XXXIII前言20世紀，汽車逐漸走進千家萬戶，不僅為我們的日常出行提供極大的便利，還推動社會的進一步發展。另外，隨著汽車工業的全面發展，也推動全球經濟的可持續發展，甚至在一定程度上改變了世界經濟發展的形式。但是對于傳統汽車來說，雖然可以為我們的生活和出行提供便利，也在一定程度上對人們的身體健康造成負面影響，比如汽車尾氣污染、噪音污染等。同時，尾氣污染的問題已經引起全球人們的關注和重視。結合公安部門統計的相關數據得知，一直到2016年年底，我國汽車數量已經接近2億輛。結合世界汽車組織的統計報告顯示，2015年期間，全球范圍內汽車銷量多達8967.80萬輛，直到今天，全球汽車數量已經超過10億輛。如今，社會和經濟呈現出前所未有的發展態勢，人們的物質生活條件也得到顯著提高，人們對于汽車有著日益迫切的需求，尾氣污染的問題也會日益加劇，甚至會導致環境危機的出現，對人們的健康造成極大的負面影響。所以，我們要積極改善環境，緊跟社會發展的步伐，同時注重新型環保汽車的研究和開發，這也是未來發展的必然趨勢。方案設計與論證系統主控芯片的選擇方案一：主控芯片選擇AT89C52芯片，通過主控芯片對傳感器模塊、電機驅動模塊以及顯示模塊進行控制。這一方案硬件設計較為簡略，使用到的端口數量較少，這樣對信號傳輸中造成的干擾強度低。方案二：主控芯片選擇AT89C52芯片，AT89C2051芯片作為從控芯片，通過兩個單片機進行分工協作。與其他方案不同的是本方案需要多端口進行控制，通過傳輸協議或光電耦合器連接的芯片組，將模塊進行細分不同單片機控制不同的模塊，將電機驅動模塊進行分離，使用與其他模塊分離，使用從控芯片AT89C2051芯片進行控制，其他模塊由主控芯片AT89C52芯片控制，以達到減少耦合干擾的目的。本設計選擇方案一，主控芯片選擇AT89C52芯片，通過主控芯片對傳感器模塊、電機驅動模塊以及顯示模塊進行控制。本案兼具實用和易學習的特點，較為適合本階段的設計。在設計中的端口數量的選定和分配中，初步設想為1個主控芯片AT89C52其中的4個端口，就能夠完成設計中預想的智能電動小車的全部功能。從經濟成本和時間規劃來思考，也是方案一與本設計匹配度更高，1篇主控芯片的在硬件及軟件設計中更為妥帖。電機驅動模塊的選擇方案一：H型的PWM電路可以實現電機正轉、電機反轉與電機轉動速度變化的功能，選取由達林頓管構成本方案的電路。電路工作在占空比可調的開關狀態，對直流電機的旋轉速度能夠精準控制。控制信號采取光耦合形式，這樣可是實現單片機控制部分與電機的驅動部分劃分兩個單獨的供電系統，每個模塊選擇不同的電源供電，這一做法使整體系統中的各個模塊更加獨立，使電路的驅動能力得到更好的優化。由達林頓管組成的H型PWM電路圖如圖2-1所示。圖2-1采用達林頓管組成的H型PWM電路方案二：大功率達林頓管搭配微型繼電器構成電機驅動電路，使用大功率達林頓管組成放大電路將驅動信號進行放大，使用繼電器對電機正轉與反轉進行切換。大功率達林頓管結合微型繼電器電機驅動電路如圖2-2所示。圖2-2大功率達林頓管結合微型繼電器電機驅動電路方案三：選取現有的專用電機驅動芯片實現對電機的控制，能夠購買到的專用電機驅動芯片多種多樣，這種芯片可以應用到很多設計中，它擁有抗干擾性強、操作簡單且價格便宜等特點。在比對市面上能夠采購到的電機驅動芯片的使用方法、實現的功能、成熟度等方面，最終選擇L298N電機專用驅動芯片進行設計電機驅動電路。L298N電機驅動芯片如圖2-3所示。圖2-3L298N電機驅動芯片SGS公司主導并推出L298N產品，其中包含4通道邏輯驅動電路，二相以及四相電機都運用該驅動器，其中包含兩個H橋高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準為TTL邏輯電平信號，對于46伏以及2安以下的電機具有良好的驅動效果。其實物及引腳圖如圖2-4所示：圖2-4L298N芯片引腳圖ENA屬于芯片使能端，將IN1與IN2連接到單片機的控制端，將OUT1與OUT2連接到電機的位置。L298N芯片的邏輯功能如表2-1所示。表2-1L298N芯片邏輯功能介紹IN1IN2ENA電機狀態XX0停止101順時針011逆時針000停止110停止方案一的自行搭建H型PWM橋式驅動電路需要選擇多種器件，還需要設計及定制PCB板，需要花費大量時間進行PCB板的設計和制作，同時焊接和調試的過程較為繁瑣，還需要進行大量的軟件編程，對編程語言的熟練運用的要求較高。方案二相較方案一選擇的器件有所減少，但是仍具有設計及定制PCB板和焊接調試過程繁瑣的特點，同時也對軟件編程有更高的要求。方案三選擇的L298N芯片在控制兩個電機的正轉與反轉時僅需簡單的編程即可實現，對于控制電機轉速則利用PWM技術來實現。方案三擁有簡單易上手、時間成本低、抗干擾能力強等優點，因此本設計選擇方案三進行電機驅動模塊的設計。黑線檢測模塊的選擇方案一：通關光敏組件構成一個光發射電路一個接收電路，通過光接收電路的接收到光線強弱變化來判斷是否到達黑線，光發射電路選擇常見的光發光二極管構成，光接收電路選擇光敏二極管構成。本方案利用到的原理是：光反射系數在材質不同的平面上數值不同，反射回的光線也有所不同，主控芯片通過傳感器接收到不同光線產生不同的電流進行判斷，判斷其是否經過黑線。缺點是周圍環境中的光線對結果有巨大影響。方案二：對方案一發光二極管進行更換，更換為紅外發射器，光接收電路換成不調制的反射式紅外光電傳感器，該方案所具備的原理類似于方案一。方案三：運用方案二當中的光接收電路，將其轉換為反射式紅外光電傳感器，是以脈沖調制為主，通過交流信號可以避免受到環境光源的影響，通過調節占空比，就可以實現對最大電流的有效調節。三個方案原理基本相似，方案一雖然擁有材料容易尋找，經濟成本低的優點，但是外環境中的光對方案中的光敏二極管會產生極大的干擾，容易產生錯誤判斷的情況。方案二和方案三均采用紅外發射器作為光發射電路的重要組成部分，方案二的不調制的反射式紅外光電傳感器的檢測精度相較于方案三中的脈沖調制的反射式紅外光電傳感器的較低，但是它也可實現本設計中地對路面黑線的檢測，通過由紅外發射管發射的經地面黑線反射至紅外接收管的紅外射線信號，可以完成對路面黑線的準確檢測。對此，我們稱之為：反射式紅外光電傳感器。以下是該傳感器的具體圖示：圖2-5反射式紅外光電傳感器速度檢測及顯示模塊的選擇參數顯示方案一：選取七段數碼管作為參數顯示，其特點是抗干擾性強，軟件編程簡單，重量較輕，但是在信息量大的情況下占用單片機端口多。根據方案二可以得知，選擇LCD1602液晶顯示器，可以同時顯示兩行字符，每行16個字符，其中ASCII字符集字庫中包含128個字符，一次顯示信息量大，且端口占用不多，易于控制。測速方案一：選取霍爾傳感器進行測速，實現對霍爾器件和小車底盤的有效結合，在車輪內側的位置安裝小塊的磁鐵，小車在行駛的過程中，霍爾器件輸出的電平值較高，等車輪內側的磁鐵接近霍爾元件時，就可以輸出低電平，車輪每完成一周的轉動，就會產生一個低電平脈沖，導致外部出現中斷的現象，同時累計一次里程脈沖數。其缺點是小磁鐵不便安裝，且成本較高。測速方案二：選取槽型紅外光電傳感器測速，在小車輪軸上安裝一個用于測速的鋸齒狀碼盤，并用槽型紅外光電傳感器檢測碼盤的鋸齒，記錄紅外光通斷信號。本設計采用槽型光電傳感器與LCD1602液晶顯示器作為設計智能小車的測速模塊和參數顯示模塊。智能小車需要顯示路程，時間，車速等參數，信息量大，適合用液晶顯示器。智能小車輪子若安裝小磁鐵，容易脫落，不好固定，所以測速模塊選用槽型紅外光電傳感器配合測速碼盤。槽型紅外光電傳感器如圖2-6所示。LCD1602液晶顯示器如圖2-7所示。圖2-6槽型紅外光電傳感器圖2-7LCD1602液晶顯示器硬件設計總體設計系統整體硬件的功能描述：由電源模塊給所有用電器元件供電，通過主控芯片AT89C52控制電機驅動使小車實現前進和后退，同時啟動黑線檢測模塊和速度檢測及顯示模塊。通過黑線檢測模塊中的紅外發射器和反射式紅外光電傳感器共同作用下，通過反射回的光進行判斷，在小車不斷地行駛過程中是否到達黑線，當檢測到黑線時主控芯片通過內部預設的軟件程序進行判斷，控制電機驅動模塊進行速度的變化與旋轉方向的改變。通過速度檢測及顯示模塊中的槽型紅外光電傳感器進行速度檢測，將檢測到的數據傳輸給主控芯片，主控芯片通過對速度數據的計算，獲得出路程、車速；主控芯片通過控制LCD1602液晶顯示器對路程，時間，車速等相關數據的顯示。智能電動小車總體硬件設計圖如圖3-1所示。圖3-1智能電動車總體硬件電路設計圖電機及驅動模塊、黑線檢測模塊、速度檢測模塊、參數顯示模塊接至單片機的數據口，系統引腳配置如圖3-2所示：圖3-2系統引腳配置圖單片機最小系統設計所謂單片機，全稱是單片微型計算機，是一種具有代表性的嵌入式微控制器，一般用MCU來代表單片機，早年間在工業控制領域得到廣泛運用。和專用處理器相比起來，單片機的適用性更強，在嵌入式系統中得到有效運用，所以應用范圍廣泛。單片機內部的功能模塊和電腦類似，包括內存、CPU以及存儲器件等，但是區別是這些部件的性能要比電腦差很多，但是價格較為低廉，不超過10元就可以購買，以此作為控制電器足夠了。當前使用的全自動滾筒洗衣機、VCD等，都可以看到單片機的存在。對于系統控制組件來說具有至關重要的作用。AT89C52單片機是由8位CPU、存儲器、串并行I/O口、定時器/計數器、振蕩器以及時鐘系統等組成的，結合系統總線路就可以實現各個部分的緊密連接。單片機的結構較為簡單，操作便利，同時具有良好的安全性和可靠性，可以連續工作10小時，運行速度快，功耗和電壓都比較低，可以用于生產便攜式產品。以下是AT89C52單片機各個引腳所具備的功能：在單片機的硬件電路中主要包括以下幾個部分，分別是：單片機、時鐘發生電路、P0口電壓提升電阻等。其中，時鐘發生電路可以滿足單片機對于工作脈沖的需求，復位電路在運行時，則可以實現信號的有效復位，避免出現任何異常。下圖3-2是該單片機最小系統的硬件設計圖示，下圖3-3是單片機最小電路的圖示：圖3-3單片機最小系統電路表3-1單片機引腳引腳功能20接地線40電源輸入，接＋5V電源18片內振蕩電路的輸出端19片內振蕩電路的輸入端9復位引腳，引腳上出現2個機器周期的高電平將使單片機復位。30地址鎖存允許信號31程序存儲器的內外部選通，接低電平從外部程序存儲器讀指令，如果接高電平則從內部程序存儲器讀指令。PO口8位雙向I/O口線，名稱為P0.0～P0.7P1口8位準雙向I/O口線，名稱為P1.0～P1.7P2口8位準雙向I/O口線，名稱為P2.0～P2.7P3口8位準雙向I/O口線，名稱為P3.0～P3.7復位電路將一個電阻和一個電容連接到單片機的復位引腳RST上，只有當此引腳接收到有效的復位電平時才會復位，有效復位電平是指兩個以上的機器周期的高電平。復位電路分為兩種一種為上電復位，另一種為按鍵復位。上電復位時是當單片機接入電源時復位引腳RST接收到有效復位電平，將單片機進行復位操作，此種復位方式需要每次復位時重新接入電源，如此頻繁的斷開和接入電源會造成不必要的元器件使用壽命縮短的情況。按鍵復位的原理與上電復位的原理相同，硬件電路也極其相近，他是通過長按按鍵給單片機的復位引腳RST提供有效復位電平達到復位的目的，相較于上電復位此種復位方式無需多次斷開與連接電源，可以延長元器件的使用壽命，同時更為人性化。因此本設計選擇按鍵復位，復位電路圖詳見圖3-4：圖3-4復位電路時鐘電路時鐘電路在單片機最小系統中是必不可少的電路之一，時鐘電路通過晶振為單片機提供準確的時鐘頻率，晶振是晶體振蕩器的簡稱。晶振是一種被動元器件，只需通電就會自主工作，通電后晶振會產生穩定的高低電平，使單片機穩定工作。時鐘電路圖詳見圖3-5：圖3-5時鐘電路電機驅動模塊電路本設計的電機選擇自帶減速器的直流電機，此類型的電機擁有大扭矩、負載能力優秀、可實現按比例降速的優點。通過主控芯片給L298N電機驅動芯片發布指令，L298N電機驅動芯片通過不同引腳獲得不同的高低電平形成不同組合，電機驅動芯片在通過IN1、IN2和ENA接收到的電平轉換為控制電機轉動的信號，通過OUT1和OUT2來控制電機轉動，可實現控制小車前進、后退、遇到黑線減速等操作。電機驅動模塊硬件電路如圖3-6所示。圖3-6電機驅動模塊硬件電路黑線檢測模塊電路本設計將紅外發光管和反射式紅外光電傳感器等元器件，安裝在支架的相同側。通過紅外發光管發射到地面的紅外光，反射式紅外光電傳感器接收到地面反射回的紅外光使傳感器導通，主控芯片對反射式紅外光電傳感器傳輸回的狀態來分析是否遇到黑線。為解決光電傳感發出的信號不穩定的普遍現象，本設計選用LM324電壓放大器對反射式紅外光電傳感器所發出的波形進行整形。LM324集成塊內部裝有四個獨立的電壓放大器，該電壓放大器的特點是：(1)內部頻率補償(2)直流電壓增益高(約100dB)(3)源電壓范圍寬：單電源(3—32V),電源(±1.5—±16V)(4)功耗電流，適合于電池供電(5)輸入失調電壓和失調電流(6)模輸入電壓范圍寬，包括接地(7)模輸入電壓范圍寬，等于電源電壓范圍(8)出電壓擺幅大(0至VCC-1.5V)LM324引腳圖如圖3-7所示：圖3-7LM324引腳圖黑線檢測模塊硬件電路圖如圖3-8所示。圖3-8黑線檢測模塊硬件電路圖軟件設計主程序模塊本設計的主程序中使用到四個中斷，分別是：電機PWM控制中斷、轉速檢測中斷、黑線檢測中斷、時間中斷。在設計各中斷優先級順序時經歷了多次調試和實驗的失敗最終確定順序，優先級順序由低到高分別是：電機PWM控制中斷（內部定時器1）、轉速檢測中斷（外部中斷1）、時間中斷（內部定時器0）、黑線檢測中斷（外部中斷0）。當主控芯片AT89C52通電后將所需調用的參數、程序、中斷等進行初始化，通過顯示模塊把時間、路程、速度等信息轉化成LCD1602能夠讀懂的信號，將信號傳輸給顯示模塊；通過黑線檢測模塊對電機驅動模塊進行控制，每次遇到黑線時都會調用黑線檢測中斷程序，通過遇到黑線次數的不同給電機驅動模塊發布不同的指令，以達到電機正轉、反轉、停止；通過測速模塊獲得當前小車的速度，把速度數據發送給顯示模塊進行顯示。主程序流程圖如圖4-1所示：圖4-1主程序模塊流程圖電機驅動模塊電機驅動需要配合黑線檢測模塊共同運行，通過判斷黑線記錄參數（line）給驅動模塊發布不同的指令，本設計中涉及的12條黑線如圖4-2所示。圖4-2電機驅動部分黑線劃分圖通過調節電機PWM控制中斷（內部定時器1）產生一定頻率的脈沖波形來改變電機轉動的速度，可以實現檢測到第一根黑線時控制電機正轉使小車前進和清零路程和時間；檢測到五根黑線時控制電機反轉使小車后退；檢測到十二根線時小車停止轉動。電機驅動模塊控制流程圖如圖4-3所示：圖4-3電機驅動模塊控制流程圖黑線檢測模塊通過黑線檢測模塊檢測到一次黑線時系統調用一次黑線檢測中斷（外部中斷0），每當檢測到一次黑線時，預設的黑線記錄參數（line）就加一，將參數傳輸給電機驅動模塊，為電機驅動模塊提供基礎的判斷參數。黑線檢測模塊流程圖如圖4-4所示：圖4-4黑線檢測模塊流程圖測速及顯示模塊當外部中斷口P3.3檢測到有下降沿時，測速脈沖數（distance）自加一。通過內部程序對測速脈沖數進行計算，通過速度數據和時間數據計算出路程數據，將速度數據、時間數據、路程數據通過編碼編程LCD1602能夠讀取的信號，最終實現LCD1602顯示相應數據。測速及顯示模塊流程圖如圖4-5所示：圖4-5測速及顯示模塊流程圖制作安裝與調試本設計利用PROTEUS軟件對整個系統做仿真。PROTEUS軟件從原理圖布圖、代碼調試到單片機與外圍電路協同仿真，一鍵切換到PCB設計，真正實現了從概念到產品的完整設計。在編譯方面，它也支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器。由于PROTEUS軟件中沒有槽型光電傳感器和反射式光電傳感器，所以在設計中只能根據兩種傳感器的原理，用矩形波代替槽型光電傳感器所感應的電機轉速信號，用點動開關產生的通斷信號代替反射式傳感器的測線信號。在仿真過程中，當按下開關后，電機開始正轉，當檢測到第三條黑線時，電機減速前進運轉；當檢測到第四條線時，電機高速前進運轉；當檢測到第五條線時，電機輸入倒轉信號進行剎車；當檢測到第六條線時，電機停止10秒后自行倒退；當檢測到第9條線時，電機減速倒退行駛；當檢測到第十條線時，電機高速倒退行駛；當檢測到第十一條線時，電機輸入正轉信號進行剎車；當檢測到第十二條線時，電機停轉。小車運行過程中，利用定時器與計數器記錄行駛時間，行駛速度等。小車停止后，LCD1602液晶顯示器顯示小車行駛里程，行駛時間，電機轉動圈數，以及遇到的黑線數。小車黑線設置如圖5-1所示。圖5-1小車黑線設置圖PROTEUS軟件仿真結果如圖5-2所示。(a)快速前進(b)低速前進(c)高速后退(d)低速后退(e)參數顯示圖5-2PROTEUS軟件仿真結果圖在硬件電路安裝調試階段，基本實現了上述仿真中可以達到的狀態，其電路測試實物如圖5-3所示。圖5-3系統硬件電路測試圖結論在電動汽車發展領域涉及多個方面的技術，比如電子技術、信息技術、新能源技術等，整體科技含量較高，另外，通過電機驅動的方式就可以實現智能控制和汽車聯網技術，避免人為操作出現任何失誤，大大提高汽車運行的安全性和穩定性。隨著電動汽車的產業化發展，不僅可以實現對高科技技術的運用，還可以對傳統產業進行改進和優化，打破工業信息化發展的制約和限制。所以積極發展智能電動技術，這是當前發展的趨勢，更能實現產業的信息化發展。本文在研究的過程中，是以單片機AT89C52芯片為核心，充分結合光電檢測以及傳感器技術，促進小車各項功能的順利實現，包括黑線檢測、轉速檢測以及參數顯示等，從而完成本課題的研究任務。在進行系統設計的同時，硬件線路相對簡單，軟件編程也較為方便快捷，此次設計當中還需要不斷改進和完善，比如光耦合器在運用的過程中，可以實現對光電的有