基于光电管的智能车硬件设计
摘要
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。制作智能汽车所涉及的专业知识包括控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械等多个学科，对大学生的知识融合和实践动手能力的培养，对汽车电子技术的发展，具有良好的长期的推动作用。
在实现智能车的过程中我们采用了各种的方案比对，对所有电路进行模块化接口化处理，大大降低了电路在实现过程中出现的错误，分为：电源接口模块，传感器模块，测速模块，电机驱动模块，数据传输与上位机模块等。然后通过接口连接在一起，实现工作稳定的智能车硬件电路。他使用了传感器，编码电机，无线模块，稳压管等作为重要的任务器件。实现了赛道识别，速度测控，赛车数据传输，电源稳压，速度控制等功能。
关键字
智能车，传感器，稳压电路，PCB设计
Freescale Smart car
——electronic hardware design group
Abstract
National University \"Freescale\" cup competition in the provision Smart car model car platform, using Freescale Semiconductor's 8-bit, 16-bit microcontroller as the core control module, by increasing the road sensors, motor drive circuit and the preparation
第 1 页 共 12 页
ofcorresponding software, make a road to self-identify model car, in accordance with the stipulated way to complete the shortest time for the better.Smart cars are involved in production of professional knowledge, including control, pattern recognition, sensor technology, automotive electronics, electrical, computer, machinery and many other disciplines, and students practical hands-on knowledge integration and ability, the development of automotive electronics,has good long-term boost.
In the process of intelligent vehicle we use a variety of programs than for all circuit modular interface processing, greatly reduces the circuit in the realization of the process error, divided into: the power interface module, sensor module, measuringspeed module, motor drive module, data transfer and PC module.Then connected through the interface to achieve stability in the work of intelligent vehicle hardware.He used the sensor, coding machine, the wireless module, such as an important regulator of the task of the device.Track to achieve the recognition, measurement and control the speed, the car data transmission, power regulator, speed control and other functions.
Key words
Smart car, sensor, voltage regulator, PCB design
第一章 绪论
1.1 引言
汽车是人类利用科学改变生活的开始，从工业革命蒸汽开始到电气化然后是智能化，汽车始终代表着人们生活中的科技实用领域。在科技的推动下，汽车也即将步入智能化。所谓的智能汽车就是无人驾驶的汽车，通过程序实现驾驶，可以达到火车一样的安全可靠驾驶。给人们的出行安全带来更大的保障，火车之所以安全是因为他有一个很可靠的铁轨，只要铁轨安全也就能保证火车常年的运行而不出问题。科技是必须为生活服务的，所以智能汽车即将也能成为生活的主导交通工具。它们可靠通过可靠的程序，灵敏的传感系统，高速的处理器来实现汽车更加安全的行驶，相信在以后的发展中会给人们生活带来更大的便利。
制作智能汽车所涉及的专业知识包括控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、
第 2 页 共 12 页
计算机、机械等多个学科，对大学生的知识融合和实践动手能力的培养，对汽车电子技术的发展，具有良好的长期的推动作用。
1.2 智能汽车比赛简介
“飞思卡尔杯”智能车大赛起源于韩国，是韩国汉阳大学汽车控制实验室在飞思卡
尔半导体公司资助下举办的以HCSl2单片机为核心的大学生课外科技竞赛。2006年引入中国举办第一届邀请赛。
全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛是在规定的模型汽车平台上，使用飞思卡尔半导体公司的8位、16位微控制器作为核心控制模块，通过增加道路传感器、电机驱动电路以及编写相应软件，制作一个能够自主识别道路的模型汽车，按照规定路线行进，以完成时间最短者为优胜。
该竞赛以飞思卡尔半导体公司为协办方，自2006年首届举办以来，成功举办了三
届，得到了教育部吴启迪副部长、张尧学司长及理工处领导、飞思卡尔公司领导与各高校师生的高度评价，已发展成全国30个省市自治区170余所高校广泛参与的全国大学生智能汽车竞赛。2008年第三届被教育部批准列入国家教学质量与教学改革工程资助项目中9个科技人文竞赛之一（教高函[2007]30号文，附件2），2009年第四届被邀申请列入国家教学质量与教学改革工程资助项目。
1.3 智能汽车研究目的和意义
智能控制系统现在已经广泛应用于生活中，而汽车作为已经产生了上百年的技术产品，智能化却迟迟没有跟上脚步。这是由于汽车在行驶中需要考虑太多的参考条件，一般的智能系统是无法完成这么多条件判断的。因此虽然也有很多的智能系统应用于汽车，但是都不能实现到汽车的控制上。
其实人们并不是不敢去开发智能汽车，在技术发展中也出现过很多模式的只能汽车现代智能小车从其诞生到现在，已经发展到了第三代。第一代智能小车是示教再现型智能小车。它们装有记忆存储器，由人将作业的各种操作要求示范给智能小车，使之记住操作的程序和要领。当它接到再现命令时，则自主地再现示教的动作。第二代智能小车是装有简单计算机和简单传感器的离线编程的工业智能小车。它能感知外界信息和进行“思维”，比绍一代智能小车更灵活、更能适应环境变化的需要。第三代是智能小车。
第 3 页 共 12 页
智能小车是“其有感知、思维和动作的机器”。它装有多种传感器，能识别作业环境，能自主决策，具有人类大脑的部分功能，且动作灵活，是人工智能技术发展到高级阶段的产物。只要技术水平达到了能够减少汽车在生活中的事故，那么智能汽车也将向火车一样给人们的生活带来跟多的便利和安全。
1.4 论文结构
为了更加方便智能车的结构设计，在计划前期我们就采用模块化原理，对智能车实行模块化设计。这样不仅提高了设计的工作效率，电路实现起来也简单，模块与模块之间只要进行接口处理就能实现，而且如果出现故障更换模块方便。 论文以模块实现步骤分布完成。
第一章：绪论（介绍智能车的发展以及比赛情况） 第二章：机械组件（车模组装与调试）
第三章：模块方案（比较硬件电路模块的可行性方案）
第四章：模块方案设计（确定了模块方案的电路实施过程以及遇到问题） 第五章：组装系统（系统模块的组装） 第六章：论文总结（总结设计情况）
第二章 机械组件
2.1 车模搭建
首先我们拿到车模要先查看车模清单是否有少的部件，然后才开始组装。车模原装的底盘上有安装好的的电机.轮胎.后轮轴上已经装好了齿轮。电机的位置可以通过螺丝来调整它与齿轮的距离。一般情况不要调节电机位置，因为车模为塑料多次调节可以引起螺丝松动。在装配过程中厂商会提供很多垫片，要分清他们的用途并且保存好他们，因为在调试过程中可以用来修改汽车的机械参数。
2.2 舵机安装
舵机是一个汽车能把握方向的唯一因素，舵机的安装位置和方式将决定汽车在转向时角度大小和灵敏度。安装图示上会提供一些安装的方法，但是这些只能是作为参考，
第 4 页 共 12 页
如果你想你的汽车能够比别人转的角度更大更快，你就必须做与众不同的设计。例如：必须把舵机的转动力矩加长，通过这样来提高舵机转动灵敏度。下面列举两种方式安装舵机。[１]
1.舵机横向贴底盘安装法如下图2.1所示：
图2.1 横向舵机安装图
舵机竖直中间安装方法如下图2.2所示：
图2.2 竖直舵机安装图
优缺点对比：横向安装方便，因为车模提供的空间刚好适合于安装舵机而无需做支架。但是会有很严重的问题就是他会导致转向时左右的最大转角不一样大。从而导致汽
第 5 页 共 12 页
车在转向的时候出现同样一个弯道，左转和右转一边回很顺利另外一边回很吃力或者出线。在力矩加长的情况下这样的情况会好转，但是还是会有很大的差别。如果用舵机置于中间的装配方法，则能很好克服着项缺点，因为是两转向杆与地面平行而且长度一样所以当舵机转动一定角度时，轮胎的转动角度也一样，能达到很高的控制效果。但是这样的设计安装起来非常的麻烦必须要做很牢固可靠的支架，因为在汽车行驶过程中转向杆会给舵机带来很大的扭力而且容易损坏舵机。
由于是第一次做比赛，所以考虑到支架需要专业的工具才能完成，所以我们选择了第一种方案，为了克服左右转向不一的问题，我们对车模与轮胎接触的边缘进行打磨，增大最大角度。
2.3 轮胎调整
为了增加前轮转弯时的稳定性，对前轮相关部分进行了部分改动。首先，更改前后垫片的数量，使前轮主销后倾，这样，车轮具有更好的自动回正功能。其次，更改连杆的长度，使车轮内倾，使车前轮形状近似“内八字”，车轮转弯时，前半部分重心上移，促使赛车转弯更加稳定。再次，我们通过更改舵机连杆的长度，增加前轮前束，同样增加了前轮的稳定性。
后轮我们也做了相应的处理，更换后轮轮距调节块，使后轮两轮之间间距加大。这样，车在转弯时不容易产生侧滑。其次，调节后轮差速，使赛车转弯更加灵活。
2.4 底盘调整
为了提高赛车运行时的稳定性，对底盘相关部分作了部分改动。首先，前轮相关位置加垫片，降低了前轮重心。其次，更改后轮车轴处的调节块，使后轮重心升高，这样，车身前倾，一定程度上，增加了车的稳定性。
2.5 编码电机安装
编码电机使用齿轮方式安装在汽车尾部，通过加工的支架固定，支架设计成可调的的方式，可以调节它与后此轮的耦合度，因为如果耦合太大影响汽车速度，而且行驶时候会产生大量噪音，如果耦合过小会打滑对速度控制产生影响。
第三章 硬件电路模块方案
硬件电路模块主要有：
第 6 页 共 12 页
1.电源与接口模块 2.传感器模块 3.电机驱动模块 4.测速模块
5.数据传输模块与上位机
3.1 电源与接口模块
对于一个系统来说供电是首要的，没有供电什么都无法运行，所以做好电源并且保证他能给我们的系统和模块提供更高的电源质量是非常重要的。整个系统采用大赛指定的7.2V 2000mAh Ni-Cd蓄电池作为系统能源，并且通过降压稳压电路分出6v，5v分别给舵机和单片机以及无线模块和传感器模块供电使用。核心控制模块采用组委会提供的HC9S12XS128模块，他提供了128个接口插槽。我们没有全部用到，但是要把所要用到的口引出来，所以我们决定把电源降压和接口集成在一块转接板上。来实现供电和接口转接的功能模块。
在下章节里我再详细介绍接口电路与电源电路集成模块。现在先介绍我们在电源模块实现的方案。
大赛指定7.2V 2000mAh Ni-Cd蓄电池，我们所要设计的变压有6V，5V其中舵机6V 传感器编码电机跟无线模块，最小系统供电都为5V。系统供电图如下图3.1所示：
图3.1系统供电框图
能够产生稳定的5V，6V的稳压电路很多，我们需要的是一个稳定的电压给模块供电当电池电压变得很低时也能正常工作的电路，在试验中我们必须知道什么是我们最需要的。找到各样的稳压管参数进行比较。
例如：我们比较LM2940和7805以及TL431之间的区别，同样是稳压管LM2940比
第 7 页 共 12 页
7805的转换效率高。7805直接输入不接输出的情况下，其内部还会有3mA的电流消耗（静态电流）。而LDO元件的静态电流就比它远远小得多了,2940就属于LDO元件。TL431的负载能力很弱，输出电流很小，因此常作为参考电压源使用。LM2940才是专为大功率供电使用的。 通过类似这样的筛选，我们确定用LM2940作为5V稳压电路，用LM1117作为6V稳压电路。LM1117是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V，LM1117有可调电压的版本，通过2个外部电阻可实现1.25～13.8V输出电压范围。因为考虑到我们的舵机为了提高其工作效率，可能会采取提高电压的方式，所以外部电阻采用可调的精密电位器调节电压达到6V的输出。
3.2 传感器模块
传感器应该算是硬件部分的主导技术了，一辆车能否跑快取决于它如何去分辨这条道路，分辨率越高你就越能看清楚前方道路，也就能做到最好的判断。更加完美的完成，所以这里也是本论文的重点，如果说摄像头组是给汽车装了个眼睛的话，那我们的光电组也能算上蜗牛的触角了。
光电传感器一般由两部分组成：发射管和接收管。发射管发射光线，光线经过赛道的反射，由接收管接收到，通过不同的光强接收管的状态不同，实现赛道信息的采集。因为白色和黑色对于光线的反射系数不同，反射回的光线强度也不同，被不同的接收单元接收到后，表现出不同的状态（如电阻值的变化，或者电流或电压的变化）。 下面列举各种传感器实现方案： 3.2.1 红外管与红外接收管
红外管可以分为两总组合方式，分离式和对管，分离式就是说发射管和接收管是分开的，他们的发射接收角是可变的，可以自动的调节以达到最佳效果。
原理如图3.2所示：
第 8 页 共 12 页
图3.2分离发射管图
由上图能看出分离式光电接收管可以有更好的前瞻性，但是由于慢反射的角度可变，而且非常小，如果接收管没有很好的灵敏度，在区分黑白赛道颜色时产生的信号就会很小只有20-50mV的压差，不能用做信号输出。所以角度的调整和接收管的挑选时很困难的事情，而且贵州地区能买到的只有很少型号的接收管。
另外的就是光电对管了，也就是我们最后采用的实现方式，它的发射管和接收管方向是平行的，封装在一起，接收管的定向性比较好，而且比分离的接收管灵敏度高很多，安装也方便。但是由于平行安装，如果与地面角度过于小就会导致反应数字变小。经过多次测量光电管与地面保持700 左右的角度最为合适。只有的方式只要是能保证对管能有较高的区分电压能达到1-2V就达到信号输出标准了。如下图3.3所示：
图3.3光电对管反射
第 9 页 共 12 页
3.2.1 聚光LED灯与光敏电阻
聚光LED与光敏电阻搭配，其实与红外光管分离式是一样的原理，但是由于比赛场地大多都用大功率的钠灯照明，所以考虑到可见光对光敏电阻干扰过大，所以我们在准备初期就不取用这种方法了。 3.2.2 激光管与激光接收管
激光管和激光对管其实电路实现是一样的，同样是通过接收管的电压或者电流变换得到的信号。不同的是他采用了透镜成像原理，能探测到更远的距离，如果调试好的话可以达到一般摄像头的距离。这是一个突破增强了前瞻性，车子可以预先准备，可以更好的控制速度，速度可以更快。透镜成像原理如下图3.4所示：
图3.4透镜成像原理
这里物象可以用激光接收管来做，当在一定范围内，激光点打在赛道上成像的倒影会打在接收管上。要注意的是这个物象是倒影，在对焦和固定透镜的时候会产生很大麻烦。每对管子都必须对焦，预防交叉干扰。
综合上述的方案，我们选择性能更加可靠的红外光电对管，当然激光是个不错的选择但是我们第一次做比赛，不得不选择更加安全保险的方式。而且时间不够，我们掌握激光透镜原理调试要花费很多时间。况且红外对管的稳定性好，也方便调试。具体实现方法将在第四章介绍。
3.3 电机驱动模块
目前有两种电机驱动模式，用飞思卡尔专用的33886，和自己制作的MOSFET电路。由于实践证明光电组的速度没有达到要用MOSFET来供电的范畴，所以我们只考虑的33886来实现。
3.4 测速模块
速度测量反馈回来的信号用于控制速度，可以提供变速的条件依据。这里可以用做
测速的可以用红外对管，也可以用霍尔元件来自己制作，但是精度不够，影响速度控制，
第 10 页 共 12 页
而且需要制作编码盘，打孔。主要是安装复杂，我们缺少模型制作工具的情况下，我们选择购买现成的编码电机，主要可以节省我们的时间和精力。
3.5 数据传输模块与上位机方案
对于测试数据的传输我们采取了两种：
有线传输 就是直接通过上位机串口接单片机串口传输。这样的方式直接而且成本低，可以对质量较大的串口线做改变，使用一些质量较轻的线代替，在小车行驶中不会产生太大的干扰。
无线传输 使用无线模块传输，就关电组来说所需要传输的数据量非常少我们采用高频传输的无线模块，完全能够传输我们采集的数据和小车运行参数。
对于上位机的编写有很多方式，有各种的编程软件都可以实现，可以选择C++,VB，JAVA等。而对于控制类的编程来说我们使用的是LabVIEW 8.5，这是一款可视化的专业控制编程软件。它所有的控制都是可视化的控件组成，而且可以提供很多图形模式，能让我们汽车运行的数据看起来更加的直观。
第四章 设计总结
飞思卡尔智能汽车是一个智能系统，他需要有信息的来源这就是传感器，而后信息的流向大脑也就是处理器。处理后然后流向反应装置电机。这就是一个完整智能系统的反应链，而我们则需要去通过电子的方式模拟着一个反应链。无论是智能程度如何规模如歌，这将所有的智能系统都将需要去实现的。
我们设计的系统，能很好的完成比赛的要求，而我涉及的部分则是对系统的硬件以及硬件电路和接口电路进行实现操作，我们在机械方面的欠缺，通过查找机械方面的资料来弥补，最终达到了我们预计的目标。汽车电路在运行中会出现故障，电路方案在测试过程中需要修改，这些都是必须的。
那么作为一个硬件设计实施者我们需要做到什么？
我们需要做的就是在有限的时间里努力去发现问题和解决问题。最重要的是记住接口的链接，要明白每一个接口的用途和链接方法，以及电路的每个测试点的电位参数。因为在长期的测试中会出现很多的意外。在测试的过程中要保护好汽车，因为车模都是塑料的，而车在运行中会跑出轨道，而且速度很高。在车测试过程中必须有人负责汽车
第 11 页 共 12 页
的安全。就算我们很努力的保护汽车，汽车的传感器还是损毁了两次。在比赛前要做好备用模块，在其中模块实在无法工作的时候，可以更快的更换。如果你不了解自己的设计，那么关键时刻万一出问题你就会变得很彷徨。因为这是一个比赛，你必须比别人更了解情况。
智能汽车硬件实施问题：
0. 首先是原件采购的问题，元件采购大部分都得从网上购买，采购周期长，所以要做好提前的准备。
1. 由于是单面板，在电路制作过程中焊点会非常的小，焊接的时候容易引起虚焊。造成接触不良。
2. 排线接口与排针尺寸不对，在接口的时候必须对排针做弯曲处理。 3. 舵机安装不对称，汽车左右的最大转角不一样。
智能汽车硬件改进方案：
1.传感器可以使用激光，因为如果只是红外传感器它始终有一定的感测距离，这也局限了速度的提高。如果使用激光传感器他的感测距离会是红外传感器的几倍。 2.舵机安装需要修改，因为之前的不对称安装舵机转角左右会有偏差，在比赛中会出现有的弯度即使汽车打死也过不去。
3. PCB板设计采用双面板，这样电路可以减少很多的跳线，而且电路实施起来方便，检测故障一目了然。
4.接口标注，在实施过程中我们往往会忘记接口的功能，在PCB板制作过程中标注好接口功能。
5.跟换最小系统，由于最小系统版S12XS128体积太大，应该采用功能更加强大，系统板体积更小的。
比赛是艰苦的，想起反复的做电路板，反复的测试电路，当你闻到松香的味道你就会认真起来，当你看到窗上的铁栅栏你都会想起你还为完成的电路图。一个个的焊点从奇形怪状到一体化。你就会发现，你真的很理解你自己，你是一个能把一个简单电路实现功能的人。
第 12 页 共 12 页
因篇幅问题不能全部显示，请点此查看更多更全内容