩個傳感器，用來檢測黑色弧形軌跡，起到循跡前進的作用。

3.6 金屬檢測電路的原理與設計

金屬傳感器性能的好壞對于該系統的功能是否能實現，起著十分重要的作用。我們選用的是LJ12A3-4-Z/BX型號的電感式接近開關進行金屬檢測工作，其電路原理如下圖所示，由于其數據輸出端通過5.1K上拉電阻，輸出的是TTL電平，輸出信號為開關量，可直接與單片機的I/O引腳相連接，硬件電路簡單，容易操作。

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