智能小汽车设计在实践驱动式教学方法中的运用

李文礼　王晶晶　陈悦桐　杨洪凯　杨昕　唐正

摘 要 利用单片机芯片、红外传感器、循迹传感器、微型电机及驱动模块、电池及小车轮，自制小汽车底盘等附属部件，设计一种具备智能跟随、自动循迹行驶和智能避障的智能小汽车。激发学生灵活运用相关学科知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。加深学生对控制理论的理解和认识，并培养其自主创新和研究的能力。

关键词 智能小汽车 智能避障 智能循迹

中图分类号：G642 文献标识码：A

0引言

简易智能电动小车是机器人的雏形，它的控制系统的研制将有助于推动智能机器人控制系统的发展，同时为智能机器人的研制提供更有利的手段。简易智能电动小车，是一个集环境感知、规划决策，自动行驶等功能于一体的综合系统，它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航及白动控制等技术，是典型的高新技术综合体。简易智能电动小车的设计并非简单的电子控制问题，而是涉及到多个学科的多个方面的知识。通过简易智能电动小车的设计，能够让学生了解控制策略，传感器基础等相关学科的知识，培养学生的独立思考和创新的能力。通过构建智能小车系统，采用智能控制算法实现小车的智能跟随、智能避障和智能循迹。灵活运用相关学科知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在此过程中，加深对控制理论的理解和认识，并培养学生自主创新和研究的能力。同时让学生了解智能汽车，培养学生研究智能汽车的兴趣。

1智能小车电路设计

智能小车采用AT89S52单片机，需要外接超声波避障模块、红外光电寻迹模块、距离显示模块、电机控制模块，小车整体框图及实物如图1所示。

单片机的最小系统包括了ISP接口电路、晶振电路、复位电路。ISP接口连接单片机的VCC、GND、MOSI、MISO、RST、SCK引脚，主要用于单片机程序的烧录。同时，ISP接口也可以给单片机供电，在本设计中单片机的供电采用了专门的DC-5V接口，所以一般情况下ISP接口只用于程序的烧录。在单片机最小系统中，包含了电子元件电阻、电容、晶振等，电阻R1、R2、R3用于分压，防止电压过大烧坏电子元件，R3和一个发光二极管D2连接并且提供电压，和单片机P10端口连接，用于检测烧录单片机的程序是否起作用，当发光二极管D2发光，则表明烧录在单片机的程序正在起作用，D1用于检测该最小系统是否接通电源。

2智能小车寻迹模块设计

智能小車要实现寻迹的功能，设计中采用光电红外传感器，光电红外传感器是由光电元件组成，分为发送和接收两部分，透明封装为发射红外线装置，黑色为接收红外光线装置。其原理就是把检测物体的变化转化为光电的变化，通过检测物体对光电信号的反射来触发接收元件，从而变化成电信号的变化。光电传感器包括光源、光学通路和光电元件三部分。其优点是精度高、反应快、价格便宜等，而且不需要和检测物体直接接触，对检测物体和传感器都具有很好的保护。光电传感器的结构十分简单，样式也灵活多样，因此光电传感器在广泛用于检测和测试方面，比如该类传感器可用于检光强、光照度、辐射测温等非电信号。也可以用来分析气体，根据气体成分不同，光的反射率不同，从而有光信号的变化引起电信号的变化。零件的直径、粗糙度、应力、位移、振动量、加速度，等都可以用光电光电光电传感来检测。

光电信号检测电路中使用了RPR220光电传感器、电压比较器LM324以及电阻等电子元件。其工作原理是将两个电压做比较，被比较的电压是一个固定电压，其大小可以通过滑动变阻器手动调节，另外一个电压是模拟量的电压，当固定电压和模拟量近视相等时，输出的电压将产生突变，即电压比较器比较两个电压的大小，当”IN+”接口的电压大于”IN-”接口的电压时，输出端口的电压就是高电平电压；反之，当”IN+”接口的电压小于”IN-”接口的电压时，输出端口的电压就是低电平电压。

2.1智能小车电机驱动模块

该智能小车采用“后置后驱”的形式，即两个电机和驱动轮后置，前面采用两个万向轮。两电机的型号完全一样，这样当所给的电压相等时候，小车就很方便的直行。要实现小车转向则给两个电机输出不同的电压，使电机的转速不相等从而控制电机的速度。

直流电机需要的电压是稳定的，在一定电压范围内，电机接上电压则转动，反接则反转马达速度，当电机在正转或者反转的其中一种状态下，频繁的改变开关的开闭，则电机的转速就不再匀速，而是随着开关的通断而变化，其电机的扭矩也会发生相应的改变，因此因此可以通过控制开关的通断频率来控制电机的转速，电机采用PWM控制电机转速就是这个原理。如图2所示，但是这种方法虽然控制了电机的转速，却不能控制电机的反转，即电机只能实现前进和停止，并不能实现后退，因此这种控制方法并不满足该智能小车的设计。

利用H桥驱动电路实现小车的前进、停止、倒退， H桥电路由两个PNP型管和两个NPN型管组成，电机接在PNP和NPN连线的中点。

单片机能够控制电机的核心电子元件有L298N芯片、二极管、电阻、电机等。该电路模块有一个稳压模块，用于给L298N芯片提供电压，也可以作为输出电压给单片机供电。在该模块中，有8个二极管连接在电路中，因为电机是电感性负载元件，转子由线圈成，当电机停止转动或者反向转动的时候，电机就会产生很大的反向电动势，如果反向电动势不通过二极管释放，则该反向电动势就会击穿L798N芯片内部的三极管，从而损坏驱动芯片，加了二极管之后，反向电动势使其二极管导通，从而保护了驱动芯片。该电路的驱动芯片选择L298N驱动芯片，该芯片由SGS公司生产的集成电路芯片，其内部原理就是H桥驱动电路，包含了4个逻辑通道，可以同时驱动两个直流电机。L298N芯片输出电流可以为2A最高可以达到4A，因此芯片上需要加装面积较大的散热片以防驱动芯片热穿透，并且散热片需要接地。

3智能小车避障模块设计

声波在20-20000赫兹能够被人们听见，超过20000赫兹则就是超声波，超声波具有方向性好，穿透能力强等优点，播方式有有横向传播和纵向传播两种方式能量集中，传播距离远，广泛用于测距、避障。该智能小车的设计采用的是HC-SR04超声波测避障模块，HC-SR04具性能稳定、测距准确可靠、抗干扰能力强、测量角度大等优点。其避障的基本工作原理如图3，将超声波输出的信号接入单片机的相应的引脚进行处理计算。

当单片机给出10US的高低电平信号，超声波模块内部产生八个四十赫兹的脉冲信号，脉冲信号由物体反射回来，被接收器接收，从发出到接收定时器定下时间，要测量超声波的距离，则通过公式S=时间差*声速（340M/S）/2计算，计算距离是由单片机完成的，将测量的距离通过相关的引脚输出给LCD液晶显示器。

小车中避障过程中，程序中设距离为S，当距离S大于40CM，则小车直行；当超声波测出的距离10CM

4小结

通过智能小汽车的设计，能够让学生了解控制策略，传感器基础等相关学科的知识，培养学生的独立思考和创新的能力。灵活运用相关学科知识，联系实际电路设计的具体实现方法，达到理论与实践的统一。在教学过程中，加深对控制理论的理解和认识，使学生对课程产生兴趣，提高学生工程实践能力和创新能力，达到学生积极主动地去学习的效果。

基金项目：重庆市青少年创新人才培养雏鹰计划项目（CY170904）。

参考文献

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