基于单片机的智能小车毕业设计Word文档格式.docx
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附录25
1引言
随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究[1]。
可见其研究意义很大。
本题目是结合科研项目而确定的设计类课题,主要实现小车的自动寻迹功能。
本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。
以80C51为控制核心,控制小车实现自动寻迹。
80C51是一款八位单片机,它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
它是第三代单片机的代表。
第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品,如8xC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8xC451﹑8xC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM﹑Fujutsu﹑OKI﹑Harria-Metra﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。
新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展,以实现Microcomputer完善的控制功能为己任,将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA(可编程计数器阵列)﹑WDT(监视定时器)﹑高速I/O口﹑计数器的捕获/比较逻辑等。
这一代单片机中,在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线,为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。
Philips公司还为这一代单片机80C51系列8xC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN(ControllerAreaNetworkBUS)[2]。
新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构,为系统的扩展与配置打下了良好的基础。
本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心,80C51采用CHOMS工艺,功耗很低。
该设计具有实际意义,可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。
尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景;
在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。
所以本设计与实际相结合,现实意义很强。
2总体方案设计
系统结构图如图2-1所示:
图2-1系统结构图
通过对设计题目的分析,分析小车要实现既定功能所需要的模块。
首先考虑所用的电机型号,是用直流电机还是步进电机,由于直流电机转动力矩大,体积小,重量轻,装配简单,使用方便,故选择用直流电机。
把小车直线行进时分成三种状态,当前面传感器检测到白线时,小车在跑道的正上方,这时控制两电机同速度全速运行。
当检测到有一个传感器偏出白线时,小车处于微偏状态,这时将一个电机速度调慢,另一电机速度调快,完成调整。
当检测到有两个电机偏出时,小车处于较大的偏离状态,这时把一个电机的速度调至极低,另一电机全速运行,从而在较短时间内完成路线的调整。
利用电机驱动模块L298驱动直流电机,使用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
红外发射管发出红外线,当发出的红外线照射到白色的平面后反射,若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平,若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
把电平信号反馈给单片机,单片机MCS-51根据反馈的信号,通过所编写的程序,判断出小车行驶的状态,通过单片机的引脚输出相应的控制信号,控制直流电机的驱动芯片L298,这样才能调整直流电机的转速,使其调整到最佳状态。
3硬件设计
3.1硬件各单元方案设计与选择
从设计的要求看,系统的完成是分模块设计的,在进行方案比较论证时,也是对各个模块进行方案论证,本课题设计的系统有车体设计、控制器模块、电源模块、稳压模块、寻迹传感器模块、电机模块、电机驱动模块七部分,基于此,只对这七部分的方案选择进行说明。
3.1.1车体设计
方案1:
购买玩具电动车。
购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。
但是一般来说,玩具电动车具有如下缺点:
首先,这种玩具电动车由于装配紧凑,使得各种所需传感器的安装十分不方便。
其次,玩具电动车的电机多为玩具直流电机,力矩小,空载转速快,负载性能差,不易调速。
而且这种电动车一般都价格不菲。
方案2:
自己制作电动车。
经过反复考虑论证,我们制定了左右两轮分别驱动,后万向轮转向的方案。
即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动,车体尾部装一个万向轮。
在安装时要保证两个驱动电机同轴。
当小车前进时,左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳,可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。
为了防止小车重心的偏移,后万向轮起支撑作用。
综上考虑,我选择了方案2。
3.1.2控制器模块
采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。
CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展[3]。
采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模控制系统的控制核心。
但本系统不需要复杂的逻辑功能,对数据的处理速度的要求也不是非常高。
且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。
采用凌阳公司的16位单片机,它是16位控制器,具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高,尤其适用于语音处理和识别等领域[2]。
但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时,由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
方案3:
采用MCS-51系列中的80C51单片机作为主控制器。
本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心,80C51采用CHOMS工艺,功耗很低[5]。
综上考虑,我选择了方案3。
3.1.3电源模块
由于本系统需要电池供电,我考虑了如下几种方案为系统供电:
采用10节1.5V干电池供电,电压达到15V,经7812稳压后给支流电机供电,然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
但由于干电池电量有限,使用大量的干电池会给系统调试带来很大的不便。
采用3节4.2V可充电式锂电池串联得到12.6V给直流电机供电,经过7812的电压变换后给直流电机供电,然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
锂电池的电量比较足,并且可以充电和重复利用,因此,这种方案比较可行。
但锂电池的价格过于昂贵,使用锂电池会大大超出我们的预算[8]。
采用12V蓄电池为直流电机供电,将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
虽然蓄电池的体积过于庞大,在小型电动车上使用极为不方便,但我们可以在车体设计时留出了足够的空间,并且蓄电池的价格比较低[10]。
3.1.4稳压模块
采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电,然后采用一片7809将电压稳定至9V,最后经7805将电压稳至5V,给单片机系统和其他芯片供电,但由于7809和7805压降过大,使得7809和7805消耗的功率过大,会导致7809和7805发热量过大[4]。
采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电,然后采用2576将电压稳压至5V。
2576的输出电流最大可到3A,完全满足系统要求。
3.1.5寻迹传感器模块
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时,光线发射强烈,光线照射到黑线上面时,光线发射较弱[5]。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时,阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
用RPR220型光电对管。
RPR220是一种一体化反射型光电探测器,其发射器是一个砷化镓红外发光二极管,而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。
此器件虽性能优良但成本较高[7]。
用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
综上考虑各种方案的实用性与灵敏性,我选择了方案3。
3.1.6电机模块
本系统为智能电动车,对于电动车来说,其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。
由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量,我们综合考虑了一下两种方案。
采用步进电机作为该系统的驱动电机。
由于其转过的角度可以精确的定位,可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点,步进电机的输出力矩较低,随转速的升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,其转速较低,不适用于小车等有一定速度要求的系统[6]。
经综合比较考虑,我们放弃了此方案。
采用直流减速电机。
直流减速电机转动力矩大,体积小,重量轻,装配简单,使用方便。
由于其内部由高速电动机提供原始动力,带动变速(减速)齿轮组,可以产生较大扭力。
我们所选用的直流电机减速比为1:
74,减速后电机的转速为100r/min。
我们的车轮直径为6cm,因此我们的小车的最大速度可以达到:
V=2πr·
v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s
能够较好的满足系统的要求,因此我们选择了方案2。
3.1.7电机驱动模块
针对步进电机用分立元件构成驱动电路。
由分立元件构成电机驱动电路,结构简单,价格低廉,在实际应用中应用广泛。
但是这种电路工作性能不够稳定。
采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片,它的相应频率高,一片L298N可以分别控制两个直流电机,而且还带有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动,操作方便,稳定性好,性能优良[9]。
3.1.8最终方案
经过反复论证,我最终确定了如下方案:
(1)自己手工制作车体。
(2)采用MCS-51单片机作为主控制器。
(3)用蓄电池经7812稳压后为直流电机供电,将12V电压经2576降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。
(4)用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
(5)采用直流减速电机作为电动车驱动轮的驱动电机。
(6)L298N作为直流电机的驱动芯片。
3.2单元电路设计
3.2.1光电传感器电路
我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路,电路原理图分别如图3-1和图3-2所示:
图3-1光电传感器电路
图3.1所示电路中,R1起限流电阻的作用,当有光反射回来时,光电对管中的二极管V2导通,R2的上端变为高电平,此时VT1饱和导通,二极管集电极输出低电平。
当没有光反射回来时,光电对管中的二极管V2不导通,VT1截至,其集电极输出高电平。
VT1在该电路中起到滤波整形的作用。
经试验和示波器验证,该电路工作性能一般,输出还有杂散干扰波的成分。
如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。
但是这种电路用电量比较大,给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。
究其原因,是因为光敏二极管V2和三极管VT1导通时的导通电流较大。
因此我们考虑用比较器的方案。
图3-2光电传感器电路
在图3-2中,可调电阻R3可以调节比较器的门限电压,
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