基于单片机控制智能小车设计以及英文文献和proteus仿真包括程序分解Word格式.docx
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1.1研究背景
当今世界,传感器技术和自动控制技术正在飞速发展,机械、电气和电子信息已经不再明显分家,自动控制在工业领域中的地位已经越来越重要,“智能”这个词也已经成为了热门词汇。
现在国外的自动控制和传感器技术已经达到了很高的水平,特别是日本,比如日本本田制作的机器人,其仿人双足行走已经做得十分逼真,而且具有一定的学习能力,还据说其智商已达到6岁儿童的水平。
作为机械行业的代表产品—汽车,其与电子信息产业的融合速度也显著提高,呈现出两个明显的特点:
一是电子装置占汽车整车(特别是轿车)的价值量比例逐步提高,汽车将由以机械产品为主向高级的机电一体化方向发展,汽车电子产业也很有可能成为依托整车制造业和用车提升配置而快速成为新的增长点;
二是汽车开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展,使其不仅作为一种代步工具、同时能具有交通、娱乐、办公和通讯等多种功能。
无容置疑,机电一体化人才的培养不论是在国外还是国内,都开始重视起来,主要表现在大学生的各种大型的创新比赛,比如:
亚洲广播电视联盟亚太地区机器人大赛(ABUROBCON)、全国大学生“飞思卡尔”杯智能汽车竞赛等众多重要竞赛都能很好的培养大学生对于机电一体化的兴趣与强化机电一体化的相关知识。
但很现实的状况是,国内不论是在机械还是电气领域,与国外的差距还是很明显的,所以作为机械设计专业的学生,必须在自动控制方面加倍努力,提高自己的竞争力同时也提高国内产品的竞争力。
为了适应机电一体化的发展在汽车智能化方向的发展要求,提出简易智能小车的构想,目的在于:
通过独立设计并制作一辆具有简单智能化的简易小车,获得项目整体设计的能力,并掌握多通道多样化传感器综合控制的方法。
所以立“基于单片机控制的智能小车设计”一题作为尝试。
1.2选题意义
在科学探索和紧急抢险中经常会遇到对与一些危险或人类不能直接到达的地域的探测,并且对所检测的情况进行显示和报警,这些就需要用机器人来完成。
而在机器人在复杂地形中行进时自动避障和智能报警是项必不可少也是最基本的功能。
因此,自动避障和智能报警系统的研发就应运而生。
我们的自动避障小车就是基于这一系统开发而成的。
此外本设计还加入了液晶显示部分。
同时本次设计可全面提高个人对单片机技术、传感器技术智能控制技术、计算机控制技术知识的综合应用能力。
掌握从系统级、电路级到芯片级各层次的设计和实现手段。
在此设计过程中,将会用到多门学科的理论知识,是对以前所学知识的一个全面的复习和巩固,更重要的是培养自我分析问题和解决问题的能力,还增强了实际的动手能力。
2整体方案设计
2.1整体方案设计的思路
利用预先输入的程序控制单片机,让单片机翻译传输指令,从而实现相应的功能。
具体的过程如下:
在按下开始按钮后,单片机自动运行所输入的指令程序,并将其传输给驱动电路驱动电机旋转,从而实现让小车的前进、后退、减速左转和减速右转。
在电机运行的时候单片机会根据超声波传感器检测到的情况进行确定是否进行声光报警,另外单片机同时控制LCD1602显示时间与里程,在LCD初始化之后,LCD第二行显示从DS1302读取的时间,同时A44E霍尔元件会根据车路所转的圈数将相应的脉冲输入单片机,单片机经过运算而获得的里程就会显示在LCD1602第一行上。
2.2整体设计的构成图
在proteus上绘出的PCD图如图1.1
图2.1基于单片机控制的智能小车设计电路图
3硬件的选择
3.1电源模块的选择
本设计的电源为车载电源。
为保证电源工作可靠,单片机系统与动力伺服系统的电源采用蓄电池。
而传感器和备用电源采用两节小巧轻便的干电池。
3.2电机及电机控制模块中硬件的选择与运用
3.2.1电机的选择
根据设计要求本设计的电机选用直流电机。
直流电动机是最早出现的电动机,它具有良好的线性调速特性,简单的控制性能,较高的效率。
因此它被广泛的应用于工农业生产、交通运输、国防、航空航天、医疗卫生、商务办公等多个领域
。
在机电传动控制这门课中我们知道直流电动机转速表达式为
(3.1)
公式中,U为电枢两端电压;
为流过电枢的电流;
为电枢电路的总电阻;
为为直流电动机的电动是常数;
为励磁磁通量。
由上式容易得到,直流电动机可以通过调节电枢回路的总电阻
、励磁磁通量
和电枢两端的电压U3种方式实现调速。
其中,调节
的方式属于有级调速方式,条数效率低,现在已经很少使用。
调节电枢两端的电压U的方式,是现在最常用的调速方式。
电枢电压调速方式共有两种方法,一种是可控整流法,另一种是脉宽调制变换器(PWM
)法。
可控整流法是指通过调节触发器的控制电压来移动触发器脉冲的相位,从而改变晶闸管输出的整流电压即电枢电压,实现电动机的无极调速。
这种方法的控制原理简单、线性好,但是控制电路较为复杂、易产生较大热量。
脉冲宽度变换器法是通过调节电动机电枢电压的接通时间与通电周期的比值来控制直流电动机的转速。
脉冲宽度变换器法具有调速精度高,响应速度快,可靠性高以及易于采用单片机控制的优点,因而成为了直流调速的主要方法
设计中共用到两个电机,前面放置的电机控制小车左右转,后面放置的电机控制小车前进后退。
电机放置位置如图3.1
图3.1电机放置位置图
3.2.2电机控制模块的选择
本设计选L298芯片来驱动电机。
L298是SGS公司(意法半岛体公司)生产的H桥电动机驱动芯片
L298为单块集成电路,高电压,高电流,四通道驱动,可直接的对电机进行控制,无须隔离电路。
通过单片机的I/O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,同时可以通过调整使能端的电平来调整输入波形的占空比进而调整电机的转速,非常方便,该芯片亦能满足直流减速电机的大电流要求。
调试时在依照表3.1,用程序输入对应的码值,能够实现对应的动作。
表3.1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系
表3.1L298的引脚和输出引脚的逻辑关系
ENA(B)
IN1(IN3)
IN2(IN4)
电机运行状况
H
L
正传
反转
快速停止
X
停止
基于以上分析,我们选择了方案二,用L298N来作为电机的驱动芯片。
L298N的引脚图如图3.2所示
L298N的引脚说明如表3.2所示
:
图3.2L298N引脚图
表3.2L298引脚说明表
引脚
符号
功能
1
15
SENSINGA
SENSINGB
此两端与地连接电流检测电阻,并向驱动芯片反馈检测到的信号
2
3
OUT1
OUT2
此两脚是全桥式驱动器A的两个输出端,用来连接负载
4
Vs
电机驱动电源输入端
5
7
IN1
IN2
输入标准的TTL逻辑电平信号,用来控制全桥式驱动器A的开关
6
11
ENABLEA
ENABLEB
使能控制端.输入标准TTL逻辑电平信号;
低电平时全桥式驱动器禁止工作。
8
GND
接地端,芯片本身的散热片与8脚相通
9
Vss
逻辑控制部分的电源输人端口
10
12
IN3
IN4
输入标准的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的两个输出端,用来连接负载
3.3时间与里程显示模块中的硬件的选择
3.3.1显示器的选择
在日常生活中,我们对显示器并不陌生。
通常用的显示方式有三种:
发光管、LED数码管,液晶显示器。
由于液晶显示质量高、重量轻、体积小、功耗低
所以本设计选用的显示器为液晶显示器。
其型号为LCD1602。
如图3.3所示
图3.3LCD1602引脚图
LCD1602可以显示2行16个字符,有8位数据总线D0-D7,和RS、R/W、EN三个控制端口,工作电压为5V,并且带有字符对比度调节和背光。
1602采用标准的14脚(无背光)或16脚(带背光)接口,各引脚接口说明如表3.3所示
:
表3.3LCD1602引脚说明表
编号
引脚说明
VSS
电源地
D2
数据
VDD
电源正极
D3
VL
液晶显示偏压
D4
RS
数据/命令选择
D5
R/W
读/写选择
D6
E
使能信号
D7
D0
BLA
背光源正极
D1
16
BLK
背光源负极
引脚接口说明
第1脚:
VSS为地电源。
第2脚:
VDD接5V正电源。
第3脚、第4脚和第5脚的说明如表3.4所示。
第6脚:
E端为使能端,当E端由高电平跳变成低电平时,液晶模块执行命令。
第7~14脚:
D0~D7为8位双向数据线。
第15脚:
背光源正极。
第16脚:
背光源负极。
表3.4RS、R/W和E功能表
下降沿
写数据或者指令参数
高电平
读数据
写指令码
读忙标志位
LCD1602的读写操作时序如图3.4所示
图3.4LCD1602读写操作时序图
3.3.2时钟芯片的选择
DS1302是美国DALLAS公司推出的一种高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路,它可以对年、月、日、周、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5V~5.5V。
采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×
8字节的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
DS1302是DS1202的升级产品,与DS1202兼容,但增加了主电源/后背电源和双电源引脚,同时提供了对后背电源进行涓细电流充电的能力。
图3.5为DS1302的引脚排列,其中Vcc2为后备电源,Vcc1为主电源。
在主电源关闭的情况下,也能保持时钟的连续运行。
DS1302由Vcc1或Vcc2两者中的较大者供电。
当Vcc1大于Vcc2+0.2V时,Vcc1给DS1302供电。
当Vcc1小于Vcc2时,DS1302由Vcc2供电。
X1和X2是振荡源,外接32.768kHz晶振。
RST是复位/片选线,通过把RST输入驱动置高电平来启动所有的数据传送。
RST输入有两种功能:
首先,RST接通控制逻辑,允许地址/命令序列送入移位寄存器;
其次,RST提供终止单字节或多字节数据的传送手段。
当RST为高电平时,所有的数据传送被初始化,允许对DS1302进行操作。
如果在传送过程中RST置为低电平,则会终止此次数据传送,I/O引脚变为高阻态。
上电运行时,在Vcc≥2.5V之前,RST必须保持低电平。
只有在SCLK为低电平时,才能将RST置为高电平。
I/O为串行数据输入输出端(双向)。
DS1302的引脚及内部结构如图3.5所示
表3.5DS1302引脚功能表
引脚号
引脚名称
功能
Vcc2
后备电源
2.3
X1.X2
振荡源,外接32768Hz晶振
地线
TST
复位/片选线
I/O
串行数据输入/输出端(双向)
SCLK
串行数据输入端
Voc1
主电源
图3.5DS1302管脚图及内部结构图
DS1302的所有功能都是通过对其内部地址进行操作实现的。
其内部存储空间分为2部分:
80H~91H为功能控制单元,C0H~FDH为普通存储单元;
所有单元地址中最低位为0表示将对其进行写数据操作,最低位为1表示将对其进行读数据操作。
普通存储单元是提供给用户的存储空间,而特殊存储单元存放DS1302的时间相关的数据,用户不能用来存放自己的数据。
其内部储存空间如表3.6所示
表3.6DS1302的日历、时钟寄存器及控制字
寄存器名
命令字节
范围
位内容
读
写
秒
81H
80H
00~59
CH
秒的十位
秒的个位
分
83H
82H
分的十位
分的个位
时
85H
84H
01~12或00~23
12/24
A/P
HR
小时的个位
日
87H
86H
01~31
日的十位
日的个位
月
89H
88H
01~12
0/1
月的个位
星期
8BH
8AH
01~07
星期几
年
8DH
8CH
00~99
年的十位
年的个位
DS1302的操作方法
DS1302的操作可分为输入和输出两种。
DS1302数据输入或输出方式可以是单字节传送也可以是多字节传送。
每个传送过程可分为启动传送、发送命令、传送数据3各阶段。
下面具体介绍DS1302的数据传送过程。
(1)启动传送在DS1302写入数据或从其中读取数据时,需要RST置为高电平来启动数据传送。
首先,RST接通控制逻辑,允许地址/命令序列送入移位寄存器。
其次RST还提供了中止单字节或多字节数据传送命令。
(2)发送命令
命令字节格式如表3.7所示,每个数据传送由命令字节初始化。
其中,最高有效位MSB(位7)必须为逻辑“1”,如果它是“0”,则禁止写DS1302。
位6为逻辑“0”指定时钟/日历数据;
为逻辑"
1"
指定的RAM数据。
位1~5指定数据输入或者输出的特定寄存器,最低有效位LSB(位0)为逻辑“0”时,指定进行写操作(输入);
为逻辑“1”时,指定进行读操作(输出)。
写命令字节总是从最低有效位LSB(位0)开始输入。
命令字节是在每个SCLK的上升沿输入至DS1302的。
表3.7DS1302地址/命令字节格式
位7
位6
位5
位4
位3
位2
位1
位0
A4
A3
A2
A1
A0
(3)传输数据
按照数据的传输方向,可以分为数据输入和数据输出两种。
当数据输入时,写入数据跟随命令字节的8个SLCK周期之后,在下8个SLCK周期的上升沿输入数据字节。
数据传送从低位开始。
当数据输出时,输出数据也是跟随命令字节的8个SLCK周期之后,在下8个SLCK周期的下降沿输入数据字节。
DS1302数据传输方式可以分为单字节传送和多字节传送两种。
单字节传送时序如图3.6所示
发送完命令字节后,在下8个SLCK周期时就可以接受或者读取数据了。
图图3.6DS1302单字节传送时序图
多字节传送时序图如图3.7所示
同上面介绍的内容一样,地址命令位6选择时钟或者RAM,位0用于选择多或者写数据。
在多字节读写操作中,从地址位0的位开始。
图3.7DS1302多字节传送时序图
DS1302是与单片机连接起来的,其连接图如图3.8所示
图3.8DS1302与单片机连接图
3.3.3里程检测元件的选择
脉冲计数法是智能测速与智能测里程系统中常用的方法。
只要转轴每旋转一周,产生一个或固定的多个脉冲,并将脉冲送入微处理器中进行计数,即可获得转速或里程的信息。
可以有多种方式来获得脉冲信号。
将光电传感器安装在转轴上,当扇叶经过时,可产生脉冲信号。
但是光电传感器对灰尘、油污等比较敏感,因此不适宜安装在车轮上。
光电编码器和霍尔传感器都不怕灰尘和油污,且都广泛应用于工业现场
但是光电编码器价格较昂贵,霍尔传感器价格便宜且具有许多优点,它们的结构牢固,体积小,重量轻,安装方便,功耗小,功率高(可达1MHz),耐振动,不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染和腐蚀。
霍尔线性器件的精度高、线性度好;
霍尔开关器件无触点、无磨损、输出波形清晰、无抖动、无回跳、位置重复精度高。
对于设置了一定保护措施的霍尔器件其工作温度范围可达-55°
~150°
按照霍尔器件的功能可将它们分为:
霍尔线性器件和霍尔开关器件。
前者为输出模拟量,后者输出数字量。
本次设计运用的就是后者——霍尔开关器件。
按被检测的对象的性质可将它们的应用分为:
直接应用和间接应用。
前者是直接检测出受监测对象本身的磁场或磁性,后者是检测手机按对象人为设置的磁场,用这个磁场来作为被检测的信息的载体,通过它,将许多非电、非磁的物理量,例如力、力矩、应力、位置、位移、速度、加速度、角度、转数、转速以及工作状态发生变化的时间等,转变成电量来进行检测和控制。
霍尔开关电路又称霍尔数字电路,由稳压器、霍尔片、差分放大器,斯密特发触发器和输出级组成。
在外磁场的作用下,当磁感应强度超过导通阀值时,霍尔电路输出导通,输出低电平,之后,强度增加仍然保持通态。
若外加磁场磁感应强度低于导通阀阀值时,输出截止,输出高电平
A44E接线如图3.9所示,A44E放置位置如图3.10所示:
图3.9霍尔A44接线图
图3.10A44E放置位置图
3.4声光报警模块中的硬件的选择
声光报警运用扬声器与三色LED进行声光报警。
当单片机接收到传感器的信号时,相应的音乐进行演奏,同时相应色彩的LED发光。
本设计选用三种颜色的LED灯分别是:
红色、黄色、蓝色。
LED是英文lightemittingdiode(发光二极管)的缩写,它的基本结构是一块电致发光的半导体材料,置于一个有引线的架子上,然后四周用环氧树脂密封,起到保护内部芯线的作用,所以LED的抗震性能好。
LED光源的特点:
1.电压:
LED使用低压电源,供电电压一般低于24V,根据产品不同而异,所以它是一个比使用高压电源更安全的电源,特别适用于公共场所。
2.效能:
消耗能量较同光效的白炽灯减少80%。
3.适用性:
很小,每个单元LED小片是3-5mm的正方形,所以可以制备成各种形状的器件,并且适合于易变的环境。
4.稳定性:
10万小时,光衰为初始的50%。
5.响应时间:
其白炽灯的响应时间为毫秒级,LED灯的响应时间为纳秒级。
6.对环境污染:
无有害金属汞7.颜色:
改变电流可以变色,发光二极管方便地通过化学修饰方法,调整材料的能带结构和带隙,实现红黄8.价格:
LED的价格比较昂贵,较之于白炽灯,几只LED的价格就可以与一只白炽灯的价格相当。
本设计采用东阳市横店吉利来电子厂的36mm--40mm的塑壳内磁扬声器来播放音乐。
在这里我们对单片机产生音乐做一个简单的介绍
音乐作为一种物理现象,由于物体振动而产生,震动的声波作用于人耳,听觉系统将神经冲动传达给大脑,进而产生听觉。
人耳听到的声音频率大约为11~200000Hz,而音乐中使用的音一般在27~4100Hz。
音乐体系中各音级的的名称叫做音名。
音乐体系中高音关系的最小计量单位叫做半音,两个半音构成一个全音。
音乐中有几十个高低不同的音,但是最基本的只有七个音,其他高,低的音名都是在这个基础上变化出来的。
在乐谱表上用来表示正在进行的音的长短的符号叫做音符。
不同的音符代表不同的长度。
音符有以下几种:
全音符、二分音符、四分音符、八分音符、十六分音符、三十二分音符、四十六分音符。
此外,还有一种浮点音符,它就是指带附点的音符,所谓附点就是记在音符右边的小圆点,表示增加前面音符时值的一半。
音持续的长短即时值,一般用拍数表示,休止符表示暂停发音。
一首音乐就是由许多不同的音符组成的,而每一个音符对应着不同的频率,这样就可以利用不同的频率组合,加以节拍数对应的延时来构成不同的音乐。
3.5障碍检测模块中硬件的选择
本设计所选用超声波传感器进行障碍检测。
超声波传感器的原理是:
超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后,遇到障碍物便反射
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