SZM遥控绘图小车.docx
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SZM遥控绘图小车.docx
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SZM遥控绘图小车
《电子综合设计与实践》
设计报告
项目名称:
遥控绘图小车 _
学生姓名:
孙张明 _
学生学号:
08220528 _
所在学院:
数理与信息工程学院_
专业班级:
电信081 _
指导教师:
武林 _
完成时间:
2011年4月8日 _
电工电子实验教学中心制
遥控绘图小车
摘 要
本设计采用单片机AT89S51作为小车遥控单元A和采用AT89S52作为小车控制单元B的主控芯片。
A单元采用12864液晶显示来显示汉字和图形,并通过无线发送模块nRF24L01与B单元进行无线通讯。
单元B通过无线接收模块接收A单元发出的信号,根据该信号执行任务。
我们在B单元坐标区域的四周贴有宽为20mm的黑线,小车可以通过设置在车头的红外检测模块,对黑线进行循迹,从而确定绘图的坐标原点。
并通过四相步进电机带动小车按一定的算法进行绘图或写汉字。
一、方案论证
1.电机的选择
对于本题,小车的电机选择非常重要,甚至决定了是否能够顺利的完成题目的要求指标。
方案一:
采用普通直流电机加编码器。
通过驱动模块控制直流电机正转或反转,并通过安装在轮胎齿轮上的编码器检测小车走过的路程,从而控制小车所绘图形的边长。
我们一开始采用了这种方案,但最后的效果不尽人意,因为小车在转动的过程中有一定的惯性,编码器检测的路程值往往不符合所设定的要求,根本无法达到题目所要求的指标。
方案二:
采用四相小步进电机带动小车。
采用步进电机的最大的好处是路程长度可以精确控制,而且不易打滑,但速度方面却没有直流电机的转速快。
因为题目规定时间是小于等于120秒,所以采用步进电机还是能够有足够的时间来绘成所设的图形。
因为步进电机控制精度比较高,最终我们采用方案二。
2.电机驱动模块
方案一:
采用L298驱动。
L298是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。
但在本题中要驱动两个四相步进电机,就需要两个L298驱动模块,不仅成本相对高,而且占用小车宝贵的空间资源。
方案二:
采用高耐压、大电流复合晶体管ULN2003。
ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列,由七个硅NPN复合晶体管组成。
ULN2003工作电压高,工作电流大,灌电流可达500mA,并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。
而且ULN2003驱动模块电路简单,体积较小,很适合控制小步进电机。
基于性价比和小车空间资源的考虑,采用方案二。
3. 单片机的选择
方案一:
采用C8051F020单片机。
C8051F020是完全集成的混合信号系统级MCU芯片,具有64个数字I/O引脚。
高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核;全速、非侵入式的在系统调试接口;真正12或10位、100ksps 的8通道ADC,带PGA和模拟多路开关;64K字节可在系统编程的FLASH存储器;具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列;硬件实现的SPI、SMBus/ I2C和两个UART串行接口。
刚开始时,我们采用此款单片机去控制小车,效果还不错,但是C8051F020比较贵,而且体积很大。
方案二:
采用AT89S52单片机。
AT89S52支持ISP在线下载,调试起来比较方便。
虽然AT89S52不像C8051F020那样功能丰富,但对于本题的应用,已经完全足够了。
而且AT89S52最小系统板要比C8051F020的系统板节省不少的重量和空间资源。
基于小车在重量和体积方面的特殊要求,采用方案二。
4. 无线模块
方案一:
采用nRF24L01无线传输模块。
nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2.4GHz~2.5GHzISM频段。
内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。
nRF24L01功耗低,在以-6 dBm的功率发射时,工作电流也只有9 mA;接收时,工作电流只有12.3 mA,多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式)使节能设计更方便。
方案二:
采用nRF905无线传输模块。
nRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片,工作电压为1.9-3.6V,工作于433/868/915MHz3个ISM频道(可以免费使用)。
它的传输距离往往要比nRF24L01的传输距离要远的多。
基于各方面的考虑,采用方案二。
5.提笔装置
因为在小车进行绘图前,往往还要确定绘图起始点,如果这时画笔触地的话,往往会在绘图纸上留下不规则痕迹,所以要用提笔装置。
方案一:
采用继电器加弹簧片。
用单片机控制继电器的导通与关断,从而控制单簧片是否弹起,而单簧片与画笔连在一起,这样单片机就可以控制画笔的起落。
方案二:
采用舵机去提笔。
把舵机竖立在小车上,把舵机与画笔用细绳连在一起,只要给舵机打一个小角度,就可以控制画笔的提起与降落。
这时候,必须在画笔上压一个重物,这样能让画笔与地面有一定的压力,有利于绘图。
因为手头材料的限制,采用方案二。
二、控制方法与理论计算
1.黑线循迹与坐标原点的确定
对于确定坐标原点,我们采用8个红外对管来检测黑线,并通过一定方法来确定原点。
红外对管分布如图所示。
中间四路检测,左右各一路检测。
图1小车车头红外传感器布局
小车会被任意摆放于规定区域内,小车刚开始时,按直线往前开。
(1)当小车与黑线刚好垂直时,让小车检测到时转90°;
(2)当小车斜线方向找到黑线边沿时,控制小车往第一个检测到的传感器的反方向转,直至平行于黑线;
(3)当小车对角切入时,左右两边的传感器往往会同时检测到,然后通过处理,让小车转正。
图2小车转90° 图3 小车斜线切入 图4小车对角前进
2.图形绘制
2.1画正方形
要画好正方形,关键在于要转好直角90°。
譬如说,要向左转90°,这时以画笔的尖头为圆心,左轮和右轮同时按逆时针方向转1/4的圆弧。
我们在程序中写了一个转90°的函数,通过实践的调试,使之刚好能转90°。
这样,画正方形只要调用转90°函数和画直线(长度由遥控器设定)即可。
如图5所示。
2.2画三角形
与画正方形同理,我们在程序中写了一个转60°的函数,通过实践的调试,使之刚好能转60°。
这样,画三方形只要调用转60°函数和画直线(长度由遥控器设定)即可。
如图6所示。
ﻩ图5画正方形 图6画三角形
2.3画圆形
设小车的两个轮间的距离为d,所作圆半径为r,内侧轮子的线速度为v1,外侧轮子的线速度为v2,运行时间t,则两个轮子运行距离分别为s1=v1*t,s2=v2*t,则v1/v2=s1/s2=(2*π*r1)/(2*π*r2)=r1 /r2=r/(r+d)。
即控制内外两个轮子的速度比恒定,即可画出圆形,速度比为r/(r+d),半径即为r。
如图7所示。
2.4 写汉字“五”
如图8所示。
我们采取了写连笔画的“五”字。
只要控制好小车的运行长度和所转的角度即可写出汉字,但是是个反笔字。
这需要不断的编程、测试,才能写好的。
图7画圆 图8写汉字“五”
三、电路和程序设计
1.系统框图
图9遥控绘图小车总系统框图
2.电机驱动电路图
图10步进电机驱动模块
3.无线传输模块
图11 nRF24L01无线传输模块
4.液晶显示模块
图1212864液晶显示模块
5.程序框图
图13遥控单元A程序流程图 图14小车控制单元B程序流程图
四、结果分析
1、发挥创新:
1)可以画出边长可变的正方形、三角形和写出汉字“五”。
2)能在画图前,自动放下画笔;能在画图后,自动提起画笔。
3)能够黑线循迹,自动确定绘图坐标原点。
2、测试结果分析:
1) 小车可以作边长可变的正方形、三角形,其误差和笔尖宽度均符合条件,在100s内即作出图形。
2) A单元12864LCD上可以显示图形,并可实时显示绘图时间。
3) 绘图痕迹最大1mm,小于题目要求的10mm,且正方形三角形拐角处无圆弧,圆形也没有明显的拐角。
4) 小车可写汉字“五”,其笔画大于3。
五、附录
ﻩ 图15遥控小车实物图
图16遥控单元实物图
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