智能探测机器车的设计制作（i题）

智能探测机器车的设计制作（I题）专家点评本智能探测机器车完成了题目的基本部分及发挥部分的要求，对各个模块进行了详细的性能比较，方案论证合理，理论分析与计算合理，电路设计与程序设计完全，需改进的地方是整车测试缺少详细的数据支持，另外设计报告中程序框图不够规范。摘要本设计中的智能探测机器车以89SC52单片机为控制核心，通过PWM控制直流电动机来为小车提供动力；在路面循迹中，采用红外线传感器完成小车的循迹功能并实现小车的精确定位；在数据采集方面，利用超声波、温/湿度、颜色传感器等传感器实现小车对距离、温度、湿度、颜色等信息的采集，通过NRF905将采集到的数据上传到液晶12864上显示；在语音播报方面，采用了语音芯片进行不同情况的语音播报。该系统实际运行稳定，很好地实现了路面循迹、精确定位、90旋转和360转身、数据采集、语音播报、液晶显示，无线收发等功能。完成了题目的基本部分及发挥部分的要求。关键词路面循迹、精确定位、90和360转身、数据采集、语音播报ABSTRACTTHEDESIGNOFTHEINTELLIGENTDETECTIONMACHINECAR89SC51MICROCONTROLLERFORTHECONTROLOFTHECORE,THESMARTINTELLIGENTCONTROLOFTHECAR,INCLUDINGROADSURFACETRACKING,PRECISEPOSITIONING,90AND360TURNED,DATAACQUISITION,VOICEBROADCAST,LCD,WIRELESSTRANSCEIVERANDOTHERFUNCTIONSBYINFRAREDSENSORSINTHEROADSURFACETRACKING,THECOMPLETECARTRACKINGANDPRECISEPOSITIONINGOFTHETROLLEYCARDISTANCE,TEMPERATURE,HUMIDITY,COLORANDOTHERINFORMATIONCOLLECTEDINTHEDATAACQUISITION,THEUSEOFSENSORSSUCHASULTRASOUND,TEMPERATURE/HUMIDITY,COLORSENSORS,ANDWILLBECOLLECTEDBYTHENRF905DATAUPLOADEDTOTHEDISPLAYEDONTHELCD12864VOICEBROADCAST,VOICEBROADCAST,USINGADIFFERENTVOICECHIPDCMOTORPWMCONTROLDCMOTORTOPROVIDEPOWERFORTHECAR,INORDERTOACHIEVETHECARFORWARDROTATIONKEYWORDSROADTRACKING,PRECISEPOSITIONING,90AND360TURNED,DATAACQUISITION,VOICEBROADCAST1系统方案选择与论证本设计需要一个由控制器模块、显示模块、寻线前进模块、电机驱动模块、温湿度度检测模块、语音播报模块、电源模块、超声波模块，无线等几部分组成，其关系如图所示。MCU循迹模块车体旋转模块温/湿度传感模块颜色传感器模块电机模块电机驱动模块显示模块电源模块语音模块无线模块图1系统模块示意图为实现本系统的功能，下面分别对几种不同的设计方案进行了具体的分析论证。11控制模块的选择方案一选用AVR单片机ATMEGA128L，ATMEGA128L是高性能、低功耗的AVR8位微处理器，64引脚。它具有两个独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器和两个具有预分频器。方案二采用AT89S52单片机，AT89S52单片机是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，片上FLASH允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。由以上方案分析可以看出，AT89S52能够满足需要，操作简单，编程容易并且价格便宜。12车体选择方案一购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。再次，玩具电动车的电机力矩小，负载性能差，不易调速。方案二自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构，使得小车在前进时比较平稳。基于上述分析，我们选择了方案二。13传感器模块选择131寻迹传感的器选择方案一可见放光二极管和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干扰，增加额外的功率损耗。方案二用红外反射管和接收管自己制作光电传感器。红外发射管发射红外线，利用红外线照射到白色的平面后是否反射经A/D5616转换出电平的不同来实现寻迹。寻线电路图见附件一（图2）。基于上述分析，寻迹传感器选择方案二。132温湿度传感器的选择方案一分别采用一个温度传感器和一个湿度传感器来分别检测温度和湿度，这样就增加了电路的复杂性。方案二DHT11温度湿度复合传感器，具有极高的可靠性与稳定性，它具有反应速度快、抗干扰能力强、性价比高等优点，精确度很高。基于上述分析，我们选择选择方案二。133超声波传感器的选择测量距离的最好方法是利用超声波传感器，实验中我们采用了HCSR04超声波传感器模块，其模块性能稳定，测度距离精确，盲区（2CM）超近,而且体积小，能够满足项目的要求。基于上述分析，我们采用了HCSR04超声波传感器模块。14电机驱动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。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电位器价格比较昂贵；分压不仅降低效率，而且实现困难。方案二利用L298N及其外部电路和电机构成驱动电路。单片机控制口接L298N的4个输入控制端，只要设定一块L298N四个控制端口IN1、IN2、IN3和IN4的不同编码，就可使电动车的前进、后退、旋转等，且价格不高。通过附件一（表1）可知，只要通过软件控制端口就能完成对电机的操作，实现容易，并且误差较小。故选择方案二。L298NPORT1PORT3PORT2PORT4571012PORTPORT6118IN1IN12IN3IN14ENAENBGNDVCCSVVSSVSOUT1OUT2OUT3OUT4ISENAISENB92313414115D1D2D3D4D5D6D7D8100U01U100U01UMM图2电机驱动图15语音模块的选择方案一采用单片机产生不同频率信号，得到不同声调的报警信号，以完成报警功能，此方案能完成声音提示功能，但可读性差。方案二采用语音模块，完成任务等动作作出的同时调用不同的语音程序模块进行语音播报，直接调用所录声音就能完成任务。通过比较论证，选择更直观的语音报警，故选择了方案二。16显示模块的选择方案一采用LED数码管显示，调试方便，且串行显示只占用很少得I/O口。缺点是只能显示一些简单的字符，显示得信息十分有限。方案二采用液晶显示。12864液晶显示器具有功率低、内容量大等优点，符合要求。鉴于本系统显示信息量大且复杂，LED数码管不足以满足系统设计要求，故本系统选择方案二。17电源模块的选择系统需要多个电源，单片机需要5V稳压电源，驱动电路需要12V的电压。4节可充电电池提供16V直流稳压电源，通过稳压块和TPS5430稳压电路将16V电压转换为各部分所需的电压供系统使用。图3电源电压转换图2理论分析与计算21循迹模块使用2个红外传感器，成一字型排列在小车下方，根据返回来的信号，进行相应的处理。红外发射管发射红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回来的光线通过LM311进行比较，检测出白线继而输出低电平，若红外接收管不能接收到反射回来的光线则检测出黑线继而输出高电平，通过高低电平的变化就可以判断小车是否沿着黑色胶质前进，发现偏离及时调整。22精确定位功能通过左右两个红外线传感器检测黑线，通过LM311将模拟信号转换成高低电平信号，检测到白线的时候输出低电平，检测到黑线的时候输出高电平，当两个红外线传感器同时检测到黑线（即定位点）时，同时输出高电平时，小车向前行驶一小段距离，立刻刹车，同时完成计数功能，即扫描到黑线则记一次数，这样就实现了精确定位的目的。23360转身功能题目中的360转身区共有三条黑线且距离较近，利用光电传感器的红外线检测经LM311转换得到的高低电平，检测到白地板时是低电平，检测到黑线时是高电平。当小车检测到第一条黑线时继续前行，第二次检测到黑线时向前行驶一小段距离，然后完成360度转弯，在设定的短时间内，左轮正转同时右轮反转，通过精确地设定其转身的时间来实现其360转身功能。24数据采集功能241超声波模块采用超声波传感器，其原理是超声发射器发射一串的几个长短脉冲，并对测。超声波发射器发射脉冲到超声波接收器接收到反射回来的脉冲的这段时间，相当于一闸门信号。超声波发射器发射脉冲时，闸门打开为高电平；超声波接收器接收到返回脉冲时，闸门关闭为低电平。闸门信号输出的脉冲是一方波，这个方波的宽度为发射超声与接收超声的时间间隔，显然被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲宽度与被测距离成正比。因此可以根据公式M（1）TVS21计算出被测距离。为声波在空气中的传播速度，它和空气的温度有关，温度V每升高1，声速增加06M/S。公式（1）中，如果确定了时间T就可以计算出距离242温/湿度传感器模块使用温度湿度复合传感器模块DHT11，其输出为模拟量，在子程序中对采集到的信号惊醒相应的转换，得到相应数据，经无线发送，于上位机处显示出所测的温度。3硬件电路与程序设计MCU电源接口5V电源稳压块循迹模块温湿度传感器模块超声波模块颜色传感器16V电源IOIOIOIOTSP5430电机1电机2LCD液晶显示语音播报IOIOIO图4系统硬件框图31软件的主要特色本系统采用自上而下的调试方法，即对单独调试好每一个模块进行调用，然后连接成一个完整的系统调试。311通过调节输入PWM驱动模块的方波的占空比，改变PWM模块的输出电压，从而通过调节电压的方式实现电机的灵活调速。312软件在设计时，将功能模块化，这样使程序简洁、明晰。313程序中采用标志位控制，使程序时刻知道现在所处的位置，从而实现程序对小车的正确控制。可分为以下几个模块（1）黑线循迹子程序见附件二；（2）小车准确定位的程序；（3）车体旋转90和360程序；（4）超声波、温/湿度传感器、颜色等传感器的检测程序；小车前进循迹前进程序检测到定位点否是车体旋转90程序传感器检测物体NRF905信息无线传递程序车体相反方向转90程序继续循迹前进图5小车循迹、转身、检测、无线传输流程图41系统实现功能测试测试方案及测试条件系统主要实现在按要求严格制作的跑道上进行了黑线寻线前进、小车定位点准确停止，90和360转身，超声波、温湿度、颜色等传感器的数据采集功能。其中，对各传感器数据采集性能进行独立测试，对其他功能放在整车测试中进行。表一传感器数据测量实际数据测量数据超声波测距20CM17CM温度传感器3028湿度传感器30RH26RH颜色传感器正常结果分析标题题数据项目（1）在实际运行中，会存在偶然性的失误和误差，原因可能是蓄电池作为电源，其电量有限，长时间放电会使蓄电池输出的电压下降，影响直流电动机的转速，红外线传感器测距距离增大，因而导致小车掉落。（2）各传感器与物体的距离太大或太小都将影响传感器采集信息的功能。（3）左右传感器越靠前，小车尾部摆动幅度越小，小车循迹越稳定。42整车测试整车测试过程中，不断进行调试和改装。尤其在循迹行进过程中，不断修改参数，保证小车平稳前行。很好地实现了路面循迹、精确定位、90旋转和360转身、数据采集、语音播报、液晶显示，无线收发等功能。完成了题目的基本部分及发挥部分的要求。总结在比赛过程中，我们遇到过许多的问题，也曾一度产生分歧，项目几近中断，但是我们没有气馁，经过老师的指导和队友的相互协调，终于克服了种种困难，最终完成了竞赛的各项要求。通过这次比赛，我们体会到团队合作的重要性，提高了动手能力与创新能力。参考文献1童乃文电子系统设计浙江大学出版社,20002陈大钦模拟电子技术基础高等教育出版社,20013胡伟单片机C程序设计及应用实例人民邮电出版社,20044赵负图传感器集成电路手册化学工业出版社,20045朱传琴应用电子技术及实训中国电力出版社,2010附录附录一表二电机驱动基本原理表左电机右电机IN1IN2IN3IN4左电机右电机电动车运动状态0101正转正转前行0110正转反转右转、旋转1001反转正转左转附录二小车循迹程序INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUCHARPWMZ,A,PWMY,B,SPEEDZ,SPEEDYUINTNUMZSBITP3_1P31/A电机正转管脚SBITP3_2P32/A电机反转管脚SBITP3_3P33/B电机正转管脚SBITP3_4P34/B电机反转管脚SBITP1_3P13/左循迹SBITP1_4P14/右循迹VOIDDELAYUINTZUINTX,YFORXZX0XFORY110Y0YVOIDAFRONT/A电机正转（左轮）P3_1PWMZP3_20IFA200IFASPEEDZPWMZ1ELSEPWMZ0IFA200A0VOIDBF