自动追光自动壁障电动小车设计报告曾兆龙续写版

1、自动追光自动壁障电动小车（B题）参赛学校:黄山学院参赛队号:D4参赛学生: 孙立凯 曾兆龙 杨芳 指导教师: 2010年9月7日 自动追光自动壁障电动小车 摘要：本电动小车系统是用飞思卡尔公司生产的16位MC9S12XS128单片机作为主控制芯片，2片MC33886作为驱动芯片控制小车左右两路直流电机，电动小车模型采用左右两路直流电机驱动四轮，车模精简、稳定性高。左右两电机差速实现转向功能，小车简易减速齿轮箱，各装有两个编码器，实现左右各两轮的测速，方便小车转向定位。小车供电系统是由3路低压差2940稳压芯片构成的。小车壁障传感器采用超声波传感器，精确测得障碍物距离小车位置，以实现小车及时躲避

2、障碍物。小车追光系统采用3个光敏电阻成圆弧形摆布置于两舵机构成的双自由度云台上，实现实时锁定光源，完成追光壁障功能。根据实测结果，表明所设计的系统性能指标完全达到题目基本要求，发挥部分也已经完全满足题目要求。关键字：MC9S12XS128单片机 转向定位 超声波传感器 双自由度云台 目录1引言 .32方案设计 .2.1 设计思路 .2.2 系统整体结构 .2.3 单元模块设计方案选择 .2.3.1 小车底盘 .2.3.2 单片机控制部分 .2.3.3 电机驱动电路 .2.3.4 壁障追光传感器选择 .2.3.5 追光系统机械结构 .2.3.6 太阳能充电系统 .3 设计实现 .3.1 太阳能板

3、追光和引导的实现 .3.2 控制和伺服电路设计. 3.3 跟踪引导算法 .4 系统测试 .4.1 测试仪器 .4.2 测试方法 .4.3 测试过程 .4.4 测试结果 .4.5 测试结果分析 .5 结论 .参考资料 . 附录1 硬件原理图 . 附录2 程序流程图 . 附录3 程序清单 . 1. 引言 为了满足题目要求，本电动小车系统采用超声波传感器精确定位障碍物位置实现壁障；用光敏电阻寻找光源，光敏电阻置于摇头机构上，完成光源的准确追踪；太阳能充电系统；整个小车系统硬件电路紧凑、对称、整齐，机械结构合理，重心稳定。整个小车系统很好地达到了题目要求。2. 方案设计2.1 设计思路深思题目要求，为

4、达到集追光、壁障、太阳能智能充电系统于一体的智能小车系统，本参赛队在硬件电路设计上下了很大精力。采用飞思卡尔公司生产的16位MC9S12XS128单片机作为控制芯片，电机驱动芯片MC33886控制小车系统的RS-260直流电机，动力强劲。为实现测速功能，使用了2个100线的编码器，利用XS128输入捕捉功能进行测速。供电系统用3片低压差稳压芯片2940构成3路供电系统。自行制作了超声波测距模块，实现3米内障碍物位置测定，模块工作稳定。伺服舵机构成的双自由度云台进行对光源的定位。太阳能充电系统：软件部分采用模块化设计思路，利用XS128丰富的功能模块实现电机PWM输出、舵机PWM输出、编码器产生

5、脉冲的输入捕捉、采集光敏电阻寻光系统中的电压信号、超声波传感器40khz脉冲的输出、NOKIA 5110显示屏SPI协议的数据写入，此上为整个软件系统的基础部分。（软件接下来还要写）2.2 系统整体结构系统硬件原理图见附录1,系统结构框图如图1所示。XS128寻光系统MC33886舵机编码器蜂鸣器、拨码开关、指示灯NOKIA5110显示器超声波收发模块2940供电系统太阳能充电系统 图1 系统结构框图 2.3 单元模块设计方案选择2.3.1 小车底盘方案1:采用双直流减速电机各驱动两轮，配以万向轮转向的小车底盘。此种小车底盘转向灵活，易于控制，便于壁障。但小车载重较多时重心不稳，更不利于双自由

6、度云台实时追踪光源。方案2:采用飞思卡尔智能车车模，有舵机控制转向，精准，但其转弯半径较大，不利于壁障，动力强劲，容易过冲。方案 3:采用双直流电机驱动四轮的机器人平台小车底盘，小车机械结构紧凑，重心稳，易于负重。采用双轮差速配合编码器测速，可以实现转向定位。综上3种方案，为了保证小车载重多时重心较稳，易于负重，本参赛队选择方案3作为壁障追光小车系统的小车底盘。 2.3.2 单片机控制部分方案1:采用STC公司生产的最新产品STC12C5A60S2，此单片机具有两路PWM/PCA功能，8路AD采集，双串口，内部时钟总线最高可达35Mhz。但本电动小车系统所需PWM输出较多，用定时器模拟非常麻烦

7、。方案2:采用飞思卡尔公司生产的MC9S12XS128单片机，此单片机具有8路PWM，16路AD采集通道，2个UART，2个硬件SPI，具有背景调试功能，方便实时查看程序中全局变量的值，具有80个引脚，硬件资源相当丰富。综上2种方案，因所需PWM输出较多，本参赛队选择方案2作为控制芯片。2.3.3 电机驱动电路 方案1:采用直流电机驱动芯片L298,驱动电流可达1.2A，外围器件较简单，但体积较大，引脚呈两排，间距小，不利于手工焊接连线。 方案2:采用直流电机驱动芯片MC33886，驱动电流可达2A，外围器件简单，贴片封装体积小，采用DIP转接板后，较利于手工焊接。 综上2种方案，为减少芯片占

8、板面积，利于手工焊接，本参赛队选择方案2作为电机驱动电路芯片。2.3.4 壁障追光传感器选择 方案1:壁障传感器采用超声波模块，测距精准无干扰，追光传感器用光敏电阻，光敏电阻对光线敏感，电阻值在亮暗环境下相差甚大。光敏电阻配合筒状遮体，可以精准地对光线实现定位。 方案2:壁障传感器采用光电开关，测距亦较精准，追光传感器采用光敏二极管或光敏三极管，采集的是开关量，追踪光源精度较低。 综上2种方案，为使测距精准无干扰，且追踪光源精度高，本参赛队选择方案1的超声波模块和光敏电阻。 2.3.5 追光系统机械结构 方案1:采用单舵机机械结构，左右摆动控制太阳能电池板面对光源的朝向，架设位置较低，太阳能电

9、池板安装倾角限死，在光源空间位置未知的情况下不利于追光系统以最大化寻找光源。 方案2:采用双舵机构成的双自由度云台机械结构，U型舵机支架和舵机底盘支架固定双舵机，太阳能电池板固定位置架高至20cm处。在光源空间位置未知的情况下，追光系统利用云台摇头和点头相配合，实时对准光源。 综上2种方案，为使追光系统灵活转动，实时对准光源，本参赛队选择方案2的双自由度云台机械结构固定追光系统和太阳能电池板。 2.3.6 太阳能充电系统（要写） 方案1:采用大功率太阳能电池板用继电器控制直接给蓄电池充电，由单片机内部通过精密分压电阻采集此时发电电压和电池电压，换算成功率，当电池板发电功率大于蓄电池功率，继电器

10、接通充电电路。但可能使被充电电池电压会在很短时间上升，造成虚电压，若不加控制，电池电压会继续上升高于其额定电压，造成危险。方案2：采用功率适中，面积适中的电池板，使用脉宽调制的方式去控制管的导通，从而利用的占空比去控制充电电流，并联一个指示灯，通过指示灯的明暗程度，直观的显示此时的充电状态强弱，在结合单片机对光电板和电池电压的采集比较，当电池电压接近其额定电压，改用较小充电电流，提高浮充电压点，尽量减弱虚电压作用，达到理想的充电状态。综上2种方案，。方案大功率电池板面积较大，重量较重，增加小车负载，使转动惯量大，转向定位精度下降，充电不易控制，充电效果不好，故本队选用方案2脉宽调制充电方式。3

11、设计实现 3.1 太阳能板追光和引导的实现 利用光敏电阻对环境亮暗的敏感性设计寻找光源传感器，即光敏电阻和已知电阻的分压电路，采集光敏电阻端和已知电阻端间电压，通过模拟量的电压分析，即可模糊地判断光线的强弱。与另两路寻光传感器电路中得到的电压值相比较，即可判断出光源的位置。利用双舵机云台实时把光源位置方向锁在正中间光敏电阻所对方向。 由于光敏电阻对环境的敏感性，导致环境中的散光造成的同一规格的光敏电阻在相同照度下电阻值不同。为此，在每个光敏电阻前加筒状遮体，使光敏电阻的基准电阻值基本相同，为检测光源时三者电阻值的比较有统一标准，提高光源检测的精确度。 采集的电压值为模拟量，提高了光源检测的空间

12、精度，模拟量亦可以作比较，赋相应的比例系数、微分系数代入舵机控制软件模块。其中光敏电阻检测光源电路图如图2所示，（要写：需分析这块电路的原理） 图2 光源检测电路串联分压的电阻使用精密可调电位器，弥补三个光敏电阻由于自身固有参数不一致导致相同状态下各自状态量差异太大，以采集到的电压值大小判断离光源的远近。 3.2 控制和伺服电路设计 以XS128为核心控制芯片，（要写）超声波实时发送声波，检测障碍物，根据光敏电阻状态，单片机控制舵机带动太能能电池板转向始终面向光源，并根据舵机转向控制小车行进，左右测速电机实时反馈出小车运行状态提供给单片机数据分析。 3.3 跟踪引导算法 程序流程图见附录2,（

13、要写） 4系统测试 4.1 测试仪器 测试仪器包括数字万用表， 4.2 测试方法 数字万用表主要用来测试各个I/O口状态； 4.3 测试过程 4.4 测试结果序号 具体要求 实现情况1基本要求光源用不大于100W的白炽灯，场地不小于1.5m*1.5m,障碍物不小于15cm*15cm*15cm。可以对光源进行聚光。2光源在离小车大于1.5m的固定位置摆放，放置高度不高于25cm。小车发现光源后沿光源方向前进。3小车前进方向上至少随机放置三个障碍物。遇到障碍物，小车应绕道前进。完成4在小车绕道过程中，太阳能板应始终对准光源。5到达离光源一定位置后，小车应停止前进。 6小车前进直线距离应大于1.2米，时间不大于2分钟。7能显示太阳能为蓄电池供电状态。8发挥部分场地尺寸2m*2m，光源离小车2米以上。9障碍物5个以上。10能逆着光源前进，并绕过障碍物，但太阳能板始终对准光源。11完成时间不大于1分钟。12在无白炽灯光源情况下，小车可以沿自然光源方向前进。13其他4.5 测试结果分析5. 结论 测试结果知道，本设计完成了基本要求部分。 此次电子设计大赛使我们获益匪浅，收获颇丰。设计制作过程中，我们遇到了很多的困难，但通过团队的协作，最终我们一一克服了它，并且取得了成功。总结经验，理论知识固然重要，动手能力也要重视，另外，队员之间一定