自动往返电动小汽车

一 方案论证与选择

1 电机调速模块

电机调速主要是控制小车的速度与行驶方向。通过对前轮电机转速的控制可控制小车的行驶方向，对小车的行驶速度的控制通过对其后轮转速的控制实现。此模块为本设计的核心部分。

（1） 电机调速方案

方案一：电枢回路串电阻调速。如II-1-1所示，通过单片机控制继电器，这样可以控制接入电枢回路电阻的大小，从而实现串电阻调速。此方案只能分级调速，而且，串入电阻造成能量损耗，而本设计采用电池供电，显然，需要节能的调速系统，故此方案不能达到要求。





方案二：电枢回路串电感调速。原理图与方案一相同，将电阻换为电感，这样可以减小能耗，但由于电感消耗无功功率，造成电源污染，故不能采用此方案。

方案三：采用弱磁调速，即改变电机气隙磁通。此方案可以连续调速，而且，能耗小，可由额定转速向高速方向调节，也可由额定转速向低速方向调节。但由于小车电机不为他励直流电机，故很难改变磁通大小，方案难以实现。

方案四：采用改变端电压调速。根据直流电机机械特性方程

n=Ua/ke***+(Ra+Rj)T/kekT***2=n0-βTT
n——电机转速；
n0——电机空载转速；
ke、kT——电机结构参数所确定的电机电势常数、转矩常数；
***——气隙磁通；
Ua——电动机电枢电压；
Ra、Rj——电机电枢电阻及串入电阻；
T——负载转矩；
βT——机械特性曲线斜率；

由上述直流电动机机械特性知，改变电枢端电压，可以连续改变电动机转速。此方案简单易行，易于实现，故采用此方案。

（2） 改变电压方式选择

方案一：G-M调速系统。即电机带动电动机转动调速。通过改变直流发电机的励磁电流，从而改变输出端电压，这样就改变了电动机电枢端电压。此方案可在四象限运行，但设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便。而且，本设计采用电源供电，此方案很难实现。

方案二：V-M调速系统。可以为半波、全波、半控、全控等形式，通过调节触发装置GT的控制电压来移动触发脉冲的相位，即可改变输出直流电压，从而实现平滑调速。相比方案一，此方案可以大大提高系统动态性能，采用两组还能实现有源逆变。但当系统处在深调速状态时，开关管导通角很小，使得系统功率因数很低，并产生较大的谐波电流，危害电源。
方案三：PWM调速系统，即为直流脉宽调制调速。直流斩波器（直流调压器）可用来直接控制直流电压，实现DC-DC变换。相比V-M调速系统，PWM调速系统有下列优点：a、仅靠电枢电感的滤波就可以得到脉动很小的直流电流，电机电枢容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，电机损耗和发热小。b、快速响应性能好，动态抗干扰能力强。

比较上述三种方案，显然方案三性能好，对电源危害小，故采用方案三。

（3） 电机制动

方案一：能耗制动。采用图III-1-1的电路，在小车到达终点时，通过单片机控制继电器，从而将电阻接入，电机转速下降至零，实现停车。此方案实现电路复杂。

方案二：反转制动。在小车将到达终点时，在电机两端加一负电压，从而电机可快速停转。但此方案很难把握何时加这一负电压，比较难控制，而且，控制电路须再加一组，比较复杂。

方案三：直接将电压降为零来制动。在小车到达终点时，单片机输出控制信号，将电机驱动电路隔断，这样电机端电压为零，小车减速至零。通过车速及路程检测模块检测到的路程超调量，控制电机反转时间与速度，如此调节，最终将小车停靠在终点线。

相比之下，方案三简单易行，易于控制，故采用此方案。

2 地面黑线检测模块

利用光线照到地面发生反射，由于不同颜色反射系数不同来检测。由于白纸反射能力强，而黑线反射很弱，通过传感器接受到不同的光信号，从而输出不同的电平，这样就可以检测出地面上的黑线。

方案一：由可见光发光二极管（如红色、绿色或黄色等）发射可见光，光敏二极管或光敏三极管作为接收器件。发光二极管反射可见光经地面反射到光敏二极管或三极管，光敏二（三）极管因反射的光强不同而呈现不同的电阻值，这样，在经过黑线时即可检测出。此方案简单，但易受外界光源的干扰，容易出错，检测不出黑线。

方案二：脉冲调制式发射接收装置。采用脉冲发射与接收装置可以提高瞬时输出光强，提高抗干扰能力，还能节损能量。此方案最大的一个缺点是不易控制脉冲发射时间间隔，而黑线只有2cm宽，容易跳过黑线而传感器检测不出来。这样就容易出错。

方案三：采用不调制的红外反射接收装置。这样可以提高抗干扰能力，还能灵敏的检测到地面上的黑线，还能区别地面上的脏迹。

经权衡，我们采用方案三。

3 车速及小车行驶路程检测模块

对于速度的测量，有离心式测速表，测速发电机，但在本设计中不能采用这些仪器仪表。本设计中采用传感器检测到车轮转过的圈数，根据测出的车轮周长以及行驶时间即可计算得到小车行驶速度。

方案一：采用磁性传感器件，如霍尔元件、磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三极管等。在车轮上固定一磁片，磁性传感器根据磁片不同的位置，感受的磁感应强度变化时，输出相应的电脉冲信号，从而完成转速的测量。

方案二：电涡流式转速测量。在小车轮上开一或数条小槽，也可以打一或数的小圆孔，旁边放置一电涡流传感器，由于所开槽（或孔）与电涡流探头的距离不同于电涡流探头与未开槽（或孔）处的距离，致使电涡流传感器将周期的改变输出讯号。此信号经整形可作为计数脉冲，记出车轮转过的圈数。

方案三：光电式传感器测速。在车轮上装一白纸，并将其分为8等份，其中4分份涂为黑色，通过光电对管检测车轮转过的圈数，即可得到小车的行驶速度。

以上三种方案均为非接触式转速测量，具有精度高、动态响应好、稳定性及可靠性好等优点，都在实际中得到了广泛应用。但在此设计中，光点式传感器更易安装，故采用方案三。

4 显示模块

方案一：采用数码管显示。编程驱动简单，但由于数码管只有8段（实际只有7段有效），显示内容有限，而且，耗能很大。

方案二：液晶显示。可以灵活显示各种数字文字，故采用液晶显示器。液晶可以显示行驶速度路程及其单位。耗能小，这对采用电池供电的本设计是一大优势。

5 小结

经上面的论证比较，采用高灵敏度的光电对管检测路面上的黑线，单片机根据检测到的信号输出PWM控制电机转速。同时，采用光电式传感器检测车轮转过的圈数，根据车轮的周长计算出路程，另外，由单片机内部时钟计时，这样就可计算出小车速度。路程及速度结果由液晶显示。系统框图如下图III-1-2。





实现过程及其原理图，如下，

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来源：我爱电子方案网