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电子设计大赛论文
2012“威师杯”安徽省电子设计大赛
技术报告
双智能小车(C题)
【本科组】
参赛队号:
___20120021_____________
一.引言1
二、方案设计1
2.1总体方案设计1
2.2 控制模块方案比较1
2.3电机驱动方案比较2
2.4 循迹模块方案比较2
2.5 显示模块方案比较2
2.6 数据传输模块方案比较3
三、设计实现3
3.1硬件设计3
3.1.1电源模块设计3
3.1.2驱动模块设计3
3.1.3光电检测模块设计3
3.1.4指挥中心模块设计4
3.1.5声控设计4
3.1.6红绿灯识别设计4
3.2软件设计5
3.2.1程序流程图5
四、测试6
4.1测试仪器6
4.2测试方法6
五、结论6
《参考文献》6
附录6
一.引言
根据题目要求,小车在声音指令发出时按既定轨道行驶,因此必定有声控装置和循迹装置,根据遇到红灯停够3秒的限制,小车首先得检测到是红灯还是绿灯以便控制电机,交通指挥中心的显示应生动形象,我们联想到地铁上的路线进程显示,所以决定用高亮LED排成路线,走到某个位置对应的LED亮起。
而要达到对小车车距的要求,则可以根据在设定距离内是否检测到信号可以判别和控制,可用相应的传感器实现。
二、方案设计
电源模块
2.1总体方案设计
颜色检测
红外检测
光电检测
主控系统(单片机最小系统)
电机驱动
无线传输
电机驱动
LED显示
电源模块
2.2 控制模块方案比较
方案一:
采用FPGA(现场可编程门阵列)作为系统的控制器
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,能减小体积,提高了稳定性。
FPGA采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统控制核心。
但由于本设计对数据处理的速度要求不高,FPGA的高速处理的优势得不到充分体现,同时由于芯片的引脚较多,电路板布线复杂,加大了电路设计和实际焊接的工作量。
方案二:
采用中小规模集成电路
采用中小规模集成电路构成的控制电路,由于外围器件多,容易出故障,而且调试起来非常麻烦。
方案三:
采用STC89C52作为系统控制器
单片机算术运算功能强,软件编程灵活,自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术成,熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。
本系统控制算法不太复杂,系统规模较小,适宜采用单片机控制方案(最小系统电路原理图见附录五)。
经综合考虑,本系统拟采用方案三。
2.3电机驱动方案比较
方案一:
采用分立三极管放大电路
该方案原理简单,成本较低,但是本系统需要精确稳定的调速,所以若用分立元件搭建电路,电路图复杂,不易于控制,稳定性差。
方案二:
采用专用芯片LM298
该芯片集成度高,占用空间小,可灵活利用PWM调速,主要应用于电机调速场合,驱动能力相对比较大控制简单,性能稳定。
经综合考虑,决定采用方案二。
2.4 循迹模块方案比较
方案一:
采用普通的发光二极管及光敏电阻组成的循迹方案
其工作原理是:
当无光照时,光敏电阻呈现高阻状态,电阻R2无压降三极管截止,三极管的集电极输出高电平;反之,当有光照的时候,光敏电阻接收到反射的光,其阻值下降,R2有压降三极管导通,输出低电平,利用高低电平可以判断控制小车的形程和方向。
但是较容易受到外界光线的干扰,损坏了信号采集的效果,不易于控制小车的行迹。
方案二:
采用颜色传感器
颜色传感器直接输出数字信号,可靠性高,但价格昂贵。
方案三:
采用光电对管TCRT5000实现循迹方案
利用红外线在不同颜色物体表面上具有不同的反射特点,小车行驶过程中采取反射光点循迹原理,当遇到黑色时,发射光被黑色充分吸收,小车将能正确的找到准确的路线,循着黑线行走。
此光电对管调理电路简单,只需加电阻,且工作性能稳定。
经综合考虑,本系统拟采用方案三。
2.5 显示模块方案比较
方案一:
采用数码管显示
数码管具有低能耗,耐老化和精度高等优点,但显示的内容较少,只能显示少数的几个字符,基本上无法显示汉字。
方案一:
采用LCD进行显示
液晶显示屏具有功耗低,无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等,可视面积大,画面效果好,既可以显示图形,也可以显示汉字,分辨率高,抗干扰能力强,显示内容多等特点。
方案三:
采用LED显示
用LED排列成等比例缩小的小车路线形状,每隔一段间距有一个LED,当小车走到该位置时,LED亮起显示,模拟地铁中的路线指示灯.
综合考虑,方案三更好。
2.6 数据传输模块方案比较
方案一:
采用有线传输
在小车和显示模块之间接线,将小车采集的数据输出给显示模块,从而控制LED显示小车行驶到的位置,但是由于跑道太长,且小车运动,所以太长的线会影响小车正常行驶,且容易影响小车功能实现,且线路越长,稳定性越差。
方案二:
采用无线传输
相比有线传输,无线传输可靠性更强。
本系统将采用NRF24l01数据收发单元。
NRF2401是一款在2.4~2.5GHZ世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片,有极低的电流消耗:
当工作在发射模式下,发射功率为—6dBm时电流消耗为9.0mA接收模式时为12.3mA,掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
通过程序控制能很稳定的实现数据传输。
(NRF24L01见附录一)
三、设计实现
3.1硬件设计
3.1.1电源模块设计
采用锂电池供电,锂电池输出12V电压,采用LM7809和LM7805将电压稳定到5V和9V,该模块要较多的使用电容滤波以减少电源纹波干扰。
稳压电路如附录二所示。
3.1.2驱动模块设计
LM298驱动芯片的输入脚经光耦连接到单片机从而控制电机开始停止左右转功能(驱动电路见附录三)。
3.1.3光电检测模块设计
光电传感器连接电路如附录四。
而检测到的信号要经过比较器比较才能做是高低电平的判断,循迹部分采用三路光电检测管时,中间三路作为轨道循迹,左、中、右分别记为1,2,3号,2号检测黑线行驶,左,右作为小车偏离跑道调整,通过程序补偿修正,使得小车循迹行驶,一般三路检测足够使得小车补回偏离跑道从而循迹行驶。
测试过程中,针对本次赛道的分道及急拐弯,三路检测测试过程产生误判现象,车子会跑错其对应的轨道,以及急转弯时,偏离跑道,不能正常行驶。
解决方法:
(轨道有两个分道点,两个汇合点,四个135度转弯)
测试过程如下。
:
(设定一种方案跑十圈,即20个分到点,20个汇合点,40个135度转弯)
测试数据
光电检测路数
3
4
5
分到点错误次数
10
6
1
分到点错误率
50%
30%
5%
汇合点错误次数
6
3
0
汇合点错误率
30%
15%
0%
135度转弯错误次数
12
8
2
135度转弯错误率
30%
20%
5%
根据测试结果,最终采用五路检测,其错误率最低
3.1.4指挥中心模块设计
智能小车模拟指挥中心的设计,采用无线传输,将主控系统采集的数据传输给指挥中心控制LED显示。
数据的采集,通过测量履带式车模的履带长度,以达到计数要求。
具体算法实现如下:
在车体上架构光电检测装置,在履带上设计一条白线,检测到本次白线到下一次检测到白线,表示履带走完一圈,根据履带长度(经测量履带长度a约为40厘米),判定所走距离。
根据赛道参数(跑道菱形部分两条长边长度b为4.3米,四条短边长度c为0.5米,两个水平对角为90度,半径r为1米,即弧长为 πr),将赛道分为三段,直线长边跑道、直线短边跑道、两个半圆弧形弯道。
将直线长边跑道分为六段,分别设置7个显示点,短边跑道设计两个点,弧形跑道各有三个点。
设计实现参数如表所示:
相关参数
跑道类型
直线长边
直线短边
半圆弧形
设置点数(包括首尾点)
7
2
5
计数段数
6
1
4
每段长度
b/6=0.7m
c/1
(πr)/4
每段履带所跑圈数
0.7/0.4
c/0.4
(πr)/4/0.4
由上述的数据参数,根据小车的行驶即可计数,每跑一段的距离,就记一个数,然后将计数通过无线发送给显示模块,显示部分即可点亮相应的LED,以模拟小车行驶定位。
方案缺陷:
通过测试距离,从而计数,只能根据履带前进计数,精确度不是很高,且上述表格参数含有小数,计数过程只能大致取相应的整数计数,含有误差。
在弧形跑道上,两履带行驶距离不等,取其中任一履带计数,会产生距离偏长(外轨履带)、偏短(内轨履带)等现象,也会产生一定的误差。
解决过程:
在不断地试验过程中,不断补偿误差,不断的测试,最终试验产生比较精确的数据,通过这个参数,来确定计数,从而完善了方案设计。
最终测试结果到达设计要求。
3.1.5声控设计
采用声音传感器,声控开关启动小车行驶。
3.1.6红绿灯识别设计
采用彩色传感器,红色感应,绿色感应,每车各一个,分别用来检测红光和绿光。
检测到红光停止三秒,检测到绿光继续前行。
测试过程,由于环境的影响,传感器对外界光线会产生感应,导致未检测到红灯,小车就停止前进,甚至始终停止,不行驶。
小车无法正常工作。
解决方案:
将电压值接入比较器,与基准产生比较输出电平信号,通过设定合适的基准电压,可以消除外界干扰。
而基准电压的设定过程是(如红光):
先在正常光线下测定感应电压为2—3V,强红光测试下将达到5V左右。
那么,以2V到5V,每隔0.5V设定基准,然后在各个基准电压下,在各种光强下进行测试,比较测试结果产生最佳基准电压,将基准电压设定为门限电压。
测试结果,最终设定的门限电压为4.2V,其感应效果最佳,错误率最低。
3.2软件设计
3.2.1程序流程图
四、测试
4.1测试仪器
直流稳压电源、万用表、自制跑道
4.2测试方法
(1)分组测试,记录数据,分析,选出最佳方案(如光电检测测试);
(2)由已确定的数据,进行理论计算,得出基本预期结果,通过多次测试,不断校正,对理论数据与实验数据进行补偿,以获得最佳数据(如指挥中心模块设计测试);
(3)由基本测试得出参数设定区间范围(最大值,最小值),然后由区间长度分为若干组,对每一组数据,在进行测试,最后由测试结果选出最佳值作为系统参数(如红绿灯识别检测)。
五、结论
本作品不仅完成了题目要求的基本功能部分,还完成了发挥部分。
能够按声音指令同时出发,遇到限宽限高门上的红灯时停车3s,一辆车跑外道一辆车跑内道,能够在行驶的同时显示所在道路的位置,当在同一道路行驶时保持约20cm的安全距离,小车运行基本稳定,能够准确的在跑道上行驶。
存在的问题是显示位置时出现一点偏差,加上履带车速的本身限制,小车的速度不够快,需要在这两处处稍加完善。
《参考文献》
《51单片机c语言教程》郭天祥电子工业出版社
《全国大学生电子设计竞赛(系统设计)》黄智伟北京航空航天大学出版社
《全国大学生电子设计竞赛(电路设计)》黄智伟北京航空航天大学出版社
《全国大学生电子设计竞赛(模块制作)》黄智伟北京航空航天大学出版社
《线性电子线路》谢嘉奎高等教育出版社
附录
附录一
NRF24L01主要技术参数见附录一。
参数
数值
单位
最低供电电压
1.9
V
最大发射功率
0
dBm
最大数据传输率
2000
Kbps
发射模式下,电流消耗
11.3
mA
接收模式下,电流消耗
12.3
mA
温度范围
-40~+85
。
C
数据传输率在1000Kbps下灵敏度
-85
dBm
掉电模式下电流消耗
900
mA
附录二
附录三
附录四
附录五
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