毕业论文-基于PIC16F877A单片机的智能小车设计

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东华理工大学大学生科技创新基金项目

在右转大弯后，出弯时最可能出现的前后排传感器检测到黑线时的组合情况。适用于右转转 90°

弯、180°弯。提前得到出弯信息，舵机向右转动较小角度，并在此时采取加速动作，起到弥补前瞻不

足的作用。在赛道的 s 弯出现时，不满足直道的第二种识别方式，故不会加速。

直道识别，程序辅助确认：进入弯道后，随着小车的行进，会发生振荡，致使出弯时不一定满足

上述 5 种情况。为了提高直道的识别成功率，增加第二种直道判别方法。两者同时起作用，满足第一

种后经过最多 15ms 确认是直道。

程序是循环执行，我们的程序执行频率是 2KHz。采用定时中断(15ms)的方式，对前排中间 3 个传

感器(编号为 3、4、5)使用 3 个计数器分别计数，每次执行程序若是其中一个检测到黑线，相对应的计

数器加 1。经过计算，15ms 内所能计数的最大值为 31。我们设定计数的最大值，若在 15ms 内达到所

要求的计数值，就认为是直道，切换直道程序并将计数器清零；若 15ms 内没有达到所要求的计数值，

计数器清零，重新计数。例如小车为 2m/s 的速度，小车行进 3cm。我们只要判断 2~2.5cm 内为直道即

可。所以设最大计数值为 20~25 即认为是直道，跳出弯道程序。

当然也可以采用更严格的方法来判断，只需调整定时中断的时间和计数值即可。此条件在进入直

道后总能满足，所以作为第一种直道判别方式的补充，保证直道的稳定可靠识别。

直线稳定控制策略：小车出弯后，由于舵机的反应不灵敏，智能车会发生振荡，随后才能达到稳

定，为了尽早减小振荡，采用如下方式控制小车出弯后的动作：

在弯道策略中设置标志位，进入直线程序后，识别标志位，对控制舵机转向的公式采取修正设置。

公式为：q=K1q1+K2q2；其中 q 为最终送给舵机的控制量，q1 为前排光电传感器的返回转角值，q2 为

后排红外返回转角值。K1、K2 分别为前后排传感器的加权比例值。

当小车从弯道进入直道并成功识别出直道后，减小 K1 的值，由于后排传感器距离小车的前轮(转

向轮)很近，小车中心偏离黑线时，不会在后排传感器横向位置产生很大位移(相对于前排传感器)，故

小车在直线上舵机调整的次数就会明显减少，直线的稳定性会好。同时，根据前后排不同传感器的组

合，给出不同的转角策略(在程序中以列表的方式体现)，近一步提高直线的稳定控制能力。

1.2.4 直流调速系统

方案一：串电阻调速系统：旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需

要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改

变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以 G-M 系统的可逆运行是很容易

实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁

发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。

方案二：静止可控整流器。简称 V-M 系统：V-M 系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是

单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M 系统的缺点是晶闸

管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求

高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危

害附近的用电设备。

采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作

在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机

断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称

PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。

方案三：脉宽调速系统：与 V-M 系统相比，PWM 调速系统有下列优点：

（1）由于 PWM 调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流

东华理工大学大学生科技创新基金项目

电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达 1：10000 左右。由于电流

波形比 V-M 系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。

（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响

应性能好，动态抗扰能力强。

（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。

根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了 H

型单极型可逆 PWM 变换器进行调速。

脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称 PWM 变换器。脉宽调速也可通过单片机控

制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可

逆 PWM 变换器。可逆 PWM 变换器主电路的结构式有 H 型、T 型等类型。我们在设计中采用了常用

的双极式 H 型变换器，它是由 4 个三极电力晶体管和 4 各续流二极管组成的桥式电路。

1.2.5 车速检测系统

由于红外检测具有反应速度快、定位精度高，可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点，故

采用红外光电码盘测速方案。具体电路同图 1-7 所示。

图

1-7 行车速度检测电路

红外测速由测速轮，遮光盘，红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。测长轮的周长为记数的单位，

最好取有效值为单一的数值（如 0.1 米），精度根据电动车控制的需要确定。测距轮安装在车轮上，这

样能使记数值准确一些。

遮光盘有一缺口，盘下方的凹形物为槽型光电耦合器，其两端高出部分的里面分别装有红外发射

管和红外接收管。遮光盘在凹槽中转动时，缺口进入凹槽时，红外线可以通过，缺口离开凹槽红外线

被阻挡。由此可见，测距轮每转一周，红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数

器或直接送入单片机中。

为实现可逆记数功能，我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器，遮光盘先后通过凹槽可

产生两个脉冲信号。根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系，即可计算出玩

具车的行驶方向（前进或后退）。遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里，以避免外界光线

的干扰，使电路不能正常工作。

测速原理：将光栅安装在电机轴上，当电机转动时，光栅也随之转动，同时安装在光栅一侧的红

外发光二极管点亮，在光栅的另一侧设有红外三极管，用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。

由于光栅随电机高速转动，则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。将该信号传输到 PIC16F877A

单片机的内部计数器计数，根据预先实测的数据换算关系即可计算出小车的行车速度。

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gcc -fPIC *.c -I ../include -c

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