第三章 机械改造及硬件设计
3.1、机械部分
3.1.1、舵机：舵机转动一定角度有时间延迟，时间延迟正比于旋转过的角度，反比于舵机的响应速度。从大量的实验中我们发现，按照原有的机械结构，舵机的响应速度太慢。要想提高模型车在弯道时的最高速度，就必须提高舵机的响应速度。舵机的响应速度与工作电压有关，电压越大速度越快。但是，大赛规则不允许采用升压电路为舵机提供电源。提高舵机控制前轮转向速度的另一种方法是采用杠杆原理，在舵机的输出舵盘上安装一个较长的输出臂，将转向传动杆连接在输出臂末端。这样就可以在舵机输出较小的转角下，取得较大的前轮转角，从而提高了整个车模转向控制速度。
3.1.2、离地间隙与底盘刚度调整：由于本次比赛与上次比赛相比增加了坡道，因此模型车底盘离地间隙应适当大一点，以保证能够顺利通过坡道。在固定后轮轴处可以通过变换卡圈来调整底盘后半部分的离地间隙。提高底盘刚度有利于模型车的快速行使，我们通过调整刚度拉杆弹簧另一个支点的位置来改变预紧力，从而提高整个底盘的刚度。
3.1.3、光电传感器：大赛规定赛车车长不能大于40CM，车宽不能大于25CM，而赛车的探测距离越远越好、越宽越好。电光管伸出车头7CM，光电管与地面有15°的仰角。布局方式为一排10对光电传感器204和264成直线排列。具体排列情况如图3-1所示。
图3-1 光电管排列
3.1.4、摄像头：摄像头的安装的安装主要是支架的高度问题。支架的高低取决于探测路面的反应速度。安装低了，赛车在过弯道时就比较容易冲出赛道，速度也上不去。安装高了，赛车的重心也随着高了，车子跑起来容易晃动，过弯道速度太大时来容易造成翻车事故。经过长时间的调试、分析之后，我们把摄像头的安装高度确定在30—38CM之间。
3.1.5、测速模块：测速装置用的是一个小型的反射式红外发射接收对管和一个码盘来实现。为了让装置的测量精度高一些，我们自制了一个32等分的黑白相间的图形码盘。将码盘贴在后轮齿轮传动盘上，通过固定在附近的反射式红外发射接收对管读取码盘转动的脉冲。码盘如图3-2所示。
图3-2 码盘
3.2、硬件电路路部分
硬件结构框图如图3-3所示
图3-3 硬件结构框图
3.2.1、电源模块：电源模块为系统其他各个模块提供所需要的电源。设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数之外，还要在电源降低噪声、防止干扰等方面进行优化。可靠的电源是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。电路中不同电路模块所需要的工作电压和电流容量各不相同，主要有12V、7.2V、6V和5V。12V电压主要为摄像头模块提供电源。电机驱动模块（MC33886）则需要7.2V和5V电源。舵机则需要6V的工作电压。单片机、信号调理电路以及部分接口电路都需要5V电源。由于各个电压所供给的电路大不相同，相互之间会产生干扰，因此在设计电路时，各个电压的电路应单独走线，尽量减小干扰。
3.2.1.1、12V电源：
12V电压是为摄像头模块提供电源，它需要通过直流斩波升压电路产生。MAX734是美国MAXIM公司生产的高效DC-DC转换器，它具有独特的限流脉冲频率调制功能，可直接驱动MOSFET，其负荷电流最大可达120mA。
MAX734的输入电压范围为4.75V～12V,输出电压为12V，其转换频率可以高达170KHz。
MAX734的应用电路图如图3-4所示。
图3-4 MAX734电路
3.2.1.2、7.2V电源
7.2V电源是由可充电镍镉蓄电池提供的，主要是为全部硬件电路提供电源。7.2V电源要经过电源模块对其处理，产生各个不同电压值的电源供给其它电路。7.2V电源可以直接供给电机驱动模块。
3.2.1.3、6V电源
6V电源是为舵机提供电源的，它是由直流稳压电路产生。在实际工作中，舵机所需要的工作电流一般在几十毫安左右，电压无需十分稳定，因此用LM7806就可以满足要求了。
LM7806是一个应用非常方便的直流稳压芯片，它电路简单，稳压特性好，得到了广泛应用。其电路图如图3-5所示。
图3-5 7806电路
3.2.1.4、5V电源
在整个系统中，5V电源是用得最多的一个电源。不仅单片机要用5V电源，而且光电传感器模块、测速模块、电机驱动模块等很多电路都要用到5V电源。所以，在整个电源模块中，5V电源是要求最高的一个，也是最重要的一个。由于考虑到光电传感器模块的功耗比较大，也容易产生电压波动，所以这里采用LM2576T-5.0作为5V电压的转换芯片。而单片机对电压要求比较高，光电传感器模块容易对电压产生干扰，所以供给单片机和其他电路的5V电源采用LM2575T-5.0作为转换芯片。
LM2576T-5.0是美国NS 公司生产的单片降压式开关稳压器,由振荡器、取样放大器、比较器、PWM 调制器、功率开关等部分组成。其输入电压为3.5～40V，输出电压为5V，负荷电流最大可达3A，振荡器固定频率52kHz。其电路图如图3-6所示。
图3-6 LM2576T-5.0电路
LM2575T-5.0的输入电压为7～40V，输出电压为5V，负荷电流最大可达1A，振荡器固定频率54KHz。其电路图如图3-7所示。
图3-7 LM2575T-5.0电路
3.2.2、光电传感器模块
光电传感器模块是道路探测模块的一部分，它的特点是响应速度快。由于使用的光电对管数量较多，使得这一模块的功耗比较大，所以对其电路的参数要求也比较高一些。
市面上光电传感器种类很多，主要分为可见光光电传感器、红外线光电传感器和紫外线光电传感器等。我们这里采用的是红外线光电传感器，是一种反射式的红外发射、接收对管，其型号为204、264。
这一款对管的功率较大，探测距离也相应较远，其电路也非常简单。其电路图如图3-8所示。
图3-8 探路光电管电路
外红对管的工作原理：红外发射管发射红外线，路面反射回来经接收管接收。不同的路面对红外线的反射情况不一样，其中白色路面对红外线的反射最强烈，黑色最弱。接收管在不同的路面接收到的红外线强弱不一样，从而它的导通情况也不一样，使得1点的电压值也高低不同。1点的电压是一个连续变化的模拟量，需要将它送到反相器进行离散化之后再送到单片机的I/O口。至此，I/O口检测到高电平则说明光电对管在白色位置，检测到低电平则是在黑色位置。光电管与单片机I/O的分配图如图3-9所示。
图3-9 I/O分配表
在调试电路当中我们发现，用热缩管加在接收管上，可以控制进入接收管的光强，从而减小干扰。
3.2.3、摄像头模块
摄像头是赛道探测模块的另一部分。摄像头发出标准电视信号，需要用行、场同步信号分离器LM1881提取出行、场同步信号。将奇、偶场同步信号送到单片机的PORTA-7口，而行行同步信号则送到单片机的中断口PE1，同时将视频信号送到单片机的A/D口AN00。其具体电路图如图3-10所示。
图3-10 摄像头模块电路图
3.2.4、测速模块
为了使得模型车能够平稳地沿着赛道运行，除了控制前轮转向舵机以外，还需要控制车速，使模型车在转弯时不会因为速度太快而冲出赛道。因此，在模型车上安装测速装置是很有必要的。测速的方式有很多，比如采用测速发电机、转角编码盘、反射式光电检测和霍尔传感器检测等等。我们采用反射式光电检测。
反射式光电检测的工作原理和检测赛道的黑线的工作原理是一样的，只不过工作方式不一样而已。电机转动时带动码盘转动，测速装置就产生一系列脉冲，把这一系列的高低电平经过反相器离散后送到单片机的ECT接口，单片机捕捉这一系列高低电平的上升沿和下降沿。通过累积一定时间内的脉冲个数，可以计数出相应的速度值。具体的检测和计算方法在软件部分进行详细说明。
测速光电传感器的电路图跟探路光电传感器的电路图差不多，不同的是测速光电传感器用的是SG-105。其电路图如图3-11所示。
图3-11 测速光电管电路
3.2.5、电机驱动模块
通过电机驱动模块，控制驱动电机两端电压来改变模型车的运行速度。本模块采用集成电机驱动芯片实现对电机的控制。这里采用的是Motorola公司生产的驱动芯片MC33886。它内部集成了一个H桥电路，能够通过5A电流，外部输入控制信号PWM波的频率可以高达10KHz，大大提高了电机的控制频率。此外，MC33886内部还具有短路保护、欠压保护和高温保护等功能。由于模型车只需前进不需要倒退，所以可以把MC33886内部集成的两个半桥电路并联起来，从而大大增加了它的驱动能力。其电路图如图3-12所示
图3-12 电机驱动电路
3.2.6、无线通讯模块
在模型车的制作和调试过程中，需要将小车探测到的路面信息以及速度等参数实时地发送到PC机，以便对算法有针对性的分析。小车在运行过程中不能用有线的方式与PC机实现通讯，因此我们使用无线通讯方式。
我们采用DTR902S模块，它具有当前最先进的欧洲“蓝牙技术” 采用全数字科技生产的单 IC 射频前段与 ATMEL 的 AVR 单片机组成，可高速传输数据信号的微型收发信机，无线传输的数据进行打包﹑检错﹑纠错处理。元器件都采用工业级标准，工作稳定可靠，体积小便于安装。适用于安全报警、无线自动抄表、家居及工业自动化、远端遥控、无线数传等等广泛系统领域。
DTR902S使用5V电源，提供TTL和485两种接口，波特率可选9600、4800、2400、1200bps，通讯距离长达200米。
DTR902S与PC机不能直接对接，需要用MAX232将TTL电平接口转化成232接口才能对接，它通过PC机的串口COM1实现通讯。
3.2.7、手动设置模块
由于赛前我们有一定的调试时间，因此可以针对赛道的具体情况，通过拨码开关对一些可变参数进行设定，这可以使得小车的适应能力更强。拨码开关部分的电路很简单，只须将开关变量直接接入单片机的就行了。其电路图如图3-13所示
图3-13
