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简易智能电动车资料,毕业设计

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设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 1 页 共 10 页 1 E3 2003 年全国大学生 电子设计竞赛 简易智能电动车 设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 2003年 9月 18日 nts设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 2 页 共 10 页 2 简易智能电动车（ E题） 摘要： 简易智能电动车由一个电动玩具车改造而成。系统的控制部分以单片机为核心，通过对前向通道各种传感器信号的采集、处理，较好地实现了后向通道驱动及转向电机的运动控制和相关信息的处理、显示和声光报警。 关键词： 电动 车，路径跟踪，避障，光源引导 nts设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 3 页 共 10 页 3 本系统要求设计并制作一个简易智能电动车，其行驶路线示意图如图 1 所示： 图 1 智能电动车 行驶路线示意图 1 设计方案包括基本要求，发挥部分及其它创新部分 总电路框图如图 2所示： 1 1 基本要求 电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线）、沿宽度为 2cm 的黑色引导线到达 B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有 13块宽度为 15cm、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时，立即发出声光指 示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。 电动车到达 B点后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达 C点（也可脱离圆弧引导线到达 C点）。 C 点下埋有边长为 15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达 C点检测到薄铁片后在 C处停车 5秒，停车期间发出断续的声光信息。 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。 障 碍 物 1 障 碍 物 2 1m 1m 2m R=0.8m C B 5cm 起跑线 1.2m 2.3m 0.4m 5cm 5cm 2cm 5cm5cm 2cm 停车区 0.4m 12cm光源 1.45m0.4m 0.3m 直道区 弯道区 2mO 50cm障 碍 区 引导线 车库 0.2m 0.4m 15cm 12.5cm 12.5cm 5cm nts设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 4 页 共 10 页 4 电动车完成上述任务后立即停车，全程不得超过 90秒，行驶时间达到 90秒时立即自动停车。 图 2 系统总体框图 1 2 发挥部分和创新部分 电动 车在“直道区”行驶过程中，我们存储并显示出了每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。 电动车进入停车区域后，能准确驶入车库中。 停车后，能准确显示全程行驶时间及成功或完成信息。 2 单元电路的方案论证与电路参数计算 2 1 线路跟踪电路 方案一：采用 CCD单色摄像头，配计算机主板及图像采集卡。对白背景下，黑线的识别，目前做的比较成熟，效果相当好。但成本高，很难找到合适的载体。 方案二：采用颜色传感器。目前颜色传感器的应用，越来越广泛，效果也可以。但几百元的价格及相对复杂的处理电路，并且还需要光源，所以 也不是一个很好的选择。 方案三：采用一左一右两个红外发射接收对管。该传感器不但价格便宜，容易购买，而且处理电路（如图 3 所示），简单易行，实际使用效果很好，能很顺利地引导小车到达 C点。 在该电路中，加比较器 LM311的目的，是使模拟量转化为开关量，便于处理。为 2 只红外传感器（避障） 2 只红外对管（线路跟踪） 2 只光敏传感器（寻找光源） 单 片 机（89C52） 电机驱动电路 3 只电机 A/D LCD 声光报警 电源电路 1 只金属探测传感器 nts设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 5 页 共 10 页 5 使发射有一定的功率，发射回路要求不小于 20mA的电流。 根据 mARI 201 7.15 ，故可选择 R1=150。 启动时，小车跨骑在黑线上。两个红外发射接收对管，分别安装在黑线的两侧的白色区域，输出为低电压，当走偏，位于黑线 上时，输出为高电压。因黑线较窄（ 2cm），为及时调整车的方向，选择比较器的阀值为 2.5v，即黑白相间的位置，即开始调整。实验表明，效果较理想 CN Y 70R1150R210kr410kR310k2376 5184L M 31 1+ 5v+ 5vR510k+ 5v+ 5vP 1 . 3C7104图 3 红外发射接收对管处理电路 2 2 避障电路 方案一：采用激光传感器测距。能非常准确地测出小车与障碍物的距离，但价格也高，处理复杂，不符合我们的要求。 方案二：采用超声传感器。进口的超声传感器，换能器薄，并且带处理电路，输出与距离成比例的模拟信号，通过 AD 转换，可获得距离信息，价格贵。也有一些较简单的超声传感器及处理电路，能输出开关量信息，价格也不贵，是 一个好的选择，但由于没买到现成的处理电路，平常又没有做过这种电路，时间紧，故未采用。 方案三：采用左右两个红外传感器。红外传感器，是目前使用比较普遍的一种避障传感器，其处理电路如图 4 所示，通过调节 R23、 R24 两个电位器，可调节两个nts设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 6 页 共 10 页 6 红外传感器的检测距离为 10 80cm，开关量输出（ TTL 电平），简单、可靠。我们采用这种电路，能可靠地检测左前方、右前方、前方的障碍情况，为成功避障提供了保证。 C2 222pFC2 42200pFY338KR1 11MR1 812KR2 13K 9R2 23K 9D61N 41 48D71N 41 48R2 3502R2 4502R71KR81KQ29012V C C1 2 3J8C1 5100uFR1 947R2 03K 9V C CQ39012R1 3100R1 4100D8IRLD9IRR1 2U 7A74 H C 143 4U 7B74 H C 145 6U 7C74 H C 1489U 7D74 H C 14P 1. 1P 1. 0p1 . 2图 4 红外发射及接收处理电路 2 3 光源检测电路 为了检测光线的强弱，我们在小车左前方、右前方加了 2 只光 敏传感器，即光敏电阻。电路如图 5所示。光敏传感器根据照射在它上面的光线的强弱，阻值发生变化，输出电压随之变化，通过 ADC0809后，得到与光强相对应的数字量，从而引导小车，向光源靠近。不同型号的光敏电阻，暗电阻及亮电阻差别较大，需根据不同参数的光敏电阻，选用不同大小的分压电阻。 nts设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 7 页 共 10 页 7 IN -026m s b2-1212-220IN -1272-3192-418IN -2282-582-615IN -312-714l s b2-817IN -42E O C7IN -53A D D -A25IN -64A D D -B24A D D -C23IN -75A L E22re f (-)16E N A B L E9S T A R T6re f (+ )12C L O C K10U2A D C 0809+ 5vRR+ 5v10KP H O T O104V C CP 2 . 3P 2 . 2P 2 . 48 9 C 5 2 - A L EP 2 . 5图 5 光源检测电路 2 4 金属检测电路 采用了一只涡流型铁金属探测传感器，型号： LJ18A3-8-Z/BX。可靠探测距离， 小于 8cm。 2 5 电机驱动电路 电动小车的本身自带的换向及驱动电路，相当粗糙，电机的特性 也很不好，不能调速。电压低了，速度慢，驱动力矩小，走不动；电压高时（刚换上电池时），速度又很快，难以调整。在这上面，花费了不少的时间，效果很不好。最后，决定对小车的电机及驱动电路，进行了更换。后轮采用了一对减速直流电机，其驱动电路如图6所示。采用 PWM控制，可较方便的对电机进行调速。 1122334455667788991010111112121313141415151616S N 7 5 4 4 1 0V d dV C C1011E7 4 H C 1 4C6104C710412 13U 7 F7 4 H C 1 4P 3 .2P 3 .3P 3 .0P 3 .1MOT1+MOT1-MOT2+MOT2-图 6 电机驱动电路 nts设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 8 页 共 10 页 8 2 6 液晶显示电路 液晶显示器，选用的是 16X2点阵字符型显示器，功耗低，小巧、美观。 2 7 电源电路 电动车可提供 9V的电源（ 6节干电池）。控制系统使用 5V的电源，采用了 LM7805进行 DC/DC变换。 3 软件设计 3 1 软件所实现的功能 路线跟踪 障碍检测 寻找光源 金属探测，数目存储、显示 运行时间显示 起跑线与金属铁片中心点间的距离计算与显示 3 2 软件流程 系统的主程序流程框图如图 7所示。 开 始 系统初始化 延时 2s 后，启动电机。计时开始 路线跟踪模块： 运行过程中，不断检测是否压线，压线，则及时调整；同时进行金属探测，记数，计算、显示距离，根据距离及探测到的金属判断 C 点位置。断续声光报警 5s。 启动避障、寻找光源模块： 1 在 C 点，调整车的方向 2 先向左，在向右，调整车的位置 3 根据红外和光敏传感器的信息，实时调整小车的运动方向 4 根据光敏传感器的信息，入库 5 显示完成或成功及运行总时间。 结 束 nts设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 9 页 共 10 页 9 图 7 系统的主程序流程框图 4 测试方法与仪表 4 1 测试仪表 秒表两块 ，刻度尺 4 2 测试方法 将汽车放于起跑线，开启电源开关。小车响第 2 次声音时，开始前行，第 一块秒表开始计时； 运行到 C 点停车时，第二块秒表开始计时，到车离开 C 点第二块秒表停止计时，记录停在 C点的时间； 汽车到终点区即入库停车，第一块秒表停止计时，记录总运行时间。读出并记录此时液晶显示的的时间； 在“直道区”引导线下分别埋设 1、 2或 3块薄铁片，每次均用直尺测出并记 录该铁片的中心距起跑线的距离；在汽车运行至该铁片发出声光报警时，读出此时液晶显示的距离并记录。 4 3 测试数据及测试结果分析 测试条件 按照题目给定的尺寸，在实验室自做场地，白天和晚上分别测试。 测试数据 总共进行 20次测量，白天 和晚上各 10次。 20次中，汽车停留在 C点时间，实测值与秒表均为 5秒，相对误差和绝对误差为 0。 汽车运行总时间测量数据如下表： 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 白 天 秒 表 58 66 71 90 66 78 89 51 49 77 显 示 58 66 70 90 65 78 88 50 48 76 晚上 秒 表 47 47 50 56 49 48 60 53 47 50 显 示 47 48 50 57 50 49 60 53 46 49 绝对误差：最大为 1秒； nts设计单位：山东交通学院 设计者：官涛 孟祥君 朱成良 指导教师：肖海荣 王旭光 赵永林 张吉卫 王得利 设计时间： 2003.9.15 2003.9.18 第 10 页 共 10 页 10 测试结果表明：晚 上明显比白天效果要好。白天，偶尔会有失败的情况。 距离测试 铁片数目 实际距离 显示距离 绝对误差 相对误差 1 1.1 1.08 0.02 1.8% 2 0.6 0.62 0.02 2% 1.7 1.69 0.01 0.58% 3 0.9 0.91 0.01 1.1% 1.4 1.39 0.01 0.72% 1.8 1.83 0.03 1.67% 5 参考文献 1 余永权 . Flash 单片机原理及应用 . 北京：电子工业出版社， 1997 2 王福瑞等编著。单片微机测控系统 设计大全。北京航空航天大学出版社， 1999 3 李华。 MCS-51 系列单片机使用接口技术。 北京航空航天大学出版社， 1990 4 何立民。单片机应用系统设计。 北京航空航天大学出版社， 1993 5 方佩敏。新编传感器原理应用电路详解。 北京：电子工业出版社， 1994 6 黄继昌等。传感器工作原理及应用实例。北京：人民邮电出版社， 1998。 7 纪宗南。单片机外围器件实用手册 输入通道器件分册。 北京航空航天大学出版社， 1998 nts青岛大学自动化工程学院：冯焕源、盛中来、刘蒙恩 指导老师：迟洁茹 1 E4简易智能电动车 青岛大学自动化工程学院：冯焕源、盛中来、刘蒙恩 指导老师：迟洁茹 摘要 本系统采用 AT89C52 为中心控制器，实现电动车的智能控制功能。整个电动车智能控制系统包括：上位机实时模拟系统，主控制系统和各种标志的传感器检测系统三大部分。上位机实时模拟系统根据主控制系统传送的行程、行驶时间、铁片数目等各种参数实时模拟电动车的运行状况，实时监控电动车的运行情况。主控制系统的功能主要是启动电动车、检测并计数铁片、测量行程、计时行驶时间、显示所需的各种参数，并且负责和上位机、检测控制系统通信。检测控 制系统通过各传感器检测引导线、障碍物和光源等控制信号，并送入单片机，单片机判断、处理后，控制 MOTOR1（左轮驱动电机）和 MOTOR2（右轮驱动电机），以达到控制电动车行进方向的目的，使电动车准确进入车库，完成预定任务。且在完成了题目要求的各项任务的基础上，加入了一些创新：如声控功能和无线传输功能，实现上位机的实时模拟等。 nts青岛大学自动化工程学院：冯焕源、盛中来、刘蒙恩 指导老师：迟洁茹 2 采用以 AT89C52 为中心控制器的智能控制系统，实现电动车的智能控制功能。系统总体设计框图如下图： 控制过程：系统上电后，等待外部声控启 动信号。主控制系统的麦克接收到声控信号后，产生一高低电平变化，从而使主控制系统的单片机产生中断。主控制系统的单片机在接收到该中断后，通过 P1.3 为检测控制系统的单片机提供启动信号，检测控制系统的单片机检测到该信号后发出控制信号，给 MOTOR1 和MOTOR2 通电，启动电动车。同时主控制系统的单片机通过透射式光电传感器测量行程，金属感应器检测铁片且在 PCF8563 秒脉冲的作用下计时并把各种参数在液晶显示器上显示出来，同时用无线收发模块 RF2000 把这些参数发送到上位机，在上位机上模拟电动车的运行情况。监测控制系 统有两个在车下的红外线传感器用于检测引导线，使电动车在 AC 之间始终沿着引导线前进。在 C 以后运行中，电动车始终朝着光源前进，当在车前的红外线测距传感器检测到障碍物后，电动车左转避开障碍物，避开障碍物后，继续朝着光源前进，进入车库。当在前的两个红外线传感器检测到黑线后，停止电动车，停止计时。 主控制 系统 单 片 机 显示 无线 通信 单 片 机 铁片 检测 行程 测量 MOTOR2 检测控制系统 MOTOR1 引导线 检测 光源 检测 障碍物 检测 实时模拟系统 nts青岛大学自动化工程学院：冯焕源、盛中来、刘蒙恩 指导老师：迟洁茹 3 方案论证 ： 计时 方案一： 在需用秒脉冲时，大部分设计采用 555 定时器组成秒脉冲多谐振荡器。电路图如图所示： 这种设计有一定的优势，只需硬件设计好，无需软件设定，该电路即可输出恒定的秒脉 冲。但该电路功耗较大 ,且只能提供简单的脉冲信号。 方案二： 采用由 PCF8563 日历时钟芯片组成的电路提供秒脉冲。该部分硬件电路如图： 设定好 PCF8563 的 CLKOUT 输出频率控制字，即可输出所需频率的脉冲信号，在本设计中所用频率为 1Hz。单片机在该秒脉冲的作用下可实现计时、 C 点停留 5S 等功能。并且在给 PCF8563 送入初始的日历信息后 , PCF8563 中的日历就会自动运行，经单片机读取、处理后就可以在液晶显示器上显示当前日历。而且该部分电路还加了掉电保护功能，在主供电系统意外断电时， 即 Vcc 为 0V 时，D1 截止， 3.6V 备用电源通过 D2 继续给 PCF8563 供电 ,保证 8563 的正常运行。因此在本系统中采用方案二。 由 PCF8563 组成的秒脉冲发生器 由 CB555 组成的秒脉冲发生器 C20. 01 uC110uR147KR347KR22K G N D1TR2Vo3RD4V c c8D IS C7TH6V c o5RP ?CB55 5V C C秒脉冲nts青岛大学自动化工程学院：冯焕源、盛中来、刘蒙恩 指导老师：迟洁茹 4 行程测量 方案一： 采用开关式霍尔元件 将磁铁固定在小汽车的车轮上 ,当车轮转动时 ,磁铁也跟着转动 ,霍尔元件感应到磁场的变化时 ,就会产生通断效果 ,使单片机的定时器 T0 的输入端产生高低电平的变化 ,从而使得 T0 计数小汽车车轮转的圈数 ,假设为 N,并设车轮的周长为L,通过 S=N*L,就可以计算出小汽车在一段时间内的行程。这种测量方法的测量数据只能是车轮周长的整数倍，误差较大。例如：小汽 车的车轮半径为 1cm，那么这种测量方法的最小误差就可达到 6cm 方案二： 采用透光式光电传感器，硬件电路如图。 在小汽车的车轮上钻若干小孔，设小孔的个数为 n。在车轮转动时，发光二极管发射的光被没有孔的地方遮挡时，光敏三极管不能导通，光敏三极管的集电极输出为高电平，经 CD40106 反相后，单片机定时器 T0 的输入端为低电平。在有小孔的地方，发光二极管发射的光就会透过小孔照射到光敏三极管上，使光敏三极管导通，此时光敏三极管的集电极输出为低电平。在经 CD40106 反相后，单片机定时器 T0的输入为高电平。单片机定时 器 T0 就会准确记录下这种高低电平的变化的次数，即通过的小孔的个数。假设为 N, 并设车轮的周长与方案一的相同也是 L，某段时间内的行程计算公式为： S=N*L/n，可以看到这种测量方法的最小误差为方案一的 1/n，可较为精确地测量出小汽车的行程。并且可以进行误差控制，因为孔的个数与误差成反比，要想提高准确度只要增加小孔的个数就可以。故采用方案二。 电机控制 由于电动车采用了前面使用万向轮，两个后轮各一个电机驱动的驱动方式，所以可使电动车旋转 360 度，这样即使光源在电动车的后方，电动车也可以通过在原地不断旋转的方式找 到光源的准确位置，从而完成寻找光源，入库等功能。在电动机的控制上有两种方案可供选择。 方案一 :利用 9012、 2SC8050、及电机构成驱动电路。 如果单片机 89C52 控制口 P1.7 输出高电平， 9012 截止， 2SC8050 截止，电机停止运转。单片机 89C52 控制口 P1.7 输出低电平时， 9012 导通， 2SC8050 导通，电机开始运转。该电路比较简单，输出功率足够大，足以推动电机工作，并且电机工作时透光式光电传感器行程测量电路 nts青岛大学自动化工程学院：冯焕源、盛中来、刘蒙恩 指导老师：迟洁茹 5 三极管性能非常稳定。但该方案中单片机部分和电机供电部分没有完全隔离，而电动机在切换时会产生巨大的反电动势，经常烧坏单片机。 方案二： 利用 BA6219B 及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。 12J2M O T O R 112345678910J4B A 6 2 1 9 BZ1+5C D 11041 I N 11 I N 2+ 9 VN C 1100uRC1 3C D 2104C M 10 . 3 3 u单片机控制口接 BA6219B 的两个输入控制端 IN1,IN2。 BA6219 的两个输出端 OUT1(2),OUT2(10)接电机。 电机转动状态编码： 左电机 右电机 左电机 右电机 电 动车运行状态 1IN1 1IN2 2IN1 2IN2 1 0 1 0 正转 正转 前行 1 0 0 1 正转 反转 左转 1 0 0 0 正转 停 以左电机为中心原地左转 0 1 1 0 反转 正转 右转 0 0 1 0 停 正转 以右电机为中心原地右转 0 1 0 1 反转 反转 后退 根据上表可知，只要设定两块 BA6219B 的 1IN1,1IN2,2IN1,2IN2 四个控制端口的不同编码，就可得到电动车的前进，后退，旋转等不同的运行状态；且BA6219B 的最大输出电流为 2.2A，可 使电动车快速运行。故采用方案二。 无线通信 方案一： 红外光方式 红外通信只适用于室内静止或慢速移动中的点对点通信，方向性要求高，对于运动中的小汽车传输过程中易产生误码，性能不稳定。 方案二： 使用无线 MODEM（ RF2000） RF2000 采用 Nordic 公司的 nRF401 芯片，它是一种 RF 无线收发芯片 ，一个RF2000 模块即可以接收数据也可以发送数据。但属于半双工工作方式。接收与发送方式选择由 TXEN 控制。而且有两个工作频道可供选择：工作频道一：434.33MHz;工作频道二： 433.92MHz。 nts青岛大学自动化工程学院：冯焕源、盛中来、刘蒙恩 指导老师：迟洁茹 6 工作模 式控制及工作频道选择： 主控制系统与 RF2000 的连接电路图如图。 DI、 DO分别接单片机的 TXD、 RXD。接主控制系统的 RF2000始终为发射方。 CS401， PWR，TXEN始终置 0， 1， 1。也就是工作在工作频道1-434.33MHz，发射状态。 上位机（ COMPUTER）实时模拟系统与 RF2000的连接电路图 C 2 -5V C C16C2+4V-6R 2 I N8R 2 O U T9C 1 -3V+2C1+1G N D15T 2 I N10T 2 O U T7U 1 3M A X 2 3 2T X DR X DV C C162738495J1R S -2 3 2C12 1 . 0 u FC13 1 . 0 u FC141 . 0 u FC251 . 0 u FC261 . 0 u F1234567R F 1R F 2 0 0 0V+C S 4 0 1T X DR X DP W RT X E NG N DC270 . 1 uC284 . 7 uL1330uHV C C接上位机的 RF2000始终为接收方， CS401， PWR， TXEN始终置 0， 1， 0。也就是工作在工作频道 1-434.33MHz，接收状态。使用 RF2000设计比较 简单，且不受外界环境影响，具有较低的发射功率和较高的接收灵敏度，并且可工作在较低速率下如常用的单片机串口波特率 9600bps。采用 FSK调制方式，抗干扰能力强。基于以上诸多优点所以在本系统中无线通信部分采用了方案二的设计。 运行情况测试 测试仪器清单：秒表，函数发生器，示波器，频率计等 测试过程及测试数据： 在单项模块测试完成之后，进行组装整体测试。组装后的整车尺寸为28cm(长 )*18cm(宽 )*15cm(高 )。 首先按照题目要求制作场地如下： RF2000 与单片机连接电路图 1234567RFR F 401V+C S 401DODIP W RT X E NG N DC 160. 1uC 154. 7uL1330m HV C Cnts青岛大学自动化工程学院：冯焕源、盛中来、刘蒙恩 指导老师：迟洁茹 7 场 地内全部敷设白色绘图纸，并用透明胶带固定。在白纸下面按要求放置 4块铁片，其中最后一块置于 C 点。然后用毛笔绘制边线及引导线。 首先将整车放于起点处，上电后通过声音信号启动运行。小车正确感应到铁片，发出声光指示信息。小车正常寻迹运行到 C 点之后，在 C 点停留 5 秒，然后小车重新启动，朝光源方向直线行使，直至检测到前方出现障碍物。在检测到障碍物之后，小车左转 90 度行驶，绕过障碍物，继续向光源方向行驶，直至进入车库后检测到黑色边线，停止运行。小车在经过 C 点之后的路线如图所示。 下表为连续十次的运行时间： 次数 1 2 3 4 5 运行时间 75s 68s 69s 74s 60s 次数 6 7 8 9 10 运行时间 62s 74s 65s 70s 64s 由上表数据可知，本系统完全可以在 90 秒之内完成题目所要求的各项任务，并实现无线传输，声控等创新功能。 障 碍 物 1 障 碍 物 2 1m 1m 2m R=0.8m C B 5cm 起跑线 1.2m 2.3m 0.4m 5cm 5cm 2cm 5cm5cm 2cm 停车区 0.4m 12cm光源 1.45m0.4m 0.3m 直道区 弯 道区 2mO 50cm障 碍 区 引导线 车库 0.2m 0.4m 15cm 12.5cm 12.5cm 5cm 行使路线 nts中国海洋大学 郭长玉 许林林 闫芳芳 1 E9 简易智能电动车设计报告 中国海洋大学 郭长玉 许林林 闫芳芳 摘要 本智能小车采用凌阳单片机 SPCE061A 作为控制器，利用感光、感铁及红外接近传感器来感知外界信号的变化，实现了小车能够沿着黑线走，并且越过障碍物通过光源的引导顺利的达车库，途中记录了遇到的铁块数目并且显示出来。 一、 方安论证与比较 1 方案比较 方案一：用继电器来控制电机的停与转，但是转速不可调。用红外传感器实现避障，红外传感器发出了红外光，障碍物反射光，距离障碍物远近不同，传感器输出的信号不同，将信号送入单片机进行 A/D 转换，控制小车的左传、右转。 方案二：用单片机的 PWM 信号控制电机的转速，即可实现电机转弯，用红外接近传感器实现避障，当距离障碍物 10cm 时，红外接近传感器由低电平变为高电平。由单片机控制小车转弯，用磁接近开关检测铁片，有铁片即使开关由常开变常闭，单片机进行声光报警，有光敏三极管检测 200w 光源。 有光敏电阻来检测白纸上的黑线，是小车顺黑线运动。 2 方案的确定 比较两种方案，运用方案一，信号的处理比较复杂，不容 易实现对小车的控制。方案二运用了比较先进的传感器，使问题的处理变得相对简单。通过比较我们最终选用了方案二，并基本完成了题目设计要求 二、 工作原理、框图及电路设计 1、 工作原理 利用光敏电阻来感知黑线，能够使小车沿着黑线的轨迹走；利用感金属的接近开关来感知铁块，使小车遇到铁块时发出信号；当碰到障碍物时，光电开关由低电平变为高电平；利用光敏三极管来感知光源，引导小车进入车库。 2、 电路方框图 感金属接近 传感器 接近传感器 光敏三极管 单片机 SPCE061A 声音 电机运转 显示 nts中国海洋大学 郭长玉 许林林 闫芳芳 2 3、单元电路设计及分析 （ 1） 光敏电阻部分 利用光敏电阻可以感知颜色的深浅，并根据颜色的深浅的 不同而输出不同的电压信号，从而使小车区分白纸和黑线。具体实现电路如下所示图 1。 图 1 图 2 （ 2） 感金属的接近传感器和红外接近传感器部分 利用感金属的接近传感器可以检测到铁皮向单片机发送出信号，使单片机可以记录下铁块的数目；在小车的前、左、右方各放置一红外接近传感器，当小车遇到障碍物时，可以由传感器向单片机发出电压信号，使小车能够根据信号的不同做出相应的反应，从而实现避开障碍物。 （ 3） 小车经过障碍区以后通过光源的导向，利用光敏 三极管来感知光源，引导小车进入车库。具体实现见软件程序设计，电路图如下：（附电路图） （ 4） 单片机系统 单片机系统整个硬件系统的核心，它既是协调整机工作的控制器，又使数据处理器，其功能如下：（附图） 1 单片机 SPCE-061(晶振频率 32.768K， FLASH32K,3.3 伏供电 ) 2 32 位可编程并行 I/O 接口 3 2 个 16 位可编程定时 /计数器，可以自动预置计数初值 4 具有运行 /睡眠方式下的看门狗维护功能 nts中国海洋大学 郭长玉 许林林 闫芳芳 3 （ 5） 电机驱动部分 各种传感器信号经过单片机处理后，经过驱动芯片 L293D，驱动小车的两轮电机进行相应的动作。 一片驱动芯片 L293D 可以驱动两个电机，利用 PWM 控制实现小车的加 减速，电路原理图如下： （ 6） 语音播放部分 当小车遇到铁块时，小车会发出声音信号。 凌阳 SPE06A 单片机自带双通道 DAC 音频输出， DAC1、 DAC2 转换输出的模拟量电流nts中国海洋大学 郭长玉 许林林 闫芳芳 4 信号分别通过 AUD1 和 AUD2 管脚输出， DAC 输出为电流型输出，经 LM386 音频放大，即可驱动喇叭放音，放大电路如图。在 DAC1、 DAC2 后面接一个简单的音频放大电路和喇叭，就实现语音播放功能。 （ 7） 电源部分 该系统使用的电压是由，单片机电压 3。 3 伏，电机驱动电压 12 伏 特，各种传感器使用的电压是 5 伏特，电源使用 12 伏特的蓄电池供电。具体电路如下： 三、 程序框图 程序框图见： nts中国海洋大学 郭长玉 许林林 闫芳芳 5 开始 单片机初始化（时钟，中 断） 电机初始化 循轨迹行走 5 秒暂停 / 发光 红外避障 光电检测 进入车库 结束 主程序框图 N 中断初始化 铁块数加 1 是否是 4 Y 进入红外避障模式 清中断 返回 外部中断 1（检测铁块） nts中国海洋大学 郭长玉 许林林 闫芳芳 6 四、 测试方法及结果 1、 测试方法 根据实验环境要求，布置了实验环境，反复使小车在环境中进行实验 2、 设计与测试使用的仪器 计算机， SPCE-061A 编程器，示波器，数字万用表 3、 误差分析及措施 由于条件有限，存在传感器误差；电机转速的误差使两个相同型号的电机的转速不可能保持完全同步 4 结果 经过反复实验，我们用凌阳十六位单片机使小车基本上完成了题目所要求实现的功能，小车在 90 秒内成功的到达车库。在下列两方面具有比较突出的优点： (1) 多种传感器的数据融合处理能力 (2) 利用了凌阳单片机的集成性，极大的简化了外围电路。 中断初始化 返回 计数值加一 是否 90 秒 Y N 系统停 止 3 清中断 4Hz 实时中断 nts 1 简易智能电动车 E62 济南大学 信息科学与工程学院 李奎星、姚珊、亓明勇 设计报告 目录 一、 方案比较、选择与论证 -页码 1 二、 系统总体方案设计 -页码 2 1、 系统总体结构设计及说明 -页码 2 2、 系统硬件详细设计、理论分析和计算、详细电路图 -页码 3 3、 系统软件功能设计、理论分析 和计算、各程序框图 -页码 8 4、 软硬件分别调试、联合调试 -页码 11 三、 测试仪器与测试试验方法 -页码 12 开发、实验及测试仪器 -页码 12 四、 测试数据及测试结果分析计算 -页码 13 五、 特色与创新点讨论、设计总结 -页码 13 六、 附录（操作说明、元器件清单、程序清单、参考文献等） -页码 14 nts 2 摘 要 本系统按要求制作了一个简易智能电动车，它能实现的功能是：从起跑线出发，沿引导线到达 B 点。在此期间检测到铺设在白纸下的薄铁片，并同时发出声光指示信息，实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。电动车到达 B 点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导 线到达 C 点，能够检测 C 点下正方形薄铁片，并在 C 点处停车5 秒，停车期间发出断续的声光信息。之后继续行驶，在光源的引导下，利用超声传感器传来的信号通过障碍区进入停车区并到达车库。最后，电动车完成上述任务后能够立即停车，全程行驶时间小于 90秒。 并附加其他功能 。 另外系统中传感器电路额外加入了单片机便于 89C51 单片机在之后的运行中检测四周电路，减小 89C51 负担。 软件方面：因为，会，利用传感器在检测到某物体时输出信号发生特定变化这种规律，让单片机只对此类信号有所反应，大大减少了处理数据，算法，从而加快了系统的 反应速度。 一、 方案比较、选择与论证 根据题目要求，有两种解决方案。 1、精确定时法 nts 3 这种方案主导思想是在对电动车直线、转弯行驶速度以及行程的准确把握基础上利用单片机定时来使电动车顺利通过直道区、弯到区、障碍区并且最终到达车库。 缺点 ：供电电压不稳定，易导致小车车速不稳定，则距离不好控制；另外路线固定不变，不能应对意外事件，而且想要准确跑完全程对于电动车的起始位置、直线行进参数、转弯半径进行精密测量和计算，智能化差。 2、传感器引导法 这种方法核心是单片机通过对传感器信号检测来控制制动电机和电机转向的动作， 智能化大大增强， 可以用下图形象的表示出来： 我们把任务分为了直道 +弯道区、障碍区和停车区，划分依据是：三个部分所用到的感应器不同，实现方法也存在差别。 直道 +弯道区主要用黑白检测光电传感器和金属探测接近开关。 nts 4 障碍区则是用到了超声波传感器。（带显示） 停车区考虑车库放置了光源，因此选择了光电传感器引导小车进入车库。 比起前一种方案来说，这种方案应用面更广，也更接近实用化，智能化。重要的是单片机可以通过对感应器信号的检测来控制电机运作，从而大大提高了运行过程中的实时性，准确性、使得电 动车能够轻松的完成整个过程。 综上所述，本系统设计选用方案 2。 二、 系统总体方案设计 1、 系统总体结构设计及说明 单片机金 属 探 测 传 感 器 信 号 调 理超 生 波 传 感 器 信 号 调 理光 电 传 感 器 信 号 调 理声 、 光 报 警 电 路显 示 电 路电 机 控 制 电 路图一 系统总体结构框图 该系统实现了电动车的自动行驶、躲避障碍物、探测金属、计数、报警、光电引导功能、测量距离、数码显示、电机控制等功能。 nts 5 单片机检测出来感应器输出信号从而输出控制信号，控制电机工作，在直道区，考虑引导线是黑颜色，不宜反光，决定利用这一特性选用反射式光电传感器，当其输出信号照射到黑色引导线上是输出一个非常微弱的低电平。这个过程是 一个负跳变的过程通过对此信号高低电平的检测就可以使电动车沿着直道区和弯道区的引导线行进。 当地下有金属时，金属探测器发出一个高电平，用单片机进行检测。 沿引导线到达 C 点，将从金属探测接近开关发送来的信号作为一个外部终端信号处理，执行停车并发出断续的声光信号，同时进行 5 秒定时计数工作。 在车头安装有超声传感电路对障碍物进行检测。（有效距离 30 厘米） 光电传感器接收部分用于采集光信号，通过比较输出信号向车库行驶。（始终朝在输出信号最强的方向行驶） 以上就是完成这个题目的大体思路和方法。 2、系统硬件详细设计 、理论分析和计算、详细电路图 根据系统要求，硬件电路包括 :电源部分，单片机最小系统、超声波测距电路、金属探测电路、光电传感器、黑白探测传感器、 电机控制电路、显示电路，电动车整体图示如下： nts 6 （ 1） 电源部分 随着微电子技术的不断进步，系统电源的设计在单片机应用系统设计中显得越来越重要，它对单片机系统是否正常工作起着至关重要的作用。由于电动车本身为六节 1.5V 电池供电 ,根据系统要求，选择 7805 稳压管将直流 9V 电压转成 5V 输出。 7805 直流稳压电路图： L M 7 8 0 5V i V o u tC 1 C 2电动机 和金属感器部分用原有的 9V 电压信号，其他电路、传感器都为 5V 电压供电。 （ 2）单片机最小系统 nts 7 利用单片机最小系统实验电路板完成传感器与电动机的连接和控制。 单片机选用 89C51，其内部有 4K 字节的 Flash Rom，电路设计简单。具体为 89C51 的 18、 19 脚接 6MHz， 40 脚输入信号为 5 伏， 20 脚接地， EA 脚接高电平。 （ 3）金属探测电路 由电路图可以得出，当有金属被其探测到时，输出端输出一个高电平，即发生一个正向跳变，将这个正向跳变信号用单片机检测出来，借此控制电动机 产生相应的动作。 以下时金属接近开关外驱动电路： nts 8 （ 4） 显示电路 在单片机应用系统中，显示器显示常用两种方法：静态显示和动态扫描显示。静态显示 占用 单片机 资源 小。可以提供单独锁存的 I/O 接口电路很多，这里 我们组选择最常用的 的串并转换电路 74LS164。 利用 单片机串行 发送接收端口 ，外接 4 片 74LS164 作为 4 位 LED 显示器的静态显示接口，把 89C51 的 RXD 作为数据输出线， TXD 作为移位时钟脉冲。 74LS164 为 TTL 单向 8 位移位寄存器，可实现串行输入，并行输出。 nts 9 nts 10 系统总图： 3、 系统软件功 能设计、理论分析和计算、各程序框图 根据方案设定的三个部分重点解决问题，可以将单片机大量工作集中在信号检测和精确定时计数上。 nts 11 具体实现方法： 因为这是一个对实时性要求很高的系统，所以大量数据信号都要在尽量短的时间内完成。 具体思路如下： 利用单片机查寻法编程，不断的检测外部传感器信号，并及时输出显示。编程关键实时输出。除了传感器本身延时外，还与优化程序程度和电机控制度有关。 nts 12 4)软硬件分别调试、联合调试 阶段调试 我们按照前面的方案同样将调试分为了 3 个阶段： 第一阶段：首先是直道区 +弯道区的调试 1） 通过 两边固定的光电传感器对引导线检测来实现nts 13 电动车沿着引导线到达指定的地点。 2） 根据题目要求，在行进线路上需要检测金属片，因此，我们又加上了金属接近开关用于实现这个要求。 3） 利用原来作过的静态显示电路板和试验用过的子程序，我们将显示功能又加在了系统当中。 第二阶段：障碍区的调试 1） 在障碍区主要解决的问题是如何躲避障碍物，我们根据题目在车头安装了一个超声波发送接收模块，当检测到有障碍物时进行转向。 第三阶段：停车区的调试 1） 检测光电接收器的输出信号，来寻找光信号最强的方向。 联合调试 在分步调试全部通过的基础上，我们开始了 整个系统的协调调试，协调金属传感器、黑白光电传感器、超声波传感器、光电传感器的配合工作。 三、测试仪器与测试试验方法 开发、实验及测试仪器 实验：显示电路实验、电机长时间运行试验、模拟场地试运行试验、超声波发射接收以及测距试验、光电接收试验、电机nts 14 控制试验 测试仪器 ：示波器，多功能稳压电源，电压表，秒表。 四、测试数据及测试结果分析计算 全程行进时间： 24s（误差 2s） 行进距离： 11.2m（误差 3050cm） 传感器工作电压： 金属接近开关 9V 光电传感器 5V 超声波传感 5V 黑白光电传感器 5V 传感器输出信号：金属接近开关 4.8V 光电传感器 4.78V 超声波传感 5.0V 黑白光电传感器 5V 五、特色与创新点讨论、设计总结 在软件和硬件上运用了一些巧妙方法： 硬件方面：超声传感器电路部分额外加入了单片机扩展了此模块功能，并且是的输出信号有规律可循，便于 89C51 单片机 在之后的运行中检测四周电路，减小 89C51 负担，同时大大提高了电动车载应对障碍物时候的反应时间。 软件方面：因为传感器在检 测到某物体时，输出信号会发生特定变化，利用这种变化规律，让单片机只对此类规律的信号nts 15 有所反应，大大减少了处理数据，算法，从而加快了系统的反应速度，大量使用类似于 JB/JNB 命令对相应端口进行查询，并且简化程序代码，避免使用繁琐复杂的终端控制，确保系统的高精确度。另外，整个运行过程中通过采用等分时端口查询思想，只要分时足够小，电动车就会对外界因素有充足的反映空间，即达到了接近实时的信号检测处理效果，又可通过最终等分时数目准确计算出行驶距离，一举两得。 总结与体会 ： 经过为期四天的设计，感触颇深的是解决问 题的方法、技巧。在这四天中，我们遇到许许多多问题，对待问题要多方法处理，多角度处理。通过这几天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。当然，我们的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。 六、 附录 操作说明 该系统实现了电动车的自动行驶、躲避障碍物、探测金属、计数、报警、光电引导功能、测量距离、数码显示、电机控制等功能。 1） 启动时将彻底的电源开关拨至“ ON”位置，此时电源接通。 nts 16 2）供电部分是 6 节 1.5V 五号电池，供电电压 9V。 3）调整电动车底部前端的微调器，可调节电动车的直线行驶性能。（“ R”是右， “ L”是左） 4）使用完毕请把车身的开关至“ OFF”。 5）长期不使用时，请取出车底及遥控器的电池，另行保管。 元器件清单 AT89C51， 74LS04， S9014， S9013，蜂鸣器，超声波传感器，光电传感器，金属探测传感器， ULN2803，电阻、电容若干，发光管。 部分程序清单 (1)测金属： MAIN: MOV SP,60H MOV 40H,#00H MOV 41H,#00H MOV 42H,#00H MOV 43H,#00H MOV 60H,#00H ; ACALL BCD ; ACALL DISP ; MOV 40H,50H CLR P3.7 SS1: JB P3.7,SS1 ; SETB P3.7 SS2: JNB P3.7,SS2 MOV 40H,60H MOV A,40H nts 17 ADD A,#01H ; INC 40H ; MOV A,40H DA A MOV 40H,A MOV 41H,#00H MOV 42H,#00H MOV 43H,#00H MOV 60H,40H ACALL BCD ACALL DISP ; ACALL DELAY1S CLR P3.7 AJMP SS1 DISP: MOV SCON,#00H MOV R0,#40H MOV R2,#04H L00C9: MOV SBUF,R0 L00CB: JNB TI,$ CLR TI INC R0 DJNZ R2,L00C9 RET BCD: MOV R0,#40H MOV R2,#04H MOV DPTR,#TABL TAB: MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,TAB RET TABL: DB 0C0H DB 0F9H DB 0A4H DB 0B0H DB 99H DB 92H DB 82H DB 0F8H DB 80H DB 90H (2) 引导线测试： MAIN: MOV P1,#0FFH ACALL DELAY1S CLR P1.0 CC1: JNB P3.5,CC2 CLR P1.2 AJMP CC1 CC2: JNB P3.4,CC3 CLR P1.3 AJMP CC2 CC3: AJMP CC1 DELAY1S: MOV R3,#50 D1: MOV R4,#20 D2: MOV R5,248 DJNZ R5,$ DJNZ R4,D2 DJNZ R3,D1 RET （ 3）障碍物调试： MAIN: MOV P1,#0FFH ACALL DELAY1S SS: CLR P1.0 NOP DD1: JNB P3.6,DD1 SETB P1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP ; ACALL DELAY CLR P1.1 ACALL DELAY5S SETB P1.1 CLR P1.0 nts 18 CLR P1.3 ACALL DELAY5S ACALL DELAY5S ACALL DELAY5S MOV P1,#0FFH AJMP SS DD3: JNB P3.6,DD3 SETB P1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP CLR P1.1 ACALL DELAY5S SETB P1.1 CLR P1.2 CLR P1.0 ACALL DELAY5S MOV P1,#0FFH AJMP DD2 DELAY1S: MOV R3,#50 D1: MOV R4,#20 D2: MOV R5,248 DJNZ R5,$ DJNZ R4,D2 DJNZ R3,D1 RET DELAY5S: MOV R3,#5 D3: MOV R4,#20 D4: MOV R5,248 DJNZ R5,$ DJNZ R4,