智能小车论文讲解Word格式.docx
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硬件系统的设计与功能实现
控制器电路的设计与原理
电机驱动电路的设计与原理
寻迹电路的设计与原理
避障电路的设计与原理
显示及语音提示的电路设计与原理
软件设计的实现与说明
主程序流程图
寻迹子程序流程图
避让子程序流程图
避障子程序流程图
系统功能测试
小车基本参考数据
基本要求部分的功能测试
发挥部分的功能测试
结论
结束语
参考文献
摘要
本小组设计制作的一款智能小车能够实现2012年山东省大学生电子设计竞赛本科组D题的基本功能和发挥部分的所有功能要求,并有一下拓展功能:
1602液晶显示,蜂鸣器提示音等。
本组参赛作品的每辆小车均由四个直流步进电机为驱动,通过各类传感器来采集信息,送入主控制器STC89C52单片机,处理数据后完成相应的操作,以实现相应的功能。
直流步进电机采用电机专用驱动芯片L293D进行驱动,用光电开关来实现避障功能,用RPR220型光电对管来实现寻迹功能,用1602型液晶显示屏来实现显示功能,有蜂鸣器来实现语音提示功能。
实现了智能小车在无人操纵的状态下实现路面寻迹,自动避障,显示输出的功能。
一、任务
A、B两辆汽车相对开行,并能按指定要求到达对方的发车点。
行车道路示意图如图1所示,道路两侧各有1.5~2厘米宽的黑色边沿线;
道路的宽度为A、B两车的宽度之和的1.1倍;
会车区路段的宽度为A、B两车的宽度之和的1.6倍,会车区路段的长度是两车车长之和的2倍;
道路中间不允许有任何导行线。
二、要求:
1.基本要求
(1)甲乙两车分别从各自从发车区出发,正常行驶至对方的发车区停止。
要求两车分别能在50秒之内到达终点。
(2)两车同时发车,以对方的发车点为终点行进(会车时可以在非会车区域会车)。
要求两车在60秒之内到达各自的道路终点,且无碰撞或刮擦。
(3)两车同时发车,以对方的发车点为终点行进。
其中A车首先进入Ⅰ号会车区避让,待B车通过后再继续前进.要求两车在60秒之内到达各自的道路终点,且无碰撞或刮擦。
2.发挥部分
(1)A车先开行,B车后开行,且使之在2号路段相遇;
相遇后,后出发的B车后退进入II号会车区避让,会车后两车继续前进,要求两车在90秒之内到达各自的道路终点,且无碰撞或刮擦。
(2)任意指定一辆车先开行,另外一辆车后开行。
相遇后,要求两辆汽车能根据各自离开会车区的距离进行避让,即离会车区距离近的车辆后退进入会车区避让,进行会车,两车应在90秒之内到达各自的道路终点,且无碰撞或刮擦。
(3)其他。
三、说明:
1.道路两侧各有1.5~2厘米宽的黑色边沿线,道路的宽度包括边沿线在内。
2.A、B两辆汽车必须是四轮车,且车辆宽度以车辆左右两轮外侧所占最大尺寸,如图2所示。
车辆的长度为车辆前后两轮所占最大尺寸,如图3所示。
车辆的高度不限。
3.竞赛开始后,A、B两车不可互换。
4.刮擦是指两车侧面发生接触,碰撞是指任两车前后发生接触。
会车时两车不应发生刮蹭或碰撞,每发生一次刮擦蹭减1分,每发生一次碰撞减3分。
5.车辆开行后任何车轮驶出道路边线之外即为失败。
6.车辆不允许遥控。
7.道路自行制作,道路尺寸不符合要求者将被取消竞赛资格。
8.建议使用MSP-EXP430开发板
四、评分标准
项目
主要内容
满分
设
计
报
告
系统方案
比较与选择;
方案描述
10
测试与控制方案分析与器件选择
测量原理
控制原理
15
电路与程序设计
电路设计及程序设计
12
测试和控制结果
测试方案及测试条件;
测试结果完整性;
测试结果分析
8
设计报告结构及规范性
摘要;
设计报告正文的结构
5
总分
50
基本
要求
实际制作与完成情况
发
挥
部
分
完成第
(1)项
20
完成第
(2)项
25
其它
二系统方案论证与选择
根据本题目的设计要求,本系统主要由控制模块,电源模块,寻迹模块,避障模块,驱动模块,输出模块等构成,本系统的原理如图1所示:
控
制
模
块
语音提示模块
寻迹模块
迅即模块
电机驱动模块
1602显示模块
避障模块
拓展模块
测距模块
为了较好地实现各个模块的功能,我们分别设计了几种方案并分别加以论证。
方案1购买电动玩具。
购买的电动玩具车具有完整的车架车轮,电机及其驱动电路,但电动玩具车的电机多为直流电机,力矩小,空载转速快,负在性能差,不易调速得特点,因此我们放弃了此方案。
方案2自己制作电动车。
经过反复考虑,我们制作了以四轮为驱动的四轮小车,这样小车可实现原地90度,180度转弯,该车四轮驱动,动力强劲,易调速,可控制,因此我们选择此方案。
控制模块方案论证与选择
方案1采用飞思卡尔公司生产的飞思卡尔芯片,它是128位控制器,具有驱动能力强,可靠性高,具有语音处理,运算速度快的特点,但考虑到我们对该芯片不熟悉,使用起来不是很方便,相当于对电路的设计和软件的编程增加了难度,因此我们放弃了此方案。
方案2采用STC89C52单片机作为主控制器。
STC89C52是一个超低功耗,和标准51系列单片机相比较具有运算速度快,抗干扰能力强,支持ISP在线编程,具有8K空间的只读存储器,32个IO口的特点,电路设计简单,价格低廉,在后来的实验中我们发现STC89C52单片机的精度和运算速度也都完全符合我们的系统要求。
因此我们选择了有STC89C52单片机作为主控芯片。
方案1采用7。
2V可充电电池组。
动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出,经测试在此种供电方式下,单片机和传感器工作稳定,步进电机工作良好,且体积较小,可反复充电,能够满足系统的要求。
方案2采用12V蓄电池为小车供电,将12V稳压,降压后供给单片机系统。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出能力,但体积过于庞大,由于我们的小车空间有限,在此极为不便。
综上考虑,我们选择了方案1来完成小车的供电任务。
方案1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,使用简便,但不易控制。
方案2采用直流步进电机作为动力系统。
直流步进电机转动的角度可以精确定位,可以实现小车前近距离和位置的精确定位,且直流步进电机力矩大,使用简便易控制。
综上考虑,我们选择直流步进电机作为动力系统。
方案1采用分立组件组成的平衡式驱动电路,这种电路可以由单片机直接对其进行操作,但由于分立组件占用空间比较大,还需要继电器,考虑到小车空间问题,此方案不够理想。
方案2采用电机驱动芯片L293D控制步进电机。
该芯片是利用TTL电平进行控制,通过改变芯片控制端的输入电平,即可对电机进行正转,反转和停止操作,亦能满足直流步进电机的工作要求,该芯片均具有操作简便,稳定性好的优点。
综上考虑,我们采用驱动芯片L293D作为小车的电机驱动。
方案1用超声波传感器进行避障。
超声波传感器在避障的设计中被广泛地应用,但是超声波传感器需要在40KHz的方波信号来工作,对工作频率要求非常高,偏差在1%内,所以此方案很难实现,我们考虑其他方案。
方案2用漫反射式光电开关进行避障。
光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束,被物体反射,其接收电路据此作出判断反应,从而检测前方有无物体。
考虑到本系统只需检测障碍物的有无,无其他复杂要求,我们选择此方案,且光电开关便于操作和调试。
方案1用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可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。
因此当光敏电阻在白线上面和在黑线上面时,阻值会发生明显变化,单片机根据阻值的变化来判断小车是否偏离轨道,并根据反馈不同的电平信号,发出相应的操作指令来校正小车的位置,来完成小车的寻迹任务。
方案2有RPR220型光电对管来完成操寻迹任务。
由于RPR220型光电对管操作复杂,不易控制,且造价昂贵,因此我们选择用光敏电阻组成的光敏探测器来寻迹完成任务。
方案1采用LED数码管显示。
LED显示具有硬件电路结构简单,调试方便,软件实现相对容易的特点,由于我们要实现显示小车运行时间,运行路程,LED无法显示如此丰富的内容,因此我们放弃此方案。
方案2采用LCD液晶显示。
LCD夜景具有功耗低,显示内容丰富,清晰,显示信息量大,显示速度快,界面友好的优点,因此我们选择此方案。
智能小车的最终方案
采用STC89C52单片机作为整个系统的控制核心
使用7.2V可充电动力电池组为系统提供基准电源
采用直流步进电机作为智能小车的驱动电机
使用电机专用驱动芯片L293D作为直流步进电机的驱动芯片
采用漫反射式光电开关传感器组成小车的避障系统
采用光敏电阻组成的光敏探测器完成寻迹任务
采用1602液晶显示显示小车的运行时间与运行路程,用蜂鸣器完成语音提示功能
控制器作为整个智能小车系统的核心控制部分,它负责对各路传感信号的采集,处理,分析及对各部分硬件电路进行调整。
本设计制作的智能小车系统已STC89C52单片机最小系统电路为整个系统的控制电路,通过各种传感器电路,采集各种传感器信息,已发出各种控制信号命令,来完成相应的操作,单片机控制电路原理如图所示:
单片机控制原理图
电源电路为系统提供基准电源,是整个系统工作稳定的关键所在,本系统采用7.2V可充电动力电池组,可充电反复使用,动力电池组具有较强的电流驱动能力,以及稳定的电压输出性能,经测试在用此供电方式下,单片机和传感器工作稳定,直流步进电机工作稳定
电机驱动电路的原理与设计
本设计采用的电机专用驱动芯片L293D为单块集成电路,高电压,高电流,四通道驱动。
设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平,驱动感性负载和开关电源晶体管。
内部包含4通道逻辑驱动电路,其额定工作电流为1A,最大可达1.5A,Vss电压最小4.5V,最大可达36V。
输入引脚和输出引脚的逻辑关系
L293D可直接对电机进行控制,无需隔离电路。
通过单片机的IO口输入改变芯片控制端的电平,即可以对电机进行正反转,停止的操作,操作方便,亦能满足直流步进电机的最大电流要求。
调试时依照上图,用程序输入对应的码值,即可实现对应的操作,其驱动原理图如下所示:
此处插入驱动板电路
避障电路的原理与设计
用漫反射式光电开关进行避障,光电开关实际是发射头与接收头于一体的检测开关,其工作原理是根据发射头发出的光束,被物体反射,接收头据此作出判断,是否有障碍物。
当有光线反射回来时,输出低电平;
当没有光线反射回来时,输出高电平。
单片机根据接收头的电平高低作出相应的控制,避免小车碰到障碍物。
小车采用漫反射式光传感器进行避障的电路原理图如下所示:
此处添加光电开关电路图
寻迹电路的原理与设计
采用红外发射接收二极管组成的探测器完成寻迹任务,寻迹电路是以实现小车沿边线行驶时位置校正的电路,使小车不能偏离边线,其电路原理图如下所示:
红外对管电路图
本设计中的智能小车的液晶显示采用1602液晶显示屏,主要显示小车的运行时间,运行路程;
采用蜂鸣器提供语音提示,当小车完成任务时,发出蜂鸣声,提示工作人员小车已完成任务;
其二者电路原理图如下所示:
插入1602液晶显示和蜂鸣器电路图
使用仪器及设备清单的说明
本次设计中每辆小车使用的相关仪器清单如下表所示:
仪器名称
数量
STC89C52
电机驱动板
小车车架
步进电机
红外探测器
7.2V电池
光电开关
1602型液晶显示器
蜂鸣器
杜邦线
焊锡。
电烙铁
数字万用表
系统功能调试
(1)在规定场地内,智能小车从A出发,自动寻迹从B出试验区域,其运行路线如图所示:
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