小车课程设计报告.doc

项目五 小车设计指导老师：戴俨炯 将雄队员及年级：丁 益（09级） 何天晓（09级） 李维哲（09级）院系：长沙航空职业技术学院电子电气工程系摘 要 本文设计的小车，是以C8051F120单片机核心板为控制芯片的简易智能小车，利用各种传感器采集数据，采用L298N芯片作为直流电机驱动。可以通过往返跑道和智能跑道。小车在行驶过程中不仅能显示运行状态和行驶速度、测量黑线之间的距离、自动报警功能，而且还能寻迹行驶、探测铁片、躲避障碍物、寻找光源等功能。采用PWM脉宽调制电机控制小车的行驶速度。整个系统在设计中注意低功耗处理和力求高性价比等细节，电路结构简单，可靠性能高，无论在结构和技术上都具有较好的科学性。关键词 C8051F120 PWM调速 避障 L298N目 录1 系统方案- 2 -1.1 电机驱动论证与选择- 2 -1.2显示模块- 2 -1.3传感器的选择- 3 -1.4 控制系统论证与选择- 3 -2系统理论分析与计算- 3 -2.1各个电路的分析- 3 -2.1.1霍尔传感器测速的分析- 3 -2.1.2光源探测器的分析- 4 -2.2电路的计算- 4 -2.2.1霍尔传感器测速的计算- 4 -3电路与程序设计- 4 -3.1电路的设计- 4 -3.1.1系统总体框图- 4 -3.1.2电机驱动子系统框图与电路原理图- 5 -3.1.3显示模块子系统框图与电路原理图- 6 -3.1.4电源- 7 -3.1.5 探测模块电路- 7 -3.2程序的设计- 9 -3.2.1程序功能描述与设计思路- 9 -3.2.2程序流程图- 9 -3.2.3 LN298子程序- 11 -3.2.4传感器子程序- 12 -4测试方案与测试结果- 13 -4.1测试方案- 13 -4.2测试条件与仪器- 13 -4.3测试结果及分析- 13 -4.3.1小车结果的基本调试- 14 -4.3.2自动往返赛道调试与分析- 14 -4.3.3 简易智能赛道调试- 14 -4.3.4测试分析与结论- 15 -总结- 15 -致谢- 16 -附录1 原理图- 17 -附录2 源程序- 18 -1 系统方案本系统主要由系统控制模块、传感模块、显示模块、电机驱动模块和电源模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。其各个模块分部如下图所示。电机驱动前后图1.1 车身模块分部图1.1 电机驱动论证与选择方案一：采用分立元件（三极管或MOS管）接成H桥电路来实现电机驱动。这样虽然价格低。但稳定性不高、体积大，安装起来也比较麻烦。方案二： L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。可以采用PWM脉宽平滑调试。 综合以上两种选择，选择方案二。1.2显示模块方案一：用LED显示，优点亮度高、成本低。但不能显示汉字，显示内容较少。方案二：用LCD1602显示，小巧、成本较低。能显示汉字，但显示内容较少。观看不方便。方案三：用LCD12864显示，成本较高，但显示量大。人站着也能很容易观察到放在行驶的小车上的液晶显示内容。综合以上三种方案，选择方案三。1.3传感器的选择（1）寻迹和黑线探测用小车底座自带的寻迹电路，根据实际情况小车的底座离地面的距离更近，更利于有效地检测地面信息。（2）寻找光源采用指向性光敏电阻作为光源定位器。（3）壁障用红外电路对障碍物进行探测。（4）铁片的检测利用金属传感器对铁片检测。 （5）采用自制霍尔传感器来测量行驶速度1.4 控制系统论证与选择方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51单片机价格便宜，应用广泛，但是功能单一，引脚过少。如果系统需要增加语音播报功能，还需外接语音芯片，实现较为复杂；另外51 单片机需要仿真器来实现软硬件调试，较为烦琐。方案二：采用Silicon Lab公司的C8051F120。C8051F120是完全集成的混合信号片上系统型MCU。具有64个数字I/O引脚，高速性能流水结构的8051兼容的CIP-51内核；12位、100ksps的ADC、而我们使用的是C8051F120核心板。由于这次设计中需要单片机的引脚比较多，AT89S51单片机的引脚过少，几乎不能完成此次设计要求。C8051F120有84个可以外接引脚，功能强大。控制起来比较方便。综合考虑我们决定选择C8051F120核心板2系统理论分析与计算2.1各个电路的分析2.1.1霍尔传感器测速的分析我们在小车的前轮上挨着车身这边放上一块磁铁并用热熔胶粘做。用霍尔传感器焊在靠近磁铁的这边。当小车在行驶时。没转一圈就能给霍尔传感器一个信号。以用来计算单位时间内小车行驶速度。2.1.2光源探测器的分析我们在小车的前面安装了三个指向性较好的光敏电阻。根据左、中、右的光敏电阻探测值来判断光源的方向，进行相应地电机驱动。2.2电路的计算2.2.1霍尔传感器测速的计算小车的轮子转一圈大概是12cm，转的圈数位n行驶总距离为 L=0.12N平均速度为Ls=(0.12NP)/S3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图总体系统方框图如图3.1所示：信号放大LCD12864 显示单片机控制超声波传感器寻迹电路电机运行速度与方向图3.1 自动往返部分方框图寻迹电路金属探头LCD12864显示电机的运行速度与方向超声波传感器光源定位器信号放大单片机控制 图3.2 简易智能部分方框图3.1.2电机驱动子系统框图与电路原理图1、电机驱动子系统框图C8051F120系统LN298前右轮后前轮前左轮后右轮图3.3电机子系统框图2、电机驱动子系统电路我们采用的是厂家已经模块化生产的LN298的电路。 图3.4 LN298电机驱动电路3.1.3显示模块子系统框图与电路原理图1、显示模块子系统框图C8051F120系统LCD12864液晶行驶距离行驶速度是否感应障碍物障碍物距离铁片数量图3.5显示模块系统框图2、显示模块子系统电路本电路接法可以通过P47调节背光模式。图3.6 LCD12864显示电路3.1.4电源考虑到实际问题，我们在电路中接了两个电源输入端，分别可为12V和15V20V对整个系统供电。最后输出为5V，对整个系统供电。图3.7 电源电路3.1.5 探测模块电路该小车电路有很多信息是需要用各种探测器来实现：寻迹探测器是用小车底座自带的，测距是用超声波探测器来实现，铁片的探测用的是金属探测器，接电源后在由单片机对其采集的数据进行分析，分析后进行相应的输出控制。如图2.3 直接使用的探测器图3.8 三种直接可用的探测器自己组装的探测器 如图2.4 光源探测使用光敏电阻，用些黑胶布裹做光敏电阻周围以提高指向性。还经过LM339把信号放大后传给单片机。并加上发光二极管来起提示做用。我们使用三个探测器更好地探测光源的方向。障碍物探测使用红外探测器。红外探测信号经过LM339把信号放大后传给单片机。用四个红外探测器，以更精确的定位障碍物的位置。速度探测使用霍尔传感器。在车轮上粘上磁铁，把霍尔传感器放靠近车轮的地方。每转一圈进行计数加1，来累计算小车的行驶速度。图3.9 组装的探测器如图1.1和图1.2所示，整体电路由C8051F120单片机、LCD12864液晶、电机驱动模块、各种探测模块和电源部分等电路组成，而报警电路使用蜂鸣器。3.2程序的设计软件实现的功能如下：探测障碍物、光源的位置和距离；给步进电机步进脉冲；寻迹；蜂鸣报警；显示铁片数量、时间、路程；汇总。3.2.1程序功能描述与设计思路1程序功能描述1）键盘实现功能题目要求小车要在两条跑道上行驶。所以我们用了两个独立按键。分别用来切换小车的行驶模式。2）显示部分显示车速、铁片数量、和行驶完路段的时间等。2程序思路本系统采用PWM脉宽调制控制电机。小车的行驶方向、速度按照各种传感器的探测得到的数据进行分析后进行处理。3.2.2程序流程图开始系统初始化减速行驶驱动电机并显示相关信息判断是否扫描四跟黑线判断是否扫描到终点线判断是否扫描三跟黑线全速行驶等待10S结束倒向行驶判断是否扫描到起跑线YESNOYESNONONOYESYES图3.10自动往返程序流程图系统初始化开始驱动电机并显示相关信息如碰到铁片报警并继续行驶判断是否行驶23.M减速行驶是否到达C点停留5S扫描障碍物并躲避障碍物寻找光源 并向光源驶去找到光源 停止结束YESYESNONO图3.11 简易智能程序流程图3.2.3 LN298子程序使用直流/步进两用驱动器。分别为M1和M2。引脚A，B可用于输入PWM脉宽调制信号对电机进行调速控制。（如果无须调速可将两引脚接5V，使电机工作在最高速状态，既将短接帽短接）实现电机正反转就更容易了，输入信号端IN1接高电平输入端IN2接低电平，电机M1正转。（如果信号端IN1接低电平， IN2接高电平，电机M1反转。）控制另一台电机是同样的方式，输入信号端IN3接高电平，输入端IN4接低电平，电机M2正转。（反之则反转），PWM信号端A控制M1调速，PWM信号端B控制M2调速。其控制方式参考了表：表3.1 L298N电机驱动控制 电机旋转方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4输入PWM信号改变脉宽可调速调速端A调速端BM1正转高低/高/反转低高/高/停止低低/高/M2正转/高低/高反转/低高/高停止低低/高3.2.4传感器子程序霍尔传感器每靠近一次轮胎上的磁铁，就会产生一个信号，通过LM339把信号放大后。单片机会进行一次计数。超声波（正前方）与红外（左右）结合避障。并用超声波发射信号与接收信号来定位障碍物和测量障碍物距离。红外接收则使探测范围更广，判断更准确。其初步流程如图3.3所示左有感应进行左右调整红外中间有感应障碍物右有感应左轮有慢慢转动右轮有慢慢转动超声波检测距离很近停止驱动图3.3 避障程序流程图寻光源程序：在三个光敏电阻周围在加了胶布后（留个洞）已经具有了指向性。如果只有右边的检测光源，则只驱动左边的电机；左边则相反。最终要能调整成三个光敏都能感应到光源。四个电机一起驱动，直到探测车身离光源只有10CM停止驱动。4测试方案与测试结果4.1测试方案1、硬件测试硬件采用部分调试法，每焊起一个模块的元件，就进行测试。这样可以降低调试的难度、并且可以节约时间、可以更急时的对电路进行调整。2、软件仿真调测试用Proteus接成各个模块的电路，先测试各个子程序的。并在测试中进行相应的调试，到后面总体调试。3、硬件软件联调主要可以用来调试小车倒车的时间长短、行驶的速度、寻迹的灵敏度和光敏二级管寻找光源的方向。4.2测试条件与仪器测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路与系统原理图完全相同，并且进行初步检查：电路无虚焊、短路等不正常情况。测试仪器：模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。跑道光源等。4.3测试结果及分析4.3.1小车结果的基本调试首先要要让小车正常通电； 系统能对电机进行PWM控制，能寻迹行驶。小车状态通电是否正常电机运行状态能否感应黑线调整全速时正常限速不能适度的灵敏度限速时正常全速能适度的灵敏度分析：测试过程中可能由于黑线过细，小车在快速行驶过程中没能感应到黑线。调节灵敏度后能百分之九十五的感应到细黑线，属于正常范围 。4.3.2自动往返赛道调试与分析 测试次数寻迹功能是否正常限速区去行驶速度能否往返调整12能（但过于灵敏）0.45 m /S不能调整寻迹指示灯灵敏度36能0.5 m /S不能调整限速区的行驶速度79能0.28 m /S不能调整小车的倒车程序1014能0.25m/S能不断地调整往返程序分析：前面由于寻迹电路过于灵敏、一条黑线能感应到两至三次。调节延迟时间后只感应一次了。第二轮测试时：又发现再限速去减速过小，没能达到题目要求。通过PWM再次调试。第三轮测试中已经很接近题目要求但小车没越过第四跟线就已经开始加速。而且不能自动往返。经过一系列的程序调整后；在第四轮的测试中小车已经能根据题目要求行驶在自动往返的赛道上。后面我们在这基础上让小车尽最快的速度跑完赛道，小车往返时间控制在了42s50s。4.3.3 简易智能赛道调试测试次数能否探测铁片能否躲避障能否寻找光源调整15前两次能 后面不能了不能不能调整金属探头67能有时能能（经常乱跑）调整程序跟红外探头816能能能（有时乱跑）调整光敏电阻/程序1720能能光源够强就能把程序/光敏电阻灵敏度跳到最佳2134能能有一次不能 继续调整程序4.3.4测试分析与结论寻迹模块在跑第一个赛道已经没了问题，可以不用调试。而在前面几次调试中，行驶了几次后发生了金属探头接触不良的情况。在第二轮测试中，在躲避障碍物时经常性德乱跑，经过我们分析，可能是小车行驶的速度过快，也有可能程序写的系统对感应信号过于灵敏。导致系统不能正常的对驱动进行控制。调整小车速度后有所转好。后面我们又对程序进行了调整， 后几次避障能正常运行。第三轮测试时候，由于光源只是个100W的白炽灯,所以有时候感应不是特别远。再增强了光敏电阻的指向性后又进行了程序调整。在第四轮测试中寻找光源已经基本正常。第五轮测试小车的稳定性。综上数束，本设计到达设计要求。总结在本次设计的过程中，我们遇到了各种困难和许多没有预想到的情况，但我们通过团队协作和努力，最终克服了困难、解决问题。由于我们的水平有限和时间紧张等因素，我们在电路的设计上海存在许多值得改进的地方。经过此次产品的设计与制作，我们也深刻的体会到：实践是；理论运用最好的检察官，懂得了共同协作和团队的重要性，提高了我们电路分析、解决好各种电路问题的能力。同时也认识到很多不足