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体育场画线小车系统设计,体育场,画线,小车,系统,设计
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华南理工大学第八届智能控制设计大赛论文 姓名：张文康 莫海彤学院：自动化科学与工程学院专业：自动化班级：2012级二班、四班时间：2013.4.28组别：高级组画画小车目录一、设计理念31.1绪论31.2基本要求31.3扩展要求4二、方案比较与选择42.1 方案比较与选择42.2 方案简介4三、硬件模块及其电路图63.1电机模块63.1.1 步进电机驱动原理63.1.2步进电机的参数简介83.1.3步进电机型号比较与选择83.1.3.1步进电机的比较83.1.3.2 选择的步进电机93.1.4 电机驱动93.2 电源模块103.3 光电检测模块103.3.1 RPR-220光电对管113.3.2 123.3矩阵键盘13四、设计与论证134.1 车体的选择与比较134.2、电池的选择与论证134.3、系统供电电压的设计与论证144.5、传感器模块选择与论证144.6、励磁信号的选择与论证144.7、光电传感器安装位置的选择与论证14五、理论分析与计算145.1、车轮直径和车轴直径145.2、一次励磁信号走过的距离145.3、传感器信号检测和处理155.4、电机的正反转的控制15六、算法设计及分析156.1、光电检测模块算法分析：156.2、程序设计（不包含自己设计的图案）：16七、总结27一、设计理念1.1绪论 近年来，随着汽车工业的迅速发展，关于智能车的研究工作也就越来越受人关注，并出现了许许多多的智能车控制比赛。智能车大赛以迅猛发展的汽车电子为背景，涵盖了控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多个学科交叉的科技创新比赛。随着赛事的逐年开展，不仅使参赛学生自主创新能力的提高，对于高校相关学科领域的学术水平的提升也有一定的帮助。目前，此项赛事己经成为各高校展示科研成果和学生实践能力的重要途径，同时也为社会选拔优秀的创新人才提供了重要平台。1.2基本要求设计一辆能够自主划线的智能小车。要求小车在活动场上能利用传感器精确的绘制要求图形。 图形说明：线段 矩形 “凹”字形如上图所示，场地为一张铺在地上的白纸，要求小车携带一只马克笔（安装方式不限）完成对要求图形的精确绘制。车模与传感器要求： 车模大小不限，传感器只能安装在小车上，不允许使用场外其他定位器件基本要求：1. 小车能直线前行，完成40CM，80CM ,100CM的线段绘制。评判时设置起点基准线(黑胶带)，小车绘制的线段长度为小车从基准线出发到最终停止绘线的距离。2. 小车能完成90转弯，完成40CM X 60CM 的矩形绘制。不设起始基准线。拐点处能实现“”“等精确绘制。1.3扩展要求1. 小车能完成外三条边均为 60CM,凹三条边均为30CM 的 “凹”字形绘制；2. 小车能完成四个30CM X 30CM正方形组成的“田”字形绘制；3. 自行设计趣味图案的绘制；4. 能完成现场提供的图案（仅包括线段和90角）绘制。二、方案比较与选择2.1 方案比较与选择要实现小车的直走和直角转弯，就要准确控制电机的运转，通过资料的搜索查找，得出两个较好的方案，分别是：1. 通过控制步进电机的步进角来控制小车的直走和转弯。2. 通过检测在直流电机上外加光电编码盘来控制小车的行进。经过分析，若果选择直流电机来作为动力源，那么在小车直角弯的时候会比较难控制其精确转弯，但是直流电机的转矩大，容易驱动小车。而选择步进电机作为小车的动力源，虽然其转矩比较小，而且体积相对直流电机来说比较大，但是步进电机在控制小车的直走和转弯时比较容易操作，只需要计算其步进角就可以比较精确的控制小车的行进。所以我们最后选择了步进电机作为小车的动力源。2.2 方案简介我们设计的小车是由步进电机驱动的能够实现90转角和控制行进距离的智能小车。当小车仅进行线段绘制时，小车通过光电检测器检测出起始线的位置，并且调整小车的起跑位置，再进行直线行走。.Lm339-dataSt89c5单片机电机驱动电压比较器红外对管信号两个步进电机当小车直接进行图案绘制时，小车直接通过控制步进电机的运转来控制图案的绘制，属于开环系统，不需要检测环节。当小车需要绘制现场提供的图案时，我们通过矩阵键盘来输入绘制图案所需要行进的路线。三、硬件模块及其电路图3.1电机模块3.1.1 步进电机驱动原理步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元步进电机件。在非超载的情况下，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。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“步距角”，它的旋转是以固定的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。步进电动机的转子为多极分布，定子上嵌有多相星形连接的控制绕组，由专门电源输入电脉冲信号，每输入一个脉冲信号，步进电动机的转子就前进一步。由于输入的是脉冲信号，输出的角位移是断续的，所以又称为脉冲电动机。电机将电能转换成机械能，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，这就是步进电机为什么在定位应用中如此有效的原因。 永磁步进电机包括一个永磁转子、线圈绕组和导磁定子。激励一个线圈绕组将产生一个电磁场，分为北极和南极，见图1所示。定子产生的磁场使转子转动到与定子磁场对直。通过改变定子线圈的通电顺序可使电机转子产生连续的旋转运动。 上图以两相电机的步进顺序为例。在第1步中，两相定子的A相通电，因异性相吸，其磁场将转子固定在图示位置。当A相关闭、B相通电时，转子顺时针旋转90。在第3步中，B相关闭、A相通电，但极性与第1步相反，这促使转子再次旋转90。在第4步中，A相关闭、B相通电，极性与第2步相反。重复该顺序促使转子按90的步距角顺时针旋转。更常用的步进方法是“双相激励”，其中电机的两相一直通电。但是，一次只能转换一相的极性，见图3所示。两相步进时，转子与定子两相之间的轴线处对直。由于两相一直通电，本方法比“单相通电”步进多提供了41.1%的力矩，但输入功率却为2倍。3.1.2步进电机的参数简介1、 相数 产生不同对极N、S磁场的激磁线圈对数。 步进电动机的种类很多，按相数分则可分为单相、两相和多相三种。电机相数不同，其步距角也不同，一般二相电机的步距角为0.9/1.8、三相的为0.75/1.5、五相的为0.36/0.72 。步进电机增加相数能提高性能，但步进电机的结构和驱动电源都会更复杂，成本也会增加。2、 步距角对应一个脉冲信号，电机转子转过的角位移用表示。=360度/（转子齿数*运行拍数），以常规二、四相，转子齿为50齿电机为例。四拍运行时步距角为=360度/（50*4）=1.8度（俗称整步），八拍运行时步距角为=360度/（50*8）=0.9度（俗称半步）。3、 拍数完成一个磁场周期性变化所需脉冲数或导电状态用n表示，或指电机转过一个齿距角所需脉冲数，以四相电机为例，有四相四拍运行方式即AB-BC-CD-DA-AB，四相八拍运行方式即 A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A。4、 保持转矩 保持转矩也叫最大静转矩，是在额定静态电流下施加在已通电的步进电机转轴上而不产生连续旋转的最大转矩。它是步进电机最重要的参数之一，通常步进电机在低速时的力矩接近保持转矩。由于步进电机的输出力矩随速度的增大而不断衰减，输出功率也随速度的增大而变化，所以保持转矩就成为了衡量步进电机最重要的参数之一。比如，当人们说2N.m的步进电机，在没有特殊说明的情况下是指保持转矩为2N.m的步进电机。3.1.3步进电机型号比较与选择3.1.3.1步进电机的比较反应式：定子上有绕组、转子由软磁材料组成。结构简单、成本低、步距角小，可达1.2、但动态性能差、效率低、发热大，可靠性难保证。永磁式：永磁式步进电机的转子用永磁材料制成，转子的极数与定子的极数相同。其特点是动态性能好、输出力矩大，但这种电机精度差，步矩角大（一般为7.5或15）。混合式：混合式步进电机综合了反应式和永磁式的优点，其定子上有多相绕组、转子上采用永磁材料，转子和定子上均有多个小齿以提高步矩精度。其特点是输出力矩大、动态性能好，步距角小，但结构复杂、成本相对较高。综合比较后我们选择了输出力矩大、动态性能好，步距角小的混合式的步进电机。3.1.3.2 选择的步进电机1.8角度步进电机（VEXTA）型号：PXB44H-02AA-C8品牌：VEXTA（日本）产地：JAPAN尺寸：42mm（长）*42mm（宽）*38mm（高）线数：2相6线（2组线圈，2个抽头）主要参数：DC 6V/0.8A红蓝白为一组，白为中心抽头黑绿黄为一组，黄为中心抽头控制顺序是：AC、BC接正电源，-A、+A、-B、+B的通电顺序有下面基本的三种：单相励磁两拍：+A +B -A -B 整步双相励磁两拍：+A+B +B-A -A-B -B+A 整步单-双相励磁四拍：+A +A+B +B +B-A -A -A-B -B -B+A 半步3.1.4 电机驱动步进电机的驱动可以选择专用的电机驱动模块，如L298、FT5754等，这类驱动模块接口简单，操作方便，但是要驱动两个六线的步进电机其接口不足够，因此选择了达林顿ULN2803驱动器，该芯片一次最多可以驱动八线的步进电机。3.2 电源模块输入7.2伏的电压，经过芯片LM2940后输出5伏左右的电压给单片机供电，步进电机直接接在7.2伏的电源上。3.3 光电检测模块作为小车的传感模块，将检测到黑线的信号发送给单片机，单片机根据收到的信息控制电机的运动。采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始黑线，采用光敏三极管接收灯泡发出的光线，当感受到光线照射时，其c-e间的阻值下降，检测电路输出高电平，经LM339电压比较器整形后送单片机控制。3.3.1 RPR-220光电对管RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是 一种砷化镓红外光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管，RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：1、塑料透镜可以提高灵敏度2、体积小、结构紧凑3、当发光二极管发出的光发射回来时，三极管导通输出低电平 。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。下图为测试示意电路3.3.2 LM339电压比较器芯片内部装有四个独立的电压比较器，是很常见LM339引脚图的集成电路。利用lm339可以方便的组成各种电压比较器电路和振荡器电路。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体三极管，在使用时输出端到正电源一般须接一只电阻（称为上拉电阻，选3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。另外，各比较器的输出端允许连接在一起使用。3.3矩阵键盘我们选择的是3*5的矩阵键盘。通过矩阵键盘来控制小车的不同跑法。当按下不同的按键时，单片机会自动检测接口的电平变化，并且选择相应的行进路线。四、设计与论证4.1 车体的选择与比较方案1：采用四轮的小车车型，前轮由舵机控制转弯，后轮用电机驱动前进和后退。方案2：采用三轮的小车车型，由小车左右两个车轮来控制前进和转弯，中间的小轮只用来承力。由于要实现原地90度的转弯，方案1不能满足，只有方案2才能实现，并且画笔需要放置在两个车轮的正中间，以保证精确。4.2、电池的选择与论证方案1：使用普通的5号电池。方案2：使用充电锂电池。使用5号电池单次成本低，电池电压高，但是由于步进电机的耗电量比较高，因此使用普通的5号电池给步进电机供电消耗会比较快。使用充电锂电池可以重复使用，其电容量也比较大，但是成本比较高，而且电池的输出电压较低。因此我们选择5号电池作为单片机的电源，用充电锂电池作为步进电机的电源。4.3、系统供电电压的设计与论证方案1：单片机和电机使用同一个电源，电源经过电源模块后减压输入单片机。方案2：单片机和电机的电源分开使用。经过试验我们发现方案1在工作时电机会把电源的电压拉低，影响单片机的正常工作，因此我们选择了方案2，把他们的电源分开。4.5、传感器模块选择与论证方案1：采用光电检测器检测黑线。方案2：采用摄像头检测。由于我们只需要在只画直线段的情况下检测黑线，所以选择方案1更加简单方便。4.6、励磁信号的选择与论证方案1：一相励磁在每一瞬间，步进电机只有一个线圈导通。每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8，这是三种励磁方式中最简单的一种。其特点是：精确度好、消耗电力小，但输出转矩最小，振动较大。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序如表所示。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。方案2：二相励磁在每一瞬间，步进电机有两个线圈同时导通。每送一个励磁信号，步进电机旋转1.8。其特点是：输出转矩大，振动小，因而成为目前使用最多的励磁方式。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序如表所示。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。方案3：一二相励磁为一相励磁和二相励磁交替导通的方式。每送一个励磁信号，步进电机旋转0.9。其特点是：分辨率高，运转平滑，故应用也很广泛。如果以该方式控制步进电机正转，对应的励磁顺序如表所示。若励磁信号反向传送，则步进电机反转。由于方案3输出的角度分辨路高，运行平稳，因此选择方案三。4.7、光电传感器安装位置的选择与论证方案1：安装在两个车轮轴线的上，分别在画笔的两边。方案2：安装在小车的前面或者后面。由于比赛的要求是从黑线开始到小车停止时所画的线段长度，因此在检测黑线时必须要把光电传感器安装在画笔的同一轴线上，以此让单片机检测到黑线时就能直接开始进行划线，保证划线的长度足够精确。所以我们选择方案1.五、理论分析与计算5.1、车轮直径和车轴直径经过测量，我们小车的车轴直径为17.5厘米，车轮直径为6.8厘米，因此计算得出车轮转一圈前进距离为21.36283004441厘米，原地转弯90度时一个车轮行进的距离为13.744467859455345418厘米。5.2、一次励磁信号走过的距离由于我们选择的是八拍一二相励磁方式，所以一次励磁信号步进电机旋转1.8度，输完一次八拍电机旋转7.2度，就是50次励磁信号车轮旋转一圈，已知小车车轮一圈前进离为21.36283004441厘米，计算得一次励磁信号前进距离为0.42725660088821188043厘米。5.3、传感器信号检测和处理我们选择的两个光电传感器分别安装在画笔的两旁，当小车不是垂直行驶到黑线时，某一边的检测器检测到黑线时，单片机控制电机向另一边转弯，调整小车的前进方向，直到小车两边的检测同时检测到黑线时小车才开始划线。5.4、电机的正反转的控制我们选择的是一二相励磁方式，这是单个步进电机的励磁顺序表STEPABab1100021100301004011050010600117000181001励磁顺序：1-2-3-4-5-6-7-8-1-.当电机需要反方向运转时，只需要把励磁的顺序反转。六、算法设计及分析6.1、光电检测模块算法分析：光电检测模块分别有加以上三种情况，当为第一或者第三种情况时，单片机控制检测到黑线那一侧的电机变为反方向运转，调整小车的前进方向，直到两个检测器都检测到黑线时小车开始划线。6.2、程序设计（不包含自己设计的图案）：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define changshu 0.42725660088821188043/励磁一次车轮前进的距离sbit di=P22;enumempty,straight,back,left,right;uchar state=0;uchar code gostraight=0x88,0xaa,0x22,0x66,0x44,0x55,0x11,0x99;/直走uchar code goback=0x11,0x55,0x44,0x66,0x22,0xaa,0x88,0x99;/向后uchar code goleft=0x18,0x5a,0x42,0x66,0x24,0xa5,0x81,0x99;/原地转左uchar code goright=0x81,0xa5,0x24,0x66,0x42,0x5a,0x18,0x99;/原地转右uchar code goleft1=0x10,0x50,0x40,0x60,0x20,0xa0,0x80,0x90;/转左uchar code goright1=0x01,0x05,0x04,0x06,0x02,0x0a,0x08,0x09;/转右int keyscan();void delay(uint);void run(uchar,uchar);void scanline();void didi();/*/蜂鸣器函数void didi()di=0;delay(80);di=1;/*/键盘扫描函数int keyscan()uchar temp,num=empty;P1=0x7f;/first linetemp=P1;temp=temp&0x1f;if(temp!=0x1f)delay(10);temp=P1;temp=temp&0x1f;if(temp!=0x1f)temp=P1;switch(temp)case 0x6f:num=1;/first line and first rowbreak;case 0x77:num=2;break;case 0x7b:num=3;break;case 0x7d:num=4;break; case 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