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2003年全国大学生电子设计竞赛E题，即《简易智能电动车》（原题见本刊第10期）的任务是：设计并制作一个简易智能电动车，在涂有5cm宽黑色边线、2cm宽黑色引导线的白纸铺成的跑道上行驶，跑道示意图见图1。
题目要求：（1）电动车沿引导线从A到B，即走直道区，并检测直道区白纸下的薄铁片，发声光信息，并存储，显示片数、距离；（2）沿弧形引导线或不沿引导线从B到C，C处埋有薄铁片，要求在C处停车5秒，并发声光信息；（3）电动车在光源引导下通过障碍区进入停车区并准确驶入车库，障碍物的长、宽、高约为50cm×12cm×6cm，共2个，分别放置在障碍区两侧的任意位置；（4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，达到90秒必须立即自动停车。停车后要能准确显示其全程行驶时间。
1.方案述评
按题目要求，简易智能电动车应具有引导线检测、金属片检测、避障、趋光、计程、计时、存储、显示等功能。为实现这些功能，各参赛队选用了不同方案。
（1）引导线检测 基本上均采用反射式红外发射—接收对管。为增强抗干扰能力，部分队增加了脉冲调制功能。对管的个数有2、3、4、5个不等，但实测结果，在车头左、右各装一对对管，即可取得较好效果。要强调的是，要想判断准确，车速必须适中，传感器若摆过引导线，应当多几个采样点，以免因干扰造成误判。
（2）金属片检测 多数队采用成品市售接近开关，但也有一些队利用电涡流原理，自制感应头作为传感器，从而形成了一定的特色。其原理是：振荡状态下的感应头周围存在高频磁场，当金属靠近感应头时，这种高频磁场在金属中产生涡流，使LC谐振回路感应的能量损耗增加，等效损耗电阻增大，振荡幅度下降。金属离感应头越近，振荡幅度下降越多，幅度降到低于阈值的电压，则开关输出动作信号。
（3）避障功能 对障碍物的检测，一是利用障碍物对光或声波的反射作用或选用红外发射对管，或选用超声波传感器；二是利用车头前端伸出一光敏元件检测障碍物背后的阴影。这两种方案各有利弊，前者能较早检测到障碍物，但路面对超声波的反射也造成干扰，后者检测障碍物时车头已离障碍物很近，调整方向有一定难度。
（4）趋光功能 为使小车在200W光源引导下前进，多数队采用多个带黑色套管的光敏元件从不同角度采光的方案，如图2所示。原理是：光敏二极管A、B、C接收光的方向不一样，导致其两端电压也不一样，通过比较A、B和B、C的电压，确定光源相对小车的方位。当A管电压高于B管电压（即A管接收光强大于B管接收光强）时，说明光源在小车左前方；当C管电压大于B管电压，说明光源在小车右前方；当B管电压大于A管、C管电压时，光源在小车正前方。为确保在光源处停车，采用图3所示的方案。D管与水平线成夹角α，只有当小车离光源比较近时光源才直射入管，D管接收的光强最强，此时D管输出电压也最大。基于此原理，D管电压经过一个阈值可调比较器进行鉴幅得到一开关信号，通过调节阈值电压，可以使小车准确地停在车库内。
（5）计程 计程的可行方案很多。可借鉴光电鼠标的工作原理，在车轮上均匀地安装多个遮光条，用计数光脉冲的方法测量小车的位移，并据此计算车子的速度。也可在车轮上安装磁片，用霍尔传感器感应车轮的转速。要注意的是，车速传感器应安装在非驱动轮上，以避免主动轮打滑影响精度。此外，也有用红外发射对管采用光反射测速的。
（6）电机驱动 多数采用H型脉冲宽度调制（PWM）桥式驱动电路，此方式调速功能较好，可灵活正、反转。
（7）单片机及外围电路 单片机型号不一，有用双CPU分别检测与控制的，也有用单片而功能较强单片机的，其中Cygnal公司F005等产品较新，还有凌阳单片机可提供语音提示功能，外围电路有用CPLD实现的。
2.问题分析
本届全国大学生电子设计竞赛，仅湖北赛区选作E题的代表队有46个，约占该赛区参赛队总数的1/5强，在成功参赛的45个队中，有4个队因元器件损坏等不同原因不能测试，另有12个队成绩也很不理想，究其原因，除硬、软件设计不尽合理外，还有下列几点：
（1）本题较之上届C题《自动往返电动小汽车》，题目难度加大，传感器增多，稍微考虑不周，就可能因车载过重跑不动，相应地因能耗增大，电源供给也是一个应引起足够重视的问题。
（2）普遍的一个问题是车子性能不稳定，重复性差，有很多车试跑时很理想，但正式测试时则不尽人意。
（3）符合题目要求的跑道范围较宽，如地板上铺白纸和木板上铺白纸便是不同环境，还有不同光照问题，若车子适应能力差，便影响成绩，此外，小车的选择至关重要，有因轮子小爬不过铁片的，也有轮子太大，摩擦力太大，跑不动的，在测试中，有一种履带式玩具车，爬行性能好，又因左右轮驱动，转向灵活而具一定优势。
（4）智能车的智能体现不足，许多队便采用预置路径办法绕障，有些队就因对题目中障碍物位置的任意性理解有偏差而导致失败，还有因程序编制不灵活，数据无存储功能而丢分。
3.典型电路
以下是部分成功案例中所用到的典型电路。
(1)电机驱动电路（见图4） 采用两对互补型三极管接成桥式电路，为了避免两桥路的直通而使三极管损毁，在电路中增加了NPN型管Q1，实现了电路逻辑锁功能，使P0.0和P0.1在同一时刻仅有一个为高电平。例如当P0.0为高电平时，Q1导通，P0.1拉低，有效地防止三极管Q4、Q7的同时导通。同理，三极管Q6、Q5也不可能同时导通。当电机停止时，P0.4口控制继电器使其迅速制动。
(2)反射式红外发射、接收对管光电检测电路 图5为ST178光电传感器原理图。该设计使用反射式光电传感器ST178，光电传感器的发射孔和接收孔位于同一侧。当光电传感器发射管发射的红外线探测到白色物体时，红外线反射使接收管导通。电压比较器LM393的Ⅴin+拉低，输出为低电平。当检测到引导线或边界线时，接收管截止，Ⅴin+为高，比较器输出为高电平。
考虑到发射管需要比较大的电流，所以其限流电阻R3取330Ω，电流约为（5～1.2）V/330Ω=11.5mA，调节R7和R8的比值可调整光电检测的灵敏度。
(3)光源检测引导电路 光源引导检测电路由3个红外接收二极管和A/D转换芯片TLC2543组成。3个接收管并排安装在小车前端，红外接收管接收到引导光源信号，经AD采样后送单片机比较接收到的引导光源的强度，确定光源的方位。电路如图6所示。
红外接收管在一定范围内有较好的线性度，因此选用三支特性较一致的红外接收管分别布置在小车的左、中、右三方， CPU通过比较来自A/D转换器三个不同通道的数值大小就可以很容易地判断出光源的大致方位，通过少量实验即可确定车库尽头光的强度。因此，三支接收管配合CPU的简单比较即可将小车引入车库，并在规定的地点停止在车库中。实践证明这种方式的控制效果非常理想。
4. 结束语
《简易智能电动车》秉承和发展了上届《自动往返电动小汽车》的基本设计思想，它集光、机、电于一体，可以使人产生诸如机器人、黑匣子、探测器等高科技智能技术的联想。较全面地考察了学生的基础理论知识与实际动手能力，从广大学生对本题的制作具有浓厚兴趣来看，应当说，本题对以竞赛促进教学取到了很好的作用。■
题目要求：（1）电动车沿引导线从A到B，即走直道区，并检测直道区白纸下的薄铁片，发声光信息，并存储，显示片数、距离；（2）沿弧形引导线或不沿引导线从B到C，C处埋有薄铁片，要求在C处停车5秒，并发声光信息；（3）电动车在光源引导下通过障碍区进入停车区并准确驶入车库，障碍物的长、宽、高约为50cm×12cm×6cm，共2个，分别放置在障碍区两侧的任意位置；（4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，达到90秒必须立即自动停车。停车后要能准确显示其全程行驶时间。
1.方案述评
按题目要求，简易智能电动车应具有引导线检测、金属片检测、避障、趋光、计程、计时、存储、显示等功能。为实现这些功能，各参赛队选用了不同方案。
（1）引导线检测 基本上均采用反射式红外发射—接收对管。为增强抗干扰能力，部分队增加了脉冲调制功能。对管的个数有2、3、4、5个不等，但实测结果，在车头左、右各装一对对管，即可取得较好效果。要强调的是，要想判断准确，车速必须适中，传感器若摆过引导线，应当多几个采样点，以免因干扰造成误判。
（2）金属片检测 多数队采用成品市售接近开关，但也有一些队利用电涡流原理，自制感应头作为传感器，从而形成了一定的特色。其原理是：振荡状态下的感应头周围存在高频磁场，当金属靠近感应头时，这种高频磁场在金属中产生涡流，使LC谐振回路感应的能量损耗增加，等效损耗电阻增大，振荡幅度下降。金属离感应头越近，振荡幅度下降越多，幅度降到低于阈值的电压，则开关输出动作信号。
（3）避障功能 对障碍物的检测，一是利用障碍物对光或声波的反射作用或选用红外发射对管，或选用超声波传感器；二是利用车头前端伸出一光敏元件检测障碍物背后的阴影。这两种方案各有利弊，前者能较早检测到障碍物，但路面对超声波的反射也造成干扰，后者检测障碍物时车头已离障碍物很近，调整方向有一定难度。
（4）趋光功能 为使小车在200W光源引导下前进，多数队采用多个带黑色套管的光敏元件从不同角度采光的方案，如图2所示。原理是：光敏二极管A、B、C接收光的方向不一样，导致其两端电压也不一样，通过比较A、B和B、C的电压，确定光源相对小车的方位。当A管电压高于B管电压（即A管接收光强大于B管接收光强）时，说明光源在小车左前方；当C管电压大于B管电压，说明光源在小车右前方；当B管电压大于A管、C管电压时，光源在小车正前方。为确保在光源处停车，采用图3所示的方案。D管与水平线成夹角α，只有当小车离光源比较近时光源才直射入管，D管接收的光强最强，此时D管输出电压也最大。基于此原理，D管电压经过一个阈值可调比较器进行鉴幅得到一开关信号，通过调节阈值电压，可以使小车准确地停在车库内。
（5）计程 计程的可行方案很多。可借鉴光电鼠标的工作原理，在车轮上均匀地安装多个遮光条，用计数光脉冲的方法测量小车的位移，并据此计算车子的速度。也可在车轮上安装磁片，用霍尔传感器感应车轮的转速。要注意的是，车速传感器应安装在非驱动轮上，以避免主动轮打滑影响精度。此外，也有用红外发射对管采用光反射测速的。
（6）电机驱动 多数采用H型脉冲宽度调制（PWM）桥式驱动电路，此方式调速功能较好，可灵活正、反转。
（7）单片机及外围电路 单片机型号不一，有用双CPU分别检测与控制的，也有用单片而功能较强单片机的，其中Cygnal公司F005等产品较新，还有凌阳单片机可提供语音提示功能，外围电路有用CPLD实现的。
2.问题分析
本届全国大学生电子设计竞赛，仅湖北赛区选作E题的代表队有46个，约占该赛区参赛队总数的1/5强，在成功参赛的45个队中，有4个队因元器件损坏等不同原因不能测试，另有12个队成绩也很不理想，究其原因，除硬、软件设计不尽合理外，还有下列几点：
（1）本题较之上届C题《自动往返电动小汽车》，题目难度加大，传感器增多，稍微考虑不周，就可能因车载过重跑不动，相应地因能耗增大，电源供给也是一个应引起足够重视的问题。
（2）普遍的一个问题是车子性能不稳定，重复性差，有很多车试跑时很理想，但正式测试时则不尽人意。
（3）符合题目要求的跑道范围较宽，如地板上铺白纸和木板上铺白纸便是不同环境，还有不同光照问题，若车子适应能力差，便影响成绩，此外，小车的选择至关重要，有因轮子小爬不过铁片的，也有轮子太大，摩擦力太大，跑不动的，在测试中，有一种履带式玩具车，爬行性能好，又因左右轮驱动，转向灵活而具一定优势。
（4）智能车的智能体现不足，许多队便采用预置路径办法绕障，有些队就因对题目中障碍物位置的任意性理解有偏差而导致失败，还有因程序编制不灵活，数据无存储功能而丢分。
3.典型电路
以下是部分成功案例中所用到的典型电路。
(1)电机驱动电路（见图4） 采用两对互补型三极管接成桥式电路，为了避免两桥路的直通而使三极管损毁，在电路中增加了NPN型管Q1，实现了电路逻辑锁功能，使P0.0和P0.1在同一时刻仅有一个为高电平。例如当P0.0为高电平时，Q1导通，P0.1拉低，有效地防止三极管Q4、Q7的同时导通。同理，三极管Q6、Q5也不可能同时导通。当电机停止时，P0.4口控制继电器使其迅速制动。
(2)反射式红外发射、接收对管光电检测电路 图5为ST178光电传感器原理图。该设计使用反射式光电传感器ST178，光电传感器的发射孔和接收孔位于同一侧。当光电传感器发射管发射的红外线探测到白色物体时，红外线反射使接收管导通。电压比较器LM393的Ⅴin+拉低，输出为低电平。当检测到引导线或边界线时，接收管截止，Ⅴin+为高，比较器输出为高电平。
考虑到发射管需要比较大的电流，所以其限流电阻R3取330Ω，电流约为（5～1.2）V/330Ω=11.5mA，调节R7和R8的比值可调整光电检测的灵敏度。
(3)光源检测引导电路 光源引导检测电路由3个红外接收二极管和A/D转换芯片TLC2543组成。3个接收管并排安装在小车前端，红外接收管接收到引导光源信号，经AD采样后送单片机比较接收到的引导光源的强度，确定光源的方位。电路如图6所示。
红外接收管在一定范围内有较好的线性度，因此选用三支特性较一致的红外接收管分别布置在小车的左、中、右三方， CPU通过比较来自A/D转换器三个不同通道的数值大小就可以很容易地判断出光源的大致方位，通过少量实验即可确定车库尽头光的强度。因此，三支接收管配合CPU的简单比较即可将小车引入车库，并在规定的地点停止在车库中。实践证明这种方式的控制效果非常理想。
4. 结束语
《简易智能电动车》秉承和发展了上届《自动往返电动小汽车》的基本设计思想，它集光、机、电于一体，可以使人产生诸如机器人、黑匣子、探测器等高科技智能技术的联想。较全面地考察了学生的基础理论知识与实际动手能力，从广大学生对本题的制作具有浓厚兴趣来看，应当说，本题对以竞赛促进教学取到了很好的作用。■