摘要：本設計給出了以EasyARM1138單片機為核心的智能小車的基本原理與實現方案。該系統采用模塊化的設計方案，運用光電編碼器、超聲波傳感器、無線收發器件組成不同的檢測電路，實現小車在行駛中軌跡、躲避前面的小車、測量車速等問題檢測，從而實現自動控制電動小車躲避前面小車，快慢速行駛，自動超車，并可以自動轉彎和實現交替領跑功能。該智能小車具有很好的識別與檢測的能力，具有定位精確、運行穩定可靠的特點。并且該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發展前景，在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設計與實際相結合，現實意義很強。

關鍵詞：EasyARM1138單片機；光電編碼器；PWM調速；電動小車；超聲波

甲車和乙車分別從自制跑道起點標志線開始，在行車道各正常行駛一圈。隨后甲、乙兩車如上位置同時起動，乙車通過超車標志線后在超車區內實現超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現乙車超過甲車。甲、乙兩車繼續行駛第二圈，要求甲車通過超車標志線后要實現超車功能，并先于乙車到達終點標志線，即第二圈完成甲車超過乙車，實現了交替領跑。甲、乙兩車繼續行駛第三圈和第四圈，并交替領跑。完成上述功能后，重新設定甲車起始位置（在離起點標志線前進方向40cm 范圍內任意設定），實現甲、乙兩車四圈交替領跑功能。

方案一：采用通用的51單片機作為主控制器。51單片機通用靈活、價格低廉、使用方便，但此單片機字長有限，數據處理能力很弱，處理速度較慢，資源不夠豐富，需要擴展較多的外圍電路，降低了系統的可靠性，增加了制作的費用，難以滿足本設計要求。

方案二：EasyARM1138 人機界面擴展板是專門為廣州致遠電子有限公司開發的EasyARM1138開發板量身定制的一款人機界面的擴展板。該擴展板方案使用了基于ST7920控制器的中文圖形128×64的LCD和4×4矩陣鍵盤，豐富的人機界面完全能夠滿足用戶的要求。此方案給用戶提供了完整的硬件設計原理圖，PCB圖，軟件調試例程，LCD模擬SPI軟件包，鍵盤管理芯片ZLG7289模擬SPI軟件包。用戶在選用了這個方案后，將會大大縮減產品開發周期，提高產品設計的可靠性。

綜合比較以上兩個方案，本系統選擇方案二。

方案一：探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標發射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。具體工作原理：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收，然后將這個信號放大后送入單片機。該方法被廣泛應用于移動機器人的研究上。其優點是價格便宜，易于使用，且在幾米以內能給出精確的測量。

方案二：視覺傳感器在CW系統中使用得非常廣泛。其優點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據外形和大小對目標進行分類。但是算法復雜，處理速度慢。

綜合以上方案，采用方案一。

方案一：采用專用芯片L298N作為電機驅動芯片，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩定性好，性能優良。

方案二：對于直流電機用分離元件構成驅動電路，結構簡單，價格低廉，在實際應用中很廣泛，但在應用中不夠穩定。

方案三：采用達林頓管組成的H型PWM電路，用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調的開關狀態，可精確調整電動機的轉速。這種電路工作在飽和截止模式下，一般用起來不大經濟，且難于控制。

由于電力電子器件只工作在開關狀態，主電路損耗較小，要求精度較高，所以選擇方案一。

根據賽題任務的要求，我們在現有玩具電動車的基礎上，加裝光電編碼器、超聲波傳感器、電機驅動芯片L298N及nRF24L01無線收發器件，實現對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量和兩車之間的順利通訊，并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動車的智能控制。基于這些要求，我們設計并制作了基于EasyARM1138單片機為核心的智能小車系統。針對小車在行駛過程中的不同要求，采用模塊化設計方案，進行了各部分電路的設計。

file:///C:/Users/thingpad/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif       圖2-1 原理總體設計圖

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圖2-2電機驅動電路圖

L298N介紹和電路原理

L298N是專門用來驅動電機的芯片，內部集成了一個H橋電路和保護電路。連接時第1、29、30腳必須通過10K電阻接地，第8腳必須接地。11、12、18或27任意接一組電源就可以。驅動步進電機的L298N相線一定要接對,否則電機肯定不轉其他沒說明的引腳不用管。在連接和測試時不要用手碰芯片的任何引腳，否則輸不出信號。一旦過流保護被啟動，芯片必須重新上電后才可恢復正常工作。如果用手去碰第1、29、30引腳則過流保護立即啟動。

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圖2-3接收信號電路圖

該電路通過光電感應跑道邊界對小車的運行情況進行實時測量，并將測量數據傳送至單片機處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動車方向的控制。

軟件部分采用模塊化程序設計的方法，由主控制程序、電機驅動模塊的子程序、接收模塊的子程序、光電編碼器模塊的子程序等組成。該軟件是基于調控PWM波占空比來調節車速和運動方向的，通過無線電收發使兩車彼此聯系并及時反饋信息從而達到協調運行。最主要是應用超聲波測距來確定小車自身所處的車位。

file:///C:/Users/thingpad/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif        圖2-4主程序流程圖                      圖2-5超車模塊流程圖

地點：實驗室       時間：2011年9月4日      溫度：25℃

多功能數字萬用表、數字示波器、EasyARM1138單片機、秒表、計算機

先讓甲乙兩車分別在長度已知的跑道上各跑一圈，用秒表記錄兩車所用的時間，最后通過路程時間的關系推算出速度從而和軟件中設置的速度作比較，根據實際速度來改寫軟件的設置而達到理想值。第二圈、第三圈乃至后幾圈都同上述方法一樣，分別記錄多組超車速度、到達終點的時間，同軟件設置的速度值時間值作比較，最終使小車運行更快更省時。

軟件模塊測試：采用自下而上的調試方式，先進行模塊測試程序的調試，待全部通過之后將所有的軟件程序串接起來并結合硬件電路進行整體調試。

表4-1兩車平均速度統計表

表4-2兩車超車速度統計表

表4-3兩車所用時間統計表

因為控制器的時間是通過內部定時器定時實現的，所以精度高，顯示時間準，其與秒表實測值之間的微小誤差是由測量誤差所引起的。另外，小車采用直流電機，不能短時間急轉和大弧度轉彎，所以導致速度控制不夠精確和穩定，這也極大的造成了誤差。再加上跑道是用兩塊細木工板拼接而成，所以地面的摩擦力也對小車的速度造成了影響從而導致了誤差。最后就是在數據的處理時，由于人工的測量與計算，肯定存在著誤差，從而導致了與理論值的偏差。

從測試結果來看，本系統實現了題目基本部分以及發揮部分的要求， PWM技術能夠極大地提高電動機的驅動效率，通過接收模塊解決了小車嚴格按照軌跡(黑線)運行的問題，超聲波傳感器能夠精確測量小車與障礙物之間的距離。從運行情況看，采用本方案設計制作的智能小車，系統可靠性較高，運行穩定，定位準確，達到了設計要求。由于單片機留有空閑的I/O口，因此可以進一步對系統的功能進行擴展，比如加入自動循跡的功能進一步完善等，將使得系統更趨于智能化、人性化的特點。

[1]陳炳和.計算機控制系統基礎.北京：北京航天航空大學出版社，2001.

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                         圖2-6單片機最小系統電路圖