自动追光自动避障电动小车

目录摘要21引言22方案设计与论证221总体方案描述222微处理器模块的比较与论证323电机的比较与论证324追光模块的比较与论证325避障模块的比较与论证326自动停止模块的比较与论证33系统硬件、软件的实现331硬件实现3311微处理器电路3312电机驱动电路3313追光模块电路3314超声波避障电路3315电源保护模块电路332软件实现3321流程图34系统测试341主要测试用的仪器342测试结果3421追光模块测试3422避障模块测试3423太阳能电池板追光测试3424自动停止模块测试3425基本部分测试3426发挥部分测试35总结3参考文献3附录3附录1电路图3附录2主程序3摘要本设计基于MSP430F149单片机为控制器，设计实现了一个带有自动寻光、自动避障、自动追光太阳能充电系统的电动小车。本系统包含控制器、步进电机及驱动、小车寻光、超声波避障、太阳能板充电以及太阳能板自动追光等模块。该电动小车能够在场地内自动寻找光源前进并能够检测前方多个障碍物并能绕道前行车上太阳能板能够自动追光始终对准光源并给电池充电，且有LED显示充电状态小车能在规定的时间内跑完全程并能自行停止。整个系统实现了全部功能要求，运行稳定。关键词MSP430F149；超声波传感器；太阳能电池板；电动小车1引言随着汽车产业的快速发展，汽车产业目前已经进入调整期，目前，全球石油资源紧缺，且油价不断上涨，冲击了各个行业，尤其是汽车产业，同时人类面对着全球变暖、水平面上升等世界性问题。因此未来的汽车将走向电动汽车的时代，而太阳能是目前作为最清洁的能源，对人类来说无疑是一种新型的能源。本设计便是针对太阳能供电小车的研究，其中的主要难点在于追光与避障功能的实现，而本设计已经完美的完成了这两点，并且充分利用绿色资源，实现了小车的智能化。2方案设计与论证21总体方案描述使用100W的白炽灯作为电源，通过太阳能电池板收集电能，然后通过升压电路给蓄电池充电，再由蓄电池给电动小车供电。小车在启动以后，使用光敏三极管寻找光源，发现光源后，由单片机MSP430F149控制，驱动电动小车沿着光源方向运动。在沿光源运动的道路上，放置3个障碍物，电动小车前端使用超声波传感器，超声波传感器发现障碍物后，将信号传给单片机MSP430F149，驱动电动小车能够自动避开，然后继续沿光源方向运动，同时太能能板始终正对着光源。运动到一定距离以后，利用太阳能电池板距离光源远近不同所产生的电压不同，利用此原理实现对电动小车的自动停车。图21系统框图22微处理器模块的比较与论证方案一51系列单片机，是8位单片机，体积小，低功耗，控制能力强，扩展灵活，使用方便。但是其运行速度很慢，（因为是CISC（集中指令）结构，而且芯片为了抗干扰采用了12分频的方法）、所有的I/0口都是准双向口，I/0口的驱动能力弱。方案二MSP430F149单片机，是16位单片机，处理能力强，超低功耗，并且运算速度快。相比较之下选择方案二。23电机的比较与论证方案一采用直流电机。直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转；能满足生产自动化系统各种不同的特殊运行要求。方案二采用步进电机。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、启停的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。因此，步进电机具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能立即使步进电机启动或反转，而且步进电机的转换精度高，驱动电路简单，非常适合定位控制系统。相比较之下选择方案二。24追光模块的比较与论证方案一使用光敏电阻检测光源，反应灵敏度一般，检测距离范围有限，其受外部影响较大，检测信号易出现误差，故放弃使用此方案。方案二使用光电三极管自制追光传感器。此方案价格低廉，可靠性良好，且便于安装在小车上。经过试验得知反应灵敏，能满足此系统的要求，所以我们选择方案二。25避障模块的比较与论证方案一利用超声波传感器进行检测，它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点，超声波传感器主要采用直接反射式的检测模式。位于传感器前面的被检测物通过将发射的声波部分地发射回传感器的接收器，从而使传感器检测到被测物。方案二使用红外传感器，它是一种集发射与接收于一体的光电传感器，检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，发出的红外线照射到黑色的平面后红外线被吸收。若红外接收管能接收到反射回的红外线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到红外线则检测出黑线继而输出高电平。由于测试中使用的是白炽灯，产生的光中，红外光占有比例较大，如使用红外传感器，会有较大的干扰。所以考虑到设计中对障碍物中尺寸和颜色上的要求以及使用的方便性、稳定性和检测具体的可调性，选择方案一。26自动停止模块的比较与论证方案一将太阳能电池板经吸收太阳能后产生的电压值传输到单片机中，若电压值达到一定值则判定小车已经距离光源足够近，单片机发出停车指令。这种方法是根据太阳能电池板发电电压与其与光源距离成反比这一结论，进而利用太阳能电池板产生的电压值来判断与光源的距离。方案二采用热敏电阻，本设计采用的光源是白炽灯，白炽灯是在照明的时候能够产生大量的热量，我们可以利用该特性，采用热敏电阻制作一个停车模块。热敏电阻的阻值能够随着周围热的不同而改变。然后通过比较器控制小车靠近光源时自动停车。相比较之下，方案一更易操作，所以选择方案一。3系统硬件、软件的实现31硬件实现311微处理器电路本设计采用的MSP430F169的最小系统电路如图31所示。图31微控制器电路图312电机驱动电路L298N是ST公司生产的芯片。主要特点是工作电压高，最高工作电压可达46V，并且可以驱动两个二相电机，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。图32电机驱动电路图313追光模块电路本设计是采用光敏三极管来进行追光，电动小车上一共安装有三路光敏三极管，若中间的光敏三极管感应到光，则向前直行。当边路的光敏三极管感应到光，便会向那个方向转弯，使其向着光源直行。图33光敏三极管电路图314超声波避障电路超声波传感器有发送器和接收器，它是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化。超声波测距的原理一般采用渡越时间法，首先测出超声波从发射到遇到障碍物返回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物的距离。超声波传感器具有测量一定的测量范围，一般从几厘米到几米不等。本设计通过设定一定的距离来进行避障。图34超声波模块电路图315电源保护模块电路一般的蓄电池具有过电流保护，所以本系统设计为短接保护和反接保护。一般情况下给蓄电池充电电压必须大于蓄电池电压，否则可能造成放电现象。所以在对蓄电池充电时经升压模块升压到12V对其进行充电，并带有指示灯显示其充电状态，以达到安全充电的目的。图35电路保护模块电路图32软件实现321流程图设计主程序流程图如下件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件图35主程序流程图其中，追光程序流程图如下件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件图36追光程序流程图避障程序流程图如下件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件件图37避障程序流程图调整太阳能电池板程序流程图如下件件件件件件件件件件件件件件件件件件图38调整太阳能电池板程序流程图4系统测试41主要测试用的仪器至此我们已近完成了硬件各功能的调试与软件的编写，为了验证本设计能否按要求完成规定操作，在此做了以下测试。首先分别测试各模块追光模块、避障模块、太阳能电池板追光、自动停止模块。最后再测试整体功能是否能够在规定的时间内按要求完成所有动作。其中需要使用到的工具与仪器如下表41测试仪器序号名称数量备注1白炽灯1100W以下2障碍物515CM15CM15CM3秒表1记录时间4米尺1测量场地大小42测试结果421追光模块测试分别将光源放在小车的左侧、前方和右侧。测试小车的追光情况，测试结果如下表表42追光模块测试结果序号光源位置能否正确追光1左侧能2前方能3右侧能结论小车能够实现追光，比较稳定。422避障模块测试将障碍物随机选择位置放置在小车与光源之间，测试小车的避障情况，并记录时间，测试结果如下表表43避障模块测试结果场地大小障碍物个数能否正常避障所用时间3能18S3能23S15M15M3能19S5能28S5能16S2M2M5能21S结论小车能够实现避障，比较稳定。423太阳能电池板追光测试将光源分别放置在小车的左侧、右侧、前方和背后，测试太阳能电池板对准光源的情况，测试结果如下表44太阳能电池板追光测试结果场地大小光源位置能否追光左侧能前方能15M15M右侧能2M2M背后能结论太阳能电池板能够完成追光，并且比较稳定。424自动停止模块测试测试三次小车靠近光源后的自动停止情况，并测量停止时距离光源的距离，测试结果如下表45自动停止模块测试结果序号能否自动停止距离1能15CM2能23CM3能18CM结论小车可以完全实现自动停止功能，比较稳定。425基本部分测试场地大小为15M15M，白炽灯距离地面25CM，小车距离白炽灯15M，在小车与光源之间随机放置三个障碍物，测试小车从起始点直至最终停止的情况是否能够满足题目要求，并记录时间。测试结果如下表46基本部分测试结果序号追光是否正常避障是否正常太阳能板追光是否正常自动停止是否正常所用时间1是是是是42S2是是是是34S3是是是是56S结论本设计能够完全实现题目中基本部分的要求。426发挥部分测试场地大小为2M2M，白炽灯距离地面25CM，小车背光行驶，在小车前进方向随机放置五个障碍物，测试小车从驶离光源直至最终驶出场地的情况是否能够满足题目要求，并记录时间。测试结果如下表47发挥部分测试结果序号追光是否正常避障是否正常太阳能板追光是否正常所用时间1是是是31S2是是是24S3是是是28S结论本设计能够完全实现题目中发挥部分的要求。5总结我们在现有条件对小车的部分功能进行了测试，结果显示小车较好地实现了题目的基本要求和发挥功能，性能较稳定。我们在设计中我们也出现了许多问题，这也确实拖住了我们设计的脚步，不过我们还是将这些困难都克服了。这一周我们也学会了许多东西，这也使我们成长了许多。参考文献1赵建领51系列单片机开发宝典北京电子工业出版社，2007年2余锡存，曹国华著单片机原理与接口技术西安西安电子科技大学出版社，2003年3田良，黄正谨综合电子设计与实践南京东南大学出版社，2003年4赵亮，侯国锐单片机C语言编程与实例北京人民邮电出版社，2004年5黄智伟，王彦全国大学生电子设计竞赛训练教程北京电子工业出版社，2005年附录附录1电路图附录2主程序INCLUDEINCLUDE“DEFINEH“/公共定义INCLUDE“CHUSHIHUAC“/初始化程序C文件INCLUDE“MOTORC“/电机驱动程序,追光程序C文件UINTNUM1/超声波寄存器数值UINTNUM2UINTNUM3UINTFLAG31UINTFLAG21VOIDCSBVOIDSTAR3P6OUT0XFFSWITCHP3INBREAKCASE0X00FLAG21BREAKIFFLAG31MOTOR_LEFTDELAY_MS1MOTOR_GOIFFLAG30MOTOR_RIGHTDELAY_MS1MOTOR_GO/IFFLAG31/IFFLAG30MOTOR_BACKDELAY_MS10MOTOR_RIGHTDELAY_MS10MOTOR_STOPVOIDMAINCHUSHIHUA/初始化系统,初始化捕获