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首页 基于单片机的多功能智能小车设计_初稿二

基于单片机的多功能智能小车设计_初稿二.doc

基于单片机的多功能智能小车设计_初稿二

fazls
2017-05-03 0人阅读 举报 0 0 暂无简介

简介:本文档为《基于单片机的多功能智能小车设计_初稿二doc》,可适用于IT/计算机领域

湖南第一师范学院毕业论文(设计)题目基于单片机的多功能智能小车设计学生姓名曹政学号指导教师蒋伟雄系部名称信息科学与工程系专业班级电子科学与技术二班完成时间年月日湖南第一师范学院教务处制本科毕业论文(设计)基于单片机的电梯控制系统的设计学生姓名:曹政系部名称:信息科学与工程系专业名称:电子科学与技术指导教师:蒋伟雄毕业论文(设计)作者声明.本人提交的毕业论文(设计)是本人在指导教师指导下独立进行研究取得的成果。除文中特别加以标注的地方外本文不包含其他人或其它机构已经发表或撰写过的成果。对本文研究做出重要贡献的个人与集体均已在文中明确标明。.本人完全了解湖南第一师范学院有关保留、使用学位论文的规定同意学院保留并向国家有关部门或机构送交本文的复印件和电子版允许本文被查阅、借阅或编入有关数据库进行检索。同意湖南第一师范学院可以采用影印、打印或扫描等复制手段保存和汇编本文可以用不同方式在不同媒体上发表、传播本文的全部或部分内容。.湖南第一师范学院在组织专家对毕业论文(设计)进行复审时如发现本文抄袭一切后果均由本人承担与学院和毕业论文指导教师无关。作者签名:日期:二O一年月日摘要本设计是基于单片机控制的简易自动循迹小车小车能够沿着宽约CM的黑色轨迹行驶能够非常流畅的转大于deg小于deg的弯道。本设计包括电源模块、微处理器控制模块、循迹模块和电机驱动模块。其中控制器模块以STCC单片机为控制核心STCC是一种低功耗、高性能CMOS位微控制器具有K系统可编程Flash存储器以有机玻璃作为小车的车架循迹模块是用TCR光电传感器来检测小车的运动轨迹电机驱动模块使用的是L电机驱动芯片驱动个直流减速电机。利用放置在小车前方的个TCR光电对管将检测到的信号送到STCC单片机单片机对检测到的信号进行分析判断利用单片机生成的PWM波来及时控制个电动机各自的运行状态从而使小车沿着黑色轨迹自动行驶实现小车自动循迹的目的。本小车采用的技术主要有传感器的有效应用和STCC芯片的使用。有很多功能可以继续扩展如小车避障和遥控等值得进一步学习和研究。本设计不仅给出了硬件设计流程而且还给出了完整的硬件电路图和控制程序。关键词:单片机自动寻迹光电传感器直流电机AbstractThedesignisbasedonthesinglechipmicrocomputercontrolautomatictrackingcar,thecartoawidthofaboutCMalongblacktrackrunning,canbeverysmoothtogreaterthandegreesandlessthandegreecornersThedesignincludespowermodule,themicroprocessorcontrolmodule,thetrackingmoduleandmotordrivemoduleThecontrollermodulewithSTCCMCUasthecontrolcore,STCCisalowpower,highperformanceCMOSmicrocontroller,withKinsystemprogrammableFlashmemory,organicglassasatrolleyframe,trackingmoduleistheTCRphotoelectricsensortodetectthemovementofthetrolleytrack,amotordrivingmoduleusingLmotordrivethechiptodriveDCgearmotorUsingplacedinthecarinfrontoftheTCRphotoelectrictubewilldetectsignaltotheSTCCMCU,MCUdetectsthesignalanalysis,usingsinglechipcomputergeneratedPWMwavetocontrolmotorsoftherespectiveoperatingstate,sothatthecaralongtheblackpathautomaticdriving,realizeautomatictrackingpurposesThecarusingthetechnologyistheeffectiveapplicationofthesensorandtheSTCCchiptouseTherearemanyfunctioncancontinuetoexpand,suchascarobstacleavoidanceandremotecontrol,worthyofstudyandResearchononestepThisdesignnotonlygivesthehardwaredesignprocess,butalsogivesacompletecircuitofthehardwareandcontrolprogramKeywords:SinglechipmicrocomputerAutotrackingTCRTICPhotoelectricsensorDCmotor目录摘要IAbstractII第一章绪论智能小车的研究背景与意义智能小车的自主循迹概述设计的思路和要实现的功能第二章系统总体方案系统总体方案车体设计系统结构框图主要芯片选取主控制芯片的选取单片机电源稳压芯片的选取光电传感器的选取电机驱动芯片的选取第三章硬件设计与实现单片机主控电路控制最小系统输入输出端口确定电源电路路面检测及蜂鸣器电路路面检测电路蜂鸣器电路系统运动部分设计电机选型驱动电路PWM控制第四章软件设计程序设计的思路和结构程序设计总体思路程序流程图各模块程序分析端口定义主程序第五章系统调试与仿真总结致谢参考文献附录附录1总接线图附录系统程序第一章绪论自第一台工业机器人诞生以来,机器人的发展已经遍及机械、电子、冶金、交通、宇航、国防等领域。近年来机器人的智能化水平不断提高,它大大提高了劳动效率,减轻了人的劳动强度,提高了产品质量,改善了劳动环境,减少了能源和材料消耗,保证了安全等。智能小车的研究背景与意义随着人们生活水平的不断提高科学技术的不断进步数码无线遥控技术取代传统手动开关已成为现代人追逐的潮流。众所周知早期的数据交换大多用一张或若干张软盘就可以搞定可如今动辄几兆、几十兆、甚至上千兆的数据量软盘已经无能为力如何能够进行高速、准确的传输成为人们极为关注的焦点问题之一。信息传输可以简单地分为有线(包括架设光缆、电缆或租用电信专线)和无线(分为建立专用无线数据传输系统或借用CDPD、GSM、CDMA等公用网信息平台)两大方式。相比较有线通信的优点是数据传输可靠性较高但需铺设较多明线而有些领域由于条件所限难以铺设线路与有线通信方式相比无线通信具有一系列优点特别适用于手持现场设备、电池供电设备、遥控遥测设备、水文气象监控设备、无线抄表、门禁系统、无线标签身份识别、非接触RF智能卡以及无线数据通信、无线/数据通信、无线数字语音和数字图像传输等。在工业、科学研究以及医疗设备中目前出现了大量需要进行通信的设备这些设备通信距离较近、数据量较小、不适合布线。传统的机械式手动开关已经越来越满足不了现代人追求完美生活空间的需要。因此遥控器逐渐成了人们的日常生活毕不可少的一部分。一般短距离的控制电器设备我们可使用蓝牙或红外而我们家用的遥控器最普遍的就是基于红外线建立的无线数据传输即红外线传输方式(IrDA)。本设计就是基于红外和单片机来实现控制的。最近二三十年来初露头角的红外技术在各个领域里获得了广泛的应用。红外线比红光具有更大的热作用穿透能力也很强用它来烘干东西既快又好。红外线穿透能力很强可以利用它来染合成纤维织物。相信随着人们对红外线传输方式(IrDA)的更深入研究这么无线传输方式将会在更多的领域得到应用给人们的生活带来更大的便利。随着汽车工业的迅速发展关于汽车的研究也就越来越受人关注。全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目全国各高校也都很重视该题目的研究。可见其研究意义很大。本设计就是在这样的背景下提出的设计的智能电动小车应该能够实现适应能力能自动避障可以智能规划路径。智能化作为现代社会的新产物是以后的发展方向他可以按照预先设定的模式在一个特定的环境里自动的运作无需人为管理便可以完成预期所要达到的或是更高的目标。但有时太依赖于智能化容易产生无法弥补的损失同其它智能小车不同本车也结合了遥控小车的技术既可以在无人的条件下工作也可以在人为遥控工作当智能化发生不测时可以人为控制转向、启停和进退。智能小车则可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制无需人工干预。操作员可以通过修改智能小车的计算机程序来改变它的行驶方向。因此智能小车具有再编程的特性是机器人的一种。中国自年把ldquo智能模拟rdquo作为国家科学技术发展规划的主要研究课题开始着力研究智能化。从概念的引进到实验室研究的实现再到现在高端领域(航天航空、军事、勘探等)的应用这一过程为智能化的全面发展奠定基石。智能化全面的发展是实现其对资源的合理充分利用以尽可能少的投入得到最大的收益大大提高工业生产的效率实现现有工业生产水平从自动化向智能化升级实现当今智能化发展由高端向大众普及。从先前的模拟电路设计到数字电路设计再到现在的集成芯片的应用各种能实现同样功能的元件越来越小为智能化产物的生成奠定了良好的物质基础。智能小车是一个集环境感知、规划决策自动行驶等功能于一体的综合系统它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术是典型的高新技术综合体。智能小车,即轮式机器人,是移动机器人的一种。它可以通过计算机编程来实现其对行驶方向、启停以及速度的控制,无需人工干预,操作员可以通过修改智能小车的计算机程序来改变它的行驶方式。智能小车是一个集环境感知、规划决策、自动行驶等功能于一体的综合系统,它集中地运用了计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术,是典型的高新技术综合体。智能小车能够在无现场操作人员的情况下按照预定的设计方案和根据现场的实际情况作出相应的反应并能稳定的运行在恶劣条件下探测、救生等方面具有广阔的应用前景。因此基于以上这些优点我们拟从这些方向作进一步的研究探索。智能小车的自主循迹概述在智能车系统中寻迹电路采用红外光电传感器进行检测并且寻迹运动。红外发射管发射的红外线具有一定的方向性当红外线照射到白色地面时会有较大的反射如果距离取值合适红外接收管接收到反射回的红外线强度就较大如果红外线照射到黑色标志线黑色标志线会吸收大部分红外光红外接收管接收到红外线强度就很弱。寻迹时引导线是黑颜色不宜反光当红外发射管输出信号照射到黑色引导线上时输出一个非常微弱的低电平这个过程是一个负跳变过程通过对此信号高低电平的检测就可以知道小车是正在沿着引导线行驶若不是沿着引导线行驶单片机根据传感器送回的信号可以判断并驱动电机正确转向从而使小车沿着正确的轨道行驶。自主循迹已成为当今许多智能小车设计中的一个必不可少的功能可以说是智能小车实现智能化的一个重要指标。任何智能小车想要实现智能化就必须能够实现对外部环境的自我感知判断并作出相应反应最终完成人们布置的任务。自主循迹小车是一种集环境探索、决策规划、自动行驶等功能于一体的机电系统其设计技术涉及机电、电子、传感、计算机控制等多门学科知识尤其涉及许多当今前沿领域的相关技术。因而自主涉及循迹小车已成为培养当代大学生的动手能力、创新能力首选工程实践训练项目之一被列为国内众多机器人大赛重点项目备受各类院校与机器人开发公司的高度重视。设计的思路和要实现的功能主要思路是利用光电管TCR来判别前方的跑道轨迹并将信息采集到STCC单片机中。在STCC单片机中利用一定的算法来控制模型车的运行状态。模型车的控制系统包括电源管理模块、路径识别模块、AD转换电路、电机驱动模块及方向电机控制模块等。在整个系统中由电源管理模块实现对其他各模块的电源管理。其中对单片机提供V电压光电管、电机等其他电路提供V电压。路径识别电路由个光电管TCR组成。由于赛道中存在轨迹指示黑线落在黑线区域内的光电接收管接收到反射的光线的强度与白色的赛道不同进而在光电接收管两端产生不同的电压值由此判断行车的方向。路径识别模块会将当前采集到的一组电压值传递给AD转换电路转化后的数字信号再送给单片机单片机采用一定的算法对方向及驱动电机进行控制本设计的主要任务就是设计一个以单片机为核心的智能小车主要实现循迹及简单的障碍物检测功能。通过装在小车前面的红外传感器获取路面黑线位置信息输入到单片机中再由单片机输出控制信号由驱动模块驱动电机实现小车的自主循迹行驶同时当路线前方检测到有障碍物时小车能够立即停止并报警障碍物消除后小车继续沿黑线行驶。第二章系统总体方案本章围绕智能小车设计的总体思路确定车体的设计方案系统各部分组成以及主要芯片的选定。智能小车寻迹原理在智能车系统中寻迹电路采用红外光电传感器进行检测并且寻迹运动。红外发射管发射的红外线具有一定的方向性当红外线照射到白色地面时会有较大的反射如果距离取值合适红外接收管接收到反射回的红外线强度就较大如果红外线照射到黑色标志线黑色标志线会吸收大部分红外光红外接收管接收到红外线强度就很弱。寻迹时引导线是黑颜色不宜反光当红外发射管输出信号照射到黑色引导线上时输出一个非常微弱的低电平这个过程是一个负跳变过程通过对此信号高低电平的检测就可以知道小车是正在沿着引导线行驶若不是沿着引导线行驶单片机根据传感器送回的信号可以判断并驱动电机正确转向从而使小车沿着正确的轨道行驶。本系统在小车的前部朝地面方向安装了个红外对管分别为左、中和右。本系统使用传感器的型号为RPR。系统总体方案车体设计小车采用废旧的玩具车车架传感器安装在小车车体正前方传感器的安装高度要保证每个传感器能正常工作。小车采用左右两轮分别驱动后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩完全相同的直流电机进行驱动车体尾部装一个万向轮。这样当一个电机转另一个电机不转时实现转弯由此可以轻松的实现小车坐标不变的度和度的转弯。在安装时要保证两个电机同轴。当小车前进时左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构这种结构使得小车在前进时比较平稳。图车体结构小车车体实物图如图所示。图主车体实物图系统结构框图智能小车由车架、电源、光电传感器、驱动电机和主控制系统等组成如图所示。智能车的工作过程是:个光电传感器探测路径信息并将这些信息输入到单片机控制系统单片机进行分析通过控制算法对驱动系统发出控制命令驱动个步进电机使小车沿指定的黑线前进。图系统结构框图主要芯片选取主控制芯片的选取方案一:采用凌阳公司的位单片机它是位控制器具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案二:采用Atmel公司的STCC单片机作为主控制器。STCC是一个低功耗高性能CMOS位单片机片内含kBytesISP(Insystemprogrammable)的可反复擦写次的Flash只读程序存储器器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造兼容标准MCS指令系统及C引脚结构芯片内集成了通用位中央处理器和ISPFlash存储单元功能强大的微型计算机的ATS可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。对于主要控制芯片的选择我们选择STCC。STCC是一种带K字节闪烁可编程可檫除只读存储器(FPEROMFlashProgramableandErasableReadOnlyMemory)的低电压高性能COMOS的微处理器俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造与工业标准的MCS指令集和输出管脚相兼容。图STCC单片机接口引脚图STCC具体介绍如下:()主电源引脚(根)VCC(Pin):电源输入接+V电源GND(Pin):接地线()外接晶振引脚(根)XTAL(Pin):片内振荡电路的输入端XTAL(Pin):片内振荡电路的输出端()控制引脚(根)RSTVPP(Pin):复位引脚引脚上出现个机器周期的高电平将使单片机复位。ALEPROG(Pin):地址锁存允许信号PSEN(Pin):外部存储器读选通信号EAVPP(Pin):程序存储器的内外部选通接低电平从外部程序存储器读指令如果接高电平则从内部程序存储器读指令。()可编程输入输出引脚(根)STCC单片机有组位的可编程IO口分别位P、P、P、P口每个口有位(根引脚)共根。PO口(Pin~Pin):位双向IO口线名称为P~PP口(Pin~Pin):位准双向IO口线名称为P~PP口(Pin~Pin):位准双向IO口线名称为P~PP口(Pin~Pin):位准双向IO口线名称为P~PSTCC主要功能如表所示:表STCC主要功能主要功能特性兼容MCS指令系统K可反复擦写FlashROM个双向IO口xbit内部RAM个位可编程定时计数器中断时钟频率MHz个串行中断可编程UART串行通道个外部中断源共个中断源个读写中断口线级加密位低功耗空闲和掉电模式软件设置睡眠和唤醒功能单片机电源稳压芯片的选取常用的电源有串联型线性稳压电源(LM、L等)和开关型稳压电源(LM、LM等)两大类。前者具有纹波小、电路结构简单的优点但是效率较低功耗大后者功耗小效率高但电路却比较复杂电路的纹波大。对于单片机需要提供稳定的V电源由于LM的稳压的线性度非常好但是相对成本较高而L在能稳定提供单片机工作的同事经济性也相对好很多所以采用L单独对其进行供电可以有效地防止各器件之间发生干扰以及电流不足的问题使得系统能够稳定地工作。L是一颗三端稳压电源调整器可以将输入电压稳定到V输出具有如下特点:()输出电流可达mA。()输出电压V。()输出精度可达plusmn。()简单的外围电路。()静电防护ESD可达KV图L引脚图光电传感器的选取循迹基本是黑白线(也有可能是走方格)。常用的传感器主要有:ST、RPR、TCRT、红外收发管、激光传感器、摄像头等。而又属RPR和TCR最为常用在电路设计中电平的转换常用反相器或者比较器。还有一种黑线不作为引导线而是边界的情况。另外循迹传感器的布局不要仅局限于使用直线布局方式应根据实际的要求选择最佳的传感器布局。光电传感器TCRT是一种一体化反射型光电探测器其发射器是一个砷化镓红外发光二极管而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。传感器的红外发射二极管不断发射红外线当发射出的红外线没有被反射回来或被反射回来但强度不够大时光敏三极管一直处于关断状态此时模块的输出端为低电平指示二极管一直处于熄灭状态被检测物体出现在检测范围内时红外线被反射回来且强度足够大光敏三极管饱和此时模块的输出端为高电平指示二极管被点亮。其检测距离在mmmm。接收管输出端的低电平输出大致为V高电平的输出大致为V,经过比较器后输出低电平为V,高电平为V,能够被单片机所识别。TCRT的发射管和接收管采用DIP封装其结构如图所示具有如下特点:()塑料透镜可以提高灵敏度。()内置可见光过滤器能减小离散光的影响。()体积小结构紧凑图TCRT封装和引脚图电机驱动芯片的选取直流电机驱动芯片常用主要有:晶体管或者MOS管搭建的H桥、集成L、LN、MC、BTNB等。使用上一个很大的区别就是工作电流的范围不同。最常用的就当属LN(双H桥、两路直流、一路步进、双路A)了。步进电机驱动常用的有:ULNULN(达林顿管)、LLN、TAH、THB等还有市面上常见的大功率的驱动模块。有些驱动具有细分的功能能够使步进电机一个脉冲输入转动很小的角度。综上我们拟定了两个方案:方案:采用直流电机驱动芯片MC驱动电流可达A外围器件简单贴片封装体积小但因为调速时MC发热量很大使MC的FS引脚置位从而使其不工作特别是采用反向制动后置时这种情况更严重方案:采用直流电机驱动芯片LN驱动电流总和可达A它可以驱动二相和四相步进电机的专用芯片我们利用它内部的双H(如图)桥式电路来驱动直流电机这种驱动电路可以很方便实现直流电机的四项运行分别对应正转反转反转制动正转制动控制电路简单电路也简单我们选择此方案。LN是SGS公司的产品比较常见的是脚Multiwatt封装的LN内部同样包含通道逻辑驱动电路。LN芯片可以驱动两个二相电机也可以驱动一个四相电机输出电压最高可达V。LN可接受标准TTL逻辑电平信号VSSVSS可接.~V电压。脚VS接电源电压VS电压范围VIH为+.~V输出电流可达.A可驱动电感性负载。脚和脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻形成电流传感信号。LN可驱动个电动机OUTOUT和OUTOUT之间可分别接电动机。、、、脚接输入控制电平控制电机的正反转。EnAEnB接控制使能端控制电机的停转。图LN引脚图各子系统方案的选取直流调速系统方案一:串电阻调速系统。方案二:静止可控整流器。简称VM系统。方案三:脉宽调速系统。旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流由发电机给需要调速的直流调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变所以GM系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机还要一台励磁发电机设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后因此搁置不用。VM系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数半波、全波、半控、全控等类型可实现平滑调速。VM系统的缺点是晶闸管的单向导电性它不允许电流反向给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高维护运行麻烦。最后当系统处于低速运行时系统的功率因数很低并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是在这里晶闸管不受相位控制而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时电源电压加到电动机上当晶闸管关断时直流电源与电动机断开电动机经二极管续流两端电压接近于零。脉冲宽度调制(PulseWidthModulation)简称PWM。脉冲周期不变只改变晶闸管的导通时间即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。与VM系统相比PWM调速系统有下列优点:)由于PWM调速系统的开关频率较高仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流电枢电流容易连续系统的低速运行平稳调速范围较宽可达:左右。由于电流波形比VM系统好在相同的平均电流下电动机的损耗和发热都比较小。)同样由于开关频率高若与快速响应的电机相配合系统可以获得很宽的频带因此快速响应性能好动态抗扰能力强。)由于电力电子器件只工作在开关状态主电路损耗较小装置效率较高。根据以上综合比较以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器简称PWM变换器。脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器它是由个三极电力晶体管和个续流二极管组成的桥式电路。检测系统检测系统主要实现光电检测即利用各种传感器对小车的避障、位置、行车状态进行测量。)行车起始、终点及光线检测:本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点(cm宽的黑线)玩具车底盘上沿黑线放置一套以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。本系统共设计四个红外传感器分别放置在小车头的左、中、右以及右轮旁边用来控制小车的行驶方向、前方障碍物以及小车行驶的速度和距离仅当左侧红外接收管接收到红外光照射时单片机控制转向电机向右转仅当右侧红外接收管接收到红外光照射时单片机控制转向电机向左转仅当左、右两侧光电管都受到光照时单片机控制直行车方向检测电路(见图)采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通发出一个电平跳变信号此信号经过三极管放大后传入CPU来进行控制。此套红外光电传感器固定在底盘前沿贴近地面。正常行驶时发射管发射红外光照射地面光线经白纸反射后被接收管接收输出高电平信号小车经过黑线时发射端发射的光线被黑线吸收接收端接收不到反射光线传感器输出低电平信号后送STCC单片机处理判断执行。哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。前进时驱动轮直流电机正转,进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比,实现调速。前行与倒车是有程序控制。总体方案简述通过前面的分析我们的可以得到如下方案采用S单片机作为主控制器采用V冲电电池直接供电用TCR对管进行寻迹LN作为直流电机的驱动芯片万向轮玩具车体第三章硬件设计与实现单片机主控电路主控电路的核心为STCC单片机首先要搭建单片机最小系统然后确定输入端口和输出端口。控制最小系统单片机最小系统,或者称为最小应用系统,是指用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。最小系统一般应该包括:单片机、晶振电路、复位电路其中各个部分的功能如下:时钟电路:时钟电路就是振荡电路向单片机提供一个正弦波信号作为基准决定单片机的执行速度。STCC单片机时钟频率范围:mdashMHz本设计中给单片机提供一个外接的MHz的石英晶振。电源电路:向单片机供电。STCC单片机的工作电压范围:VmdashV所以通常给单片机外接V直流电源。连接方式为VCC(脚)接电源VVSS(脚)接电源地端。图单片机最小系统复位电路:确定单片机工作的起始状态完成单片机的启动过程在电压达到正常值时给单片机一个复位信号。单片机接通电源时产生复位信号完成单片机启动确定单片机起始工作状态。手动按键产生复位信号完成单片机启动确定单片机的初始状态。通常在单片机工作出现混乱或ldquo死机rdquo时使用手动复位可实现单片机ldquo重启rdquo。在电路图中电容的的大小是uF电阻的大小是k。所以根据公式可以算出电容充电到电源电压的倍(单片机的电源是V所以充电到倍即为V)需要的时间是K*UF=S。也就是说在电脑启动的S内电容两端的电压时在~V增加。这个时候K电阻两端的电压为从~V减少(串联电路各处电压之和为总电压)。所以在S内RST引脚所接收到的电压是V~V。在V正常工作的单片机中小于V的电压信号为低电平信号而大于V的电压信号为高电平信号。所以在开机S内单片机系统自动复位(RST引脚接收到的高电平信号时间为S左右)。在单片机启动S后电容C两端的电压持续充电为V这是时候K电阻两端的电压接近于VRST处于低电平所以系统正常工作。当按键按下的时候开关导通这个时候电容两端形成了一个回路电容被短路所以在按键按下的这个过程中电容开始释放之前充的电量。随着时间的推移电容的电压在S内从V释放到变为了V甚至更小。根据串联电路电压为各处之和这个时候K电阻两端的电压为V甚至更大所以RST引脚又接收到高电平。输入输出端口确定为了方便程序设计将P端口作为输入端口P作为输出端口。单片机由PP口接收循迹模块发出的路面检测信号通过PP口控制驱动两个直流电机。当前方出现障碍物时通过P口控制蜂鸣器发出报警信号。如表所示:电源电路电路的各部分电压要求不同单片机的工作电压是V循迹模块的工作电压是V电机驱动模块的工作电压是V。为了保证整个电路能够稳定运行给单片机和循迹模块提供V的输入电压给电机驱动模块提供的输入电压。本设计中的电源模块选用了L这样一个电源调整器件,L具有输出电压精度高外围电路简单价格便宜的特点。将V干电池组的的电压输入到L的输入端输出端可以得到V电压输出输入输出端各并一个电容可以起到滤波的作用。V干电池一方面直接给驱动电路供压通过L得到的V电压给单片机等其他部分供压,这样系统电路各部分都能得到比较稳定的电压。表单片机各接口接法P接CLP触碰开关输出P接SS传感器输出P接SS传感器输出P接SS传感器输出P接SS传感器输出P接SS传感器输出P接NEAR红外蔽障传感器输出P接控制信号输入端P接控制信号输入端P接控制信号输入端P接控制信号输入端图电源模块电路图路面检测电路设计路面检测电路常见的路面黑线检测电路共有种方案分别是图的(a)、(b)、(c)所示。图黑线检测电路图(a)中:TCRT光电传感器应用时理想的工作状态是输出部分处于饱和导通查阅参数得到:UCES为~V此时IF=mAIC=mA二极管的导通电压大约为V可以计算得到:()测试数据如表:表光电管对黑白线的输出电压实测离反射面的距离(mm)黑线输出电压(V)白线输出电压(V)从表可以看出黑白相差的电压值最大时离反射面的最佳距离为mm距离的调节范围也比较大。然后将电路图(a)的输出直接与单片机的P口相连此时出现单片机接收码出错分析得出:原因是单片机的P口内部有自己的上拉电阻所以出现低电平采不回去为了克服此现象改用图(b)中去掉电路原有的上拉电阻直接与单片机相连但是出现距离局限的问题即实验数据表明:只有距离为mm时效果很好但距离稍有波动单片机就不能正常工作因此最后选用电路图(c)在图(a)的基础上输出端加一个非门再接到单片机。经过测试得到:此电路应用时光电管距反射面的距离调节范围比较大能够满足系统的要求。路面检测模块的主要功能是通过光电传感器检测路面黑线及前方障碍物情况并将检测到的情况以高低电平的形式输出给单片机P口。小车在白色地面行驶时红外发射管发出的红外信号被反射接收管收到信号后输出端为低电平。而当红外信号遇到黑色路面时红外信号被吸收接收管不能接收到信号输出端为高电平。单片机通过采集每个红外接收管的输出端电压便可以检测出路面黑线的位置从而控制小车的转向使小车一直沿黑线行驶。设计中采用了BDF传感器模块BFD是以光电传感器TCRT为基础专门设计用作黑白线检测的传感器模块它有路高灵敏度的TCRT红外传感器(路循迹、路蔽障)能够对黑白线准确的识别。图TCRT光电传感器电路图测速电路在小车运行过程中为了使运行更稳定我们采取了闭环控制方法通过实测小车的速度再由PID算法调整最佳运行速度这样可使小车在转弯和直线行驶实现完美控速。其中测速部分由光电对管与固定在后轮码盘结成由于考虑到成本需要我们采用了红外对管和黑白码盘作为测速模块。其中码盘为格的黑白相间圆盘如图所示:图码盘示意图红外传感器安装在正对码盘的前方虽然这样做精度比编码器要低很多但是成本低廉制作容易如果智能车速度较快可以考虑再减少码盘上黑白色条的数量即可。当圆盘随着齿轮转动时光电管接收到的反射光强弱交替变化由此可以得到一系列高低电脉冲。设置STCC的ECT模块同时捕捉光电管输出的电脉冲的上升沿和下降沿。通过累计一定时间内的脉冲数或者记录相邻脉冲的间隔时间可以得到和速度等价的参数值。测速电路使用自行研制的红外反射式光电测速传感器。速度测量电路使用红外反射式光电对管RPR自行制作的编码盘比较电路等组成。速度测量电路图所示。红外反射式光电对管的光敏三极管信号通过比较器处理后输入单片机的计数器模块利用单片机的输入捕捉功能处理智能车速度信息。自制的编码盘有道黑色条纹电机旋转一周将产生次输入捕捉中断。图测速电路单片机记录两次中断的时间间隔T。两次中断对应于智能车前进的距离S为:cm,即cm其中cm为智能车后轮实测周长。智能车实时速度V(cms)的计算公式如下:()系统运动部分设计系统运动部分主要由驱动模块分别驱动两个完全相同的直流电机通过齿轮带动两个前轮分别转动在车体尾部的万向轮支撑下实现小车的前进、转弯和停止。电机选型电机选型的原则和步骤A)选用电动机的原则为了适应各种不同用途工厂生产了不同种类、形式及容量的电动机。在选用电动机时要充分考虑它们的特性在仔细研究了被拖动机械的特性后选择适合负载特性的电动机。选择电动机的原则是:()根据负载的启动特性及运行特性选出最适合于这些特性的电动机满足生产机械工作过程中的各种要求。()选择具有与使用场所的环境相适应的防护方式及冷却方式的电动机在结构上应能适合电动机所处的环境条件。()计算和确定合适的电动机容量。通常设计制造的电动机在额定负载时效率最高。因此应使设备需求的容量与被选电动机的容量差值最小使电动机的功率被充分利用。()选择可靠性高、便于维护的电动机。()考虑到互换性尽量选择标准电动机。()为使整个系统高效率运行要综合考虑电机的极数及电压等级。B)选用电动机的主要步骤()根据生产机械性的要求选择电动机种类。()根据电源情况选择电动机额定电压。()根据生产机械所要求的转数及传动设备的情况选择电动机的转数。()根据电动机和生产机械安装的位置和场所环境选择电动机的结构和防护形式。()根据生产机械所需要的功率和电动机的运行方式选择电动机的额定功率。直流电机和步进电机的比较、步进电机。步进电机可将电脉冲信号转变为角位移电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数而不受负载变化的影响因此不但控制精度高而且简单可靠。如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值就能够立即使步进电机启动或停止。步进电机作为控制用的特种电机是将电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为ldquo步距角rdquo)它的旋转是以固定的步进角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量从而达到准确定位的目的同时可以通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度从而达到调速的目的改变绕组的通电顺序电机就会反转。步距角转速(z:转子齿数N:拍数f:脉冲频率)、舵机。舵机的转动位置是内部反馈的位置和频率呈线性关系因此给一个固定频率的PWM波舵机就会转到一个特定的位置无需驱动电路绝对式的系统无论来回多少次都不会有误差累积。但是其价格较贵此外舵机的转动需要时间较长速度较慢。不能满足题目的转动速度要求。、采用普通直流电机。可实现直流电能和机械能互相转换具有优良的调速特性调整范围广过载能力强能承受较大重物。由于本系统是控制平板转动以及转动的角度如果采用普通直流电机电机动作的精度需要很好的伺服电路和程序的配合控制增加了系统的复杂度。根据电机选择原则和设计需要出发在本设计中对电机要求不高不需要调速不需要很大力矩只要求能够正转、反转、停机就可以所以选了用普通的玩具车马达即普通直流电机。驱动电路直流电机驱动电路一个电动小车整体的运行性能首先取决于它的电池系统和电机驱动系统。电动小车的驱动系统一般由控制器、功率变换器及电动机三个主要部分组成。电动小车的驱动不但要求电机驱动系统具有高转矩重量比、宽调速范围、高可靠性而且电机的转矩转速特性受电源功率的影响这就要求驱动具有尽可能宽的高效率区。我们所使用的电机一般为直流电机主要用到永磁直流电机、伺服电机及步进电机三种。直流电机的控制很简单性能出众直流电源也容易实现。本设计主要采用这种直流电机的驱动及控制。单片机端口的负载只能驱动若干组TTL电路所以必须使用驱动电路来控制、带动小车电机。本设计中采用了LN双H桥电机驱动模块以LN作为驱动核心。一个LN芯片可以同时控制两个直流电机正好能满足小车的前进、转向和停止需求。图LN驱动模块接线图LN内含两个H桥驱动电路如图所示H桥式电机驱动电路包括个三极管和一个电机。要使电机运转必须导通对角线上的一对三极管。根据不同三极管对的导通情况电流可能会从左至右或从右至左流过电机从而控制电机的转向。图H桥式驱动电路要使电机运转必须使对角线上的一对三极管导通。例如如图所示当Q管和Q管导通时电流就从电源正极经Q从左至右穿过电机然后再经Q回到电源负极。按图中电流箭头所示该流向的电流将驱动电机顺时针转动。当三极管Q和Q导通时电流将从左至右流过电机从而驱动电机按特定方向转动(电机周围的箭头指示为顺时针方向)。图驱动电机顺时针转动图所示为另一对三极管Q和Q导通的情况电流将从右至左流过电机。当三极管Q和Q导通时电流将从右至左流过电机从而驱动电机沿另一方向转动。图驱动电机逆时针转动表LN逻辑功能EnAInIn运转状态timestimes停止正转反转刹停停止由表可知当EnA为高电平且输入电平一高一低则OUT与OUT端接的直流电机正或反转同为低电平电机停止同为高电平电机刹停。从图和图可以看出其形状类似于字母ldquoHrdquo而作为负载的直流电机是像ldquo桥rdquo一样架在上面的所以称之为ldquoH桥驱动rdquo。个三极管像四个开关一样所在位置就称为ldquo桥臂rdquo。从电路中不难看出假设开关Q、Q接通电机为正向转动则开关Q、Q接通时直流电机将反向转动。从而实现了电机的正反向驱动。借助这个开关还可以产生电机的另外个工作状态:)刹车mdashmdash将Q、Q开关(或A、C)接通则电机惯性转动产生的电势将被短路形成阻碍运动的反电势形成ldquo刹车rdquo作用。)惰行mdashmdash个三极管全部断开则电机惯性所产生的电势将无法形成电路从而也就不会产生阻碍运动的反电势电机将惯性转动较长时间。以上只是从原理上描述了H桥驱动而实际应用中很少用开关构成桥臂通常使用晶体管因为控制更为方便速度寿命都长于有接点的开关(继电器)。PWM控制PWM(脉冲宽度调制)控制通常配合桥式驱动电路实现直流电机调速非常简单且调速范围大它的原理就是直流斩波原理。如图所示若S、S关断S、S受PWM控制假设高电平导通忽略开关管损耗则在一个周期内的导通时间为t周期为T波形如图则电机两端的平均电压为:U=VcctT=alphaVcc其中alpha=tT称为占空比Vcc为电源电压(电源电压减去两个开关管的饱和压降)。电机的转速与电机两端的电压成比例而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比因此电机的速度与占空比成比例占空比越大电机转得越快当占空比alpha=时电机转速最大。PWM控制波形的实现可以通过模拟电路或数字电路实现例如用搭成的触发电路但是这种电路的占空比不能自动调节不能用于自动控制小车的调速。而目前使用的大多数单片机都可以直接输出这种PWM波形或通过时序模拟输出最适合小车的调速。我们使用的是凌阳公司的SPCE单片机它是位单片机频率最高达到MHz可提供路PWM直接输出频率可调占空比级可调控制电机的调速范围大使用方便。STCC单片机有个IO口内部设有个独立的计数器完全可以模拟任意频率、占空比随意调节的PWM信号输出用以控制电机调速。在实际制作过程中我认为控制信号的频率不需要太高一般在Hz以下为宜占空比级调节也完全可以满足调速要求并且在小车行进的过程中占空比不应该太高在直线前进和转弯的时候应该区别对待。若车速太快则在转弯的时候方向不易控制而车速太慢则很浪费时间。外围电路设计系统运动部分主要由驱动模块分别驱动两个完全相同的直流电机通过齿轮带动两个前轮分别转动在车体尾部的万向轮支撑下实现小车的前进、转弯和停止。蜂鸣器电路当检测电路上的蔽障传感器检测到线路上有障碍物时会从P口发出一个低电平信号蜂鸣器电路导通蜂鸣器发出报警信号当障碍物移除后小车会继续沿黑线行驶报警信号消除。图蜂鸣器电路图电路中基极电阻是起着保护三极管的作用因此其取值是个经验值或估值因而取值范围相对要宽些假设负载短路则相当于电源加在了电阻上如果Vcc=VR=K则基极电流也就=mA三极管是可以接受的另外单片机PIO口的灌电流一般都在~mA尚不至于波及单片机可见R取值取大了保护作用增加但是相应的发射极电位就会被抬高亦即负载获得电压就会降低取小了保护作用降低但是相应的发射极电位就会被拉低亦即负载获得电压就会增加第四章软件设计程序设计的思路和结构程序设计总体思路从前面的分析可知桥式驱动电路中由于开关管有开通和关断时间因此存在上下桥臂直通短路的问题。直通短路的存在容易使开关管发热严重时烧毁开关管同时也增加了开关管的能量损耗浪费了小车宝贵的能量。由于现在的许多集成驱动芯片内部已经内置了死区保护(如LMD)这里主要介绍的是利用开关管等分立元件以及没有死区保护的集成芯片制作驱动电路时增加死区的方法。死区时间的问题只有在正转变为反转的时候才存在而在正转启动或反转启动的时候并没有因此不需要修正。如果开关管的开通和关断时间非常小或者在硬件电路中增加延时环节都可以降低开关管的损耗和发热。当然通过软件避免直通短路是最好的办法它的操作简单控制灵活。通过软件实现死区时间就是在突然换向的时候插入一个延时的环节待开关管关断之后再开通应该开通的开关管。图为利用软件修正死区时间的流程图在开关管每次换向的时候不立即进行方向的切换而是先使开关管关断一段时间使其完全关断后再换向打开另外的开关管。这个关断时间由单片机软件延时实现。在进行微机控制系统设计时除了系统硬件设计外大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统软件更为重要。在单片机控制系统中大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括:数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算然后再输出以便控制生产。为了完成上述任务在进行软件设计时通常把整个过程分成若干个部分每一部分叫做一个模块。所谓ldquo模块rdquo实质上就是所完成一定功能相对独立的程序段这种程序设计方法叫模块程序设计法。模块程序设计法的主要优点是:()单个模块比起一个完整的程序易编写及调试()模块可以共存一个模块可以被多个任务在不同条件下调用()模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序为设计者提供方便。本系统软件采用模块化结构由主程序﹑前进子程序、左转子程序﹑右转子程序、后退子程序、蜂鸣器子程序构成。程序流程图图程序流程图主程序的内容包括初始化程序读取传感器信息以及根据相应的电机控制程序等。其中传感器信号可能逻辑状态如表所示根据这些状态结合实际轨迹情况对电机进行相应控制不同的轨迹在相同状态下电机的控制也会不同。例如小车偏左状态如图所示当小车处于这种状态时小车向左转弯才能让黑线

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