智能小车实验报告Word文档格式.docx
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智能小车实验报告Word文档格式.docx
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在重力感应传感器控制下实现智能小车的前进,后退,左转,右转等操作,控制智能小车行驶到障碍物位置,并且停留至少3秒钟,给出声或光的信号。
然后将障碍物推出规定区域。
为了完成实验要求,控制端在单片机控制下,显示模块,重力传感器模块、无线通信模块的协同配合,共同完成控制端的工作。
运动端以DSP2812为核心,超声波模块、红外避障模块、驱动控制模块、循迹模块和电源模块的统一调配下,让小车符合条件的行驶、通信、并清除障碍物,完成整个实验。
根据实验要求,我们设计的总体方案为控制端以SiliconLaboratories公司生产的单片机C8051F020为控制核心,运动端以TI公司新推出的功能强大的32位定点的DSP2812为核心,采用步进电机和LM298芯片控制小车运动,用锂电池提供16V电压,用TCRT5000保证小车能在规定的区域内正常行驶,并以超声和红外共同确定障碍物位置,并在远程控制端通过重力传感器控制小车的前进、后退、左转、右转等功能,将障碍物推出指定区域。
并用无线通信实现远程控制端和运动端之间的交流。
1.2总体方案比较
方案一:
以C8051F020单片机作为控制端核心,DSP2812作为运动端的核心,并通过超声波测定障碍物的位置,用TCRT5000防止智能小车冲出区域,用步进电机精确定位小车行驶的距离,并以无线来使控制端和运动端通信。
以此来实现将障碍物推出规定区域。
方案二:
以C8051F020单片机为控制端和运动端的核心,用TCRT5000来保证小车在规定区域正常行驶。
使用无线来实现控制端和运动端的交流,使用超声模块来检测障碍物,并将障碍物推出区域。
由于DSP2812具有强大数据处理能力和高运行速度,十分符合实验中的对于步进电机以及坐标控制。
所以我们采用第二个方案。
1.3各个部分模块方案比较与论证
(1)控制端核心控制器模块
控制端的控制器是实验中的控制核心部分,它用来控制智能小车的前进后退等动作,又要显示相关信息。
所以,一个合理的控制中心必不可少的。
采用SiliconLaboratories公司的C8051F020单片机对电动小车进行控制。
C8051F020单片机的功能比较强大。
片内含CIP-51的CPU内核,它的指令系统与MCS-51完全兼容。
其中的C8051F020单片机含有64kB片内Flash程序存储器,4352B的RAM、8个I/O端口共64根I/O口线、一个12位A/D转换器和一个8位A/D转换器以及一个双12位D/A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。
C8051F020单片机支持双时钟,其工作电压范围为2.7~3.6V(端口I/O,RST和JTAG引脚的耐压为5V)。
与以前的51系列单片机相比,C8051F020增添了许多功能,同时其可靠性和速度也有了很大提高。
而且价格适中,各种功能也易于实现控制。
方案二:
采用STC公司的STC89C52RC。
其价格便宜,应用广泛,但是功能单一,需要添加多个附加的模块,实现较为复杂;
运行速度一般,抗干扰能力不是很强。
通过对以上两种方案的比较,我们选择了方案一,方案一采用的C8051F020单片机功能强大,价格适中,应用方便,是个合理的选择
(2)运动端核心控制器的选择
方案一:
采用C8051F020单片机,该微处理器具体情况同上。
方案二:
采用DSP2812微处理器。
DSP2812是TI公司新推出的功能强大的TMS320F2812的32位定点DSP,是TMS320LF2407A的升级版本,最大的特点是速度比TMS320LF2407A有了质的飞跃,从最高40M跃升到TMS320F2812的150M,处理数据位数也从16位定点跃升到32位定点。
最大的亮点是其拥有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD数据采集,使其对电机控制得心应手。
DSP2812微处理器具有强大的分析、计算和可视化功能,利用DSP2812提供的数十个专业工具箱,可以方便、灵活地实现对自动控制、信号处理、通信系统等的算法分析和仿真。
通过比较,我们需要强大的计算能力与速度,故而选择第二种方案,采用DSP2812微处理器作为运动端的核心。
(3)车体的选择
车体是实验最基础的部分,涉及到小车能否稳定快速的按照预定轨迹行驶并实现超车。
选择好车体尤为重要。
采用三轮小车
用两独立电机分别带动两车轮,再加一个万向轮,机械加工简单,成本低,但该小车不适合爬坡、倒退行驶。
采用履带式小车
履带式玩具电动小车的车体、车架和电机都是现成的,在上面架一块板子就可以放下电路板,各种传感器的安装也较方便;
其次,所购买的电动小车是由两直流电机控制的。
电机一个控制左轮,另一个控制右轮,这小车的前样可以很好地实现进、后退、原地转弯等各种运动。
根据实验要求,我们选择方案二,履带式小车稳定快速且装卸方便。
(2)电源模块
方案一:
铅酸电池供电,优点电流大,缺点重量太沉,携带不方便,也不便于在车上安装。
16V锂电池组供电,虽然它的持续供电时间不是很长时,但优点是体积小重量轻,电压也稳定得多。
便于安装于车上且携带方便。
经过比较,我们选择方案二,16V电源经7812模块转化可以输出12V电压供给直流电机,其他模块可用7805转换成5V后再供电。
(3)驱动模块
电机模块选择是整个方案设计的关键,根据题目的要求,这需要对小车的精确控制,所以要产生不同的方波来驱动直流电机使小车精确行驶。
方案一:
采用内部集成H桥式芯片L298驱动电路。
方案二:
采用分立元件的H桥驱动电路。
由于采用内部集成H桥式芯片每一组PWM波用来控制一个电机的速度,而另外两个I/O口可以控制电机的正反转,控制比较简单,电路也很简单,一个芯片内包含有8个功率管,这样简化了电路的复杂性,所以采用方案一。
(4)运动控制模块
在运动过程中,控制好小车在规定的区域内运功是小车完成任何题目要求的基础。
为此,系统将对小车行驶线路控制、信息传递进行有效的控制。
线路控制:
在规定区域上,智能小车利用步进电机,准确控制行走的距离。
利用超声寻到障碍物冰将其推出规定区域,并将信息反馈给控制端。
在不同的阶段,小车执行不同的程序。
系统最终采取步进电机的精确计数以及DSP2812精确快速的计算能力以保证小车正常行驶。
信息传递:
使用无线模块来进行控制端和运动端之间的交流,确定小车和障碍物的坐标位置,并在控制端显示器显示出来。
(5)显示模块
采用使用起来比较方便的LCD1602液晶显示屏。
屏幕较小、便于放置,采用的而是并行接口,但是显示简单。
采用LCD12864显示屏,12864显示屏的尺寸大,亮度高,可以支持汉字的显示,显示效果好、显示的信息多。
通过对以上方案的比较,我们采用方案二。
因为LCD12864能同时多行显示,而且亮度好,符合实验要求。
(6)寻物模块
智能小车需要在规定区域确定障碍物的位置,故而需要寻物模块寻找障碍物。
使用超声模块,超声波可以探射到很广的范围,虽然反应比较慢,但总体效果不错,调试也很简单。
使用红外模块,红外的探测更加精准,反应速度也较快,但它容易受到白色地面的干扰。
通过比较,我们采用了方案一。
因为超声模块探测范围广,干扰容易控制。
1.4结构框图
根据上面的分析论证,我们设计的系统的总体结构框图如图所示。
二、理论分析与计算
2.1信号检测与控制
小车从规定区域启动后,在入口探测障碍物的位置,并将坐标传给控制端,自动行驶至障碍物前,将障碍物推出区域,并以是否遇到黑线来判断障碍物是否出了规定区域。
本实验小车使用DSP2812作为运动端控制核心,控制步进电机的运动,超声采集的信号,由无线通信端将信息反馈给控制端,再由单片机将需要显示的数据传输给显示屏进行显示。
2.2控制端和运动端之间的通信方法
本实验需要控制端和运动端相互配合工作才能实现,所以必须要有通信设备使两车可以实现交流,我们两车之间通信使用nRF24L01单片无线收发器,它可以发射和接收无线信息,从而实现两者之间的交流,显示障碍物坐标。
2.3节能
本实验选取16V环保锂电池作为供电电源,各模块都使用5V电压供电,电流消耗较小,12864LED显示屏处于低耗能的背光模式,符合当今社会绿色节能环保的理念。
三、电路与程序设计
3.1电路设计
3.1.1电机驱动模块
驱动的核心部件是LM298,它通过DSP2812的指令直接控制步进电机转速,从而来使小车行驶。
在LM298应用中,我们要注意各引脚的分辨。
驱动图如图1所示:
图1驱动模块电路
3.1.2循迹模块
智能小车的循迹共有4路,通过TCRT5000是否接受到红外反射光来改变电压大小,从而使DSP发出指令,使小车停止前进,确定退出。
循迹电路图如图2所示:
图2循迹模块电路
焊接电路时,可用一个电位器来代替四个电位器,这样即省材料,也使电路板更加精巧。
甚至还能将除TCRT5000以外的部件全部安放到车体板上面。
TCRT5000工作原理:
TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管.当发射管的红外信号经反射被接收管接收后,接收管的电阻会发生变化。
3.1.3电源模块
电源主要是将12V电压降为5V,输给小车的各部分模块。
电源图如图3所示:
图3电源模块电路
电源最好需由两组并联而成,以免7805过载而烧坏。
J2与外电源12V相连,需要两个引脚,5V引脚与GND引脚都需要多个,以满足对各模块的供电需求。
3.1.4无线模块
实验要求两辆小车相互交替超车领跑,所以无线通信设备必不可少,nRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz,世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括:
频率发生器、增强型SchockBurstTM、模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。
输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
3.1.5显示模块
显示模块电路图如图4所示:
图4显示模块电路
本模块功能是显示屏可以用来显示小车在行驶过程中的时间,遇到黑线的次数,汉字解释,以及偏转情况。
3.2程序设计
对于系统软件的设计,控制器方面我们是在Keil编程环境中,利用C语言对程序进行编辑下载。
利用C8051F020单片机对无线和显示器进行控制。
运动端我们采用CCS编译环境,利用C语言对程序进行编辑。
通过对PWM的输出控制来实现对小车行走轨迹进行闭环控制,采用比例调节算法。
在程序的调试过程中,为了实现程序的可读性和可靠性,我们采用模块化处理的方式,将各个阶段的程序用子程序的形式进行处理运算,使程序一目了然并尽量减少程序出错的概率,从而使小车能更好的完成任务。
系统软件流程图如图6所示。
图6流程图
四、系统测试及结果分析
4.1测试仪器
数字万用表、秒表
4.2测试方法及结果
各模块可以单独检查是否好用,因为各模块向单片机和DSP2812发送的数据都是数字信号,在对各模块进行检测的时候,可以用万用表对输出信号进行检测,观测是否输出相应的电压变化即检测出各模块的工作状态。
在小车调试完成后我们对小车的整体完成情况进行了测试,测试结果如表一所示:
表一小车测试状况表
测试次数
检测障碍物情况
推出障碍物情况
实时显示障碍物坐标情况
控制端控制小车运动情况
1
正常
反应稍慢
2
稍有偏差
有偏差
3
根据表中数据可以看出小车能较好的完成题目要求。
五、结束语
经过这几天的努力我们顺利完成了题目要求的任务。
在这期间我们遇到的最大的困难是程序的调试。
由于对程序多任务的方法还不能很好的掌握,在调试小车的时候出现过很多问题,但经过不断地观察和调试,最终解决了这些问题。
经过这几天的努力,我们不仅学到了很多知识,也得到了很好的锻炼,一方面是整个系统设计的方法,统筹兼顾的考虑各个模块的实现,而且更重要的不管做什么事,当遇到问题时,一定要保持清醒的头脑,认真观察,仔细分析,努力寻找解决问题的方案,不要着急,要有足够的信心。
另一方面是提高我们的团队合作精神和意识,以及进取的精神,三个臭皮匠,赛过诸葛亮。
几个人的思路放在一起很容易碰撞出灵感的火花的,一般总比一个人独立想办法解决问题要来得轻松。
除此之外,我们要更加注重细节,我们做设计时要考虑的各方面,实现方案的相关因素,包括理论论证、具体的分块功能测试、硬件是否易购买及价格等等都需要考虑,最终选择较优的方案。
同时我们也认识到了细节的重要性,不论是在硬件的焊制中,还是软件的调试中,都可能“牵一发而动全身”,影响到其他部分,所以我们很注重细节的处理。
参考文献:
鲍可进.C8051F单片机原理及应用【M】.北京:
中国电力出版社,2006.
王丁,沈永良,李海燕.机电一体化系统设计【M】.北京:
中国电力出版社,2009.
谭浩强.C程序设计【M】.北京:
清华大学出版社,2005.
附录:
1、总体电路图:
总体电路图
2、实验程序
- 配套讲稿:
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