自动往返小车论文.docx
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自动往返小车论文
目录
摘要………………………………………………………………………………2
Abstract…………………………………………………………………………2
第一章设计实验任务和要求…………………………………………………3
1.1任务…………………………………………………………………………3
1.2要求…………………………………………………………………………3
第二章设计方法与论证………………………………………………………4
2.1总体设计方案………………………………………………………………4
2.2驱动模块……………………………………………………………………4
2.3黑线检测模块………………………………………………………………5
2.4码盘测距设计………………………………………………………………6
2.5声光提示模块设计…………………………………………………………6
2.6红外避障模块设计…………………………………………………………6
第三章系统理论分析与计算…………………………………………………7
3.1单片机最小系统……………………………………………………………7
3.2电机PWM驱动模块与实现…………………………………………………8
3.3黑线检测模块设计与实现…………………………………………………9
3.4红外避障模块设计与实现…………………………………………………10
3.5系统供电单元设计与实现…………………………………………………10
第四章系统软件设计…………………………………………………………11
4.1系统控制流程………………………………………………………………11
4.2系统电路图…………………………………………………………………11
第五章系统测试与结论………………………………………………………12
5.1硬件测试……………………………………………………………………12
5.2结论…………………………………………………………………………13
摘要
通过仔细的分析和论证,本电路系统可分为检测、驱动、避障、驱动和显示模块,首先利用反射式光电传感器检测路面的黑线个数,将其传给控制模块,这里我们主控芯片采用的是STC12C5A60S2芯片,小车装载了红外壁障光电传感器,实时检测车身两侧障碍物,单片机将根据实际情况来控制小车的驱动模块,精确的控制小车的转速。
小车前行过程中所有信息包括检测黑线个数、行走路程和时间等利用LCD12864进行显示。
并且安装在小车上的语音播报系统将对小车处理的情况进行提示。
关键词:
PWM黑线检测STC12C5A60S2红外壁障语音播报L298N
LCD12864
Abstract
Throughthecarefulanalysisandargumentation.Thiscircuitsystemcanbedividedintodetection,drive,obstacleavoidance,driveranddisplaymodule.
First,thereflectingphotoelectricsensortotestthepavementoftheblacklinenumber,passingitontocontrolmodule.HerewemastercontrolchipUSESisSTC12C5A60S2chip.Aloadofinfraredbarrierandphotoelectricsensor.Real-timedetectionbodyonbothsidesoftheobstacles.SCMwillaccordingtoactualconditiontocontrolthecardrivermodule.Intheprocessofcarforwardallinformationincludingdetectionlinenumber,walkingdistanceandtimeusetodisplayLCD12864.
Inthecarandinstallthespeechbroadcastsystemwillcarprocessingofthetip.
Keywords:
PWMLinedetectionSTC12C5A60S2Infraredbarrier
SpeechbroadcastL298NLCD12864
一设计实验任务和要求
一.任务
设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。
允许用玩具汽车改装,但不能用人工遥控(包括有线和无线遥控)。
跑道宽度0.5m,表面贴有白纸,两侧有挡板,挡板与地面垂直,其高度不低于20cm。
在跑道的B、C、D、E、F、G各点处画有2cm宽的黑线,各段的长度如图1所示。
二.要求
1.基本要求
(1)车辆从起跑线出发(出发前,车体不得超出起跑线),到达终点线后停留10秒,然后自动返回起跑线(允许倒车返回)。
往返一次的时间应力求最短(从合上汽车电源开关开始计时)。
(2)到达终点线和返回起跑线时,停车位置离起跑线和终点线偏差应最小(以车辆中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值)。
(3)D~E间为限速区,车辆往返均要求以低速通过,通过时间不得少于8秒,但不允许在限速区内停车。
2.基本要求
(1)自动记录、显示一次往返时间(记录显示装置要求安装在车上)。
(2)自动记录、显示行驶距离(记录显示装置要求安装在车上)。
(3)其它特色与创新。
二设计方法与论证
1.总体设计方案
根据赛题要求的功能及指标,我们将整个系统划分为四个基本模块,如图2.1所示。
为了使各个模块具有较好的性能,分别提出以下不同设计方案:
图2.1系统方案
2.驱动模块
方案一:
采用L298N直流电机驱动模块,一个芯片里面就集成了2路的H桥电路,还带PWM控制和电流采集。
通过单片机可以精确调整电动机的转速,达到对电机速度的控制。
这个方案的优点是控制比较简单、购买方便。
方案二:
采用数控电位器X9313集合NE555多谐振荡器输出PWM信号。
通过单片机控制数控电位器来调整NE555多谐振荡器的输出方波的占空比,达到对电机速度的控制。
这个方案的优点是控制比较方便、软件资源消耗少。
方案一中芯片简单便于控制,控制精度高。
操作简单。
方案二的硬件电路较为复杂,且驱动能力不及方案一,功耗大。
综合考虑两种方案的优缺点,我们选择方案一实现本系统。
3、黑线检测模块
图2.3黑线检测模块
方案一:
使用发光二极管和光敏二极管。
此方案缺点在于环境的其他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:
反射式红外发射—接收管。
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。
方案三:
利用激光。
此方案虽然抗干扰性强、可靠性高,但其缺点在于体积大、功耗大、价格高。
一般用在要求场合非常高的场合,本系统采用方案二已经能够胜任,无须采用此方案。
4、码盘测距模块
方案一:
采用霍尔器件。
该器件内部由三片霍尔金属板组成,当磁钢正对金属片时,由于霍尔效应,金属板发生横向导通,因此可在电机轴上安装固定有磁片的圆片,而将霍尔器件固定在距圆片上方1cm3的范围,通过对脉冲的记数实现
对速度的检测。
方案二:
采用码盘。
由于该器件是沟槽结构,可以将其置于固定轴上,再在电机轴上安装圆片,均匀地固定多个遮光片,让其恰好通过沟槽,产生一个个脉冲。
通过脉冲的计数实现对速度的检测。
两种方案都是可行性的转速检测方案。
由于霍尔元件互换性差,信号随温度变化,非线性输出,而且采用码盘较容易获取较为精确的数值。
故采用方案二。
5.声光提示模块
图2.4蜂鸣器
本系统采用了蜂鸣器和发光二极管作为声光提示。
每检测到一条黑线时蜂鸣器就会响一下,而且led等也会点亮作为提醒。
6.红外避障模块
方案一:
采用红外数字避障模块,传感器主动发射红外线,根据反射光探测,如果探测到障碍,OUT脚输出0,否则1.板上有多圈精密可调电位器,可根据使用环境调节.调节范围从3cm-80cm。
但是该模块使用起来不是特别灵敏,而且价格昂贵,探测的精确与目标的反射率和形状有关。
方案二:
采用反射式光电避障模块,探测距离可以调节,调节范围从0~80cm,
探测精确度很高,反应灵敏,只要被测物体距离小于我们调节到的距离,输出端口就会输出一个低电平。
该模块受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便。
故采用方案二。
三系统理论分析与计算
1.单片机最小系统
本系统采用的是STC12C5A60S2芯片作为控制核心,增强型8051型内核,速度比普通8051快8~12倍。
具有掉电存储功能,功耗低,芯片内EEPROM功能,擦写次数10万次以上。
8通道,10为高速ADC,速度可达25万次/秒,
2路PWM还可以当2路D/A使用,4个16位定时器。
内部就含有PWM调制,而本实验用到的电机驱动的所需的PWM信号就是由该芯片产生的。
下面是它的引脚图和电路图。
图3.1STC12C5A60S2的引图
图3.2单片机最小系统电路图
2.电机PWM驱动模块的设计与实现
由于本实验采用的是STC12C5A60S2芯片,内部就含有PWM调制,而本实验用到的电机驱动的所需的PWM信号就是由该芯片产生的。
首先,电机的控制采用脉冲宽度调制技术(PWM),单片机输出一个频率不变的方波,利用调制它的脉宽来改变电机转动的速度,其输出电压就是方波的平均值,当输出为低电平时,电机停转,当输出高电平时,电机最高速。
利用定时器1的外部中断才生3.2khz的方波频率。
如图2.2,该图为L298N电机驱动图,当INT1、INT3为高电平时,INT2、INT4
为低电平时,左边电机和右边电机均正转,反之,反转。
ENA、ENB分别为左右电机的使能端,高电平时电机工作。
此外,ENA、ENB由单片机pwm输出P1.3、P1.4构成的。
图3.3电机驱动电路
3.黑线检测设计与实现
该智能小车在跑道是上共设有6道黑线,路面可看做白色。
由于黑线和白色路面对光线的反射系数不同,可以根据接收的反射光的强弱来判断道路的“障碍”—黑线。
本设计利用红外线在不同颜色的物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,当红外线遇到白色地面时发生漫反射,反射光被装在小车上的接收管接收;如果遇到黑纸则红外光被吸收,小车上的接收管接收不到信号。
考虑到集成红外探测头体积小、简便易用,性能可靠。
所以本设计选择了反射式红外线光电传感器作为红外光的发射和接受器件,一般检测距离可达4~10cm,其内部结构和外接电路均较为简单.鉴于小车底部聚地面的距离不超过五厘米,故用红外光电传感器足以满足要求。
其内部结构和外接电路均较为简单,检测电路如下图所示。
图3.4黑线检测电路
4.红外避障模块设计与实现
小车的两侧分别装有红外避障传感器,小车在行驶的途中不断检测和两侧障碍物的距离。
当小车距离障碍物的距离大于所设定的值时,单片机便会控制电机驱动,控制电机转速使其直线行驶。
本系统采用了集发射与接收于一体的光电传感器。
检测距离可以根据要求进行调节。
该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便。
而且传感器上还有距离提醒装置,即当障碍物与传感器小于所设定的距离时,红灯就会点亮作为提示,下面是电路的原理图。
图3.5红外避障电路图图3.6红外避障原理图
5.系统供电单元设计与实现
智能车控制系统中,芯片需要提供5V的工作电压,而电机所需的电压为12V,本设计中用到的是12V的电源供电,然后通过三端稳压器LM7805将电压变换为5V电压供给电路系统。
电源系统的电路图如图3.7所示。
图3.7稳压电源提供电路
四系统软件设计
1.系统控制流程
图4-1控制系统的流程图
2.系统电路图
图4.2系统总体电路图
五系统测试与结论
1.硬件调试
对各个模块的功能进行调试,主要调试各模块能否实现指定的功能。
1.电机控制
此模块调试实现的功能是结合软件共同实现,当连接单片机与电机控制芯片的I/0加上一定的电平可以实现电机左右转向,前后转向以及停止等功能,同时通过程序延时降低电机转速。
如表5-1为电机测试记录。
表5-1电机测试记录、
S1
S2
S3
S4
P1.5
P2.6
行驶状态
1
1
1
1
1
1
停止
1
0
1
0
1
1
前进
1
0
0
0
1
1
前进右转
0
0
1
0
1
1
前进左转
0
1
0
1
1
1
后退
0
1
0
0
1
1
后退右转
0
0
0
1
1
1
后退左转
2.行驶时间和减速区时间检测
小车在自动往返行驶途中,要求所花费的时间最短,而且在减速区要至少行驶8s,到达终点线和返回起跑线时,停车位置离起跑线和终点线偏差应最小(以车辆中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值)。
表5.1小车行驶数据记录
测试次数第一次第二次第二次第三次第四次第五次
总时间/s22.421.521.920.823.421.6
减速区时间/s7.58.28.77.89.18.5
黑线条数/条121112121212
误差值/条010000
2.结论
各模块都调试通过之后,将各个模块连接起来与硬件结合进行联合调试。
在进行联合调试时,经过反复的实验,不断的来修改参数来完善结果。
使程序按照要求设计的要求进行。
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