智能电动车设计报告.doc

HEFEIHEFEI UNIVERSITYUNIVERSITY 智能电动车的设计报告 报 告 名 称 智能电动车的设计 组 员 名 称 陈俊勇 储小姗 王接文 完 成 时 间 2011-4-24 1 目录目录 1 引言引言.3 2 方案设计方案设计.3 2.1 设计思路设计思路.3 2.2 方案比较与选择方案比较与选择.4 2.3 硬件模块设计硬件模块设计.4 2.3.1控制模块4 2.3.2寻迹模块5 2.3.3寻光模块5 2.3.4避障模块6 2.3.5电机驱动模块6 2.3.6金属探测模块6 2.3.7电源模块7 2.3.8液晶显示模块7 2.3.9声光指示模块8 2.4 系统软件设计系统软件设计.8 3 设计实现设计实现.8 4 系统测试系统测试8 4.1 测试条件与测试仪器设备.9 4.2 测试方法和测试结果.9 5 结论结论10 2 智能电动车的设计智能电动车的设计 摘摘 要要 本作品以STC89C52RC单片机为主控芯片，主要包括电机驱动模块、金属探 测模块、寻迹寻光蔽障模块、声光指示模块、LCD12864显示模块以及电源模块 等几部分。由步进驱动板驱动步进电机，单片机控制两个步进电机的正反转， 实现了小车不同方向的运动。路面检测采用红外对管构成的红外传感器来检测 黑线，寻找光源完成寻迹寻光蔽障功能；接近式开关来探测铝钱币，探测到时 发出声光指示信息。各探头的信号经单片机综合分析处理，同时在LCD12864上 显示铝钱币个数、时间与行程等信息。 关键词关键词： 单片机 步进驱动 寻迹蔽障 LCD 显示 3 1 1 引言引言 当今世界，传感器技术和自动控制技术正在飞速发展，机电一体化的趋势 日趋明显。汽车也开始向电子化、多媒体化和智能化方向发展，使其不仅作为 一种代步工具，同时具有交通、娱乐、办公和通讯多种功能。为了适应机电一 体化的发展在汽车智能化方向发展的要求，我们独立设计并制作了具有简易智 能化的小车。本次设计的电动智能车需满足以下基本要求： （1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线） ，沿引导线到达 B 点。 在“直道区”铺设的引导线上放上铝钱币。电动车检测到铝钱币时需立即发出 声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的铝钱币数目。 （2）电动车到达 B 点以后进入“弯道区” ，沿圆弧引导线到达 C 点。C 点 放置一枚铝钱币，要求电动车到达 C 点检测到铝钱币后在 C 点处停车 5 秒，停 车期间发出断续的声光信息。 （3）电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。电动车 必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。 （4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于 90 秒， 行驶时间达到 90 秒时必须立即自动停车。 系统结构框图如下： 步进电机 寻迹 寻光 显示模块 金属探测 声光指示 STC 89C 52R C 制 制 制 制 图表 1 系统结构框图 2 方案设计方案设计 2.1 设计思路设计思路 整个电路系统分为检测、控制、驱动三个模块。首先利用传感器对路面 信号进行检测，经过比较器处理之后，送给软件控制模块进行实时控制，输出 相应的信号给驱动芯片驱动电机转动，从而控制整个小车的运动。因此，本次 设计的重点在于主控芯片、电机驱动模块的选择和传感检测模块的设计。 4 2.2 方案比较与选择方案比较与选择 通过以上分析我们拟定如下方案： 方案一：以凌阳公司的 16 位单片机 SPCE061A 作为主控制器，采用普通发光二 极管及光敏电阻组成的发射接收模块作为探测器，再由凌阳 SPCE061A 单片机驱 动直流电机，从而控制整个小车的运动。 原理框图如下： 方案一原理框图 方案二：采用 STC 89C52RC 单片机作为主控制器，以高性能的红外对管构成一 组外探头对路面信息进行检测，经主控制器处理后发出信号驱动步进电机，来 控制小车运动。 原理框图如下： 凌阳 SPCE061A 单片机 发光二极管+光敏电阻 寻迹、寻光 直流电机 金属探测 显示模块 声光指示 避障模块 STC89C52RC 单片机 红外对管寻迹、 寻光 步进电机驱动 板 接近开关金属探测 LCD12864 显示模 块 蜂鸣器+发光二极管 声光指示 红外对管避障模 块 步进电机 5 方案二原理框图 方案一通过对各部分电路的设计组合能满足预置要求。但方案二中 STC89C52RC 能降低系统软件设计的难度，精确度和运算速度也都完全符合我们 系统的要求，且价格低廉；另外，步进电机将电脉冲转换成特定的旋转运动， 每个脉冲所产生的运动是精确的，并可重复，只需要按照一定的规律给步进电 机一个脉冲信号，电机就转动一个特定角度，这省却了处理测速传感器的环节。 虽然直流电机的转动角度通过反电动势也可以粗略测量，但精度远没有步进电 机高，尤其是针对小功率直流电机，必须加电机转速测量传感器，才可以很好 处理好电机驱动信号和电机转速的关系，所以使用步进电机控制更加简单。且 考虑到性价比，所以我们选择方案二。 2.32.3 各模块方案选择与论证各模块方案选择与论证 2.3.12.3.1 控制模块控制模块 方案一：采用凌阳公司的 16 位单片机 SPCE061A，它是 16 位控制器，具有 体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单的特点，而且具有语音处 理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组成员对这个方案采用的微处理器并 不熟悉，这增加了硬件电路的设计和软件编程的难度。我们决定不再使用此方 案，考虑其他方案。 方案二：采用 STC 89C52RC 单片机作为主控制器。STC 89C52RC 是一个超低 功耗，和标准 51 系列单片机相比较具有运算速度快、抗干扰能力强、支持 ISP 在线编程、片内含 8k 空间的可反复擦写 1000 次的 Flash 只读存储器的控制器。 并且具有 256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个 I/O 口，2 个 16 位 可编程定时计数器。其指令系统和传统的 8051 系列单片机指令系统兼容，降低 了系统软件设计的难度，使电路设计简单，在后来的实验中我们发现，STC 89C52RC 的精确度和运算速度也都完全符合我们系统的要求。综上，我们选择 方案二的 STC 89C52RC 单片机作为系统的控制核心。 2.3.22.3.2 寻迹模块寻迹模块 方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案。该方案在实 际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光 的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况都有直接关系。虽然可采 取超高亮度发光二极管降低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。 方案二：采用高性能红外对管，虽然易受环境的影响，但是由于其结构简 单，识别的可靠程度高，体积小巧，易于安装，完全能用多个该传感器构成高 精度的控制辐射网络提高识别的可靠性、准确性，考虑到实际应用环境，因此 我们采用方案二。 6 图3 寻迹模块原理图 2.3.32.3.3 寻光模块寻光模块 方案一：采用光敏电阻。由于光敏电阻在不同光强下阻值不同。采用多电 压比较方式，是小车寻找光线最强势的角度，从而达到迎着光线行驶的目的。 方案二：使用红外接收管。红外接收管即红外线接收管，且这更容易实现 单片机控制，与寻迹模块相似的原理及考虑， 我们选择方案二。 2.3.2.3.4 4 避障模块避障模块 方案一：超声波测距原理是，单片机发出超声波测距是通过不断检测超声波 发射后遇到障碍物所反的回波，从而测出发射和接收回波的时间差T，然后求 出距离SCT2，式中的C为超声波波速。采用超声波传感器，如果传感器接 受到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，否则通知单片机可以向前行 驶。 方案二：继续采用红外对管。考虑到前面寻光、寻迹模块均使用红外对管， 对其使用与检测方法已经相当熟悉，并且其反映灵敏，外围电路也很简单。综 上我们采用方案二。 7 2.3.2.3.5 5 电机驱动模块电机驱动模块 方案一：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻， 装配简单，使用方便，小车电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速 功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操 作。 方案二：采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精 确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。综合以上考虑我们选择方 案二的步进电机作为智能小车的驱动电机。 2.3.62.3.6 金属探测模块金属探测模块 方案一：采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对 金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需要在车 轮上安装磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速 的测量。 方案一：采用电感接近式开关。 （原理图见附件）该传感器由 LC 高频振荡器和 放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时， 使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减， 内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通 或断。当小车遇到铝钱币时，控制开关将会发生变化，输出电压为零伏，否则 输出的是 1.12V。由于两者都属于低电平，在此我们再次使用电压比较器，使两 种不同情况下，分别输出高低电平，并将其传给单片机。单片机根据接收到的 信号判断是否有铝钱币。 2.3.72.3.7 电源模块电源模块 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造成的干扰彻底 消除，提高了系统的稳定性，但是多一组电池，增加了车身重量，增大了小车 的惯性。 方案二：采用单一电源供电。我们设计制作一个电源开关，分别控制 12V 和 5V，电路图见附件。这样既满足了供电要求，又减少了系统的器材数量，实 用且经济。因此我们选择方案二。 8 2.3.82.3.8 液晶显示模块液晶显示模块 方案一：采用传统数码管作为显示设备。传统数码管具有低能耗、低损耗、 低压、长寿命、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温的特点；对外界环 境要求低，易于维护；同时其精度比较高，精确可靠，操作简单，程序编写容 易，资源占用少。本设计要求显示的内容较多，如果利用传统数码管来显示， 则需要好几块数码管，这样占用单片机很多的 I/O 口，并且不够美观，也不易 区分各块数码管显示的是什么内容。所以，该方案不被采用。 方案二：采用液晶显示屏（LCD）显示时间和路程。液晶显示器具有功耗低、 无辐射危险、平面直角显示以及影像稳定等，可视面积大，画面效果好，也可 以显示汉字，分辨率高，抗干扰能力强，显示内容多等特点。因此，只要用一 块液晶显示器就可以显示设计要求的全部内容。此外，液晶显示器与单片机连 接电路较简单，且占用的 I/O 口较少。基于以上分析，我们采用该方案，用 LCD12864 进行显示。 2.3.92.3.9 声光指示模块声光指示模块 声光指示部分是小车在寻线的同时，检测到黑线下方的钱币，并发出声光 指示信息，在发声方面，我们使用蜂鸣器代替扬声器，因为扬声器功耗比较大， 体积也较大，而本设计对声音信号要求不高，所以我们使用功耗与体积都较小 的蜂鸣器。而在发光方面，我们选择普通的发光二极管。声光指示模块原理图 如下： 图 5 声光指示模块原理图 9 2.4系统软件设计系统软件设计 我们选择的主控芯片是 STC 89C52RC 单片机。程序设计上使用了时钟中断 来控制小车行驶的状态检测，使用外部中断来记录小车行驶的距离，软件上设 置了一个状态寄存器，来记录小车运行的状态，小车的运行为延黑线行驶状态， 避障碍物状态等。在黑线上行驶时，控制器检测红外传感器，如果小车行驶偏 离方向，则控制小车转向轮进行转向。在避障状态时，控制器检测红外传感器， 判断前方是否有障碍物，如果有障碍物则控制汽车进行转向，躲避障碍物。系 统程序框图如下： 开始运行 检测是否偏离 跑道 判断是否检测 到金属 初始化 转向 金属个数加一并 发出声光指示 判断直线区是否行 使完毕 加大左转力矩 检测是否偏离跑 道 转向 判断是否检测到 金属 到达C点停车5S 驶入两种障碍区中 间的空白区域 根据光源按直线行走 根据光源驶入车库 停车 N N NN Y 10 3.设计实现设计实现 3.13.1 寻光电路设计寻光电路设计与实现与实现 我们采用红外线接收管，当接收管未接收到光源发出的红外光时，接收管 不导通，正向输入的电压大于基准电压，通过电压比较器进行比较输出高电平； 当接收管接收到光源发出的红外光后，接收管导通，正向输入的电压将会小于 基准电压，通过电压比较器进行比较输出低电平。单片机可直接对接收到的信 号进行判断是否检测到光源，并通过对检测到的信号进行处理来决定小车的运 动方向。 寻光模块电路原理图如下： 图4 寻光模块电路原理图 3.23.2 电机驱动模块设计与实现电机驱动模块设计与实现 本设计使用的步进电机是四项六线式，用 L297 和 L298N 驱动芯片驱动，其 中单片机 AT89S52 通过 I/O 口向 L297 的 17 和 18 脚发送驱动控制信号，从而控 制步进电机的速度及正反转。电机驱动模块原理图如下： 11 4 系统测试系统测试 4.1 测试条件和测试仪器设备测试条件和测试仪器设备 模拟跑道：按题目要求设计 卷尺：精度 0.01m 秒表：精度 0.01s 4.2 测试方法和测试结果测试方法和测试结果 1、测试方法、测试方法 将小车放在起始位置，开启电源，让小车自由行使。记录全程时间、距离、 铝钱币个数，并与小车现实的参数进行比较、记录。重复以上操作并记录数据。 2、测试结果、测试结果 （1）总距离与时间 测量全程行使一次的距离与时间。测量数据如下： 次数进入车库显示时间/s进入车库实际时间/s显示距离/m 1 2 3 （2）铝钱币检测情况 检测行驶过程中遇到铝钱币的数目。测量数据如下： 次数检测到的铝钱币数目实际遇到的铝钱币数目 1 2 3 （3）C 点情况测试 测量小车到达 C 点的情况及在 C 点停车时间。测量数据如下： 次数小车