智能小汽車設計在實踐驅動式教學方法中的運用

李文禮　王晶晶　陳悅桐　楊洪凱　楊昕　唐正

摘 要 利用單片機芯片、紅外傳感器、循跡傳感器、微型電機及驅動模塊、電池及小車輪，自制小汽車底盤等附屬部件，設計一種具備智能跟隨、自動循跡行駛和智能避障的智能小汽車。激發學生靈活運用相關學科知識，聯系實際電路設計的具體實現方法，達到理論與實踐的統一。加深學生對控制理論的理解和認識，并培養其自主創新和研究的能力。

關鍵詞 智能小汽車 智能避障 智能循跡

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A

0引言

簡易智能電動小車是機器人的雛形，它的控制系統的研制將有助于推動智能機器人控制系統的發展，同時為智能機器人的研制提供更有利的手段。簡易智能電動小車，是一個集環境感知、規劃決策，自動行駛等功能于一體的綜合系統，它集中地運用了計算機、傳感、信息、通信、導航及白動控制等技術，是典型的高新技術綜合體。簡易智能電動小車的設計并非簡單的電子控制問題，而是涉及到多個學科的多個方面的知識。通過簡易智能電動小車的設計，能夠讓學生了解控制策略，傳感器基礎等相關學科的知識，培養學生的獨立思考和創新的能力。通過構建智能小車系統，采用智能控制算法實現小車的智能跟隨、智能避障和智能循跡。靈活運用相關學科知識，聯系實際電路設計的具體實現方法，達到理論與實踐的統一。在此過程中，加深對控制理論的理解和認識，并培養學生自主創新和研究的能力。同時讓學生了解智能汽車，培養學生研究智能汽車的興趣。

1智能小車電路設計

智能小車采用AT89S52單片機，需要外接超聲波避障模塊、紅外光電尋跡模塊、距離顯示模塊、電機控制模塊，小車整體框圖及實物如圖1所示。

單片機的最小系統包括了ISP接口電路、晶振電路、復位電路。ISP接口連接單片機的VCC、GND、MOSI、MISO、RST、SCK引腳，主要用于單片機程序的燒錄。同時，ISP接口也可以給單片機供電，在本設計中單片機的供電采用了專門的DC-5V接口，所以一般情況下ISP接口只用于程序的燒錄。在單片機最小系統中，包含了電子元件電阻、電容、晶振等，電阻R1、R2、R3用于分壓，防止電壓過大燒壞電子元件，R3和一個發光二極管D2連接并且提供電壓，和單片機P10端口連接，用于檢測燒錄單片機的程序是否起作用，當發光二極管D2發光，則表明燒錄在單片機的程序正在起作用，D1用于檢測該最小系統是否接通電源。

2智能小車尋跡模塊設計

智能小車要實現尋跡的功能，設計中采用光電紅外傳感器，光電紅外傳感器是由光電元件組成，分為發送和接收兩部分，透明封裝為發射紅外線裝置，黑色為接收紅外光線裝置。其原理就是把檢測物體的變化轉化為光電的變化，通過檢測物體對光電信號的反射來觸發接收元件，從而變化成電信號的變化。光電傳感器包括光源、光學通路和光電元件三部分。其優點是精度高、反應快、價格便宜等，而且不需要和檢測物體直接接觸，對檢測物體和傳感器都具有很好的保護。光電傳感器的結構十分簡單，樣式也靈活多樣，因此光電傳感器在廣泛用于檢測和測試方面，比如該類傳感器可用于檢光強、光照度、輻射測溫等非電信號。也可以用來分析氣體，根據氣體成分不同，光的反射率不同，從而有光信號的變化引起電信號的變化。零件的直徑、粗糙度、應力、位移、振動量、加速度，等都可以用光電光電光電傳感來檢測。

光電信號檢測電路中使用了RPR220光電傳感器、電壓比較器LM324以及電阻等電子元件。其工作原理是將兩個電壓做比較，被比較的電壓是一個固定電壓，其大小可以通過滑動變阻器手動調節，另外一個電壓是模擬量的電壓，當固定電壓和模擬量近視相等時，輸出的電壓將產生突變，即電壓比較器比較兩個電壓的大小，當”IN+”接口的電壓大于”IN-”接口的電壓時，輸出端口的電壓就是高電平電壓；反之，當”IN+”接口的電壓小于”IN-”接口的電壓時，輸出端口的電壓就是低電平電壓。

2.1智能小車電機驅動模塊

該智能小車采用“后置后驅”的形式，即兩個電機和驅動輪后置，前面采用兩個萬向輪。兩電機的型號完全一樣，這樣當所給的電壓相等時候，小車就很方便的直行。要實現小車轉向則給兩個電機輸出不同的電壓，使電機的轉速不相等從而控制電機的速度。

直流電機需要的電壓是穩定的，在一定電壓范圍內，電機接上電壓則轉動，反接則反轉馬達速度，當電機在正轉或者反轉的其中一種狀態下，頻繁的改變開關的開閉，則電機的轉速就不再勻速，而是隨著開關的通斷而變化，其電機的扭矩也會發生相應的改變，因此因此可以通過控制開關的通斷頻率來控制電機的轉速，電機采用PWM控制電機轉速就是這個原理。如圖2所示，但是這種方法雖然控制了電機的轉速，卻不能控制電機的反轉，即電機只能實現前進和停止，并不能實現后退，因此這種控制方法并不滿足該智能小車的設計。

利用H橋驅動電路實現小車的前進、停止、倒退， H橋電路由兩個PNP型管和兩個NPN型管組成，電機接在PNP和NPN連線的中點。

單片機能夠控制電機的核心電子元件有L298N芯片、二極管、電阻、電機等。該電路模塊有一個穩壓模塊，用于給L298N芯片提供電壓，也可以作為輸出電壓給單片機供電。在該模塊中，有8個二極管連接在電路中，因為電機是電感性負載元件，轉子由線圈成，當電機停止轉動或者反向轉動的時候，電機就會產生很大的反向電動勢，如果反向電動勢不通過二極管釋放，則該反向電動勢就會擊穿L798N芯片內部的三極管，從而損壞驅動芯片，加了二極管之后，反向電動勢使其二極管導通，從而保護了驅動芯片。該電路的驅動芯片選擇L298N驅動芯片，該芯片由SGS公司生產的集成電路芯片，其內部原理就是H橋驅動電路，包含了4個邏輯通道，可以同時驅動兩個直流電機。L298N芯片輸出電流可以為2A最高可以達到4A，因此芯片上需要加裝面積較大的散熱片以防驅動芯片熱穿透，并且散熱片需要接地。

3智能小車避障模塊設計

聲波在20-20000赫茲能夠被人們聽見，超過20000赫茲則就是超聲波，超聲波具有方向性好，穿透能力強等優點，播方式有有橫向傳播和縱向傳播兩種方式能量集中，傳播距離遠，廣泛用于測距、避障。該智能小車的設計采用的是HC-SR04超聲波測避障模塊，HC-SR04具性能穩定、測距準確可靠、抗干擾能力強、測量角度大等優點。其避障的基本工作原理如圖3，將超聲波輸出的信號接入單片機的相應的引腳進行處理計算。

當單片機給出10US的高低電平信號，超聲波模塊內部產生八個四十赫茲的脈沖信號，脈沖信號由物體反射回來，被接收器接收，從發出到接收定時器定下時間，要測量超聲波的距離，則通過公式S=時間差*聲速（340M/S）/2計算，計算距離是由單片機完成的，將測量的距離通過相關的引腳輸出給LCD液晶顯示器。

小車中避障過程中，程序中設距離為S，當距離S大于40CM，則小車直行；當超聲波測出的距離10CM

4小結

通過智能小汽車的設計，能夠讓學生了解控制策略，傳感器基礎等相關學科的知識，培養學生的獨立思考和創新的能力。靈活運用相關學科知識，聯系實際電路設計的具體實現方法，達到理論與實踐的統一。在教學過程中，加深對控制理論的理解和認識，使學生對課程產生興趣，提高學生工程實踐能力和創新能力，達到學生積極主動地去學習的效果。

基金項目：重慶市青少年創新人才培養雛鷹計劃項目（CY170904）。

參考文獻

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