广东水利电力职业技术学院——毕业论文——智能小车设计与制作——许晓建、林文舜.pdf

毕业设计论文毕业设计论文 广东水利电力职业技术学院广东水利电力职业技术学院 课题课题 智能小车设计与制作 智能小车设计与制作 班级 班级 0808 机电机电 1 1 班班 指导老师 蒋贤海指导老师 蒋贤海 学生 林文舜 学生 林文舜 080405105080405105 许晓建 许晓建 080405132080405132 目目 录录 一 一 绪论绪论 1 1 制作智能小车的背景和意义 1 2 制作智能小车的主要方法和进展 1 二 二 方案选择方案选择 2 1 摄像头式 2 2 光电式 2 3 电磁式 2 4 方案确立 2 三 三 机械结构机械结构 3 1 机械结构总体介绍 3 2 汽车底盘相关性能 5 四 四 电路设计电路设计 9 1 稳压电路 9 2 单片机最小系统 10 3 电机驱动 11 4 红外线检测头 18 5 舵机转向 22 五 五 软件设计软件设计 25 1 程序初始化 28 2 开中断 28 3 检测头数据处理 29 4 刹车子程序 33 5 中断子程序 34 六 六 总结总结 36 致致谢谢 40 参考文献参考文献 40 附附录录 1 1 小小车程序车程序 41 附附录录 2 2 元元件清单件清单 47 1 第一章第一章绪绪 论论 1 11 1制作智能小车的背景和意义制作智能小车的背景和意义 自第一台工业机器人诞生以来 机器人的民展已经遍及机械 电子 冶金 交 通 宇航 国防等领域 近年来机器人的智能水平不断提高 并且迅速地改变着 人们的生活方式 人们在不断探讨 改造 认识自然的过程中 制造能替代人工 作的机器一直是人类的梦想 其中智能小车可以作为机器人的典型代表 其需要实现自动导引功能和避障功 能就必须要感知导引线和障碍物 实现自动识别路线 选择正确的行进路线 使 用传感器感知路线并作出判断和相应的执行动作 智能小车设计与开发涉及控 制 模式识别 传感技术 汽车电子 电气 计算机 机械等多个学科 它可以 分为三大部分 传感器检测部分 执行部分 CPU 现智能小车发展很快 从智能玩具到各行业都有实质成果 其基本可实现循迹 避障 检测贴片 寻光入库 避崖等基本功能 有向声控系统发展的趋势 比较 出名的飞思卡尔智能小车更是走在前列 我们此次的设计主要实现循迹这一个功 能 开展自主寻迹智能小车的研究工作 正适合机电一体化专业 制作智能小车为 机电一体化专业学科的学生学习和掌握机电一体化技术有很大的帮助 对机电一 体化专业学科的学生进一步巩固已学知识加深已学知识起到促进作用 引导和激 励学生实事求是 刻苦钻研 勇于创新 多出成果 提高素质 发现和培养一批 在学术科技上有作为 有潜力的优秀人才 1 21 2制作智能小车的主要方法和进展制作智能小车的主要方法和进展 我们从来没接触过智能小车方面的知识 这对于我们来说是一个巨大挑战 整 个研究的过程 我们都是摸着石头过河的 由于知识和经验的缺乏 我们经常会 遭到失败 有时一个小小的因素 就会影响到设计 所以我们的步伐前进得很慢 研究的进程大概可能分为 资料收集及整理阶段 硬件制作阶段和调试阶段 2 公欲善其事 必先利其器 在做每件事之前都要先经过思考 我们在制作之前会 先从网上 书上及请教老师来收集资料 把资料经整理理解透了之后 做出设计 接着就是制作硬件 工具和电子元件都需要购买 途径可以是网购或是商店 由 于设计不是完美的 我们不能做到一次就把需要的元件都列出来 一次性购买 所以我们分了好几次去商店买元件 因为方案没有最终确定 若是直接焊接电路 板 设计如果不成功 整个电路板就没用了 这样就增加了制作的成本 所以我 们需要用面包板制作硬件 在调试阶段完成最终确立设计之后 我们才做出电路 板 调试阶段就是要测试设计是否成功 合理 当然经常会失败 但我们要在每 次的失败中吸取经验 改正错误 取得最后的成功 整个过程是漫长的 但我们在无数的挫败之后终于成功制作出了智能小车 第二章 方案选择方案选择 寻迹智能小车的种类由探测方式大致可分为 摄像头式 光电式 电磁式等 2 12 1 摄像头式摄像头式 摄像头式智能小车是通过 CCD 摄像头获取目标道路信息 结合当前的行驶状 态 对其行驶方向与行车速度进行智能化调整 从而实现准确快速的跟踪 硬件 与软件较为复杂 2 22 2 光电式光电式 光电式智能小车是通过光敏元件探测黑线 其分辨率大大低于摄像头式 不能 做到精确的控制 但其制作较为简单 2 32 3 电磁式电磁式 电磁式智能小车的引导线是导线 是通过霍尔元件探测到导线的位置 从而使 小车沿着导线跑 2 42 4 方案确立方案确立 鉴于我们从未接触过智能小车 现有技术水平不够高 摄像头式智能小车的制 作技术要求太高 不适合我们现阶段的水平 电磁式智能小车是新事物 导线轨 道的制作也有难度 另外加上资金不足等原因 根据要求 确定如下最佳方案 3 在现有的玩具电动车的基础上 加装光电检测器 实现对电动车的速度 位置 运动状况的实时测量 并将测量数据传送至 51 单片机进行处理 然后由单片机 根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制 这种方案能实现对电动车的运 动状态进行实时控制 控制灵活可靠 精度高 可满足要求 第三章第三章 机械结构机械结构 3 13 1 机械结构总体介绍机械结构总体介绍 本小车主要的机械结构为 车身 车轮 连轴器 避震器 齿轮箱 车身 车身 车身主要起到承托机小车其他部件的作用 在安装时注意要左右对正 螺丝需 要上紧 连轴器 连轴器 在安装时需要注意与连轴的松紧度 要适当加入润滑剂 避震器 避震器 在安装时需要注意松紧度 要适当加入润滑剂 车模结构介绍车模结构介绍 车模调校的主要参数 后倾角 外倾角 前束 减震弹簧预紧力 4 正视图 俯视图 侧视图 仰视图 5 小车避震机构 3 23 2 汽车底盘相关性能汽车底盘相关性能 转向轮定位参数 对于汽车而言 要保持车辆直线行驶的稳定性 使之转弯自动回正 转向轻 便 必须确定车轮定位参数 包括主销后倾 主销内倾 前轮外倾和前轮前束 主销后倾角主销后倾角 主销后倾角在车轮偏转后形成一回正力矩 阻碍车轮偏转 主销后倾角越大 车速愈高 车轮偏转后自动回正力越强 但回正力矩过大 将会引起前轮回正过 猛 加速前轮摆振 并使转向沉重 通常后倾角为 1 3 主销内倾角主销内倾角 在汽车前后方向上 主销向内倾斜一个角度 主销轴线与垂线间的夹角称为 主销内倾角 当汽车转向轮在外力作用下发生偏转时 由于主销内倾 则车轮连 同整个汽车的前部将被抬起一定高度 在外力消失后 车轮就会在重力作用下力 图恢复到原来的中间位置 通常主销内倾角不大于 8 前轮外倾角前轮外倾角 在汽车的横向平面内 前轮中心平面向外倾斜一个角度 称为前轮外倾角 前轮外倾角一方面可以使车轮接近垂直路面滚动而滑动减小转向阻力 使汽车转 向轻便 另一方面减少了轴承及其锁紧螺母的载荷 增加了使用寿命 提高了安 全性 一般前轮外倾角为 1 左右 但对于有高速 急转向要求的车辆 前轮外 6 倾角可减小甚至为负值 前轮前束前轮前束 俯视车轮 汽车的两个前轮的旋转平面并不完全平行 而是稍微带一些角度 这种现象称为前轮前束 车轮前束的作用是减轻或消除因前轮外倾角所造成的不 良后果 二者相互协调 保证前轮在汽车行驶中滚动而无滑动 前轮前束一般为 0 12mm 而现代汽车的前轮外倾角出现减小甚至为负值的趋势 前轮前束也应 相应减小甚至也为负值 重心位置对汽车性能的影响重心位置对汽车性能的影响 汽车重心的位置通常用重心距前轴中心线的水平距离和重心距水平路面的 高度来表示 可通过实验法 估算法测出重心位置 对动力性能的影响对动力性能的影响 汽车正常行驶必须满足驱动 附着条件 即汽车的驱动力必须大于等于坡度阻力 滚动阻力 空气阻力之和而等于汽 车驱动轮的附着力 附着力与路面附着系数和驱动轴的轴荷有关 而驱动轴的轴 荷取决于重心的水平位置 故重心位置必须保证驱动轮能够提供足够的附着力 仅从此方面考虑 重心越靠近驱动轴越好 对制动性能的影响对制动性能的影响 汽车制动性要求制动减速度大 制动距离短 有良好的制动方向稳定性 即 不易发生前轮丧失转向 后轮侧滑和跑偏现象 制动方向的稳定性与前后轮的抱 死次序有关 而抱死次序则与重心位置有关 若重心位置保证汽车的同步附着系 数 为前制动力占整车制动器制动力比例 b 为重心到后轴水平距离 等于汽 车常用路面附着系数 那制动稳定性即较好 若重心前移 b 增大 易发生后轴 侧滑 对高速汽车危险性大 若重心后移 b 减小 前轮易丧失转向能力 对通过性的影响对通过性的影响 汽车在较陡侧坡行驶或高速急转弯行驶时 会发生侧向倾覆 为避免这种危 险 重心应在保证最小离地间隙的前提下尽量降低 综合上面分析 在加装诸多电路板后应尽可能保证模型车的重心垂直位置尽 量的低 水平位置应在车中线上靠近后轴 7 汽车侧滑汽车侧滑 为保证汽车转向车轮无横向滑移的直线滚动 要求车轮外倾角和车轮前束有 适当配合 当车轮前束值与车轮外倾角匹配不当时 车轮就可能在直线行驶过程 中不作纯滚动 产生侧向滑移现象 这种滑移现象过于严重时 将破坏车轮的附 着条件 使汽车丧失定向行驶能力 侧滑分为以下几种情况 定向侧滑 随机侧滑 转向侧滑 制动侧滑 汽车在制动过程中若前轮先抱死拖滑 则将可能发生侧滑 可以采取一些补偿措施减小侧滑 对于定向侧滑 用前轮前束产生的 Q 类侧 滑来补偿外倾产生的 W 类侧滑是基本手段 Q 类侧滑的性质为 侧滑大小等于前 束角大小 侧滑方向与前束角方向相反 与车辆行驶方向有关 与路面质量无关 对于随机侧滑 主要是从改变独立悬架结构入手 如本车模的双横臂式独立悬架 车桥车轮的随机侧滑可用四连杆机构综合理论改变上下横臂的长度 使模型行驶 过程中轮距变化不大 从而减小随机侧滑 对于转向侧滑 主要靠选择合适的主 销角度 合理搭配主销内倾与后倾角 尽可能使转向内轮产生外倾或增加外倾 使转向外轮产生内倾或减小外倾 模型车底盘性能模型车底盘性能 模型车底盘采用的是等长双横臂式独立悬架 当车轮上下跳动时 车轮平面 没有倾斜 但轮距会发生较大变化 故车轮发生侧向滑移的可能性较大 本车共 有 6 处参数可调 其中主销内倾角对模型车性能影响不大 可设为 主销后倾角主销后倾角 可以通过增加垫片的数量来增大主销后倾角 共有 4 片垫片 前 2 后 2 后 倾角为 0 前 1 后 3 后倾角为 前 0 后 4 后倾角为 对于本模型车 若欲使之转向灵活 主销后倾角可选 欲增大回正力矩 则 后倾角可选 前轮外倾角前轮外倾角 与模型车的侧滑关系较大 需与前轮前束相匹配 可设为 8 前轮前束前轮前束 前轮是由舵机带动左右横拉杆实现转向的 主销在垂直方向的位置确定后 改变左右横拉杆的长度即可改变前轮前束的大小 左杆短 可调范围为 10 8mm 18 1mm 右杆长 可调范围为 29 2mm 37 6mm 底盘离地间隙底盘离地间隙 在独立悬架下摆臂与底板之间可以通过增减垫片来调整底盘前半部分的离 地间隙 垫片有 1mm 和 2mm 两种规格 一片垫片不加 车前部离地间隙为 9mm 故离地间隙的调整范围为 9mm 12mm 从已有的经验来看 在加装了传感器之后 此距离过小 会降低模型车爬坡时的通过度 过大 则会影响传感器的灵敏度 后悬挂纵向减震弹簧预紧力后悬挂纵向减震弹簧预紧力 在后悬挂增加垫片即可增大弹簧的预紧力 舵机性能测试舵机性能测试 在舵机的轴上连接一个变阻器 该变阻器有三个接头 两侧的接头一端接在 5V 电源上 另一端接地 中间的接头连在示波器上 示波器测电压 当舵机带 动前轮转动时 变阻器的阻值随之改变 示波器的电压值也发生变化 即将电压 与舵机的转角对应起来 这样 通过测量电压随时间的变化即可知舵机转角的变 化率 从试验中可知 舵机近似匀速地由一侧最大转角转至另一侧最大转角 结 合对前轮最大转角的测量 可估测出舵机的转速约为 2 42rad s 2 52rad s 由 汽车理论的相关知识可知 该舵机性能偏软 可通过增大前轮前束来进行调整 对舵机性能的测试主要用于设定仿真参数 同时估算出的舵机转速也对程序 相应速度和转向时的车速限制有一定的参考意义 模型车稳态转向测试模型车稳态转向测试 舵机 PWM 占空比与车速 转弯半径之间的关系 试验中舵机 PWM 占空比设为 6 挡 分别以 1 2 3 4 5 6 表示 数字越大转角越大 如图 1 为舵机转角 为挡位 1 时的车速 转弯半径对应图 由试验可知 在相同转角下 转弯半径 与车速大致呈线性关系 根据模型车的相关数据由下式可算得理论转弯半径为 275mm 该值与模型车 试验中 0 31m s 时的转弯半径相近 当模型车车速 1 4m s 后开始出现侧滑现象 9 第四章第四章 电路设计电路设计 4 14 1 稳压电路稳压电路 电源是智能小车的力量之源 且电源只有一个 7 2 8 5V 的电池 但智能 小车的不同模块所需的电压却不同 见下表 模块H 桥舵机检测头单片机 所需电压7 2V4 6V5V5V 由表格我们得知 除了电池提供的 7 2V 之外 我们还得提供 4 6V 和 5V 的电压 此时我们就要用到稳压芯片 其中 舵机的电压可选 5V 这样 我们就只需要 一个 5V 的稳压芯片就行了 4 1 14 1 1 稳压芯片的选取稳压芯片的选取 芯片型号芯片型号输出电压输出电压 V V特点特点 LM78055串联稳压 输入电压需要大于 7V LM2575 LM25765开关稳压 输入电压可以低至 6 5V LM2940 55串联稳压 工作压差可以小于 0 5V LM1085 LM10845串联稳压 3A 1 5V 压差 MAX6385开关稳压 压差可以低至 1V MAX758A5开关稳压 输入电压范围宽 4 16V Upc24A055输出 2A 电流时 压差小于 1V MC339895 可调整 串联稳压 低压差 可以同时提供两路稳压 电源 降压稳压电路可以采用串联稳压和开关稳压两种芯片 开关稳压芯片的工作效 率高 但有较高电源噪声 耗电量比较大的电路适于采用开关稳压电路 由于噪 声会影响到探测头的信号和单片机的运行 所以此处我们选用串联稳压芯片 LM7805 作为单片机 舵机 检测头的稳压芯片 经验证 LM7805 基本能使小车 正常工作 10 4 1 24 1 2 稳压电路的制作稳压电路的制作 经过调试 下图的稳压电路可以实现要求 IN 1 2 OUT 3 GND U1LM340T5 0 1uF C1 33uF C2 VCC 一号端输入 7 2 8 5v 电压 在 3 号端输出 5v 电压 用作单片机 轨道检测 舵机的供电 4 24 2 单片机最小系统单片机最小系统 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 以工作的最简单系统 一般只包括单片机芯片 复位电路 时钟电路 本设计采 用模块化的电路板 各电路板之间只需用引线连接 安装与拆卸都非常容易 更 换模块也极其方便 所需元件 单片机最小系统的电路图如下 11 EA VP 31 X1 19 X2 18 RESET 9 RD 17 WR 16 INT0 12 INT1 13 T0 14 T1 15 P10 T 1 P11 T 2 P12 3 P13 4 P14 5 P15 6 P16 7 P17 8 P00 39 P01 38 P02 37 P03 36 P04 35 P05 34 P06 33 P07 32 P20 21 P21 22 P22 23 P23 24 P24 25 P25 26 P26 27 P27 28 PSEN 29 ALE P 30 TXD 11 RXD 10 VCC 40 GND 20 U2 8052AH C4 10uF C1 104 D1 LED R1 510 VCC P10 P11 P12 P13 P14 P15 P16 P17 RST P30 P31 P32 P33 P34 P35 XTAL1 XTAL2 P20 P21 P22 P23 P24 P25 P26 P27 P00 P01 P02 P03 P04 P05 P06 P07 ALE PSEN EA 1 2 3 4 J2 USBPOWERVCC 1 2 3 4 5 6 7 8 9 J5 5 1kX8 VCC C6 10uF R15 10k VCC Y1 22 1182MHZ C10 33p C11 33p VCC 1 2 J1 POWER VCC p36 p37 S1 SW PB 1 2 3 4 5 6 7 8 P1 Header 8H 1 2 3 4 5 6 7 8 P2 Header 8H 经测试 此系统运行良好 能实现功能 程序的烧录部分是难点 老师说是核心技术 不便透露 所以小车的程序就只 能是用单片机实习时用的学习板来烧录 或是网上也有烧录器卖 可购买来写入 程序 4 34 3 电机驱动电机驱动 智能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 智能小 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 智能小车 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 这就要求驱动系统具有尽可能宽的 高效率区 我们所使用的电机为直流电机 主要用到永磁直流电机 直流电机的 控制简单 性能出众 直流电源也容易实现 本段主要介绍直流电机的驱动系统 所用的电机额定电压 7 2V 额定电流 3A 难点主要有设计能否为电机提供大电 流 并承受大电流 能否适合 PWM 波的频率 4 3 14 3 1 控制速度的控制速度的 PWMPWM PWM 又称为脉宽调制 是方波的周期不变 通过改变高电平的占空比 对电机 进行调速 PWM 波的频率太高时 对直流电机驱动的功率管要求太高 太低时产 12 生电磁噪声较大会使电机产生抖动 PWM 信号的周期越大 抖动就越大 经测试 T 5ms 时电机抖动不会太大 另外在电机两引脚间加上一个 0 1uf 电容 可以减 小抖动 PWM 信号同时也会产生电噪声 影响单片机的运行 所以电机的金属外 壳和引脚之间应接上 0 1uf 电容去除噪声 PWM 波可由单片机通过编程产生 也 可采用 PWM 专用芯片来实现 此处 我们可用单片机产生 就不用做冗余的电路 了 4 3 24 3 2 电机驱动方案选取电机驱动方案选取 MC33886MC33886 典型应用电路图典型应用电路图 LMD18200LMD18200 典型应用电路图典型应用电路图 13 ULN2003ULN2003 典型应用电路图典型应用电路图 TIP41CTIP41C 与与 TIP42CTIP42C 组合的组合的 H H 桥驱动电路图桥驱动电路图 Q1 TIP41C Q2 TIP41C Q3 TIP41C Q4 TIP41C Q5 TIP42C Q6 TIP42C VCC 1 2 P1 Header 2H 1 2 3 4 P2 Header 4H VCC 14 各驱动芯片对比表各驱动芯片对比表 芯片型号芯片型号特性特性缺点缺点 MC33886 工作电压 5 40V 导通电阻 120 毫欧姆 输入信号 TTL CMOS PWM 频率 10KHz 短路保护 欠压保护 过温 保护等 需要两片 MC33886 单价 24 元 需 2 个 其型号只有表面贴装的封 装 很难对其进行焊锡 外电路所需元件多 有冗余的功能 LMD18200 工作电压 12V 55V 峰值输出电流高达 6A 连续 输出电流达 3A 输入信号 TTL CMOS 具有温度报警和过热与短路 保护功能 芯片结温达 145 结温达 170 时 芯片关断 具有良好的抗干扰性 工作电压太高 无法提供 单价 20 元 外电路所需元件多 有冗余的功能 ULN2003 能在关态时承受 50V 的电压 灌电流达 500mA 输入信号 TTL CMOS 灌电流太小 单价 2 元 无法实现正反转 无散热器 TIP41C NPN TIP42C PNP 性质 低频或音频放大 LF 功率放大 L 极限工作电压 100V 峰值输出电流高达 6A 连续 输出电流达 3A 最大耗散率 65W 最大工作频率 1MHZ 单价 2 3 元 需 6 个 15 直流电机驱动电路使用最广泛的就是 H 型全桥式电路 这种驱动电路可以 很 方便实现直流电机的四象限运行 分别对应正转 正转制动 反转 反转制动 对比表格各信息 考虑成本 制作难度 现有条件等问题 我们选用由 TIP41C 组成的 H 桥作为电机的驱动芯片 其可实现电机的 PWM 调速 可实现电机的正反 转 也可刹车 成本最小 4 3 24 3 2H H 桥的制作桥的制作 图 4 3 2 中所示为直流电机控制电路 电路得名于 H 桥驱动电路 是因为它 的形状酷似字母 H 四个三极管组成 H 的 4 条垂直腿 而电机就是 H 中的横杠 注 意 图 4 3 2 及随后的两个图都只是示意图 而不是完整的电路图 其中三极管 的驱动电路没有画出来 如图 4 2 2 1 所示 H 桥式电机驱动电路包括 4 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 4 3 2 1 H 桥驱动电路 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 4 3 2 2 所示 当 Q1 管和 Q4 管导通时 电流就从电源正极经 Q1 从左至右穿过电机 然 后再经 Q4 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 Q1 和 Q4 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 16 图 4 3 2 2 H 桥电路驱动电机顺时针转动 图 4 3 2 3 所示为另一对三极管 Q2 和 Q3 导通的情况 电流将从右至左流 过电机 当三极管 Q2 和 Q3 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 电机周围的箭头表示为逆时针方向 图 4 3 2 3 H 桥驱动电机逆时针转动 由于 PWM 脉宽调制不是通过改变电流大小 而是通断电流的占空比来调整的 的 所以三极管的作用相当于开关管 只需通 断功能就行 开关管的选择对驱 动电路的影响很大 开关管的选择宜遵循以下原则 1 由于驱动电路是功率输出 要求开关管输出功率较大 2 开关管的导通和截止时间应尽可能小 3 小车使用的电源电压不高 因此开关管的饱和压降应该尽量低 17 在实际制作中 我们选用大功率三极管 TIP41C 和 TIP42C 由于单片机 IO 口 输出电流在 20 40mA 三极管的基极电流不够 根据 TIP41C 和 TIP42C 的特性手 册 基极并没有偏置电阻 基极的偏置电压直接接在 7 2v 电源上 测试中发现 只用一个三极管无法驱动电机 我们决定用两个三极管连续放大 现在 我们先用一个进行测试 测试如图 如图 用电流表测量三极管的基极电流需要多大 才能让电机正常工作 测量 结果得基极电流为 200mA 左右时 电机能正常工作 则单片机的 20mA 电流经第 一级的三极管放大后电流要大于 200mA 放大倍数为 10 经测试 两级用 TIP41C 能实现功能 最后确立电路图如下 Q1 TIP41C Q2 TIP41C Q3 TIP41C Q4 TIP41C Q5 TIP42C Q6 TIP42C VCC 1 2 P1 Header 2H 1 2 3 4 P2 Header 4H VCC 18 4 44 4 红外线检测头红外线检测头 检测头作为智能小车的眼睛 能帮助智能小车快速检测轨道信息 及时做出反 应 所以要求其有灵敏度高 抗干扰能力强等特点 若选用普通光敏元件的作检 测头 小车受环境光的影响较大 由于红外检测具有反应速度快 定位精度高 可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点 我们选用红外线检测头方案 一 共在车头运用 7 个运算放大器来检测轨道 4 4 14 4 1 检测头设计方案选取检测头设计方案选取 检测头是小车的眼睛 要求灵敏度高 信号稳定 但由于接收管的信号不稳定 有时会产生抖动 所以需要对信号进行整理再发送至单片机 a a 运算放大器整理信号 如图 运算放大器整理信号 如图 电路图中的接收管是专门接收红外线的光敏三极管 当检测到黑线时 接收管 截止 等同于开路 则 A 点电平被拉高 当检测到白色时 接收管导通 等同于 导线 A 点电平被拉低 电平信号进入运算放大器进行放大整理之后输入单片机 b b 74HC1474HC14 整理信号 如图 整理信号 如图 19 当电路图中的接收管检测到黑线时 接收管截止 等同于开路 则 A 点电平被 拉低 当检测到白色时 接收管导通 等同于导线 A 点电平被拉低 电平信号 进入史密斯特性触发器进行整理之后输入单片机 c 方案确立方案确立 检测电路若用运算放大器整理信号 则需要用 7 个运算放大器 并加上外电路 的电阻 成本增加了 用 74HC14 史密斯特性反向器的话只需 2 个芯片 从电路 上来说更简洁了 从资金上来说节约了成本 且能实现整理信号的要求 测试未 出现任何问题 查阅了许多资料 在智能小车制作中 没有人用 74HC14 来整理检测信号 此 设计可能是唯一的 4 4 24 4 2 红外检测头电路解析红外检测头电路解析 红外线发射与接收管的选取红外线发射与接收管的选取 电路中的红外线发射与接收可以用一体管 TCRT5000 也可以用分开的发射与 接收管 我们小组经过试验 发现 TCRT5000 工作电压为 2V 这样又得多用一个 稳压器 一体管允许通过的电流也太小 经常会烧坏 所以我们改用耐压值高的 分开式的发射和接收管 74HC1474HC14 的特性的特性 74HC14 为施密特特性触发器 在芯片供电电压 Vcc 4 5V 基础上 当输入大于 20 2 5V 时 输出为低电平 0V 当输入小于 1 6V 时 输出为高电平 5V 电路中的电路中的 R1R1 是限流电阻是限流电阻 为了防止烧坏红外发射管 R1 的值越小 检测头灵 敏度越大 功耗也越大 也越容易烧坏 LED 其阻值可经过调试得到 具体方法 利用公式 U I 额定 RLED R1 I 额定 RLED可见其参数 U 为我们提供的电压 求出其最小允许电阻 R1 然后用电位器慢慢调试 找出功耗最小 节省电池的 消耗 又不影响检测头灵敏度的 R1 的值 电路中的电路中的 R2R2 为下拉电阻为下拉电阻 A 点要得到一个效果就是 接收管导通时 A 点的电 平要越接近 5V 越好 接收管截止时 A 点的电平要越接近 0 越好 由此我们可 以计算出 R2 的值 具体方法如下 接收管导通时接收管导通时 触发器的输入大于 2 5V 时 输出低电平 0V 所以此时 A 点电 压要大于 2 5V 测出接收管导通时的电阻为 R通 由 2 5V R2 5V 2 5V R通 解得 R2 R通 所以 R2 需满足 R2 R通 接收管截止时接收管截止时 触发器的输入小于 1 6V 时 输出高电平 5V 所以此时 A 点电 压要小于 1 6V 测出接收管截止时的电阻为 R止 由 1 6V R2 5V 1 6V R止 解得 R2 8R止 17 所以 R2 需满足 R2 8R止 17 综上所述综上所述 R2 的取值为 R通 R2 8R止 17 21 4 4 34 4 3 红外检测头的制作及安装红外检测头的制作及安装 检测头的电路图如下 DS1 LED0 Q1 Photo NPN VCC 200 R1 100k R2 DS2 LED0 Q2 Photo NPN VCC 200 R3 100k R4 DS3 LED0 Q3 Photo NPN VCC 200 R5 100k R6 DS4 LED0 Q4 Photo NPN VCC 200 R7 100k R8 DS5 LED0 Q5 Photo NPN VCC 200 R9 100k R10 DS6 LED0 Q6 Photo NPN VCC 200 R11 100k R12 DS7 LED0 Q7 Photo NPN VCC 200 R13 100k R14 12 U1A M74HC14B1R 34 U1B M74HC14B1R 56 U1C M74HC14B1R 98 U1D M74HC14B1R 12 U2A M74HC14B1R 34 U2B M74HC14B1R 56 U2C M74HC14B1R 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P1 Header 9H VCC 每个检测头的间距为 4cm 黑线的宽度为 3cm 检测头离地面高度为 4cm 黑 线不只在检测头正下方时才能检测到 由下图我们可以看到黑线处于两个检测头 中间时两检测头都能检测到 这样小车检测头的分辨率就可以大大提高 小车的 运行也会过越平稳 装有 7 个检测头的板我们称为检测板 检测板的安装也要特别注意 如下 图 22 检测板装在小车的前方 一般 l 值越大 小车就能更早地检测到转弯 也就能 更早地反映 但相对而言 检测板的摆动也会越大 越快 所以距离 l 要经过调 试之后才能确定 检测板与地面要成一定的夹角 a 功能如同 l 可以缩短小车 的总长 减少检测头的摆动等 4 54 5 舵机转向舵机转向 舵机又名微型伺服马达 起控制小车转向的作用 要求其能做到快速 精准的 转动到特定角度 用周期为 20ms 的连续方波进行控制 4 5 14 5 1 伺服马达内部结构伺服马达内部结构 伺服马达内部包括了一个小型直流马达 一组变速齿轮组 一个反馈可 调电位器 及一块电子控制板 其中 高速转动的直流马达提供了原始动力 带动变速 减速 齿轮组 使之产生高扭力的输出 齿轮组的变速比愈大 伺服马达的输出扭力也愈大 也就是说越能承受更大的重量 但转动的速度 也愈低 23 伺服马达内部结构图及外形 4 5 24 5 2 伺服马达的工作原理伺服马达的工作原理 伺服马达是一个典型闭环反馈系统 其原理可由下图表示 伺服马达工作原理图 减速齿轮组由马达驱动 其终端 输出端 带动一个线性的比例电位器作位 24 置检测 该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制线路板 控制线路板 将其与输入的控制脉冲信号比较 产生纠正脉冲 并驱动马达正向或反向地转动 使齿轮组的输出位置与期望值相符 令纠正脉冲趋于为 0 从而达到使伺服马达 精确定位的目的 4 5 34 5 3 伺服马达的控制伺服马达的控制 标准的微型伺服马达有三条控制线 分别为 电源 地及控制 电源线与地 线用于提供内部的直流马达及控制线路所需的能源 电压通常介于 4V 6V 之间 该电源应尽可能与处理系统的电源隔离 因为伺服马达会产生噪音 甚至小伺 服马达在重负载时也会拉低放大器的电压 所以整个系统的电源供应的比例必须 合理 输入一个周期性的正向脉冲信号 这个周期性脉冲信号的高电平时间通常在 1ms 2ms 之间 而低电平时间应在 5ms 到 20ms 之间 并不很严格 下表表示出 一个典型的 20ms 周期性脉冲的正脉冲宽度与微型伺服马达的输出臂位置的关 系 4 5 44 5 4 使用伺服马达的注意事项使用伺服马达的注意事项 25 除非你使用的是数码式的伺服马达 否则以上的伺服马达输出臂位置只是一个 不准确的大约数 普通的模拟微型伺服马达不是一个精确的定位器件 即使是 使用同一品牌型号的微型伺服马达产品 他们之间的差别也是非常大的 在同一 脉冲驱动时 不同的伺服马达存在 10o 的偏差也是正常的 正因上述的原因 不推荐使用小于 1ms 及大于 2ms 的脉冲作为驱动信号 实际上 伺服马达的最初 设计表也只是在 45o 的范围 而且 超出此范围时 脉冲宽度转动角度之间的 线性关系也会变差 要特别注意 绝不可加载让伺服马达输出位置超过 90o 的脉冲信号 否则会 损坏伺服马达的输出限位机构或齿轮组等机械部件 第五章第五章 软件设计软件设计 如果硬件结构是智能小车的躯体 那软件就是小车的灵魂 没有软件 小车就 无法实现智能化 一个好的程序 能让小车在现有的硬件基础上 发挥出其最佳 的效果 所以程序的设计是很重要的环节 智能小车的程序流程图 如下图 26 27 28 智能小车的程序及其注释可见附录 1 下面让我们来详细研究一下程序的各细 节 5 15 1 程序初始化程序初始化 5 1 15 1 1 程序程序 START MOV SP 2FH 中断堆栈入口 CLR P3 防止 H 桥短路 MOV R1 200 舵机信号 20ms MOV R2 15 舵机高电平时间 转向角度 MOV R3 50 马达 PWM 周期 5ms 太大了会引起电机抖动 MOV R4 20 马达 PWM 高电平时间 转速 MOV 11H 15 舵机角度的暂存地址 可自己定义 赋值 R2 MOV 12H 20 马达速度的暂存地址 可自己定义 赋值 R4 MOV 13H 0FFH 刹车标志位 MOV 14H 4 小车行走圈数 5 1 25 1 2 程序解析程序解析 CLR P3 是为了防止 H 桥短路 由 H 桥电路可知 若给 H 桥同时输入正反转信 号 三极管全部导通 正极会直接接地 造成短路 烧坏电路板及电池 程序中的一般用途寄存器 Rn 表示时间 程序每次执行中断子程序的时候会将 其减 1 由于每次中断是 0 1ms 所以 Rn 的值乘以 0 1ms 就等于其代表的时间 即 Rn 0 1ms 时间 程序中用到直接地址是因为寄存器不够用 当然给 RS0 RS1 赋值可以选择别 的工作寄存器组 但相对来说 就比较麻烦 我们知道 00H 1FH 共有 4 组工作 寄存器组 默认用第 0 组工作寄存器 一般不用用到另外三组 我们可以用直接 地址来应用它 也可以通过 EQU 来定义他们的符号 然后用符号表示该地址 5 25 2 开中断开中断 5 2 15 2 1 程序程序 MOV TMOD 02H 8 位自动填充计时器 0 MOV TH0 048H MOV TL0 048H 29 SETB EA 开中断 SETB ET0 SETB TR0 5 2 25 2 2 程序解析程序解析 用 8 位自动填充计时器 0 我们可以省去给计时器再赋值和步骤 计时 0 1ms 之后 程序会自行赋值 接着计时 0 1ms 我们知道 单片机同一时间内只能运行一个计时器 那么我们如何去实现计算 多个时间呢 我们可以通过中断子程序来实现 该程序中中断每 0 1ms 执行一 次 我们在中断子程序中利用多个寄存器计数原理 每个寄存器会有一个特定的 值 表示时间 Rn 0 1ms 时间 当寄存器的值被减至 0 的时候 就是计时到了 这样就能实现计算多个时间了 具体见中断子程序 5 35 3 检测头数据处理检测头数据处理 5 3 15 3 1 程序程序 KEY MOV 10H P1 对比传感器的数据有无变化 MOV A R5 CJNE A 10H KEY0 SJMP KEY KEY0 MOV R5 10H 把传感器的数据给 R5 KEY1 CJNE R5 11110000B KEY2 将传感器数据与已知数据对比 可知小车所处的状况 MOV 11H 19 舵机转向数值 MOV R7 3 刹车时间 可调 LCALL SHACHE 调用刹车子程序 MOV 12H 20 转弯速度 可调 LJMP KEY 返回扫描传感器 KEY2 CJNE R5 10000111B KEY3 以下同上 KEY10 CJNE R5 10000010B KEY11 30 MOV 11H 12 MOV R7 3 LCALL SHACHE MOV 13H 08H 刹车标志 MOV 12H 22 LJMP KEY KEY11 CJNE R5 10010000B KEY12 MOV 13H 0FFH 去除刹车标志 MOV 11H 17 MOV 12H 22 LJMP KEY KEY14 CJNE R5 11111111B KEY15 判断是否经过起点 DJNZ 14H KEY15 判断圈数 CLR EA CLR P3 1 CLR P3 2 SJMP KEY15 LJMP KEY 5 3 25 3 2 程序解析程序解析 KEY MOV 10H P1 对比传感器的数据有无变化 MOV A R5 CJNE A 10H KEY0 SJMP KEY 这一段程序是判断检测头探测到黑线的位置有没有变化 若产生变化 则数据 与前一数据就不相等 此时则执行数据对比 让小车作出相应的动作 31 KEY1 CJNE R5 11110000B KEY2 将传感器数据与已知数据对比 可知小车所处的状况 MOV 11H 19 舵机转向数值 MOV R7 3 刹车时间 可调 LCALL SHACHE 调用刹车子程序 MOV 12H 20 转弯速度 可调 LJMP KEY 返回扫描传感器 这一段程序是数据对比的一般情况 将传感器数据与已知数据对比 可知小车 所处的状状态 从而控制小车的转向角度 行车速度 是否要刹车等 一般除了 中间的三个检测头不用刹车外 其他的检测头检测到黑线都要进行刹车减速 因 为速度过快 会致使检测头检测不到黑线 从而发生误动作 另外 因为检测头 是接 P 口与单片机相连的 P 口默认为 0FFH 除了 Pn 0 Pn 6 之外 我们应该 意识到 Pn 7 是高电平 1 的 KEY10 CJNE R5 10000010B KEY11 MOV 11H 12 MOV R7 3 LCALL SHACHE MOV 13H 08H 刹过车标志 MOV 12H 22 LJMP KEY KEY11 CJNE R5 10010000B KEY12 MOV 13H 0FFH 去除刹过车标志 MOV 11H 17 MOV 12H 22 LJMP KEY 32 程序中的刹过车标志的作用巨大 如下图 当小车的检测头 A 检测到黑线并执行刹车子程序后 其位置可能会如图中所示 跑出跑道 那么当小车回轨道的时候 A 点必先经过黑线 若无刹过车标志 那么小车在回到轨道时还会再刹一次车 那是没必要的 并且会降低小车的速度 增加了完成的时间 所以有 刹过车标志 就可在刹车子程序中避免这一点 当 小车返回轨道后 不会进行减速 只有在黑线处在中间三个检测头的位置时 执 行 去除刹过车标志 后才能再刹车 KEY14 CJNE R5 11111111B KEY15 判断是否经过起点 DJNZ 14H KEY15 判断圈数 CLR EA CLR P3 1 CLR P3 2 SJMP 赛道的规格和起点如图所示 33 所以在小车经过起点时 检测头的信号应该是 11111111B 只要一检测到此 信号 我们就计一次圈数 直到跑完规定的圈数之后 就命令小车停车 5 45 4 刹车子程序刹车子程序 5 4 15 4 1 程序程序 SHACHE MOV A 13H CJNE A 08H SHACHE1 判断是否刹过车 RET SHACHE1 CJNE A 0FH SHACHE2 判断是否刹过车 RET SHACHE2 MOV 12H 20 电机高电平时间 MOV 13H 00H 对应中断中的刹车识别 SHACHE3 MOV R6 200 计时累计 20ms SHACHE4 CJNE R6 00H 判断是否达到 20ms DJNZ R7 SHACHE3 刹车时间等于 20ms 乘以 R7 MOV 13H 0FFH 去除刹车识别 RET 子程序返回 5 4 25 4 2 程序解析程序解析 13H 默认为刹车标志位 对其赋值 我们便可知道它是否刹过车 在什么状态 下刹的车 如 0FFH 是没刹过车 不需要刹车 00H 是需要进行刹车 08H 是 在离小车中线第二个检测头检测到黑线时刹过车 0FH 是在离小车中线第三个 检测头检测到黑线时刹过车等 程序中我们得先判断是否需要刹车 接着的 SHACHE2 MOV 12H 20 是刹车 的力度要多大 其中的立即数越大 刹车的力度就越大 过大时小车的路线就不 够平滑 整车的震动也会越厉害 影响小车的运行 过小时小车的速度就不能马 上减下来 导致小车冲出跑道 SHACHE3 MOV R6 200 计时累计 20ms SHACHE4 CJNE R6 00H 判断是否达到 20ms DJNZ R7 SHACHE3 刹车时间等于 20ms 乘以 R7 34 上程序是刹车的计时程序 利用中断降序中的 DEC R6 R6 每 0 1ms 就会减 一 R6 为 0 时 就减了 200 次 也就是 20ms 其中 R7 又是执行计时 20ms 的次 数 这样 我们就可以对小车进行计时刹车了 5 55 5 中断子程序中断子程序 5 5 15 5 1 程序程序 T0INT DEC R6 对应刹车子程序 每 100us 减 1 DJNZ R1 SB1 判断是否达到 20ms SETB P3 0 舵机高电平 MOV R1 200 赋值 MOV A 11H MOV R2 A SB1 DJNZ R2 SB2 判断时间 CLR P3 0 舵机低电平 MOV R2 255 赋值 在 20ms 内不动作 SB2 DJNZ R3 SB4 判断是否到达 5ms MOV A 13H CJNE A 00H SB3 判断是否在执行刹车 CLR P3 1 禁止正转 重要 SETB P3 2 电机反转刹车 MOV R3 50 赋值 MOV R4 12H SJMP SB4 SB3 CLR P3 2 禁止反转 重要 SETB P3 1 电机正转高电平 MOV R3 50 赋值 MOV R4 12H SB4 DJNZ R4 SB 判断时间 CLR P3 1 电机正转低电平 CLR P3 2 电机反转低电平 35 MOV R4 255 赋值 在 5ms 内不动作 SB RETI 中断返回 END 5 5 25 5 2 程序解析程序解析 程序基本上都是按 DJNZ Rn 标号 进行计时的 计时时间为 Rn 0 1ms 如 舵机信号 信号输出口为 P3 0 一开始给 P3 0 高电平 R2 为高电平时间 R1 为周期 两者同时计时 当 R2 计时到了之后 将 P3 0 置低电平 此时 R1 还在计时 当 R1 计时到了之后 又回到一开始的地方 将 P3 0 置高电平 并重新赋值 同理 PWM 信号也如此 不过 PWM 信号的输出口要看要求而定 若是正转 输 出口为 P3 1 若是反转 刹车 输出口为 P3 2 全由刹车标志位 13H 决定 36 第六章第六章 总结总结 经过 3 个月的努力 我们的毕业设计终于完成了 在这 3 个月的时间里 我 们完成了小车的控制的电路 检测电路 电机驱动电路 电源电路 稳压电路和 软件的设计 一切都是由零开始 俗话说万事开头难 也正如说的一样 我们的开头也是 十分艰难的 老师是在大二学期末给我们布置的任务 当时老师就给了一份资料 我们 让我们暑假回家去看 让我们在大三的时候把这任务完成 当时的我们 就连最基本三极管都不会用 最基本的电路知识都不懂 当时的我们就只是懂得 51 单片机的编程和老师给我们的一份资料 老师给我们的鼓励是莫大的 如果不是老师给我们鼓励和支持