全国电子设计竞赛控制类03年赛题---简易智能电动车完整版设计报告

淮北师范大学淮北师范大学 20132013 年电赛预选赛方案设计年电赛预选赛方案设计 一 一 题目 简易智能电动车 2003 年 E 题 姓名 杨东 卓泽坤 王定强 实验地点 物理楼 411 时间 2013 年 4 月 1 号 4 月 20 号 1 基于单片机的简易智能电动车基于单片机的简易智能电动车 摘要摘要 本设计以一片单片机 STM32F103RB 作为核心来控制自动往返小车 加以控 制芯片 L298N 和单片机联合控制小车的前进与后退 路面的黑带检测使用反射 式红外传感器 通过 STRT5000 对输入的信号进行处理 使用 TFT 彩屏显示小车 运行的里程和时速以及运行时间 以红外传感器对路面黑线检测用 行驶距离 使用对射光电传感器加以码盘进行检测 通过红外传感器进行壁障处理 通过 障碍探测模块 采用二只红外传感器分置于小车两边 对小车与障碍物相对距 离和方位能作出较为准确的判别和及时反应 采用多只方向性较强的光敏二极管作 光源定位器 在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱 有无 得出实时车库方位 关键词 STM32F103RB光电传感器L298N 控制电动机 光敏二极管障碍探测模块TFT 彩屏 Abstract This system is mainly based on a chip called STC12C5A60S2 This intelligent car designed by us three can run automatically through black lines on the ground KEY WORDS single chip microcomputer control system photosensitive diodeL298n Obstacle detection module 2 设计任务与要求设计任务与要求 一 任务 设计并制作一个简易智能电动车 其行驶路线示意图如下 二 要求 1 1 基本要求 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 铺设的白 纸下沿引导线埋有 1 3 块宽度为 15cm 长度不等的薄铁片 电动车检测到薄铁片时需立即 发出声光指示信息 并实时存储 显示在 直道区 检测到的薄铁片数目 3 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 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 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 2 2 发挥部分 发挥部分 1 电动车在 直道区 行驶过程中 存储并显示每个薄铁片 中心线 至起跑线间的距离 2 电动车进入停车区域后 能进一步准确驶入车库中 要求电动车的车身完全进入车库 3 停车后 能准确显示电动车全程行驶时间 4 其它 一 方案论证与比较 根据题目要求 我们分一下几个部分进行方案设计及比较论证 1 电机驱动调速模块 方案一 采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压 从而达到调速的 目的 但是电阻络只能实现有级调速 而数字电阻的元器件价格昂贵 更主要 的问题在于一般电动机的电阻较小 但电流很大 分压不仅会降低效率 而且 很难实现 方案二 采用普通 L298N 来控制电机的正转和反转来实现小车的前进和后 退 并用单片机进行软件调速 缺点是单片机容易受 L298N 的电源影响 系统 变得不安全 方案三 采用带光耦隔离的 L298N 来控制电机的正转和反转来实现小车的 前进和后退 通过 STC12C5A60S2 内部的集成 PWM 定时器 实现整车的加速与减 速 精确小车的速度 好处是保护控制控制端不受电机的影响 使得系统安全 可靠 避免单片机烧坏 基于上述理论分析 拟选择方案四 2 路面黑带检测模块 黑带检测的原理是 红外光线照射到路面并反射 由于黑带和白纸的系数 不同 可根据接的红外线的强弱判断是否到达黑带 方案一 可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射 接收电路 这种方 案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大的干扰 一旦外界 光亮条件改变 很可能造成误判和漏判 虽然产生超高亮发光二极管可以降低 4 一定的干扰 但这又将增加额外的功率损耗 方案二 反射式的红外发射 接收器 由于采用红外管代替普通可见光管 并经过反相斯密特触发器之后送入单片机 可以降低环境干扰 基于上述理论分析 拟选择方案二 3 路面黑带检测模块 方案一 8 个使用数码管动态扫描的方式 分别显示时间和路程 缺点是 功耗较大 并且只能显示数字和少量的字母 不适合人的观察 方案二 TFT 彩彩屏有功耗低 体积小 重量轻等特点 方便放置于小车 上 能满足显示的要求 基于上述理论分析 拟选择方案二 4 电源选择 方案一 所有器件采用单电源供电 这样供电电路比较简单 但是由于电 动机启动瞬时电流很大 会造成电压不稳 干扰严重 缺点十分明显 方案二 双电源供电 将电动机驱动电源与单片机以及周边电路电源完全 隔离 这样做虽然不如单电源方便灵活 但可以将电动机驱动所造成的干扰彻 底消除 提高了系统的稳定性 基于上述理论分析 拟选择方案二 5 控制单元模块 方案一 采用纯数字电路 该方案外部检测采用光电转换 系统控制部分采用数字电路译码对小车电 动机两端电压调整 来控制小车的运行 时间和行程用加法器进行计数 此系 统的设计将会使电路过于复杂 调试时需要改变硬件电路 机动性差 方案二 用单片机控制 用光电检测不同的信号 并经单片机对其处理 传送给 L298 信号 使其 控制电机的正转和反转 配合 PWM 程序控制 来实现加速减速和刹车 通过单 片机内部定数器 计数器进行定时 计数 在用单片机串行输入 输出口进行显 示控制 此方案电路成熟 工作稳定 容易实现控制 为能更好的实现题目的各种设计要求 所以我们选用第二种方案 用单片 机进行控制 6 6 障碍探测模块 障碍探测模块 考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制 小车应在距障碍物 40CM 的范 围内做出反应 这样在顺利绕过障碍物的同时还为下一步驶入车库寻找到最佳的位置和方 向 否则 如果范围太大 则可能产生障碍物的判断失误 范围过小又很容易造成车身撞 上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案 方案一方案一 采用一只红外传感器置于小车中央 一只红外传感器小车中央安装简易 也可以检测到障碍物的存在 但难以确定小车在 5 水平方向上是否会与障碍物相撞 也不易让小车做出精确的转向反应 方案二方案二 采用二只红外传感器分置于小车两边 二只红外传感器分别置于小车的前端两侧 方向与小车前进方向平行 对小车与障碍 物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应 智能小车应以准确 智能见优 采用方案二 7 寻找光源方案 寻找光源方案 方案一方案一 采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器 若干定位器在水平面上按不同角度展开 在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线 强弱 有无 得出实时车库方位 方案二方案二 采用一个光源定位器 用深色不透光材料与光敏电阻制成的光源定位器有较理想的定向测试效果 2 5 米之外 就可以确定电源的方向 当小车绕过障碍物之后 通过不停地旋转使定位器获得最大光线 照射以确定光源方向 这种方案有一定的可行性 但寻找光源的过程必定带来不必要的大 量时间开销 且寻找过程盲目性太大 不利于控制 又增加了一个电机 增大的电源方案 选择或安装的难度 综合考虑以上方案 方案一更具准确性和独创性 故我们采用方案一 8 8 铁片检测模块 铁片检测模块 方案一方案一 使用探测线圈和探测仪构成的金属探测器 此类金属探测器利用探测线圈产生的交变磁场在接近金属材料时产生微弱变化这一原 理 将变化信号放大处理进而实现探测金属的目的 由于该探测器结构复杂 在短期内不 可能完成制作 为节省时间 我们放弃了该方案 方案二方案二 使用电感式接近开关代替金属探测器 电感式接近开关本身就是理想的传感器 当金属物体接近开关的感应区域 开关就能 无接触 无压力 无火花 迅速作出反应 用它作为本次小车的金属传感器 简单易行 准确且抗干扰性能优越 本系统中采用方案二 6 二 系统实现方框图与主要参数设计 1 总体设计方案描述 总体设计方案的硬件部分详细框图如下 STM32F103RB 红外检线模块 TFT 彩屏显示模 块 声光模块 PWM 电 机驱动模 块 电机 光 源 检 测 模 块 铁 片 检 测 模 块 防 撞 检 测 模 块 红 外 光 电 测 速 模 块 7 2 硬件电路设计 1 STC12C5A60S2 单片机最小系统 此系统以 STC12C5A60S2 为核心 最小系统如图所示 2 黑线检测部分 我们采用两个反射式光电检测电路对跑道上的黑线进行检测 并使用六反 相斯密特触发器输出高低电平信号 这样可以消除外界光线的干扰 单片机同 时检测到两个光电传感器输出由高到低的电平跳变时 这为黑线 硬件如图所 示 8 3 光电测速部分 采用对射光电传感器 通过对电机上的码盘线计数 产生下降沿 通过 LM393 电压比较器输出高低电平 这能有效克服环境干扰 每 50ms 计算一次 按照公式 瞬时速度 下降沿个数 电机减速比 码盘线数 车轮周长 总路程 每 50ms 路程 由此可以计算出路程和速度 硬件图如下 4 显示模块 采用 LCD1602 显示模块 硬件连接如下图 9 5 L298N 电动机驱动模块部分 该电路采用电动机驱动芯片 L298 来控制电动机的正转与反转 加以第二 路电机电源保证了电动机启动时有足够的电流 在试验中控制电压为单片机输 出的高低电平直接控制 具体电路图连接如下 10 6 电源部分 考虑到 L298N 输出的压降 故使用 2 节 3 6V18650 可充电电池给电机供电 而单片机也用 2 节 3 6V18650 可充电电池 并使用 1117 5v 稳压芯片给单片机 供电 7 障碍探测部分 在电路设计中可以再输出端黄线加上拉电阻 10K 到 5V 再接入单片机检测 会比较 稳定 如果采用随机检测可以采用单片机的外部硬件中断 INT0 INT1 等来实现 8 光源检测部分 光敏二极管作光源定位器 若干定位器在水平面上按不同角度展开 在寻找光源时根据每个定位器接收到的光 线强弱 有无 得出实时车库方位 可以检测周围环境的亮度和光强 与光敏电阻比较 方向性比较好 可以感知固定方向的光源 模块在无光条件或者光强达不到设定阈值时 DO 口输出高电平 当外界环境光强超过设定阈值时 模块 D0 输出低电平 小板数字量输 出 D0 可以与单片机直接相连 通过单片机来检测高低电平 由此来检测环境的光强改变 11 9 铁片检测部分 电感式接近开关本身就是理想的传感器 当金属物体接近开关的感应区域 开关 就能无接触 无压力 无火花 迅速作出反应 用它作为本次小车的金属传感器 简 单易行 准确且抗干扰性能优越 3 系统的软件设计 软件设计流程图如下 12 1 定时器控制倒计时的软件控制 所有倒计时 计时都通过计时器 0 中断控制 根据 RAM 单元中相应的控制 位选择不同的工作 在行驶到跑道的末端时候 计时器计到 10 秒时 停车停止 小车开始倒车 小车的全程行驶时间可以通过定时器 0 的控制存储行驶时间 2 显示路程的软件控制 通过轮子带动码盘的转动 码盘的转动使得测速传感器产生数个中断 每 来一个中断 通过外部中断 0 累加一次 通过以下方程进行路程的计算 SpeedNum SpeedCount SpeedRate IsrPerCircle CircleLength 计算 瞬时速度 Distance Distance SpeedNum 计算路程 3 通过黑线条数统计的软件控制 与其他方式不同 这里我们为了节省端口 采用的是查询的方式检测黑线 若检测到的是黑线 则控制速度函数进行相应的控制 若检测到的不是黑线 则进行其他的操作 4 铁片检测的软件设计 通过查询的方式 若检测到铁片 则相应的管脚置为低电平 单片机执 行相应动作 且累加检测到的铁片数量 分别执行不同操作 若没有检测到铁 片 则为其他 5 光源检测 并且顺光源运动的软件设计 初始化 AD 转换函数 启动 ADC 电源 若干定位器在水平面上按不同角度展 13 开 在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱 大小 有无 对小车方 向进行不同的控制 从而得出实时车库方位 6 防撞系统的软件设计 检测防撞传感器是否置为低电平 来对小车进行不同的转向动作 测试结果及结果分析测试结果及结果分析 次数总时间 秒 第一片金属中线 离起点距离 米 第二片金属中线 离起点距离 米 第三片金属中线 离起点距离 米 是否发 生碰撞 是否入 车库 132 930 7131 4831 889否是 233 640 7161 4731 890否是 334 010 7191 4831 889否是 实际0 7101 4701 880 一 一 铁片数目的检测 铁片数目的检测 测量方式 观察 LCD 显示的铁片数量 测量仪器 铁片传感器 表 1 测量结果