教学用智能小车的创新设计

徐亚丹　何俊杰　何秦军　凌鹏飞　黄良良

摘 要：设计了一种教学用智能小车，由底盘系统、电控系统组成。底盘系统由转向机构、传动机构、差速机构、悬架组成。电控系统采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机为核心控制部分，由电源模块、驱动模块、方向控制模块、壁障模块、寻轨模块、测速模块、测距模块、坡度检测模块、液晶显示模块组成。文章介绍了总体设计思路和功能，制作了智能小车的硬件电路，并编写了程序代码。通过测试，可以实现变速、转向功能、测距、寻迹、壁障、坡度测量、测速、实时显示探测参数的功能。该智能小车用于上课演示及实践教学，学生可以直观地了解汽车的性能参数。

关键词：小车；智能；创新

引言

《汽车性能评价与选购》课程是高职院校汽车技术服务与营销专业的核心课程。学生通过该课程的学习，了解汽车性能指标和测试方法。由于汽车性能测试对试验场地有较高的要求，以及行车安全性方面的考虑，在教学过程中用真车做性能测试有较大的局限性。为了把枯燥的理论通过生动直观的形式进行展示，使学生产生一种具体的形象思维，在感性认识的基础上掌握知识要点，拟设计一款智能小车作为汽车性能类课程的教具，让同学们在一种轻松，活跃的课堂中学习知识，提高学生的学习兴趣和积极性。

1 总体设计

根据课程对汽车的测试要求，文章设计的智能小车，采用高仿真汽车底盘的机械结构，运用电控技术，具备以下功能：

1.1 机械结构设计

1-后轮；2-底盘；3-主传动轴；4-电池组；5-横拉杆；6-前减震器；7-前差速器总成；8-舵机拉杆；9-舵机；10-电动机；11-电动机散热片；12-后差速器总成；13-后减震器；14-主传动齿轮；15-电动机固定座；16-霍尔传感器；17-后下摆臂；18-磁钢；19-后传动轴；20-后连接杆；21-前下摆臂；22-前传动轴；23-转向固定座。

1.2 电控系统设计

2 各模块设计

2.1 单片机模块

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。该单片机与其外围电路构成此整体电路的主控部分。

2.2 电源模块

电源由电池经过稳压电路供给。采用5V电源供电。

2.3 驱动模块

L298可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。

2.4 方向控制模块

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

2.5 避障模块

避障电路即由多个红外传感器构成。红外传感器有发射端与接收端组成，通过红外传感器（即发射端发射红外线若触碰到实体，此时红外会被反射回来；反射回来的红外光线会被红外传感器的接收端收到，因此接收端输出变化电压信号），来感知外界是否有物体存在。

2.6 寻轨模块

此电路与避障电路一样，红外传感器有发射端与接收端组成，通过红外传感器（即发射端发射红外线若触碰到实体，此时红外会被反射回来；反射回来的红外光线会被红外传感器的接收端收到，因此接收端输出变化电压信号），来感知外界是否有物体存在。寻轨电路即由多个红外传感器构成。

2.7 测距模块

通过超声波发射探头发生超声波，若遇到物体必备反射回来；反射回来的波被超声波接收探头接收到。此过程的整体时间，即为超声波从发射设备出来到物体，又从物体到发射设备的时间。因此只要知道波速，距离也就确定了。

2.8 坡度检测模块

本智能小车采用陀螺仪检测行进中道路坡度，检测时的计算方法如下：

angle_n=angle_n-1+（Gyro-C_Gyro）*R_Gyro；

angle_n为当前角度值，它的单位是度（°）；

angle_n-1为上一次计算出的角度值；

Gyro为陀螺仪敏感轴偏转值，也就是当前敏感轴读数；

C_Gyro为陀螺仪零点偏移值，这个值的测量方法是：将陀螺仪敏感轴水平放置静止时的读数；

R_Gyro为陀螺仪比例。

2.9 测速模块

测速模块使用霍尔传感器获得脉冲信号，在车轮上粘上一粒磁钢，当霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，车轮旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。

2.10 液晶显示模块

利用LCD12864作为显示器，采用此方法大大简化了硬件，充分的利用了单片机的资源，并且利用软件设计了简易的操作界面。可通过液晶显示器与键盘的配合来完成相应的操作。

3 软件设计

采用模块化编程，在Keil.C51.v7.02的环境下编程，小车的程序包括液晶界面显示、变速、转向（模拟方向盘）、寻轨、壁障、坡度测量、测距。以测距模块为例，给出超声波测距程序，以实现车体与其他物体的测距：

4 结束语

（1）文章论述了利用单片机作为控制核心，配合高仿真汽车底盘，整个电控系统由电源模块、驱动模块、方向控制模块、壁障模块、寻轨模块、测速模块、测距模块、坡度检测模块、液晶显示模块组成。设计制作了智能小车的硬件电路，并编写了程序代码。通过测试，可以实现变速、转向功能、测距、寻迹、壁障、坡度测量、测速、实时显示探测参数的功能。

（2）智能小车用于上课演示及实践教学，学生可以直观地了解汽车的性能参数，达到设计的目的。

（3）开发专业课实验设备，教师与学生在一起开发制作的过程中，提高了专业课教师的科学研究、课程建设能力，也提高了学生的创新实践的能力。

参考文献

[1]徐亚丹.汽车智能雨刷示教装置的设计[J].2013（29）：40.

[2]贾宝栋.解剖车模型教具的研制[J].湖南农机，2013，5：138-140.

[3]徐金成.教具制作与实践教学结合的尝试[J].机电产品开发与创新，2013，2：149-151.

[4]于洪章.利用自制教具培养学生的创造能力[J].教学仪器与实验， 2013，6：35.

[5]王宝刚.高职教育自制教具培养学生创新能力的实践与思考[J].科教导刊，2012，12：32-63.

作者简介：徐亚丹（1981，2-），女，浙江杭州，硕士研究生学历，在读博士研究生，研究方向：机构优化设计。

摘 要：设计了一种教学用智能小车，由底盘系统、电控系统组成。底盘系统由转向机构、传动机构、差速机构、悬架组成。电控系统采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机为核心控制部分，由电源模块、驱动模块、方向控制模块、壁障模块、寻轨模块、测速模块、测距模块、坡度检测模块、液晶显示模块组成。文章介绍了总体设计思路和功能，制作了智能小车的硬件电路，并编写了程序代码。通过测试，可以实现变速、转向功能、测距、寻迹、壁障、坡度测量、测速、实时显示探测参数的功能。该智能小车用于上课演示及实践教学，学生可以直观地了解汽车的性能参数。

关键词：小车；智能；创新

引言

《汽车性能评价与选购》课程是高职院校汽车技术服务与营销专业的核心课程。学生通过该课程的学习，了解汽车性能指标和测试方法。由于汽车性能测试对试验场地有较高的要求，以及行车安全性方面的考虑，在教学过程中用真车做性能测试有较大的局限性。为了把枯燥的理论通过生动直观的形式进行展示，使学生产生一种具体的形象思维，在感性认识的基础上掌握知识要点，拟设计一款智能小车作为汽车性能类课程的教具，让同学们在一种轻松，活跃的课堂中学习知识，提高学生的学习兴趣和积极性。

1 总体设计

根据课程对汽车的测试要求，文章设计的智能小车，采用高仿真汽车底盘的机械结构，运用电控技术，具备以下功能：

1.1 机械结构设计

1-后轮；2-底盘；3-主传动轴；4-电池组；5-横拉杆；6-前减震器；7-前差速器总成；8-舵机拉杆；9-舵机；10-电动机；11-电动机散热片；12-后差速器总成；13-后减震器；14-主传动齿轮；15-电动机固定座；16-霍尔传感器；17-后下摆臂；18-磁钢；19-后传动轴；20-后连接杆；21-前下摆臂；22-前传动轴；23-转向固定座。

1.2 电控系统设计

2 各模块设计

2.1 单片机模块

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。该单片机与其外围电路构成此整体电路的主控部分。

2.2 电源模块

电源由电池经过稳压电路供给。采用5V电源供电。

2.3 驱动模块

L298可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。

2.4 方向控制模块

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

2.5 避障模块

避障电路即由多个红外传感器构成。红外传感器有发射端与接收端组成，通过红外传感器（即发射端发射红外线若触碰到实体，此时红外会被反射回来；反射回来的红外光线会被红外传感器的接收端收到，因此接收端输出变化电压信号），来感知外界是否有物体存在。

2.6 寻轨模块

此电路与避障电路一样，红外传感器有发射端与接收端组成，通过红外传感器（即发射端发射红外线若触碰到实体，此时红外会被反射回来；反射回来的红外光线会被红外传感器的接收端收到，因此接收端输出变化电压信号），来感知外界是否有物体存在。寻轨电路即由多个红外传感器构成。

2.7 测距模块

通过超声波发射探头发生超声波，若遇到物体必备反射回来；反射回来的波被超声波接收探头接收到。此过程的整体时间，即为超声波从发射设备出来到物体，又从物体到发射设备的时间。因此只要知道波速，距离也就确定了。

2.8 坡度检测模块

本智能小车采用陀螺仪检测行进中道路坡度，检测时的计算方法如下：

angle_n=angle_n-1+（Gyro-C_Gyro）*R_Gyro；

angle_n为当前角度值，它的单位是度（°）；

angle_n-1为上一次计算出的角度值；

Gyro为陀螺仪敏感轴偏转值，也就是当前敏感轴读数；

C_Gyro为陀螺仪零点偏移值，这个值的测量方法是：将陀螺仪敏感轴水平放置静止时的读数；

R_Gyro为陀螺仪比例。

2.9 测速模块

测速模块使用霍尔传感器获得脉冲信号，在车轮上粘上一粒磁钢，当霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，车轮旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。

2.10 液晶显示模块

利用LCD12864作为显示器，采用此方法大大简化了硬件，充分的利用了单片机的资源，并且利用软件设计了简易的操作界面。可通过液晶显示器与键盘的配合来完成相应的操作。

3 软件设计

采用模块化编程，在Keil.C51.v7.02的环境下编程，小车的程序包括液晶界面显示、变速、转向（模拟方向盘）、寻轨、壁障、坡度测量、测距。以测距模块为例，给出超声波测距程序，以实现车体与其他物体的测距：

4 结束语

（1）文章论述了利用单片机作为控制核心，配合高仿真汽车底盘，整个电控系统由电源模块、驱动模块、方向控制模块、壁障模块、寻轨模块、测速模块、测距模块、坡度检测模块、液晶显示模块组成。设计制作了智能小车的硬件电路，并编写了程序代码。通过测试，可以实现变速、转向功能、测距、寻迹、壁障、坡度测量、测速、实时显示探测参数的功能。

（2）智能小车用于上课演示及实践教学，学生可以直观地了解汽车的性能参数，达到设计的目的。

（3）开发专业课实验设备，教师与学生在一起开发制作的过程中，提高了专业课教师的科学研究、课程建设能力，也提高了学生的创新实践的能力。

参考文献

[1]徐亚丹.汽车智能雨刷示教装置的设计[J].2013（29）：40.

[2]贾宝栋.解剖车模型教具的研制[J].湖南农机，2013，5：138-140.

[3]徐金成.教具制作与实践教学结合的尝试[J].机电产品开发与创新，2013，2：149-151.

[4]于洪章.利用自制教具培养学生的创造能力[J].教学仪器与实验， 2013，6：35.

[5]王宝刚.高职教育自制教具培养学生创新能力的实践与思考[J].科教导刊，2012，12：32-63.

作者简介：徐亚丹（1981，2-），女，浙江杭州，硕士研究生学历，在读博士研究生，研究方向：机构优化设计。

摘 要：设计了一种教学用智能小车，由底盘系统、电控系统组成。底盘系统由转向机构、传动机构、差速机构、悬架组成。电控系统采用STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机为核心控制部分，由电源模块、驱动模块、方向控制模块、壁障模块、寻轨模块、测速模块、测距模块、坡度检测模块、液晶显示模块组成。文章介绍了总体设计思路和功能，制作了智能小车的硬件电路，并编写了程序代码。通过测试，可以实现变速、转向功能、测距、寻迹、壁障、坡度测量、测速、实时显示探测参数的功能。该智能小车用于上课演示及实践教学，学生可以直观地了解汽车的性能参数。

关键词：小车；智能；创新

引言

《汽车性能评价与选购》课程是高职院校汽车技术服务与营销专业的核心课程。学生通过该课程的学习，了解汽车性能指标和测试方法。由于汽车性能测试对试验场地有较高的要求，以及行车安全性方面的考虑，在教学过程中用真车做性能测试有较大的局限性。为了把枯燥的理论通过生动直观的形式进行展示，使学生产生一种具体的形象思维，在感性认识的基础上掌握知识要点，拟设计一款智能小车作为汽车性能类课程的教具，让同学们在一种轻松，活跃的课堂中学习知识，提高学生的学习兴趣和积极性。

1 总体设计

根据课程对汽车的测试要求，文章设计的智能小车，采用高仿真汽车底盘的机械结构，运用电控技术，具备以下功能：

1.1 机械结构设计

1-后轮；2-底盘；3-主传动轴；4-电池组；5-横拉杆；6-前减震器；7-前差速器总成；8-舵机拉杆；9-舵机；10-电动机；11-电动机散热片；12-后差速器总成；13-后减震器；14-主传动齿轮；15-电动机固定座；16-霍尔传感器；17-后下摆臂；18-磁钢；19-后传动轴；20-后连接杆；21-前下摆臂；22-前传动轴；23-转向固定座。

1.2 电控系统设计

2 各模块设计

2.1 单片机模块

STC12C5A60S2/AD/PWM系列单片机是单时钟/机器周期（1T）的单片机，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10位A/D转换（250K/S），针对电机控制，强干扰场合。该单片机与其外围电路构成此整体电路的主控部分。

2.2 电源模块

电源由电池经过稳压电路供给。采用5V电源供电。

2.3 驱动模块

L298可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电机。5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。

2.4 方向控制模块

控制信号由接收机的通道进入信号调制芯片，获得直流偏置电压。它内部有一个基准电路，产生周期为20ms，宽度为1.5ms的基准信号，将获得的直流偏置电压与电位器的电压比较，获得电压差输出。最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定电机的正反转。当电机转速一定时，通过级联减速齿轮带动电位器旋转，使得电压差为0，电机停止转动。

2.5 避障模块

避障电路即由多个红外传感器构成。红外传感器有发射端与接收端组成，通过红外传感器（即发射端发射红外线若触碰到实体，此时红外会被反射回来；反射回来的红外光线会被红外传感器的接收端收到，因此接收端输出变化电压信号），来感知外界是否有物体存在。

2.6 寻轨模块

此电路与避障电路一样，红外传感器有发射端与接收端组成，通过红外传感器（即发射端发射红外线若触碰到实体，此时红外会被反射回来；反射回来的红外光线会被红外传感器的接收端收到，因此接收端输出变化电压信号），来感知外界是否有物体存在。寻轨电路即由多个红外传感器构成。

2.7 测距模块

通过超声波发射探头发生超声波，若遇到物体必备反射回来；反射回来的波被超声波接收探头接收到。此过程的整体时间，即为超声波从发射设备出来到物体，又从物体到发射设备的时间。因此只要知道波速，距离也就确定了。

2.8 坡度检测模块

本智能小车采用陀螺仪检测行进中道路坡度，检测时的计算方法如下：

angle_n=angle_n-1+（Gyro-C_Gyro）*R_Gyro；

angle_n为当前角度值，它的单位是度（°）；

angle_n-1为上一次计算出的角度值；

Gyro为陀螺仪敏感轴偏转值，也就是当前敏感轴读数；

C_Gyro为陀螺仪零点偏移值，这个值的测量方法是：将陀螺仪敏感轴水平放置静止时的读数；

R_Gyro为陀螺仪比例。

2.9 测速模块

测速模块使用霍尔传感器获得脉冲信号，在车轮上粘上一粒磁钢，当霍尔开关靠近磁钢，就有信号输出，车轮旋转时，就会不断地产生脉冲信号输出。

2.10 液晶显示模块

利用LCD12864作为显示器，采用此方法大大简化了硬件，充分的利用了单片机的资源，并且利用软件设计了简易的操作界面。可通过液晶显示器与键盘的配合来完成相应的操作。

3 软件设计

采用模块化编程，在Keil.C51.v7.02的环境下编程，小车的程序包括液晶界面显示、变速、转向（模拟方向盘）、寻轨、壁障、坡度测量、测距。以测距模块为例，给出超声波测距程序，以实现车体与其他物体的测距：

4 结束语

（1）文章论述了利用单片机作为控制核心，配合高仿真汽车底盘，整个电控系统由电源模块、驱动模块、方向控制模块、壁障模块、寻轨模块、测速模块、测距模块、坡度检测模块、液晶显示模块组成。设计制作了智能小车的硬件电路，并编写了程序代码。通过测试，可以实现变速、转向功能、测距、寻迹、壁障、坡度测量、测速、实时显示探测参数的功能。

（2）智能小车用于上课演示及实践教学，学生可以直观地了解汽车的性能参数，达到设计的目的。

（3）开发专业课实验设备，教师与学生在一起开发制作的过程中，提高了专业课教师的科学研究、课程建设能力，也提高了学生的创新实践的能力。

参考文献

[1]徐亚丹.汽车智能雨刷示教装置的设计[J].2013（29）：40.

[2]贾宝栋.解剖车模型教具的研制[J].湖南农机，2013，5：138-140.

[3]徐金成.教具制作与实践教学结合的尝试[J].机电产品开发与创新，2013，2：149-151.

[4]于洪章.利用自制教具培养学生的创造能力[J].教学仪器与实验， 2013，6：35.

[5]王宝刚.高职教育自制教具培养学生创新能力的实践与思考[J].科教导刊，2012，12：32-63.

作者简介：徐亚丹（1981，2-），女，浙江杭州，硕士研究生学历，在读博士研究生，研究方向：机构优化设计。