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智能循迹小车 第二届电子设计大赛 自动循迹小车设计论文 组别: 小车组 成员: 霍学鹏 李本伟 陈旺 指导老师: 刘东辉 2010 年 11 月 21 日 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only....

智能循迹小车
第二届电子 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 大赛 自动循迹小车设计论文 组别: 小车组 成员: 霍学鹏 李本伟 陈旺 指导老师: 刘东辉 2010 年 11 月 21 日 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 2 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 小车总体效果图 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 3 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 目 录 引 言........................................................................................................................................ 5 第一章 智能循迹小车的设计分析 ............................................................................................ 6 一、 设计要求............................................................................................................................ 6 二、 总体设计............................................................................................................................ 6 三、 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 论证............................................................................................................................ 7 1. 小车主体 设计方案 关于薪酬设计方案通用技术作品设计方案停车场设计方案多媒体教室设计方案农贸市场设计方案 ...................................................................................................... 7 2. 电源设计方案.............................................................................................................. 8 3. 电机驱动设计方案 ...................................................................................................... 9 4. 传感器设计方案.......................................................................................................... 9 5. 显示模块设计方案 .................................................................................................... 10 四、 单片机资源分配.............................................................................................................. 10 五、 电源管理...........................................................................................................................11 第二章 智能循迹小车硬件设计 ................................................................................................ 12 一、 机械设计.......................................................................................................................... 12 1. 小车各模块分布........................................................................................................ 13 2. 小车传感器位置排布 ................................................................................................ 14 3. 测速计程码盘............................................................................................................ 14 4. 小车地底设计............................................................................................................ 15 二、 电路设计.......................................................................................................................... 15 1. 电源............................................................................................................................ 15 2. 驱动............................................................................................................................ 16 3. 信号采集系统............................................................................................................ 17 4. 单片机最小系统........................................................................................................ 18 5. 蜂鸣器........................................................................................................................ 19 6. 液晶显示.................................................................................................................... 19 第三章 智能循迹小车软件设计 ................................................................................................ 20 一、 智能循迹小车主函数流程图 .......................................................................................... 20 1. 主函数流程图............................................................................................................ 20 2. 循迹函数流程图........................................................................................................ 21 3. 控制函数流程图........................................................................................................ 22 第四章 开发总结与心得................................................................................................................ 22 一、 开发与调试过程.............................................................................................................. 22 1. 总体方案论证和确立 ................................................................................................ 23 2. 各分立模块的制作调试 ............................................................................................ 23 3. 总车的装配调试........................................................................................................ 23 二、 开发中遇到的几个典型问题 .......................................................................................... 24 1. 电源问题.................................................................................................................... 24 2. 电机电磁干扰的问题 ................................................................................................ 24 三、 总结与展望...................................................................................................................... 24 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 4 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 参考文献............................................................................................................................................ 25 附录.................................................................................................................................................... 26 一、 循迹程序.......................................................................................................................... 26 二、 开发设计所用元件清单.................................................................................................. 40 三、 系统总体电路图.............................................................................................................. 40 致谢.................................................................................................................................................... 41 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 5 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 引 言 本次设计的智能循迹小车是以单片机 STC89C52 为主控制器。运用反射式红外 传感器来进行路径检测和速度监测模块。将检测数据传回单片机进行处理,同时, 用单片机产生 PWM 波来控制小车的行进速度,并实时控制小车的行进状态。另外, 在小车上还扩展了 LCD 作为人机交互界面,以便于实时了解小车个监测传感器的 状态机小车的实时数据,由于本次设计的是智能自动循迹小车,整个任务过程无 需人工的任何干预,故而没有进行键盘及遥控等的人工操作设备。用多路传感器 的实时监测和算法的紧密配合来保证小车的顺畅完成任务。 报告是以小车的总体设计为主要线索,包括小车的设计分析及发案论证、小车 的软件设计、小车的硬件设计、以及总体的设计流程。共分为六章 XXX 小结。其 中第一章主要是对小车总体设计及各个设计方案进行了论证,第二章是对小车硬 件部分的设计做了详细的介绍,第三章重点叙述了软件的设计及流程和各种相关 的算法,第四章介绍了我们小车设计的开发流程,第五章叙述了我们在设计过程 中遇到的问题和解决方法,并对本次的设计活动做了总结报告和在本次活动中的 心得。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 6 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 第一章 智能循迹小车的设计分析 一、 设计要求 本次比赛要求任务是,小车具有自动循迹功能,能够沿着主办方提供的赛道按 要求在规定的时间内跑完全程。赛道用黑色胶带在白色地板上粘贴而成,很好识别。 发挥部分是要求小车在行驶过程中检测到并识别出停靠站、减速带标志、和停车站 等标志,并做出相应的反应,。能够 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 行驶时间及行驶路程,并显示出来,外还可 以有其他的特色创新功能。 主办方提供比赛场地参考示意图如下图 比赛场地是一个长 3m、宽 2m 的区域,场地表面为白纸,汽车跑道款 1.5~2cm,由 黑色胶带粘接而成,中间有白色的定位线。在 A-B、C-D 和 E-A 区间随机有四个 30cm*15cm 的实心黑色图案,为停靠站。B、C、D、E 是四个减速标志,由 15cm 长,1.5~2cm 宽的黑色胶带粘接而成。 二、总体设计 根据大赛要求,设计总流程图如下所示。 A 1 234 B C D E 5 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 7 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 单片机处理 Stc89c52 光电管寻迹检测 光电管测速检测 液晶显示模块 电机驱动模块 (L298) 蜂鸣 器 左右减速电机 电压比 较器 Lm324 设计主要有以下几个模块组成: (1) 信息采集模块:信息采集部分是由光电检测和运算放大模块组成,光电检 测有寻迹检测和测速检测两个部分。将检测到的信号经过预算放大模块 lm324 放大整形后送给单片机处理,其核心部分是几个光电传感器。 (2) 控制处理模块:控制处理模块是一一片 stc89c52 单片机为核心,单片机将 从采集到的信息进行判断后,按照预定的算法处理,把处理的结果送交电 机驱动和液晶显示模块,使之做出相应的动作。 (3) 执行模块:执行模块是由液晶显示、电机驱动及电机、蜂鸣器三部分组成。 液晶主要是将单片机处理的结果进行实时显示,方便及时用户了解系统当 前的状态,电机驱动根据单片机的指令对两个电机进行动作,使之能够根 据需要作出相应的加速、减速、转弯、停车等的动作,以达到预期的目的。 蜂鸣器主要是根据要求在特定的位置作出出响应来报告位置。 三、方案论证 1.小车主体设计方案 (1) 购买玩具小车进行改装 按照大赛要求,可以用玩具车来改装,加入控制系统来完成既定任务, 这样的优势是,省去了制作车体的功夫,可以一门心思地放在小车的 控制上。另外小车主体布局也比较合理,可以较好地完成任务。但是 玩具小车的造型各异,质量参差不齐,选购合适小车价格偏高,小车 的电路布局受到小车主体的限制。 (2) 自己设计小车主体结构 自己设计制造小车主体结构,能够按照布局设计思路来完成小车主体 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 8 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 结构的调整,保证电路部分和机械部分的全面协调。可以合理地安放 传感器,同时也可以锻炼自己的学科穿越能力以及动手设计能力,兼 有成本低廉的优势。但是自己设计的小车未免会外表粗糙,费时费力。 综合考虑各种利弊,由于大赛时间允许我们有动手制作小车的机会, 所以们决定用第二种方案,通过大赛来全面提高自身的素质和能力。 2.电源设计方案 (1) 供电 碱性电池 VS 铅蓄电池 VS 锂电池 用碱性电池来作为小车的动力及控制供电,有体积小,重量轻的优点, 放电曲线比较稳定,可以通过加减电池节数(单节 1.5V)来调节所需 电压。但是,由于小车的开发阶段需要不断地调试,势必消耗大量的 电能。碱性电池又是一次性电池,不得不更换电池,成本自然就上来 了,并且不利于环保。 铅蓄电池作为二次电源元老级的代表,具有价格低廉,寿命长久(一 般可达 4 年之久),耐贮藏(尤其适于干式荷电贮存),充放电性能极 为突出,抗摔抗撞能力较好等的优点。其制造工艺成熟,生产产品线 完善,可以方便地买到各种规格的产品。但是其能量密度较低, 导致 其体积大,质量大,不便于携带。 锂电池是一种新型的二次电源,是电源界的后起之秀,也是目前使用 最广泛的便携式二次电源。具有高储存能量密度(是铅蓄电池的 6~7 倍),使用寿命长(可达 6 年),额定电压高(单节 3.7V),且具备 高功率承受力,自放电率很低,绿色环保等的优点。缺点是锂电池均 存在安全性差。需保护线路,防止电池被过充过放电。生产要求条件 高,成本高。 综合考虑其优缺点,锂电池有着较强的供电能力和较轻的质量,锂电 池为本次设计的最佳供电方案。 (2) 稳压 78XX +78XX VS 2576+2576 VS 2576+78XX 由于本次设计电源分动力和逻辑电路两部分,均需稳定的电压以保证 其精度,所以必须有较强的电源管理法案。目前市面上较常用的稳压 芯片主要要有 78XX 系列和 2576—XX 系列,2576 系列为单片式开关稳 压芯片,具有电流大(加散热片可达 3A),带负载能力强,转化效率 高(70%~90%),稳压效果好等的优点。78XX 系列为线性稳压芯片,稳 压效果好,外围电路简单,应用电路成熟可靠等的优点。但是其带负 载能力较弱,电流输出差,效率低(最高 50%)。根据其各自性能优势, 我们有以下几个方案: 1)78XX+78XX 其优点是电路设计简单,成本低廉,缺点是带负载能力太弱,效率低, Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 9 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 在动力电机受阻情况下极易烧毁。 2)2576+2576 其优点是转化效率高,输出电流能力较强。缺点是外围电路复杂,成 本较高,PWM 开关稳压电压容易对单片机等逻辑电路造成影响 3)2576+78XX 用 78XX 为单片机以及其他逻辑电路提供稳定电压,用 2576 为电机提 供动力驱动,所以最后决定各取所长,用此方案。 3.电机驱动设计方案 (1) 自己搭建桥式电机驱动 电机加减速以及正反转的典型电路是 H 桥驱动电路,根据需要分析,可用功 率三极管或者 cmos 管来搭建,这样有助于提高我们的动手能力和知识融汇通的能 力。但是要想得到两个理想的独立驱动,必须选用参数尽量完全一致的管子才行, 而这些元件的制造工艺只能保障在一定的范围内一致,这样,给调试带来不少的 麻烦,且抗外界干扰能力差,复杂化了电路的设计。 (2) 购买专用电机驱动模块 市面上有专门的双电机驱动芯片 L298,经测试性能可以满足小车的电机控制 要求,而且外围电路比较简单,稳定性较好,驱动能力够强。能够很好的保证两 电机的同步。所以决定选用此法案。 4.传感器设计方案 (1) 使用 CCD 传感器来采集路面信息 使用 CCD 传感器,可以获取大量的图像信息,可以全面完整的掌握路径信息, 可以进行较远距离的预测和识别图像复杂的路面,而且抗干扰能力强。但是对于 本项目来说,使用 CCD 传感器也有其不足之处。首先使用 CCD 传感器需要有大 量图像处理的工作,需要进行大量数据的存储和计算。因为是以实现小车视觉为 目的,实现起来工作量较大,相当繁琐。 (2) 使用光电传感器来采集路面信息 使用红外传感器最大的优点就是结构简明,实现方便,成本低廉,免去了繁 复的图像处理工作,反应灵敏,响应时间低,便于近距离路面情况的检测。但红 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 10 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 外传感器的缺点是,它所获取的信息是不完全的,只能对路面情况作简单的黑白 判别,检测距离有限,而且容易受到诸多扰动的影响,抗干扰能力较差,背景光 源,器件之间的差异,传感器高度位置的差异等都将对其造成干扰。 在本次比赛中,赛道只有黑白两种颜色,小车只要能区分黑白两色就可以采 集到准确的路面信息。经过综合考虑,在本项目中采用红外光电传感器作为信息 采集元件。 5.显示模块设计方案 (1) Led 数码管显示 数码管显示具有亮度高,色彩选择多的优点,但是数码管占用 I/O 资源多, 控制复杂,功耗较大,显示信息量较少且单一。 (2) 1602 液晶显示 液晶显示驱动简单,易于控制,功耗小,且显示信息量大,可以直观地观测 到小车的位置及速度信息。 综合考虑,决定用 1602 液晶显示作为本次设计的显示模块。 四、单片机资源分配 STC89C52 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺 寸有限的集成电路芯片上。它由如下功能部件组成,8位微处理器、128 字节数据 存储器、8k 程序存储器、p1、p2、p3、p4 四个 8 位并行 I/O 口、1 个全双工的串 行口,具有四种工作方式。可用来进行串行通讯,扩展并行 I/O 口,甚至与多个 单片机相连构成多机系统,、片内有 2 个 16 位的定时器/计数器, 具有四种工作 方式。具有 5个中断源,2级中断优先权及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单 一总线连接而成,其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构模式。但对各 种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。为了合理调用单片机 的资源,对单片机的资源分配如下图所示。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 11 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 INT1'/P3.3 13 T0/P3.4 14 15 T1/P3.5 16 WR’/P3.6 P2.7 P2.6 P2.5 P2.4 28 27 26 25 RD’/P3.7 17 XTAL2 18 19 XTAL1 20 VSS P2.3 P2.2 P2.1 P2.0 24 23 22 21 P1.0 1 P1.1 2 3 P1.2 4 P1.3 VCC P0.0 P0.1 P0.2 40 39 38 37 RST 9 RXD/P3.0 10 11 TXD/P3.1 12 INT0'/P3.2 P0.7 EA’ ALE/PROG’ PSEN’ 32 31 30 29 P1.4 5 P1.5 6 7 P1.6 8 P1.7 P0.3 P0.4 P0.5 P0.6 36 35 34 33 S T C 8 9 C 5 2 Vss 1 Vcc 2 3 Vee 4 RS DB6 13 DB7 14 15 LED+ 16 LED- R/W 5 E 6 7 DB0 8 DB1 DB2 9 DB3 10 11 DB4 12 DB5 L C D 1602 蜂鸣器 1 2 3 4 电机驱动控制端 寻 迹 检 测 光 电 对 管 测 速 光 电 对 管 五、电源管理 电源是整个系统稳定运行的基本要求,所以,制作一个幼稚的可靠的电源就 必须对电力资源合理分配。由于本次设计中电源分动力供电和逻辑供电两部分, 为了减小干扰,两部分电源应相互独立。其中,电机的动力供电有 2576 输出,7805 稳压供电为单片机、液晶、lm324、以及传感器提供电源。所以,电源的资源分配 如下图所示 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 12 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 第二章 智能循迹小车硬件设计 一、 机械设计 小车机械部分设计有以下几个要求:符合机械力学性能,能够很好地完成各 机械动作;易于组装拆卸以便于维护维修;方便扩展布局,面向以后学习研究的 扩展开发;总体布局有一定的电气隔离性能,尽量减少互相干扰;美观大方。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 13 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 L298 C1 C2 � �2576 7805 7805 1602 Lm324Lm324 lm324 � � � � � � � � � 1.小车各模块分布 小车的总体布局应以尽量减少互相干扰为原则,兼顾美观整齐。基于这两点, 通过调试,在小车底板下面只安放了两个减速电机,防止电机磁对电气信号的干 扰。小车的后面安放电源,有利于电流的方向一致以较少对信号的影响。电机驱 动紧挨着电源部分,同在小车的尾部,这样有利于大电流的直接输送,减少干扰。 车头部分放置传感器以及 lm324,这样和别的电流通路基本隔离,有利于信号的稳 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 14 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 定。单片机置于车的中央且用铜柱将其支起来,于电机、电源等干扰源远离,很 好地保证单片机的稳定可靠地运行。总体布局图如上所示。 2.小车传感器位置排布 小车循迹的保证是传感器反映回正确的信息,所以传感器的合理排布是小车 能够圆满 完成任务的基本保证,经过反复的调试和实验,得出的最佳传感器分布图如 上图中所示。 车头部分的五个传感器主要用于循迹检测,中间三个主要用于直道姿态的调 整。其两侧的另外两个主要用于采集弯道信息,车身两侧的传感器主要用于较大 偏差的纠正。另外,在车的正中间还有一个传感器主要是配合其余的传感器采集 小车是在直道,弯道,停靠站。终点站等等的位置信息。另外还在小车车轮的内 部还有两传感器用于小车的测速以及计程。 3.测速计程码盘 测速是用光电反射管接收发射信号进行计算的,在车轮内加入黑白相间的码 盘,将车轮一周分为 6 分进行计算,这样便提高了测速和计程的精度。测速码盘 随车轮转动,每转一圈,传感器将能采集到六次信息,送给单片机进行处理计算。 测速码盘如下图: Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 15 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 4.小车地底设计 本次设计中,整个小车的外观有我们自己设计,小车底板是小车承载所有模块的平台,所以, 小车底板的设计关系到小车下一步开发的扩展性。关于小车底板材料的选择上,由于三合板 的耐用性太差,且容易受潮变形,不适合作为面向不断开发的产品。经过各种材质的对比, 亚克力板可以作为车板的材质,既有很好的光泽性,更有较好的强度,且耐贮存。正好手头 有一块大小合适的亚克力板材,于是将其设计加工成如下形状。在激光雕刻过程中,在一些 特殊位置做标记符号,便于外围的安装。为了便于后期扩展,我们在车板上有规律地雕出各 种规格的孔以便于以后的开发中扩展功能模块。小车底板主体设计图如下: 二、电路设计 1.电源 电源模块使用的 lm2576 和 lm7805 两片稳压芯片分别作为动力供电和逻辑供 电。Lm2576 是一片高性能的开关稳压芯片,具有 52khz 的内部固有开关频率,TTL 关断功能,低功耗待机模式等的特点。主要有 3.3V、5V、12V,15V 和可调几个型 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 16 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 号,由于本次电机为 6V 电机,所以选用可调的 2576-adj 来做电源,在电源模块 制作中,由于使用电池供电,输入电压几乎是完美直线,所以省去了输入部分的 滤波电容,而经过开关芯片稳压后的电压带有较高的杂波,故而加大了输出滤波 电容,其电路设计图如图所示。LM7805 是一片最经典的三端线性稳压芯片,具有 较好的线性稳压效果,外围电路十分简单,所以在本次设计中选为逻辑供电稳压 芯片。为了得到理想的电压,在输出端用大的滤波电容和小电容并联的方式进行 整波。经测试,完全符合电气性能以及各项指标。电路图如下图所示。 2.驱动 驱动部分采用的是 L298 芯片,该芯片是专门的双全桥步进电机驱动芯片,也 可以作为两个直流电机的驱动。该芯片有较强的的驱动能力,可驱动 2A的步进电 机或两个 1A的直流电机。 芯片上的的 ENA 与 ENB 为高电平时有效,只有当 ENA 与 ENB 为高电平时,电 机才旋转,否则电机不转,这里的电平指的是 TTL 电平。ENA 为 IN1 和 IN2 的使能 端,ENB 为 IN3 和 IN4 的使能端。当 ENA=1,IN1=1 INT2=0 时电机 1正转,ENA=1, IN1=0 IN2=1 电机 1 反转。同理,当 ENB=1,IN1=3 INT4=0 电机 2 正转,ENB=1, IN3=0 IN4=1 电机 2反转。OUT1、OUT2 接电机 1,OUT3、OUT4 接电机 2。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 17 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 L298 的应用电路图如下所示 3.信号采集系统 小车共放置九个光电传感器来采集路面信息和小车行驶的路程,其中七个 放置在最前面用于循迹,采集到的信号通过 P1 口传给单片机,两个放置在轮 子两侧用于记录小车行驶的路程,采集到的信号通过 P3.2,P3.3 传给单片机进 行处理。循迹传感器采集到的信息经 LM324 放大整形后后传送给单片机,最终 达到控制小车循迹的目的。 因每个光电传感器的信号处理过程相同,其电路图如下: Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 18 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 4.单片机最小系统 单片机采用了 STC89C52,该芯片的应用电路于其他 51 单片机完全一样。介 于小车各部分功能均为模块实现,所以,将单片机最小系统布局好后,其余各 I/O 口用排针引出。Stc 单片机支持串口下载功能,所以省去了调试时不住地插拔片子 的麻烦,也保证了片子的完好。单片机引脚分布图及最小系统图如下: Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 19 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 5.蜂鸣器 蜂鸣器用于小车位置指示,用三极管驱动,由单片机 P2.0 口控制,小 车到站后,单片机给蜂鸣器一个方波信号,蜂鸣器鸣叫提示。电路图 如下 6.液晶显示 液晶由单片机控制,实时显示小车行驶的时间和路程,由于其内部集 成了显示处理模块,所以外围电路十分简单。电路图如下: Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 20 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 第三章 智能循迹小车软件设计 软件编程是循迹小车的灵魂,小车精确地循迹基于合理的编程算法,为了便于调试结构 明朗,小车的软件编程分为主函数、检测循迹函数和控制函数。其中,主函数合理地分配调 用各个模块函数,主要负责各模块间的总体协调。循迹检测函数负责稳定地判定各种信息, 将信息值返回,以便主函数或别的函数调用处理。控制函数主要负责小车的状态控制,根据 传感器返回的信息准确地判定小车所处的位置,并做出相应的响应。 其中控制函数中包含了各种算法以实现系统控制的稳定性。由于控制的数学模型不易建 立。所有的函数算法均是经过无数次的调试而一步步的写出来的。在此处也不好给出具体的 数学模型来阐述,函数的设计流程如下图。 一、 智能循迹小车主函数流程图 1.主函数流程图 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 21 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 2.循迹函数流程图 状态清0: state_clr(); State_de tect(); 给传感器状态变 量sen_state赋值 le,ll,rr,re是否都为0 Sen_state低五位 l,r是否都为0 m,b是否都为0 读取中间五个管 ll,l,m,r,rr的值 左大: Flag_L=1; Flag_D=1; 左小: Flag_L=1; Flag_X=1; 正常: Flag_Ok=1; 右小: Flag_R=1; Flag_X=1; 右大: Flag_R=1; Flag_D=1; 左: Flag_L=1; 右: Flag_R=1; Flag_End=1; NO NO Flag_SorC=1; Flag_Z=1; Flag=8*Flag_L+4*Flag_R+2*Flag_D+1*Flag_X; YES YES YES ll,rr是否都为0 NO Flag_Fm3=1; YES NO Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 22 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 3.控制函数流程图 第四章 开发总结与心得 一、开发与调试过程 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 23 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 在整个开发过程中,我们按照总——分——总的总体思想来展开的,整个开 发过程主要分为以下几个阶段进行。 1.总体方案论证和确立 在这一阶段。我们主要任务是根据大赛要求对小车的总体结构进行初步的规 划设计,对系统进行模块化,对各部分资源做出分配。确定软件的主要思路框架。 这一阶段上主要解决的问题有: 1)确定小组各成员的分工,各取所长,分头进行前期资料的准备 2)确定小车的开发流程,规划小车的开发进度; 3)将电气部分划分为了电源、驱动、单片机和传感器四大模块,并确定各模块的 方案。 4)分配各模块资源,确定各模块的主要参数。 5) 采购所需元器件,为下一阶段做准备。 2.各分立模块的制作调试 在这一阶段,我们的主要任务是,完成各个模块的搭建,并调试使之达到预 定的参数指标。 根据大赛的要求我们确定的各部分模块的参数,一一制作出各部分模块,并对 其进行了调试确定其各方面性能均能达标。电源设计所用的 2576+7805 方案在测 试中发现,7805 所提供的 5V在正常工作情况下,电流有所欠缺,于是我们便用两 片 7805 并联提供稳定可靠的 5V 电源。单片机最小系同开始时因资源口分配的不 当,进分析发现,会使以后的编程以及走线有很大的影响,于是根据实际要求重 新设计了电路。传感器设计中,我们根据资料重点选择了RP220、ST168和TCRT5000, 经实际测试发现,TCRT5000 效果最好,所以选用了这个型号的产品。由于空间的 限制,测速用的传感器一直很难找到合适的型号。经过实验发现用普通的光电对 管组合可以满足要求。由于产品生产的个体差异性,电机的调试是最困难的,经 过多次的硬件调试实验和上电磨合,两电机的转速依然很难同步,所以最后通过 艰难软件的控制调试,终于使之达到基本同步。 3.总车的装配调试 在这个阶段,我们的主要任务是务必使车完全达到大赛的性能指标。使各个 模块之间协调可靠,互不影响,按预计完成任务。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 24 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 在调试的过程中我们才发现。所有的情况并非是想象中的那么符合常理,每一 次的转弯。每一次的位置信息的获取都是在慢慢的反复调试中完成的。我们要对 之前的各种方案进行不断地修改,我们要仔细分析每一次出错的情况并找出原因 所在。一次次地修正程序的漏洞,一步步地完善传感器的排布情况,一点点地校 正小车的行驶轨迹。对控制算法的每一次优化。 二、开发中遇到的几个典型问题 1.电源问题 在小车的调试过程中,由于电源设计的不合理导致了稳压芯片的烧毁,经测 试和分析发现,为获得理想的电量,我们加大滤波电容所致,由于大电容放电时 强劲的电流击穿了芯片。于是便在芯片的两端跨接了一个保护二极管很好地解决 了问题。 (2)各供电模块相互干扰 传感器模块、控制器模块和驱动模块的供电分配不当,会导致模块相互干扰, 造成模块工作不稳定。我们采取的措施是对这三个模块,分别用相互独立的稳压 电路供电。 2.电机电磁干扰的问题 由于电源电路,驱动电路和 MCU 电路板均位于小车后部,距离电机距离较近, 因此会受到电机的电磁干扰,造成数据的失真甚至是硬件器件的损坏。在实际项 目中,为了避免干扰,我们将控制部分抬高以远离电磁的干扰,同时,由于层次 的出现,对各路信号线的排布也有一定的改善作用。 三、总结与展望 在这次设计中,我们初步完成了小车的制作,达到了比赛的基本要求,但由 于时间有限,小车各方面的性能还有待提高,设计方案还可以进一步扩展,如传 感器采用 CCD 与红外相结合,控制采用模糊控制等,这些需要我们以后进一步完 善。 Generated by Foxit PDF Creator © Foxit Software http://www.foxitsoftware.com For evaluation only. 第二届电子设计大赛技术报告 - 25 - 霍学鹏 李本伟 陈旺 通过这次大赛的设计,我们获得不少的收获,不光是知识和 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 上的收获, 更有在生活态度上的收获。做事不能想当然,在大部分事情的处理中,不会有理 想状态的出现,我们必须积极面对所有可能发生的情况,并努力地解决它。不管 你有多大的能力,都不可能把每一种情况都提前考虑到,所以我们应有面对挫折 的勇气和克服困难的韧性。还记得在我们硬件搭建的时候,好多次因元器件的短 缺而终止,而这些本来是可以避免的,只要我们提前更系统地想想,更科学地规 划一下,能提高我们的效率。所以我们认识到,做事都应有一个系统的规划和科 学的预算,不能想起一点做一点,应该积极培养自己的高瞻远瞩的能力。通过这 次的大赛我们才发现,在日常的生活中我们的行动性太差,对于一些明明能做到 更好的事情,总是苟且求安。这些正是我们一改去改变的态度。 参考文献 [1]郭天祥 新概念 51 单片机 c语言教程 北京: 电子工业出版社 2009 [2]百度文库 http://wenku.baidu.com/ [3]豆丁文库 http://www.docin.com/ [4]祁伟,杨婷 单片机 C51 程序设计教程与实验 北京:航空航天出版社 2006 [5]CNKI 数据库 http:/
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分类:工学
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