坡道行驶电动小车的设计制作
摘要 本系统以TI公司MSP432单片机为主控芯片设计，作为坡道电动行驶小车的检测和控制核心。设计分为6个模块:前轮PWM驱动电路、后轮PWM驱动电路、路面黑白线检测模块、电机驱动模块，声音提示模块。前轮PWM驱动电路用于转向控制；后轮PWM驱动用于方向和速度控制，利用PWM技术动态控制电机的转速；路面黑线检测模块使用红外传感器；电机驱动模块采用370减速电机；声音提示模块采用普通蜂鸣器。基于这些完备而可靠的硬件设计，使用了一套独特的软件算法，实现了小车在限速和压线过程中的精确控制。
关键词：MSP432单片机，电动四轮小车，灰度传感器，自动循迹，PWM
本设计中的特色： l 高效的PWM波电路，提高电源利用率。 l 控制电路电源和电动机电源隔离，信号通过光电耦合器传输。 l 优化的软件算法，智能化的自动控制，定位精确。 l 改进的导向装置，减少了挡板摩擦。
一、设计方案工作原理1.预期实现目标定位
(1)电动小车能够沿标记线自动骑线行驶，在停车点停车；小车上标记点到停车标记中心线的垂直距离误差≤2cm。停车时立即发出声音提示。
(2)电动小车能够设定行驶时间，自动控制小车匀速通过1米长的线路，在停车点停车。行驶时间可在10s-20s间设定。
(3)坡度角为10°，完成上述动作。
(4)可任意指定坡度角在11°～30°，完成上述动作。
2.技术方案分析比较
2.1路面黑白线检测模块设计与比较 方案一、使用简易光电传感器结合外围电路探测:由于所采用光电传感器实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。
方案二、红外传感器可以敏感的感应颜色变化，用来准确定距离黑色带块的距离，并且提前预测到，是稳定算法的基础。对于智能车此款传感器的效果更是显著。而传统的光电传感器遇到镜面的物体就会失去检测效果（光的反射原理），因此采用红外传感器可以解决上述问题。
综合考虑到循迹准确性和行驶速度的要求，采用方案二。
2.2数据存储比较
方案一、采用外接ROM进行存储:采用外接ROM进行存储是保存实验数据的惯用方法，其特点是在单片机断电之后仍然能保存住数据，但无疑将增大软硬开销和时间开销。
方案二、直接用单片机内部的RAM进行存储:虽然不能在断电后保存数据，但可以在实验结束后根据按键显示相应值。而且本实验的数据存储不大，采用RAM可以减少IO接口的使用，便利IO接口分配，故此方案具有成本低、易实现的优点，更符合实际需求。
鉴于方案二的以上优点，综合比较，本方案采用方案二。
2.3刹车机构功能方案比较 方案一、自然减速式:当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。由于惯性，小车全速行驶时需1.8秒后才能静止，因车轮滑行造成的误差较大。无法实现精确制动的目标。
方案二、后轮PWM波控制速度:改变电机正负极两端的压降可以改变电机的转速，因此可以通过改变引脚PWM波的占空比来改变引脚输出的有效电压。而单片机无法直接驱动电机的。因此需要使用电机驱动来帮助单片机来驱动电机转动,即由电机驱动来提供驱动电机的电压与电流，单片机通过输出PWM波来改变电机驱动输出的电压从而该变电机的转速。
本系统中采用方案二。
2.4电动机驱动调速模块
方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案二：采用PWM电路。用单片机控制使电路工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高；电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。
基于上述理论分析，拟选择方案二。
2.5电源选择 方案一、单一电源：所有器件采用单一电源，这样供电比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM波驱动的电动机电流较大，会造成电压不稳，有毛刺等干扰，严重时可能造成的单片机系统掉电，缺点十分明显。
方案二、采用双电源供电：采用两个8.6-12V的锂电池，其中一个通过稳压模块给电机提供8V的电压，另一个通过稳压模块给单片机提供5V电压。保证单片机不会由于电压过大被烧，而且保证了电机电压的稳定。
故选择方案二给小车供电。
3.小结 经过一番仔细的论证和比较，我们决定了系统各个主要模块的最终方案如下： l 路面黑白线检测模块采用红外传感器。 l 数据存储直接用单片机内部的RAM进行存储。 l 刹车机构功能方案采用后轮PWM波控制速度。 l 电动机驱动调速模块采用PWM电路。 l 电源选择采用双电源供电。
二、系统的具体设计与实现1.系统组成及流程图
三、软件设计特色说明1.红外循迹传感器模块 采用顶层传感器集成的方式，有8个传感器用来检测电路，每个传感器都对应二进制，如果看到黑色则返回1，如果看到白色则返回0。如果小车正确定位在线上，中间传感器将看到黑线。如果小车向左或向右稍微偏离，一个或多个传感器将看到黑线。如果小车完全脱离线路，所有传感器都会看到白色。将八个二进制测量值组合成一个参数，表示小车远离线路中心的数量。假设传感器S1位于小车右侧，S8位于小车左侧。另一个目标是使这个参数对角度不敏感。如果传感器运行正常，存储在Data中的8位二进制数分为四类。
图3-1
2.PWM控速和方向 在电机控制中，电压越大，电机转速越快，而通过PWM输出不同的模拟电压，便可以使电机达到不同的输出转速。输出的电压就不同，电机转速就不同。通过调制器给电机提供一个具有一定频率的脉冲宽度可调的脉冲电。脉冲宽度越大即占空比越大，提供给电机的平均电压越大。可以通过代码控制单片机输出PWM波，从而达到控制小车速度和方向的目的。
四、竞赛工作环境条件 1.设计分析软件环境 Windows10操作系统,Code Composer Studio
2.仪器设备硬件平台 Power Supply示波器,Digital Phosphor Oscilloscope, Multimeter，12V锂电池
3.测试条件 供电：锂电池供电 温度：室温
五、作品成效总结分析
1.系统测试性能指标
（1）自动循线行驶及声音提示：电动小车能够沿细工木板上标记的黑白线自动循线行驶，在停车点停车，且偏移误差符合要求。停车时立即发出声音提示。 （2）设定时间定点停车：电动小车能够设定行驶时间，自动控制小车匀速通过1米长的线路，在停车点停车。行驶时间可在10s-20s间设定。 （3）爬坡行驶完成（2）要求动作：在坡度角θ=10°完成（2）要求动作。 系统测试性能指标(表格) （4）
2.创新特色总结展望 （1）自动矫正跑道的循迹方式：小车的循迹模块采用三部分，中间及两侧，任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到轨道恢复正轨之后再正向行驶。这种循迹方式的独到之处在于：当小车由于车速过快而脱离轨道时小车能根据最近一次转弯记录自动判别正确的运动轨迹，从而自动返回轨道。 （2）采用两个稳压模块进行供电 ：不采用大容量锂电池直接供电的方式，避免MSP432单片机由于电压过大被烧坏或者电压不稳无法保证小车匀速。而是采用一个8V的稳压模块给电机提供8V的电压，另外一个稳压模块分出5V的电压给单片机。从而保证了电机电压及小车速度的稳定。 （3）采用PID控制算法，能够稳定控制小车速度稳定。 （4）采用键盘控制小车行驶模式：方便且容易操作，减少人为干扰产生的误差。
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