安徽三联学院电子模拟赛.docx
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安徽三联学院电子模拟赛
全国大学生电子设计模拟赛
智能小车
作品设计报告
参赛学校:
安徽三联学院
参赛人:
张根波谷岩李阿芳
参赛号:
参赛日期:
2013年8月4日
目录
摘要4
一、设计任务与要求6
1.1设计任务6
1.2技术指标6
1.2.1定位要求6
1.2.2行驶控制6
1.2.3自动寻迹............................................................................................................7
1.3题目评析...........................................................................................................................7
二、方案比较与选择8
2.1模块功能说明及方案论证选择8
2.1.1小车底盘选择方案8
2.1.2供电方案论证与选择9
2.1.3智能避障方案论证及选择9
2.1.4电机驱动模块方案论证及选择9
2.1.5循迹方案论证及选择10
2.2循迹、避障工作原理11
2.2.1循迹模块11
2.2.2避障模块12
2.2.3传感器件反馈系统12
2.2.4单片机总控制系统13
2.2.5总结13
三、理论分析与计算14
3.1理论分析14
3.1.1信号检测与控制14
3.1.2PWM原理14
3.1.3PWM波的程序实现15
3.1.4节能分析与计算16
四、系统硬件设计17
4.1系统总体设计17
4.2单元电路设计及工作原理分析17
4.2.1电机拖动系统17
4.2.2传感器件反馈系统18
4.2.3红外一体化接收头电路18
4.2.4蓝牙模块19
五、系统软件设计21
5.1软件概述21
5.2程序总体流程22
5.3各模块程序设计及相关算法23
5.3.1.蓝牙模块(BluetoothModule)23
5.3.2循迹、避障模块控制23
5.3.3电机控制模块(核心部分)(ElectroMotor)24
5.3.4利用PWM调节占空比的程序26
六、系统调试27
6.1调试方案27
6.2测试结果27
6.3发挥部分28
结束语29
参考书目30
摘要
本小车以STC89C52低功耗、高性能单片机为检测和控制核心,通过写入的驱动、循迹、避障等程序再连接外围电路来实现小车的启停、智能避障、循迹功能。
充分运用了C52单片机的功能。
论文介绍了智能小车的机械结构和硬件电路的实现方法。
在机械结构上采用的是四轮四驱动,为小车的启动和运转提供强劲的动力,四轮式小车的应用范围广,稳定性更优越,底盘空间大,便于安装传感器、驱动电路,循迹电路,使小车外观搭配更为合理美观。
硬件电路由L298n控制驱动电机正反转的速度切换,红外对管发射和接受红外线控制小车循迹,更有用于智能无线数据传输的HC-06蓝牙模块,界面清晰流畅。
关键词:
STC89C52单片机传感器智能化L298n驱动红外对管HC-06蓝牙模块
Abstract
ThiscartoSTC89C52low-power,high-performancesingle-chipforthedetectionandcontrolofthecore,andwrittentothedrive,tracking,obstacleavoidanceandotherprocedurestobeconnectedtotheexternalcircuittoimplementthestartandstopofthecar,intelligentobstacleavoidance,intelligenttrackingfunction.MakefulluseofthefunctionoftheC52MCU.Thisarticleintroducesthemechanicalstructureofthesmartcarandthehardwarecircuit.Usedinthemechanicalstructureoffour-wheeldrive,provideastrongimpetusforthestartupandoperationofthecar,four-carwiderangeofapplications,superiorstability,chassisspace,easytoinstallsensordrivecircuit,trackingcircuittomakethecarlookwithamorereasonableappearance.ControlthespeedofdrivemotorreversingswitchhardwarecircuitbyL298ninfraredtransmittingandreceivinginfraredcontrolofthecartrackingonthetube,moreforintelligentwirelessdatatransmissionofHC-06bluetoothmodule,theinterfaceisclearandsmooth.
Keywords:
STC89C52microcontrollersensorsintelligentfourWheeldriveinfraredonthetubeHC-06bluetoothmodule
一、设计任务与要求
1.1设计任务
(1)基本任务:
a.小车从A点沿黑线行驶到E点;
b.小车在A点等待手机发出行驶指令,
走到B点,再次等待手机发出行驶
指令,走到E点;
c.小车从A点行驶到E点,停5秒时间
后,进入车库到F点后,自动掉头停好。
图1.1发挥部分图
(2)发挥部分:
a.小车在A,B,E,F点位置时,
均可通过手机查询及位置信息;
b.C,D两点设障碍,要求小车能绕、
过障碍,继续寻线;
c.将车库挡板去除,灯泡点亮,要
求小车到达E点后,自动寻光
找到F点位置停好车。
图1.2发挥部分图
1.2技术指标
1.2.1定位要求
控制智能小车从平面A点运动至某一确定位置坐标,,并通过某种运动方式到达车库F点。
1.2.2行驶控制
控制小车在80cm×200cm的范围内作自行设定的运动,运动轨迹长度不小于200cm,物体在运动时能够在准确的停止、绕过障碍,最终到达车库;控制小车作90°转弯运动、直径为50cm的半圆周运动。
1.2.3自动寻迹
控制小车沿黑线标出的任意曲线(线宽1.5cm~1.8cm,总长度约300cm,间断距离不大于1cm断续黑色线段)运动,如下图所示1.3。
图1.3小车行驶基本流程
1.3题目评析
本系统综合了机械、数学、光学、力学以及电学等多个学科的知识,对控制的要求集中在定位,运动,自动寻迹,速度、以及蓝牙的控制;根据不同的方案,定位精度的提高将直接或间接的影响到运行时间长短,给设计带来一定的难度!
四轮四驱动,为小车的启动和运转提供强劲的动力,在转弯中对小车的转弯的角度要求较高,采用精确合理的PWM才能得到预期的结果!
而且任意曲线的不确定性也增加了自动寻迹的难度,对传感器的灵活应用也提出了较高的要求!
二、方案比较与选择
基于STC89C52RC单片机,配以其他常用模块电路完成智能小车设计。
此方案主要包括以下几个模块:
避障模块、黑线检测模块、电机驱动模块、蓝牙模块及显示模块。
方案总体框图,如图1所示。
此方案使用常用单片机STC89C52RC作为主控芯片,STC89C52RC是一个低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含8kbytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和256bytes的随机存取数据存储器(RAM),器件采用宏晶公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,32个双向I/O口; 256x8bit内部RAM;3个16位可编程定时/计数器中断;时钟频率0-24MHz;2个串行中断,可编程UART串行通道;2个外部中断源,共5个中断源;低功耗空闲和掉电模式,软件设置睡眠和唤醒功能。
初步设计如下图所示:
循迹避障模块
红外传
感器
stc89C52rc
蓝牙模块
电机驱动模块
图2.1设计示意图
2.1模块功能说明及方案论证选择
2.1.1小车底盘选择方案
方案一:
自己到电子市场买到组件,进行组装,价格
比较便宜但实用性较差,可能不能满足制作小车的需要。
方案二:
网购成品底盘符合小车制作的需要,且易于其他电路模块的安装,外形更为美观,并且价格一般。
方案三:
采用RP5履带车底盘,其比较专业,驱动能力强,扭矩大,造型美观,扩展性强,但价格昂贵。
比较三种方案,方案二可以满足要求,费用能够接受。
2.1.2供电方案论证与选择
方案一:
采用两个电源供电,将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离,利用光电耦合器传输信号。
这样可以使电动机驱动所早造成的干扰彻底消除,提高了系统稳定性,但是多一组电池,增加了小车的质量,同时也增加了小车的惯性,消弱因为电动机的控制性能,降低了灵敏度。
方案二:
采用单一电源供电。
电源直接给单片机供电,通过单片机的IO口连接到电动机上,这样输出的电压稳定,不会给电路造成损坏。
同时也减轻了小车的重量,使小车在启动和停止时的反应时间更短,减小了惯性的影响。
其供电也比方案一简单。
我们在选用的时候,考虑小车的运作稳定情况采用了第二周种方案,并且选用的是5号充电电池作为供电电源。
2.1.3智能避障方案论证及选择
方案一:
红外反射式传感器优点是检测周期短,能够较实时的对小车进行控制;缺点是前瞻距离小,处理电路复杂,检测精度低,功耗大。
方案二:
超声波是一种振动频率高于声波的机械波,由换能晶片在电压的激励下发生振动产生的,它具有频率高、波长短、绕射现象小,特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。
比较两种方案,虽后者更为经济可靠,但为满足指导老师的要求选择方案一。
2.1.4电机驱动模块方案论证及选择
方案一:
采用大功率三极管,二极管,电阻,电容等元件。
采用上述元件搭建两个H桥,通过对各路信号放大来驱动电机,原理简单。
但由于放大短路很难做到完全一致,当电机的功率较大时运行起来会不稳定,很难精确控制。
方案二:
采用L298n芯片控制的驱动芯片L298N芯片是较常用的电机驱动芯片,其输入端可以与单片机直接相联,从而很方便地受单片机控制。
输入电压范围6-9V,可以直接驱动两路3-12V直流电机,具有体积小,控制方便,功能实现简单等特点,且很容易买到。
综合分析:
方案一虽然原理简单,但是实际操作性不大,运行不稳定。
方案二则具有电路简单,控制方便,效率高等多处优点,符合本系统要求,因此选用L298N驱动芯片作为电机驱动模块。
图2.2L298n芯片驱动电路
2.1.5循迹方案论证及选择
方案一:
用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可以跟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,因此光敏电阻在白线和黑线上方时,阻值会发生明显的变化。
将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。
这种方案受光照影响很大,不能够稳定的工作。
方案二:
采用反射式红外避障模块
采用反射式红外避障模块,直接用直流电压对发射管进行供电。
其优点是可以实现实时控制,而且灵敏度可调,受外界干扰较小。
方案三:
采用脉冲调制的红外发射-接收器
在方案二的基础上采用脉冲调制发射。
由于环境光干扰主要是直流分量,因此如果采用带有特定交流分量的调制信号,则可在接收端采用相应的手段来大幅减少外界干扰。
缺点是实现复杂、成本高。
综合分析:
由于传感器可以在车体的下部,发射、接收距离地面都很近,外界光对其干扰都很小。
因此在基本不影响效果的前提下,为了方便起见,选用反射式红外避障作为循迹检测模块的传感器。
2.2循迹、避障工作原理
2.2.1循迹模块
如右图2.3所示,当循迹模块检测到黑线时,
红外接收管接受到反射回来红外光,其输出立即
发生高低电平转换,该信号经放大器放大后送到
单片机进行分析处理。
然后将处理后的结果发送
到电机驱动模块,进行校正。
为了保证小车眼黑线行驶,采用了两个检
测器进行并行排列,左右方向都可以进行控制,
控制精度得以提高。
在小车行进过程中,若向左
方向偏离黑线,则右侧的探头就会检测到黑线,
把信号传送到单片机,进行处理校正。
控制其向
右转,反之,向左转,如图2.4所示。
图2.3循迹模块
图2.4循迹原理图
2.2.2避障模块
系统中采用的传感器是漫发射型光电开关E18-D80NK,E18-D80NK采用光
反射原理,在测量过程中光信号由传感器发出,在发射时刻的同时开始计时,光
在空气中传播,途中碰到障碍物就立即反射
回来,光接收器受到反射波就立即停止计
时。
因此可以采用时间差测距法,根据计
时器记录的时间就可以计算出反射电距障
碍物的距离L.
漫反射型是当开关发射光束时,目标产生漫反射,发射器和接收器构成单个的标准部件,当有足够的组合光返回接收器时,开关状态发生变化,作用距离的典型值一直到3米。
特征:
(1)有效作用距离是由目标的反射能力决定,由目标表面性质和和颜
色决定;
(2)较小的装配开支,当开关由单个元件组成时,通常是可以达到粗
定位;
(3)采用背景抑制功能调节测量距离;对目标上的灰尘敏感和对目标
变化了的反射性能敏感。
2.2.3传感器件反馈系统
传感器在闭环系统中处于重要部分,主要负责反馈信号的采集,是一个必不可少的部分;在此系统中,“白纸黑线”,传感器件的功能主要是对黑线信号的的检测,再将采集到的信号送至单片机端口,以供数据处理。
关于传感系统的选择,有三种方案。
方案一:
使用发光二极管和光敏二极管。
此方案缺点在于其他环境的光源对光敏二极管的工作产生很大的干扰,一旦外界光强改变,很可能造成误判和漏判,即使采用超高亮发光管可以降低一定的干扰,但这又增加额外的功耗。
方案二:
红外传感器。
此方案可以降低可见光的干扰,灵敏度高,同时其尺寸小、质量轻、价格也低廉。
外围电路简单,安装起来方便,电源要求不高,用它作为近距离传感器是最理想的。
通过对比,决定采用方案二。
2.2.4单片机总控制系统
采用一片传统的89C52为控制核心。
在系统中,小车是由单片机通过四个电机来控制,小车的速度就需要比较可靠的PWM来控制。
2.2.5总结
最终选定STC89C52RC单片机控制直流电机;选用反射式红外传感器件采集信号以反馈;同时使用蓝牙模块作为人机交换器件!
三、理论分析与计算
3.1理论分析
3.1.1信号检测与控制
小车的直线行走跟转向主要通过红外探头检测路面信号的检测。
小车左右分布多个红外对管,用于跑道两边黑带和各标志线的检测,从而达到正常行驶的功能,小车在进入车区之前的车间距控制由光控开关决定,由单片机组成的最小系统是整个电路的控制核心。
3.1.2PWM原理
PWM(脉冲宽度调制PulseWidthModulation)原理:
脉冲宽度调制波通常由一列占空比不同的矩形脉冲构成,其占空比与信号的瞬时采样值成比例。
图所示为脉冲宽度调制系统的原理框图和波形图。
该系统有一个比较器和一个周期为Ts的锯齿波发生器组成。
语音信号如果大于锯齿波信号,比较器输出正常数A,否则输出0。
因此,从图1中可以看出,比较器输出一列下降沿调制的脉冲宽度调制波。
(a)
图3.1(a)调制原理图(b)调制的波形图
Ud=ton*Us/T=ρUs
电动机得到的平均电压为:
式中T:
开关周期;ton:
开通时间;ρ:
PWM波形的占空比,ρ=ton/T;
改变ρ(0<=ρ<1)即可调节电机的转速。
定义λ=2ρ-1,
当ρ>0.5时,λ为正电机正转
当ρ<0.5时,λ为负电机反转
当ρ=0.5时,λ为0电机停止
3.1.3PWM波的程序实现
开始
系统初始化
Y
是否正转
N
Y
是否反转
N
Y
是否停止
N
调用显示子程序
图3.2PWM波程序实现流程图
随计算机技术及电力电子技术的发展,PWM波形采用软件方法实现显得非常灵活和实用以89C52单片机为控制核心,晶振频率为12MHz定时计数器TO,T1作定时器使用,工作在方式1,定时时间为0.1ms,若PWM波形的频率为50Hz,占空比为1:
1,则和R0载入30H和31H单元的值初始100,若在程序中利用按键产生中断调用来改变30H和31H单元的值就可以改变占空比.系统流
程图如图3.2所示。
3.1.4节能分析与计算
在小车电路的设计中,为了减少分立元件的使用量和各模块的电量消耗,我们尽可能选择集成度高、反应灵敏的器件。
比如在设计车距控制模块时就避免了超声波检测,选择以光电开关调节探测距离来控制车间距离,充分的达到了节能和题目的要求。
利用超声波检测时,测得
输入功率:
P==U*I=7*300mW=2100mW
电机输出功率:
P=U*I=4*100mW=480mW
η=P/P==22.85%
利用光电开关测得
输入功率:
P==U*I=7*300mW=2100mW
电机输出功率:
P=U*I=6*120mW=720mW
η=P/P==34.29%
因此,选择择以光电开关调节探测距离来控制车间距离。
四、系统硬件设计
4.1系统总体设计
图4.1系统总体设计
如图4.1,以C52单片机为系统内核,根据手机键盘输入信号控制智能小车的运动或停止及避障循迹等功能,实现了所需要的基本运动。
4.2单元电路设计及工作原理分析
4.2.1电机拖动系统
直流电机的驱动首先由单片机产生的脉冲和方向控制信号,如图4.2所示。
图4.2电机驱动电路原理图
4.2.2传感器件反馈系统
这里的寻迹是指小车在白色地板上寻黑线行走,通常采用的方法是红外探测法。
即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点,在小车行驶过程中不断地向
地面发射红外光,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射,反射光被安装在小车上的接收管接收;如果遇到黑线则红外光被吸收,小车上的接收管接收不倒红外光。
单片机就是否反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。
红外探测器探测的距离有限,一般最大不应超过15cm。
4.2.3红外一体化接收头电路
传感器排布采用如下结构:
图4.3红外传感器结构图图4.4红外传感器实物图
每个传感器组由一只红外发射管、一只一体化红外接收头,和一只电容构成。
可以测量该方向是否存在障碍物和判断障碍物的距离。
电容用来稳定电路,防止电源和地发生短路。
如图4.4红外传感器实物图,硬件原理:
采用一片74HC14D作为控制器。
利用定时中断,产生38KHz附近的若干频率,从P1.1输出方波。
该方波经过三极管扩流来增加驱动能力,给3个红外LED供电。
为防止互相干扰,3只LED轮流点亮,每次只亮一只LED,由IRE选择哪支红外LED被点亮。
如果接收到反射回来的红外线,接收端将输出TTL电平,被单片机接收,然后执行相应的避障措施。
如果未接收到任何信号,将一直输出高电平。
因为一体化接收头只对38kHz的方波敏感,而且它内部带有带通滤波器,所以需要在发送38kHz的时候发送一段时间关闭一段时间,否则传感器会认为它是外界光而将返回的信号当作干扰信号而忽略掉。
为了避免各个传感器之间的相互干扰,需要轮流打开接收器。
另外,因为发光管发出的光是沿四面八方发送的,而且只要打开电源发射管就会工作,所以也为了避免因别的发光管带来的干扰,需要将发光管包的严严实实的
这三个传感器所起的作用是不同的。
这三个传感器用来检测前方、左边还有右边是否有障碍物。
通过对三方向的障碍物完成路线寻找。
4.2.4蓝牙模块
在应用方面从机是用于单片机跟电脑或者手机配对通讯,如图4.4所示手机与单片机无线通信应用。
使用方法是把模块的通信线RXDTXD连接到单片机,然后用手机或者电脑搜索蓝牙设备,并配对连接。
这里我们使用的是手机搜索蓝牙设备,从网上下载一个HC-PDA-ANDROID串口调试助手到手机中,以控制小车的运动状态。
如图4.5所示。
图4.5手机与单片机无线通信应用
图4.5蓝牙模块原理图
五、系统软件设计
5.1软件概述
软件是系统运作的灵魂。
本系统软件主要包括人机控制模块(蓝牙模块和手机键盘输入模块)、电机控制模块两个部分。
其中从架构上电机控制模块是本小车控制系统中最为核心的模块,在开发过程中,该模块分为三个层次,即上层应用层,逻辑控制层和底层硬件控制层。
上层应用层主要包括PWM算法,该层次位于小车运动控制模块的最顶端,可由主体程序直接调用。
逻辑控制层是联系上层应用层和底层硬件控制层的桥梁,分别留有对上和对下的接口,将控制算法逻辑与硬件控制逻辑粘合起来。
通过逻辑控制层,PWM程序摆脱对底层硬件控制层的依赖,不受底层硬件的改变而改变,可移植性高。
底层硬件控制层是系统运作的基础。
他通过接收逻辑控制层的控制命令,将命令转化为硬件上的逻辑,即直流电机的转向和运动速度,而转向和速度直接影响,从而实现所要求的任务。
之所以将运动控制模块人为划分为三个层次,主要基于以下考虑:
1.节省时间,适应性强。
由于本题目涉及到一些测试环境的组架,如制作测试木板,安装滑轮,打印坐标格,安装电机等环节,在项目组负责硬件的同学搭建测试环境的时候,负责软件的同学可以提前写好上层应用层的算法和逻辑控制层,留出底层硬件控制层的接口。
2.方便测试方案。
在选择电机的时候,由于步进电机和直流减速电机都有可实现性,为了寻找最好的方案,我们需要对两种方案测试比较。
而测试的时候软件是必备的,两种方案只有底层硬件控制层不同,而上层应用层和逻辑控制层均相同,测试时直接更换底层硬件控制层即可完成测试。
3.方便调试。
由于上层应用层的算法实现与底层硬件控制层隔离,不依赖硬件,所以当底层硬件控制层经过测试完成后,调试时出现问题由于pwm的实现将与硬件无关,而仅仅是算法本身的问题,可以迅速更改算法,以进一步调试。
5.2
- 配套讲稿:
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- 特殊限制:
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