系统方案论证方法

西安工业大学毕业设计（方案论证） 系统方案论证与选择1系统方案根据题目中的设计要求，本系统主要由微控制器模块、电源模块、寻迹模块、直流电机及其驱动模块、避障检测模块，速度采集模块，LCD液晶显示模块等构成。本系统的方框图如图2.1所示。车速检测 信号调理电路 电池组6v电源管理单元5V舵机控制单元电池组6V单片机 AT89S52芯片驱动单元路径识别电路速度里程显示避障检测模块为较好的实现各模块的功能，分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.1.1控制器模块论证与选择方案一：选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。 方案二：采用AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一个超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，片内含8k空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，2个16位可编程定时计数器。其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉。 综合以上方案我们选择比较普通的更为熟悉的方案二使用AT89S52单片机为我们整个系统的控制核心。电源模块方案一：采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供5V电压，但占用资源过大，在调试可以使用。方案二：采用4支1.5V电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。方案三：采用8支1.5V电池双电源分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能。所以，我选择了方案三来实现供电2.1.3电机的论证与选择 方案一：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，很容易实现PWM调速。很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止、调速等操作。 方案二：采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时又不适于小车对速度的一定要求。经综合比较分析我们决定放弃此方案。综合以上考虑我们选择方案一的直流电机作为小车的驱动电机。2.1.5寻迹模块选择与论证 方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白色轨迹上方和黑色轨迹上方时，阻值会2发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。单片机据此来判断小车是否偏离轨道，并根据反馈来不同的电平信号，发出相应的控制操作命令来校验小车的位置，来完成小车的循迹任务。但是这种方案的缺点是受环境中光线的影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其它更加稳定的方案。方案二：用RPR220型光电对管完成系统循迹。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定，实物图如2.2所示。图2.2 红外对管RPR220实物图方案二不论是在黑暗或者是强光照射下，小车系统均可以很稳定的工作，对环境的适应能力较强。因此我们选择方案二。2.4 避障模块方案一：采用一只光电开关管置于小车中央。其安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，但是本课题要求在循迹的路线上避障，也就是说障碍物可能在循迹的路线上，而其他方向无障碍，这样只要把避障后的舵机的方向规定就可以了，然后启动延时也能越过障碍。这种方案也可行的。方案二： 小车车头处装有三个光电开关，中间一个光电开关对向正前方，两侧的光电开关向两边各分开30度，小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线，当红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。小车根据三个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。光电开关的平均探测距离为30cm。 方案三超声波模块采用现成的超声波模块，该模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到 3mm。模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理：采用 IO 口 TRIG 触发测距，给至少 10us 的高电平信号;模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S)/2。实物如下图2-5。其中VCC 供5V 电源，GND 为地线，TRIG 触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四支线。图2- 5 超声波模块实物图速度采集模块方案一：转角编码盘。分绝对位置输出或者增量位置输出两种。一般可使用增量式编码盘，它输出脉冲的个数正比于电机转动的角度，从而使它的输出脉冲频率正比于转速。可以通过测量单位周期内脉冲个数或者脉冲周期得到脉冲的频率。方案二：反射式光电检测。在后轮齿轮传动盘上粘贴一个黑白相间的光码盘，通过固定在附近的反射式红外传感器读取光码盘转动的脉冲。方案三：霍尔传感器检测。在后轮输出齿轮轴上粘贴1个或者2个小型永磁体，附近固定1个霍尔传感器，霍尔元件有3个引脚，其中2个是电源和地，第三个是输出信号，只要通过1个上拉电阻接至5V电压，就可形成开关脉冲信号，后轮电机每转1周，则可形成1个或者2个脉冲信号。综合考虑选择第三种方案显示模块方案一：采用LED数码管显示。LED显示具有硬件电路结构简单、调试方便、软件实现相对容易等优点，但是由于我们计划要显示小车运行时间，LED数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。 方案二：采用LCD 1602A液晶显示。LCD液晶因具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等特点而得到了广泛的应用，因此我们选择此方案。 通过以上方案论述我们选择方案二，显示小车运行时间的任务 各主要模块的分析4电机驱动模块 1. L298N芯片介绍:本设计中选用了系统中，选用的是ST公司的L298N电机专用全桥驱动芯片。该芯片的主要特点是：内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电机，采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，是内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。图3.13为其引脚图：图3.13 L29820恒压恒流桥式2A驱动芯片L298是ST公司的产品，比较常见的是15脚Multiwatt封装的L298N，内部同样包含4通道逻辑驱动电路。可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。 L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298N可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。输 入输 出VEN=HC=H；D=L正 转C=L；D=H反 转C=D制 动VEN=LC=；D=没有输出，电机不工作表3.4为L298N的逻辑控制表，其中C、D分别为IN1、IN2或IN3、IN4；L为低电平，H为高电平，为不管是低电平还是高电平。表3.4 L298N对直流电机控制的逻辑功能表21系统方案论证与选择下图3.14为电机驱动芯片L298N的内部逻辑电路图。图3.14 L298N内部逻辑电路图 下表3.5为电机驱动芯片L298N的引脚功能表。表3.5 L298N引脚功能表引 脚符 号功 能115SENSING ASENSING B此两端与地连接电流检测电阻，并向驱动芯片反馈检测到的信号。23OUT1OUT2此两脚是全桥式驱动器A的两个输入端，用来连接负载。4VS电机驱动电源输入端57IN1IN2输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器A 的开关。611ENABLE AENABLE B使能控制端，输入标准的TTL逻辑电平信号；低电平时全桥式驱动器禁止工作。8GND接地端，芯片本身的散热片与8脚相通9VSS逻辑控制部分的电源输入端口1012IN3IN4输入标准的TTL逻辑电平信号，用来控制全桥式驱动器B的开关。1314OUT3OUT4此两脚是全桥式驱动器B的两个输入端，用来连接负载。112舵机和电机驱动电机驱动在本系统中有着重要的作用，小车在寻迹过程中会根据光电传感器（红外对管）RPR220检测到路面状况的输入信号即时调整移动策略，以实现小车的移动。在移动过程中，小车会遇到几下集中情况：前进，后退，左转，右转和停止。小车为后轮驱动，有两个电机控制，一个电机驱动前进后退，即称为主驱电机A，另一电机控制小车左右转向，即称为转向电机B。小车的速度和转向是两个独立的控制量。下面就速度和转向问题分别讨论。 a 小车速度控制：电机的转速由L298N使能端输入的平均电压调节，而平均电压可由定时器0产生的PWM 信号的占空比来调节。 b 小车转向直流电机控制：小车转向由转向电机B控制，控制小车左右转，就是控制电机B正反转。我们采用的电机驱动L298N能很好的给出电机左右转信号。L298N控制逻辑真值表如表3.1所示。其中C，D分别为IN1、IN2或IN3、IN4；L为低电平，H为高电平，#为不管是低电平还是高电平。表3.3 传感器状态和小车移动策略的对应关系 输入输出EN=HC=H;D=L电机正转C=L;D=H电机反转C=D制动EN=LC=#;D=#没有输出，电机不工作本系统中在小车的前方安装了4 个光电传感器RPR220，具体安装位置如图3.2 所示。光电传感器当检测到黑线时会返回数字信号1，当检测到白线或颜色较浅时会返回数字信号0，系统中根据4 个光电传感器返回的数字信息就可以知道小车当前运行的位置（是否在黑线上），信号经过单片机处理后会控制转向电机B进行方向的调整从而控制小车在既定轨道上前行。考虑到在较急弯道时，小车容易脱离轨道，采取在转向时调节PWM占空比小一点，在直线时相应大一点。4 个光电传感器的输出端分别接在单片机的P2.4P2.7，通过语句P2&0x90 就可以得到4 个传感器的状态，然后在根据具体状态决定下一步小车的移动策略。图3.2 传感器安装 四对红外对管A,B,C,D分别对应输入接口为P2.7P2.4，虚线框为黑色引导线。其中寻迹过程中实际只用了A,D两个传感器来检测引导线信息，A,B,C,D四只传感器一起使用，主要用于停止标志线，上跷跷板标志线的检测。当到达停止标志线（横贴黑线）时，A,B,C,D四只传感器输出都为高电平；当到达翘翘板标志线（横贴白线）时，A,B,C,D四只传感器输出都为低电平。传感器状态和小车移动策略的对应关系如下表3.2 所示。表3.4 传感器状态和执行策略传感器状态（ABCD）执行策略0000置小车上跷跷板标志位1*0小车（转向电机B）左转0*1小车（转向电机B）右转1*1小车（转向电机B）不转1111小车（主驱电机A）停止c.小车转向伺服马达控制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。避障模块使用三只E3F-DS30C4光电开关，分别探测正前方，前右侧，前左侧障碍物信息，在特殊地形（如障碍物密集地形）可将正前方的光电开关移置后方进行探测。E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离030cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。我们小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在1020cm左右，因而探测距离满足我们的小车需求。 设计任务： 1. 三个光电开关探测前方障碍物。 2. 将光电开关传回的非标准的开关电平信号转换成CMOS标准电平（即将09V转换成05V）。 发现前方有障碍（010）：前进并右转；发现右方有障碍（100）：前进并左转 发现左方有障碍（001）：前进并右转任务实现： 1. 光电开关发射出的红外线在经障碍物漫反射后会由光电开关再接收到，这会引起光电开关传回的电平的变化。若前