自动壁障寻光太阳能小车.doc

引 言设计任务是制作一套自动追光太阳能充电系统，小车以一定的速度追着光源行走并能绕过障碍物，太阳板始终能面对光源给蓄电池充电。基于此任务在驱动模块带动直流电机正常工作的情况下，采用双单片机控制；一单片机控制用黑色胶带套住光敏电阻，来实现固定方向光强的检测，以此用单片机来控制小车的寻光源；同时控制设定好障碍物的距离的红外发射接受一体探头，当行走到设定距离时，通过软件来实现小车的避障，并继续追着光源行走；另一单片机采用灵敏度较好的硅光敏二极管；通过ATMega16单片机自带的AD来采集在光敏电阻在接受不同的光强时的数据，通过比较数据来实现太阳能电池板转动，以此来时时追踪光源，给蓄电池充电，并用液晶来显示充电状态。1. 设计任务 小车以一定速度追着光源行走，太阳板始终能面对光源给蓄电池充电。小车行进过程中会遇到路障，小车必须能避开路障绕道找到光源并继续追光前进。基于此任务，画出的小车行走几种路线参见附录1。2. 总体方案设计和方案选择总体方案的设计要求在能较好的完成任务的情况下，要求电路简单、操作方便可控制性强，节约成本；基于此提出以下设计方案并予以比较。 方案一：采用以STC89C52为控制系统的核心，直流电机和步进电机作为驱动光敏电阻作为寻光主要器件，用A/D芯片来采集信号，来控制小车、太阳电池板追踪光源；优点：操作点单，易处理；缺点：小车行走的速度及转弯不易控制，A/D芯片价格昂贵、成本，并且外围电路复杂。 方案二：采用以一片ATMega16单片机为控制系统核心，直流电机和步进电机光敏电阻作为寻光主要器件 利用自带的AD来采集数据；优点：端口易控制，相对节约成本；缺点：小车寻光、避障与太阳能电池板追踪光源同时进行不易控制，小车在运行中容易处在无绪状态。 方案三：在方案二的基础上，采用两片单片机，即“双核控制”这样能够解决红外避障模块与追踪光源模块同时工作出现处理次序的问题。综上所述，采用方案三；系统主要由电源模块、驱动模块、光电传感器模块、红外发射接受探头模块、液晶显示模块、蓄电池充电模块、总流程图如图1所示。各个模块设计要求在完成设计任务的情况下，要求电路简单、容易实现低功耗，节约资本，设计美观的原则。各模块方案设计和方案选择如下：2.1 电源模块的选择 方案一：利用五节干电池串联，直接对驱动模块供电，然后通过稳压芯片对整个控制系统供电；优点：在短时间内能够满足要求，价格便宜；缺点：不能满足长时间供电、时间长供电不稳定、不易放置。方案二：利用铅蓄电池对系统供电，优点：能够满足长时间供电，可重复利用；缺点：电池体积过大，不易放置。图1 系统总流程图方案三：利用锂电池对系统供电，优点；锂电池能够长时间供电，体积小， 容易放置，可多次利用。综合考虑选择方案三；电源选好首先通过由LM317组成的可调三段集成稳压电路稳压成9V给直流电机供电，在通过LM7805稳压成5V后给整个控制系统供电，器件LM317起到中间转换作用。具体电路图参见附录2。2.2 驱动模块的选择2.2.1 小车的选择常用运动方式有轮式和履带驱动式两种，其选择依赖设计要求和测试环境。方案一：采用四轮；特点是一个马达作为动力；另一个马达转动导向轮来决定行驶方向。优点是行驶速度快、方向和速度相互独立。缺点：是转弯半径大、驱动轮易打滑、导向轮方向不易精确控制，价格贵。方案二：采用履带式结构，优点可以在原地转动，在不平衡的路面上性能稳定，牵引力大。缺点是速度慢、速度和方向不能单独控制摩擦力大，能力损耗大，机械机构复杂，价格贵。方案三：采用两个大轮外加一个万向轮，优点：可以达到较好机动性和控制性；价格相对比较便宜是四轮车、履带式车价位的1/3甚至更第；性价比高；综上所述，选择方案三。2.2.2 驱动方案的论证：电机调速方案的目的是实现电动机的正转、反转、调速。方案一：电阻网络或数字电位器分压调整电动机的电压，优点：电路简单操作方便；缺点：电动机工作电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现比较困难。方案二：采用继电器开关控制，通过开关的切换调整车速；优点是电路简单，不足是电路反应慢、控制精度低、机械结构易损害、寿命降低、可靠性差。方案三：采用由L298芯片及电子原件组成驱动电路，然后通过单片机产生PWM信号，对电机进行控制；通过调节PWM信号的占空比可以较好的实现电机的正转、反转、加速、减速。综上所述，选择方案三；方案三能够容易、准确控制小车的运行；L298的资料参见附录3。我们在利用L298时，为了节约单片机端口，把L298的两个使能端连接到5V电源上；通过试验，效果与接单片机端口一样；这样只需要控制L298的input1input4来控制电机的正反转。 2.3 最小系统模块该模块要求在满足任务的情况下，要求容易控制、使用方便、节约资本。基于此要求我们选择ATMega16最为最小系统。具体的电路图参见附录4。2.4 小车寻光源模块本模块要求当小车在行走的过程中，够能够实现追寻光源前进。方案一：采用光敏三极管；优点：灵敏度高；缺点：价格较贵。方案二：采用光敏二极管；优点：灵敏度高；缺点：易受自然光的影响在自然光的条件下，可能不能正常工作，价格相对较贵。方案三：采用光敏电阻；优点：体积小、可靠性高、灵敏度好、光谱特性好，易于采集信号，价格便宜；缺点：易受自然光的影响。综上所述，选择方案三；在小车行走的过程中，为了避免自然光的干扰；在每个光敏二极管套上用黑色胶带做成的桶形冒；这样可以比较准确的检测各个方向的光强，便于用单片机控制；完成小车追踪光源的任务。光敏电阻的光谱特性及照度电阻特性如附录图6图7所示。2.4.1 小车追踪引导算法小车追踪光源模拟图如图2所示，追踪光源原理图如图3，控制算法电路图如图4所示。图2 车追踪光源模拟图 图3 追踪光源原理图图 4 小车寻光模拟图光敏电阻阻值随光强的变化而变化，为了便于控制在每个光敏电阻上，套上用黑色胶带做成的桶行冒，每个光敏电阻检测固定区域即角度为a的扇形区域；在测试过程中，a角大概为32；在寻光过程中，追踪到光时如图2、3所示，阻值发生变化；单片机检测变化信号；并输出相应的信号来驱动电机；从而改变小车行走路线；光敏电阻所接受的光强也紧接发生变化；从而形成一个如图 4所示的闭环控制。 2.5 太阳能电池板跟踪光源并给蓄电池充电模块 该模块设计要求太阳能电池板能时时跟踪光源，同时给蓄电池充电并显示充电状态。2.5.1 驱动电机模块要求当单片机送出信号是，电机能及时检测到，并能够带动带动太阳电池板旋转；基于此我们提出一下方案。方案一：使用陀机转动带动电池板的转动；优点：反映迅速，精度高；缺点：难以控制、格昂贵。方案二：采用直流减速电机；优点：速度较快；扭力较大，负载能力强；缺点：操作负杂，不易控制；方案三：采用步进电机；优点：操作简单，转角易控制，价格便宜，性价比高大概是舵机价位的1/10；综上所述在满足设计任务的前提下，选择步进电机。由于部进电机本身的转速较慢，且额定电压为5V；我们选择直接与单片机端口相接；在选择太阳能电池板和蓄电池，在满足要求的要求下；电池板重量轻、面积小；蓄电池重量轻，容易放置；基于上述要求我们两块11*13CM太阳能电池板；在自然光条件下输出4V左右的电压；通过两块板串联可以满足对6V蓄电池充电。2.5.2 小车停止检测模块 在寻光的基础上，小车前部另接一光敏电阻；通过调节滑动变阻器，输出电压值与比较器相比；调节当离光源约20cm时输出低电平，送到单片机，控制小车运行。2.6 红外避障模块 该模块主要是实现在前方有障碍物的情况下，小车能自动绕过障碍物继续前进，设计要求尽量简单可靠。方案一：采用超声波测距避障。超声波传感器的原理是首先它发射一束超声波；超声波碰到障碍物后反射回来，由接受头接受；单片机记录改过程的时间T,通过公式S=340/2*T ，计算出距离；送给单片机处理加以避障；优点：数据准确，能精确避障；缺点：不易操作，易受周围环境的影响。 方案二：采用摄像头的方法。把摄像头采集的图像经过处理送给单片机，以识别障碍物；优点：准确，处理速度快；缺点：操作复杂，成本高。方案三：采用红外发射接受一体探头模块，通过设置检测距离；当检测到障碍物物时，模块的输出电平发生跳变，由高电平变为低电平；然后把信号送给单片机进行相应的处理；优点：使用方便，操作简单；缺点：较大不易放置。综上所述，选择方案三；具体实物图见附录；具体避障路线如图5所示，理论分析与计算如下：计算小车转角方法：在小车行驶速度设为V；绕过障碍物时间为T；运行轨迹近似为半圆；半圆周长设为L；图5 红外避障路线图 图 6 避障流程图 则 L=3.14*R（1）式；多次试验，避障时间大概为4S，小车速度大概为4.25cm/s；L=V*T （2）式；两式求得R;tana=R/0.2;则 角度a=arctanR/0.2软件流程图如图6 所示，具体实物图模块参见附录。 2.7 显示模块设计要求显示清晰，易于观察，节约资本；安任务要求，提出以下方案 方案一：采用L2864液晶显示；优点：屏幕大，与周围环境对比度大，易于观察；缺点：面积大，不易安装，价格贵；方案二：采用Nokia5110;优点：端口少，操作简单，能显示图形、动画；缺点：显示内容较小，与周围环境对比度弱，不易观察；方案三：采用LCD1602；优点：显示清晰，与周围环境对比度强，容易放置，节约资本；缺点：不能多行显示； 综上所述，采用方案三，LCD1602外形尺寸参见附录。3 设计实现3.1 太阳能板追光和引导理论分析与计算； 追光功能实现：太阳能板由7个光电传感器组成和分布见实物图，中间的光电传感器检测光距，并提供两边光电传感器进行夹角计算的基准值。当太阳能板指向光源时，两边的夹角应该是相等的，同时在中间多布置两对光电传感器以达到提高测量精确性的目的。追光过程：根据所设计太阳能板光电传感器的分布，在t时刻检测小车中轴线与太阳板与光源直线距离的夹角，其中必然有如下数学关系：其中： K-比例系数（可以根据具体场地环境通过调节相关电位器） S是小车追光调整车行路线所行进的弧形路线通过调整左右车轮电机的PWM，来实现小车的小弧度转角行进见图7。追光和避障过程：当小车前端传感器检测到信号时，可以判定前方有障碍物，设定一定的距离，进行小弧度转角使小车一定的转角绕过前方障碍物，当旁边有障碍物时可以使减小，以实现穿过障碍物的功能，见图8。 引导原理实现：中间的光电传感器同时可以检测光距，指引小车不断地趋向于光源，由于我们采用的双核（两个AVR控制），所以此路信号被分成两路，提供给两个AVR单片机以实现追光和引导功能。图7 追光过程 图8 追光和避障过程 根据追光引导原理提出以下算法； 每个光敏电阻限定检测范围即角度a ，当光敏电阻检测到光时输出信号；用ATMega16自带的A/D采集各个光敏电阻的电压并转化为数字量；用软件件编程实现求采集到的各个数字量的平均值，用平均值与各个光敏二极管值相比较；当两者相差较大时，说明，该方向的光敏的阻值较小；通过分析只该方向的光强较强；阳能电池板的转向；date是实际测的临界值，当各个光敏电阻的差值大于date时，说明此敏电阻对着光源，否则不对准。然后通过单片机来控制部进电机的转动；来实现太阳能电池板时时追踪光源。流程图如图9所示： 小车追踪光源流程图 太阳能电池板追踪光源流程图 图9 太阳能电池板追踪光源流程图3.2 系统总体电路图 3.3 系统总体工作流程图4 测试方法与仪器测试数据4.1 测试仪器 表1 测试仪器设备清单序号名称 型号 规格数量备注1万用表 UT58C1无2灯泡 100W1点亮温度很高3秒表1精度为1/100s4障碍物 15CM*15CM2正方体5下载设备1无6PC机1无4.2 数据测试小车避障模块测试；小车离障碍物35CM，临界距离调为20CM数据如表2所示。表2 避障测试 4.3 小车寻光测试数据（离光源170CM）表3 寻光测试 次数12345时间1524“1220“1064“4.4 太阳能电池板跟踪光源测试数据如表44.5 所有模块在一起测试数据 表5所示 4.6 测试结果分析 从以上述实际测试表数据看出，完成设计任务；5 设计总结 图1 端口Input1Input2Input3Input4转向转速 输入 1 0 1 0 正转 最大 0 1 0 1 反转 最大 1 1 1 1 停止 零 0 0 0 0 停止 零L298N为SGS-THOMSON Microelectronics 所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片( Dual Full-Bridge Driver ) ，内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相 和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接