【《某智能跟随小车控制系统的总体设计和主要元器件分析》4800字】

某智能跟随小车控制系统的总体设计和主要元器件分析目录TOC\o"1-3"\h\u22470某智能跟随小车控制系统的总体设计和主要元器件分析 143471.1总体设计 1232451.2单片机的选型及引脚介绍 2104251.3测距传感模块的选择 3229731.4电机驱动模块 5244551.5红外避障模块 720701.6称重模块 849461.6.1HX711模块 927721.6.2压电传感器的选择 984161.7OLED显示模块的选择 111.1总体设计本次的设计主要目的是用于设计一辆以单片机技术作为控制系统核心的智能跟随小车,该小车能自动探测特定移动目标方位并实现跟随，遇到障碍物绕开障碍物前行，跟随失败时能自动报警，和特定目标距离和报警距离可以调节，按下按键小车停止运动，可以进行小车上承载物体的称重。该小车采用STC12C5A60S2单片机、单发单收超声波测距传感器模块、电池供电模块、电机模块、OLED模块、L298N驱动模块、HX711传感器模块、红外避障模块等，硬件系统框图如图3-1。图3-1智能跟随小车硬件系统框图各模块功能为：单片机模块用来控制超声波、避障、称重等模块的所有工作。L298N驱动负责控制电机，进而可以去控制小车的前进、后退等运动，单发单收超声波测距传感器模块则是来去实现特定跟随，红外避障模块负责避障和绕障的实现，称重模块负责称量小车上物体的重量，按键模块负责模式的调整和跟随距离和报警距离的调节。1.2单片机的选型及引脚介绍方案一：采用AT89C51单片机。AT89C51是一个8位微控制器（MCU），以ALU来做MCU的数据中心，可以在工程应用中去进行数据计算计算等功能，也可以解决数据控制所需要的功能。在单片机内部，有128B的有八位数据地址的设置，又称这种地址存储器叫做内部设置RAM。在AT89C51里，有21个专业数据寄存器。AT89C51是一款非常基础也最为常用的芯片之一，是学习单片机入门必备的芯片，它的结构模式都是最传统的类型。方案二：采用STC12C5A60S2单片机。图3-2STC12C5A60S2单片机引脚图STC12C5A60S2是一款设定位单周期类型的单片机，它处理数据的速度十分迅速，所用到的功耗也很低，在一些干扰性很强的情况下具有很强的适应性等特点，适合用在电机控制上，而在一些环境更为复杂更为麻烦的环境下也很适用。STC12C5A60S2是8051系列单片机，与普通51单片机比较：1、同一个晶振的条件下,速率应该是一般51的8~12倍2、有8路10位AD3、多了两个定时器，带\t"/item/STC12C5A60S2/_blank"PWM功能4、有SPI接口5、有EEPROM6、有1K内部扩展RAM7、有WATCH_DOG8、多一个串口9、IO口可以定义，有四种状态10、中断优先级有四种状态可定义核心功能为跟随特定目标，而核心器件选用的是单发双收超声波模块，小车需要左右两个接收超声波模块，左右两边连接各需要一对通信串口，所以使用的是方案二，采用STC12C5A60S2单片机。1.3测距传感模块的选择方案一：采用收发一体超声波模块。超声波测距模块是非常常见的测距产品，它的工作方法主要就是，它是收发一体的，超声波从这个模块发出，撞到障碍物后会反射回来，收发一体的这个模块接收到回来的超声波，那么利用测算的时间，再考虑传播情况，就可以计算出模块和模块前面所遇到的障碍物大概多远，得到具体的距离信息。超声波控制模块可以测算从模块到障碍去大概0m到4.5m的距离，宽的高频交流电压进入输出控制范围一般为2.4~5.5V,静态高频电压控制功耗远远小于2mA,并且它还具有自己独特的温度传感器功能来帮助校正和改善测距效果。同时它还采用了GPIO等多重无线通信传输方式,里面带有看门狗,运行稳定可靠。当超声波在空气中运动时，设超声波在空气中的速度为V。用时间差来计算距离，根据时间差△t，利用下面的公式就可以计算发射回波和目标回波之间的距离S,即: S=V·△t/2方案二：采用收发分离超声波模块。图3-4收发分离超声波模块所采用的单发单收超声波测距模块，接受距离大致在4cm到5m之间数据的范围内，接收的角度大概在大于90度，模块工作方式是串口，一个接收模块用一对串口，发送频率为50HZ，模块通信波特率为115200。但是由于需要运用三角形计算法，由两个接收超声波模块来接收，实际应用的范围距离范围和角度是需要再去测算的。发送超声波模块连接上手持电源成功，就可以正常工作。连接成功的时候，发送模块上的LED灯快速闪烁，这个时候就可以进行发送。要想接收超声波模块能够更加准确的接收，手持超声波需要尽量对准接收模块，判断能不能接收到就看接收模块的LED灯会不会也快速闪烁。左边接收模块接受到的数据是左边接收和手持发送模块的距离，右边接收到的距离数值则是右边距离发送模块的距离。接收到超声波通过串口以50Hz的频率和单片机通信。收发一体的超声波测距是模块发送超声波到目标，再从目标到模块，这时利用时间乘以声速算出来的距离是距离这个目标的两倍。但是发送和接收模块是分开的，所以它的时间就是目标到接收模块超声波传递的时间，距离也就是实际的距离。收发一体的也能做超声波跟随，但是只能做直线跟随和障碍物跟随。也就是说它只能在工作中跟随前方的物体，想实现本毕业设计想实现的跟随特定的目标则很困难。如果考虑使用两个收发一体的超声波模块来一左一右的放置也是不行的，因为使用2个超声波则2个超声波需要同时发射，超声波之间会互相影响则会紊乱根本没法实现功能。经上述比较，选择使用方案二，收发分离超声波模块。1.4电机驱动模块图3-5电机驱动电路图图3-6L298N电机驱动板实物图本次毕业设计驱动电机的用的直流电机的芯片是L298N的双H桥直流电机驱动芯片，它在实际应用中特别的稳定，可以直接使用来驱动两边的直流电机，在控制电机速度上和方向上，应用起来都很简单。L298N是ST公司生产驱动芯片，这种芯片里有两个H桥的全桥式的驱动模块，这就是叫做双H桥的原因，因为有两个驱动模块，所以有两个控制输入端，既可以驱动直流电机，也可以驱动步进电机。如果没有信号的输入，也可以通过一个逻辑输入端使其工作。而一般情况下是驱动两个直流电机，分别控制小车的左右两个轮子，这两个电机的运行之间互相不会产生影响。1.5红外避障模块用的是Zave红外避障模块，通过这个模块使小车在遇到障碍物时可以实现避障。红外信号接受部分目前用的是一种常见的光敏式的红外二极管。想要应用这个模块，就是要在这个二极管两边设立一个可以从正到负的反向的偏压，在这个电路应用的过程中，需要一个接收的二极管，不是圆形和长方形。红外发光的二极管发射的信号，频率一般特别低，那红外接收到的信号很弱，要想能够准确且实际的接受到这个信号，需要去加可以用来专门把红外信号放大对的电路，比如SM0038和BL9149的电路。这个控制模块遇到什么样的光线都能很快的适应也能很快的识别，当探测到可能阻碍小车运动的物体，或者可以反射红外线的表面，红外线就会被反射到接收这里收到相应的信号。再经过比较强电路，这样绿色的LED灯会亮起来，会发送相应的信号，这样输出的IO口就会发出具体的电位信号。可以检测大概2到80多cm距离范围以内的障碍物，电位计的角度可以调到35，向着顺时针方向拨动电位计，测量障碍物的距离则可以增加，再拨相反的方向，距离则可以减少。传感器会十分主动的对障碍物进行检测，是利用红外线反射来进行检测，所以检测到的障碍物这个目标它的红外射线反射率是多少，它的形状是什么样的是非常重要且有影响的。白色小块检测的时候距离会相对而言比较大，而黑色的小块就会比较小。面积小的小块它检测的距离就会比较小，而大的面积的检测的距离会比较大。这个传感器模块有一个基本输出口OUT，它的应用是直接和MCU的输入IO端口来进行连接，也可以直接了当的用5V的继电器电路来进行应用。该传感器检测距离的范围通过拧电位器来进行调节，传感器受到干扰的可能性小，安置也很容易，操作则特别容易学习。它可以在机器人避障、汽车避障等很多各种类型的方面进行应用。图3-7避障传感电路图3-8避障传感实物图1.6称重模块称重模块选择了电阻应变式压力传感器和HX711A/D转换芯片。采集数据依靠选用的电阻应变式压力传感器，传感器收集到的数据需要进行转换才能够显示，所以利用选择的HX711芯片把模拟量进行A/D转换，把转换后的数据给单片机进行处理，处理以后再调用OLED显示模块进行重量数据的显示。 图3-9称重模块框架图图3-10称重模块硬件连接1.6.1HX711模块图3-11HX711引脚图想要称量小车上承载的物体，就要考虑在小车上安置电子秤来实现。用HX711则是专门制作用来给电子秤的24位数据的用来做A/D转换的芯片。HX711是一款专为高精度电子秤而设计的24位A/D转换器芯片。和其他用来做这个功能的芯片比起来，这个芯片的外围电路更为完整丰富，可以满足更多的要求。HX711芯片单块芯片上所容纳的元件数目很多，它响应信号的速度也很快，遇到很复杂的情况下也不会被干扰。这个芯片的成本低，性能好，是很适合的选择。这款芯片的接口非常方便使用，所有的控制信号通过简单的管脚就可以应用，不需要进行额外编程。初始化的过程很简单。芯片管脚图如图所示。1.6.2压电传感器的选择方案一：采用压电传感器。某些材料上受力之后，在它对应的特殊的一些表面，特定的电荷会在这些表面上运动，进而会形成压电效应，这就是压电传感器的工作原理。压电传感器体积很小，重量也很轻，制作起来也很简单，静态的去测量物品重量不是特别容易实现，频率太低也很难被测量。而加速度的物品，比如有俯冲的力度和动态变化的力作用则更加广泛的被测量。压电传感器的电阻比较高，想要应用它，需要特定的硬性设定条件也要有一些特别的外部电路，所以实际应用比较复杂。方案二：采用电阻应变式传感器。图3-12传感器内部连接图电阻应变式传感器通过电阻的应变效应来实现，将受到的压力会变成电信号进而进行测量。电阻应变片是其中的核心部分。导体发生结构上的变化，被挤压或者被拉长都会使得电阻变化，而电阻的变化量则可以反应受到的力的大小，把电阻的变化量和电阻本来的数值进行比较，通过多次实验得到数据来寻找变化的规律，但是这个数据太小了，变化之间区域太小造成的误差很大。这个时候去考虑加一个直流电桥的电路，这是一个转换电路，把比值这个较难测量而且会不够精准的数据，转换成电压或者电流这样更加直观方便判断的变化数据，这样测量起来就会更加简单。直流电桥它的信号不容易受到影响，但是还是需要用增益高和更加稳定的放大器来放大其较小的信号。应变片式传感器它可以用于很多情况，在实际工厂应用中都被广泛的使用，无论是温度极高还是压强极大，或者是磁场力作用特别大的情况下，都不影响其使用。精度也非常的高，误差更小，而且结构很小，特别轻，很容易使用。经上述比较，选择了第二种方案，使用电阻应变片压力传感器。基于小车本身的大小和质量的硬性条件，也尽量不要引起传感器的损坏，也要考虑对小车的影响，所以本毕业设计选择了量程为5Kg的电阻应变片压力传感器来进行称重。1.7OLED显示模块的选择方案一：采用数码管显示。数码管是一种半导体发光器件，按发光二极管单元连接方式分为共阳极数码管和共阴极数码管。数码管能显示的只有数字，甚至是只能显示几个数字，要想完整的显示所需要的完整的数据，甚至需要用上很多的数码管连接起来，这样造成的工作量要大很多，而且也很繁琐在实际应用中。而且很多的字符也不能显示，想要明确的显示想要的任何字符非常困难。方案二：采用OLED模块。OLED有很多优异有用的特点，对比度相较而言很高，反应速度更加快速，在极冷即热的温度下都可以正常使用，构造的技术也更加简单，更加轻便视角也很宽阔。选择使用的是0.96寸四脚OLED显示屏。0.96英寸OLED有黄、白和蓝三种颜色可供选择；其中，黄色和蓝色分别为屏幕上四分之一处的黄色光和屏幕下三分之一处的蓝色光；此外，在相应区域中去显示相应颜色，在不对的显示区域显示不对的颜色是没法实现的；白光是纯白色的，就是背景是黑色的，字符是白色的；蓝色是纯蓝色，就是背景是黑色对的，字符是蓝色的；系统具有许多种类型的网络接口。OLED的每个裸屏所有的可以在这里设定种类型的接口，有680O和8080并行接口。选择的四脚OLED显示屏只需要两根导线就可以控制。此时在显示屏