电动车寻迹功能设计Word文件下载.docx
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对智能车的研究已经成为热门课题,它在军事、民用和科学研究等方面已经获得了应用,特别是在一些高风险的情况下,如军事侦察,排雷排险、宇宙开发、核污染等有着广阔的应用前景。
本文所设计的电动车,主要完成自动寻迹,显示实时速度等功能。
1.1课题的研究意义
由于一台智能车系统(IVS-IntelligentVehicleSystem)的价格非常昂贵,这是国内企业对IVS望而却步的一个主要原因。
更重要的是,企业对IVS的要求往往得不到很好的满足。
这是因为不同的企业其生产条件和生产环境大相径庭,因此他们对IVS的要求也不一而足。
此外,由于开发成本及其昂贵,所以IVS制造商也难以满足所有企业的需求。
虽然IVS造价昂贵,但是其特点也是非常显著的。
作为一种无人操纵的自动化运输设备,IVS具有运输效率高、节能、工作可靠、能实现柔性运输、使用灵活、无公害等许多优点,已经广泛地运用在汽车制造、机械加工、烟草业自动仓库等许多领域。
IVS已经成为现代企业提高生产效率,降低生产成本的有力工具。
但是由于其高昂的造价和复杂的制造工艺令许多中小企业望而却步,使得其在国内一直无法得到普及和推广。
因此设计一种低价位又满足以上特点,且适合中小型企业需求的IVS就显得非常迫切。
1.2智能车的国内外发展现状
IVS虽然首先出现在美国,却是在欧洲迅速得到发展并推广应用,成为制造和装备作业过程中的一种流行的物料搬运设备2。
瑞典于1969年首次在物流系统中采用了IVS,到1985年为止,共有1250台智能小车在25条IVS中工作。
1983年全欧洲有360条IVS共3900台智能小车在工作,而1985年所生产的智能小车总台数超过31000台。
1985年美国拥有2100条IVS,共8199台智能。
日本在1963年首次引进一台智能小车,1976年以后每年增加数十条IVS,己有神钢电机、平田电机、住友重机等27个主要生产厂生产几十种不同类型的IVS,1981年销售量达60亿日元,1985年上升到200亿日元,平均每年以20%的速度递增,到1990年日本拥有IVS约超过一万台,是使用最广泛的自动化车辆,最近几年发展更为迅速。
IVS可用于各行业自动化生产、储运、办公、服务等系统中执行室内物料运输任务。
其中汽车生产、机械制造及电子工业方面的应用占较大比例,其它较多的应用部门分别为造纸、化工、食品、纺织等行业。
IVS也是当前国内外研究开发的高技术领域—计算机集成制造系统不可缺少的物流智能戏备。
我国IVS的研制起步较晚,并且受到国内市场需求的影响而发展缓慢。
许多任务仍然由人工借助简单的机械装置来完成,只有在一些自动化程度较高和作业环境对人体有害的场合使用IVS,并且多数是进口的。
适应于工业发展的需要,国内许多厂家正在进行着生产过程的自动化改造,对于在自动化生产过程中起着纽带作用的IVS的需求越来越多,因此及时开发和研制自己的IVS是十分必要的。
中科院沈阳自动化所利用现有的技术储备,也已开发出几种实用化的运输型和装配型智能车。
他们生产的装配型IVS已用于沈阳金杯汽车公司、沈阳轿车厂“海狮”牌客车的总装线上,形成了完整的自动装配导向车系统。
该系统由9台IVS构成,用于发动机、后桥、油箱相对车体的装配。
其IVS采用四轮结构,双驱动轮分别驱动,可实现智能小车的前进、后退、转弯以及调整左右偏摆的运动。
智能小车行驶路径是由铺设在地下的电磁引导线的引导信号控制的,车体下面的电磁传感器感应出车体偏离路线的差值,对车体的左右引导进行校正。
此外,国内一些单位正在进行着IVS系统领域内一些关键技术的研究工作,这些大多处于技术研制阶段,与IVS的系统集成和实际应用还有很大的距离,在现有的技术条件下,还不能实现“复杂交通环境下的多车实时监控调度”5。
1.3本设计研究的主要内容
图1-1电动车系统构思图
本电动车系统的构思图如图1-1所示。
在本设计中,电动车主要实现的功能是自动寻迹和显示实时速度等功能。
小车底层的三个光电传感器是用来完成寻迹,霍尔传感器完成小车速度的测量并通过数码管显示出来。
本文中所介绍的智能小车具有结构简单、成本低廉、稳定可靠等优点。
主控板上还留出和其它功能模块的接口,便于系统的改进。
第2章电动车系统设计方案
在第一章中己经提到了目前国内智能车的应用存在的许多弊端而导致其不能得到有效的推广和普及,但是其显著的特点使其受到众多企业的重视。
在本章中,首先对国内常见的同类智能车的特点及其设计方案进行分析,随后给出本次毕业设计中电动车的设计方案。
2.1国内常见智能车的系统设计方案分析
在设计前期对目前国内市场上常见的几款智能车进行了调研,对它们的性能、特点和设计方案作了详细的分析和比较。
这些智能车按照其自动行驶过程中的导引方式,主要分为以下三款:
电磁感应引导式智能车,激光引导式智能车和视觉引导式智能车。
现对这三款智能车的设计思路和方案及其特性进行简要的介绍。
2.1.1电磁感应引导式智能车
电磁感应引导是最早成功应用于无轨智能车的导引方法,也是目前无轨智能车主要采用的导引方式。
该方式需要在预先设定的行驶路径上埋设专门的电缆线,当高频电流流经导线时,导线周围产生电磁场,此时安装在智能小车车体两端的电磁传感器通过电磁感应原理产生感应信号。
由于根据传感器偏离轨迹的远近程度可产生强度不同的电磁信号,因此系统可以通过采样传感器的电磁信号,从而软件调节驱动机构,实现引导6。
该方法可靠性高,经济实用,主要问题是:
智能车的行驶路径改变非常困难,而且埋线对地面要求较高,一旦电缆出现问题,维护非常困难。
同时,该方式实现的成本也很高。
2.1.2激光引导式智能车
这种方法是在智能车上安装有可旋转的激光扫描器,在运行路径沿途的特定位置处安装高反光性的反射镜面,智能车在运行途中,不断用激光扫描器发射的激光束照射这些镜面,利用入射光束与反射光束提供的夹角信息、入射光束与反射光束的时间差信息等,根据数学模型计算出智能小车当前的位置以及运动的方向,通过和内置的数字地图进行对比来校正方位,从而实现导引。
这种导引方式的特点是当提供了足够多反射镜面和宽阔的扫描空间后,智能车导引与定位精度十分高,且提供了任意路径行走和规划的可能性。
但是该方式成本昂贵,传感器电路、反射装置的安装都十分复杂,且算法也很复杂6。
2.1.3视觉引导式智能车
视觉引导方式是一种正在快速发展和成熟的智能车导引方式,这种方法是在智能车上装备CCD摄像机和传感器,在智能车运行线路上建立色标,在主控芯片中存储有智能车欲行驶路径周围环境的图像数据库。
在IVS行驶过程中,摄像机动态的获取车辆周围环境图像信息,利用图像处理技术进行特征识别,并与图像数据库进行比较,从而确定当前位置,并对下一步行驶做出决策。
这种智能车由于不要求人为设置任何物理路径,因此具有最佳的引导柔性,适应性非常强7。
但是该方法对照明和色标清洁度有一定要求,而且这类IVS造价非常昂贵,同时由于CCD传感器开发非常困难,算法复杂度高,一般的8位,16位MCU都无法进行开发。
2.2本设计的基本思路
通过对市场上常见的几款IVS的分析,再根据现有条件,我们设计开发了一款能够沿着预定的路线行驶,并能显示实时速度的智能车。
整个电动车系统由两部分组成,即硬件部分与软件部分。
2.2.1硬件部分
硬件部分主要由主控板控制模块,光电检测模块,测速模块,电机驱动模块,显示模块、指示灯模块等模块组成。
(1)主控板控制模块主控板主要是由STC公司推出的一款基于8051核心的89C52构成的最小系统。
该芯片具有低成本,高性能等性能,主要用于汽车电子,工业控制等领域。
(2)光电检测模块光电检测模块主要完成小车的寻迹,该模块主要由三对光电收发传感器组成。
光电信号在碰到黑颜色时将被大部分吸收,而碰到白颜色时将被大部分反射,利用这一特点,将小车行驶地面设置成白色,而轨迹设置成黑色。
光电发射传感器发射的光电信号在黑色轨迹上产生微弱的反射信号,而在白色地面上产生很强的反射信号;
光电接收传感器根据接收到的反射信号强度的不同,产生不同的输出电压;
主控芯片采样该电压值,从而调节小车左右电机的速度差,使小车能够沿着轨迹行驶。
(3)测速模块测速模块利用霍尔传感器完成。
在车轮的侧面粘贴两块磁钢,霍尔传感器固定在车轮外缘附近。
车轮每转动半圈,霍尔传感器便输出一个脉冲。
通过单片机测量产生脉冲的频率,就可以得出车轮的转速。
(4)电机驱动模块电机驱动模块主要是用来驱动两个直流电机,该模块主要由电机驱动芯片L298和保护电路组成。
(5)数码管显示模块数码管显示模块用来显示小车实时速度,通过6片74LS164芯片来驱动6片数码管,采用串口发送数据。
(6)指示灯模块指示灯模块主要用来指示小车在寻迹过程中的运行状况
2.2.2软件部分
软件部分主要包括对主控芯片STC89C52的监控和下载程序,以及各个功能模块和通用子程序的编程。
(1)监控程序与下载程序软件设计前期需要首先完成对主控芯片89C52监控和下载程序的编写。
监控程序主要完成对芯片的初始化,以及用户程序的下载。
而PC端的下载程序主要负责和主控芯片进行握手,并且将用户程序下载到芯片中。
(2)功能模块程序功能模块的编程主要包括对测速与显示、寻迹等模块的编程。
在软件设计初期每个功能模块的程序都是单独编写。
在后期,所有功能模块程序需要结合小车和硬件部分进行整体调试。
程序经过编译后,通过串口通信方式下载到主控板上的主控芯片中。
(3)通用子程序通用子程序的编程主要包括串行通信、延时、定时器溢出中断等子程序的编程。
通用子程序是整个系统中一些经常要用到的功能性子程序,它们的功能相对独立,而且有明确的入口和出口参数。
在软件开发过程中只需要关心这些子程序的入口和出口参数,而并不需要关心其内部实现过程,这样大大提高了编程效率。
第3章电动车硬件设计
本电动车是对玩具车进行改装,用两个直流电机分别控制小车的左右轮来控制小车的运动。
玩具车具体数据如下:
车长:
286mm车宽:
163mm
如图3-1所示为小车机械传动结构图。
如表3-1所示为小车动作与接收信号的关系。
图3-1小车机械传动结构图
表3-1小车动作与接收信号的关系
传感器接收信号状态
左电机
右电机
小车动作
左传感器
中传感器
右传感器
1
正转
前进
停止
右转
左转
注:
检测到黑线为“1”,反之为“0”。
3.1硬件选型
在嵌入式产品设计中,硬件选型的合理性、可行性以及可靠性将直接影响着产品开发周期,同时也决定了产品的性能,还可能会影响到产品成形后的生产。
因而硬件选型是嵌入式产品设计的一个重要环节。
在选型时,应尽量避免芯片资源的浪费造成产品成本增加,所以RAM和Flash大小以及I/O引脚数目应该能足够满足设计的需要,同时芯片内部功能模块也应该尽量包含设计时的大部分需要。
针对以上问题,在设计中选用了STC半导体公司STC89C52作为本设计的主控芯片。
该款芯片的I/O引脚、片内Flash和功能模块全部符合设计要求,因此选用这款芯片还是比较合适的。
本设计中要选择的另一款芯片是电机驱动芯片。
因为电机驱动电流较大,因而不能简单地利用芯片引脚进行驱动,必须用专门的驱动芯片来驱动。
经过对电机特性的分析决定采用ST半导体公司推出的L298芯片来实现电机驱动,它的驱动电压最高可达46V,瞬间峰值电流可达3A,持续工作电流为2A,是一款理想的直流电机驱动芯片。
3.2主要芯片介绍
3.2.1STC89C52微控制器
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,具有8K
在系统可编程Flash
存储器。
使用STC公司高密度非易失性存储器技术制造,与工业80C51
产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程,亦适于常规编程器。
在芯片上,拥有灵巧的8
位CPU
和在系统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
STC89C52实物图如图3-2所示,其管脚封装图参见附录A。
图3-2STC89C52实物图
STC89C52具有以下标准功能:
8K字节Flash,512字节RAM,32
位I/O
口线,看门狗定时器,2个数据指针,三个16
位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口,片内晶振及时钟电路。
另外,STC89C52可降至0Hz
静态逻辑操作,支持2种软件可选择节电模式。
空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止8。
因此STC89C52能够满足本设计中对主控芯片的要求。
3.2.2电机驱动芯片L298
L298是ST公司生产的一款高电压、大电流、小功率电机驱动芯片。
该芯片内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器,可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等电感性负载;
采用标准TTL逻辑电平信号控制;
具有两个使能控制端,在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作:
有一个逻辑电源输入端,使内部逻辑电路部分在低电压下工作,可以外接检测电阻,将变化量反馈到控制电路。
其具有以下电气特性9:
(1)电源驱动电压Vs可达5V~46V,逻辑支持电压Vss为4.5V~7V;
(2)输入高电压Vih为2.3V~Vss,输入低电压为OV~1.5V;
(3)峰值驱动电流可达3A,正常工作电流为2A,总驱动电流可达4A;
(4)响应速度快,提供纳秒级的响应速度:
(5)提供过温保护,工作温度范围可达-25℃~130℃,正常工作温度为13℃~35℃。
温度过高或温度过低时,芯片均会停止工作,防止其损坏。
L298采用的是15脚的Multiwatt封装,实物图如图3-3所示,其管脚封装图参见附录B,各引脚功能分布如表3-2所示
图3-3L298实物图
表3-2L298引脚功能定义
引脚
符号
功能
15
SENSA
SENSB
在这两个引脚与地之间连接电流检测电阻,用来反馈负载电流,实现恒流控制。
2
3
OUT1
OUT2
此两脚是全桥式驱动器A的轴出端,用来连接负载
4
Vs
电机驱动电源输入端,此脚和地之间要连接I00nF的无感电容。
5
7
IN1
IN2
输入标准TTL逻辑电平信号,用来控制全桥式驱动器A的开关。
6
11
ENA
ENB
使能控制端,输入标准TL逻辑电平信号;
分别控制全桥式驱动器A和B;
低电平时全桥式驱动器A(B)禁止工作,输出端1与2(3与4)无输出。
8
GND
接地端。
9
Vcc
逻辑控制部分的电源输入端。
10
12
IN3
IN4
输入标准TTL逻辑电平信号,用来控制全桥式驱动器B的开关。
13
14
OUT3
OUT4
此两脚是全桥式驱动器B的输出端,用来连接负载。
因此,根据以上分析L298能够满足本设计中电机的驱动要求。
3.3硬件电路设计
IVS的硬件部分主要由主控板,光电检测模块,测速模块,电机驱动模块,显示模块,指示灯模块等部分组成,如图3-4所示即为硬件部分的结构框图。
在这一节中我们将详细介绍硬件部分各个功能模块的硬件设计。
图3-4硬件部分结构框图
3.3.1主控芯片最小系统设计硬件设计
(1)STC89C52支撑电路单片机的运行需要一个支撑电路的支持才能工作起来,一般支撑电路包括电源、时钟电路等。
图3-5所示为主控芯片STC89C52的支撑电路。
图3-5STC89C52支撑电路
引脚OSC1和OSC2分别为芯片内振荡器输入引脚和输出引脚,该电路所需要的元件有:
12MHz的石英晶振,30pF的晶体固定电容(与OSC1相连),30pF晶体固定电容(与OSC2相连)。
因为晶振电路是非常敏感的模拟电路,是整个硬件电路的核心,它的稳定性将直接影响到整个电路的稳定运行,因此要格外注意该电路的布线方式。
一般晶振与单片机引脚应尽量靠近,且将晶振电路的外接器件都用地线围绕起来,如果电路板空间允许,晶振应该采用卧式安装,将外壳焊接在地线上,最大限度地减小对外的电磁干扰10。
(2)STC89C52最小系统主控芯片的支撑电路设计好后,接下来需要解决用户程序的写入问题。
最小系统的硬件连线如图3-3所示。
图3-6STC89C52最小系统
从图3-6中可以看出,最小系统主要由以下几部分组成:
(1)晶振电路:
该电路主要产生芯片内部各个模块的时钟源;
(2)电源电路:
该电路主要给芯片提供稳定的+5V直流电压;
(3)复位电路:
该电路为芯片提供高电平,使芯片复位。
STC89C52的RST引脚平时被10K的电阻接到GND,为低电平,当按下复位按钮时,该引脚接到+5V,变为高电平,芯片复位。
(4)串口电路:
该电路主要目的是将标准TTL电平通过电平转换芯片MAX232转换为RS-232电平。
3.3.2光电检测模块的硬件设计
光电检测模块主要完成智能小车的寻迹功能,本设计采用市场上比较常见的光电传感器TCRT5000。
当TCRT5000的发射管发出的光在遇到反光性较强的白色后被返回,反射光强,光敏三极管导通;
当发出的光照到反光性较弱的黑色后,反射光弱,光敏三极管截止。
反射光的强弱受多种因素的影响,如反射表面的形状、颜色、阳光、灯光照射等,如果将测量到的信号直接传输给单片机,容易受干扰而产生错误。
采用对反射光强进行测量,以此为依据设置比较电压的方法可以提高系统的可靠性和准确性10。
反射光强度是反射面与传感器之间距离的非线性函数,根据小车安装的光电传感器的情况,通过实验得出传感器在测到导航线时的电压,比较器LM393就以此作为比较的依据。
表3-3列出了本系统的三个传感器的测量数据。
表3-3实验数据
传感器编号
检测白线时电压
检测黑线时电压
左
0.89V
4.61V
中
0.55V
4.56V
右
0.67V
4.70V
由此可将,传感器的特性差异很大,若直接作为控制器的输入信号会产生误差,可以为比较器选择一个合适的比较电压,根据数据分析可以将比较电压设为3.5V。
传感器的实际电路如图3-7所示。
图3-7传感器硬件电路
本设计使用了3个光电传感器,使其并列在一条直线上,安装载小车的底部,实验发现这样可以使小车的行驶状态很容易控制11。
三个光电传感器的排列如图3-8所示。
图3-8三个传感器排列图
3.3.3测速模块的硬件设计
测速模块主要完成智能小车实时速度信息的采集,在本设计采用的霍尔传感器是一块集成芯片,它结合了采样和放大功能于一体。
霍尔传感器是利用霍尔效应把磁输入信号转换成电信号的器件。
把开关型霍尔传感器安装在自行车贴近车轮的支架上,磁钢安装在辐条上,当磁钢靠近霍尔传感器的时候,传感器输出一个无抖动的低电平,单片机根据此信号可计算里程、速度等。
霍尔传感器具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,寿命长,安装方便,功耗小,频率高,耐震动,不怕灰尘、油污及盐雾等的污染或腐蚀。
霍尔开关器件具有无触点、输出波形清晰、无抖动、位置重复精度高等优点。
小车的车轮转动时,磁钢也就跟着一起转动,从而使霍尔传感器周围的磁场发生变化,这种变化将会导致霍尔电压变化从而产生一个毫伏级的方波,再通过其内部的整形和放大。
产生出一个适合外部电路的脉冲电压。
由于车轮上安装了2片磁钢,磁场将会改变2次,磁场强度大时输出低电平,磁场低时输出为高电平。
所以每输出2个方波代表小车车轮转动了一周。
根据这些信息就可以计算出小车的速度。
霍尔传感器的硬件电路如图3-9所示。
图3-9霍尔传感器硬件图
3.3.4电机驱动模块硬件设计
L298总驱动电流可达4A,但是每一路的最大驱动电流只有2A,为了使得L298能达到其最大的驱动电流,其硬件电路如图3-10所示。
图3-10电机驱动硬件电路
芯片的6脚(ENA)和1脚(ENB)分别和主控芯片的P2.6和P2.7连接,用于控制两个电机的运转和停止。
芯片的5脚(IN1)和7脚(IN2)分别和主控芯片的P2.2
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