《电子竞赛论文J》word版.doc

2006 年吉林化工学院电子设计竞赛 自动排爆车 参赛队员： 指导教师： 目录 摘要3 1方案比较与论证.4 1.1 方案一4 1.2 方案二4 1.3 方案论证.4 2.系统设计.4 2.1 总体要求.4 2.2 总体设计5 2.3 系统设计详细电路图5 2.3 模块设计7 电机驱动模块设计7 光电隔离模块设计8 金属传感器模块8 寻迹模块9 2.4 单片机嵌入式操作系统设计13 （1）总体设计思路13 （2）WDT 中断处理 .13 （3）P1 中断13 （4）P2 中断13 3、系统调试.14 3.1硬件调试14 （1）车体驱动电源14 （2）行程开关14 3.2软件调试15 4、指标测试.15 4.1. 测试仪器15 4.2.测试指标15 4.3 测试结果15 5、结论.15 摘要 该作品主要制作一个自动排爆小车，共有七部分组成，分别为车架、单片机系统、驱动电 路、寻迹电路、光电隔离电路、摆臂电路、金属探测及金属处理电路组成。 车架用来支撑和摆放各电路及达到运动的目的；单片机系统是通过控制各部分电路达到 控制整个小车有序运动及显示运动时间的目的；驱动电路是给各个部分供电；寻迹电路是用 来采集黑线信号；光电隔离电路是把外部高电压与单片机隔离开，达到保护单片机的目的； 摆臂电路是控制横臂的转动；金属探测及金属处理电路是通过金属探测器来探测并将探测到 的信号送回单片机系统，通过单片机系统反馈出的信号来控制对金属的拾、放动作。 该系统的主要实现对可疑金属的探测及对可疑金属的处理，通过寻迹电路使车体在预定 的范围内行使，同时金属探测及处理电路对可以金属进行扫描及扫到后的处理。光电隔离可 以有效保护单片机系统的安全工作。 1方案比较与论证 1.1 方案一 让车从四周以螺旋线轨迹向中间移动，并在车头装上横向扫描的探头，车每行动一步， 让探头来回扫描一次。但很快被否决了，因为想让车以螺旋线行走，得经过很复杂的计算， 包括行进时车体旋转角度及行动距离，并且必须使用步进电机，步进电机功耗较大，因此舍 弃了此方案。 芯片的选用，我们选用 msp430f449。因为 430 系列芯片一款精简指令、超低功耗的芯 片，外部电路灵活而且功能强大。而 51 虽然比较普遍，比起 430 功能实现比较困难，不适合 制作本系统，因此选用了 msp430f449 1.2 方案二 除一些最基本的电路外，整个设计都以 msp430f449 单片机为载体，该单片机功耗极低， 外部电路灵活而且功能强大，有多种省电模式，大大节约了能源。 1.3 方案论证 经过比较，虽然两种方案都可以实现此功能，但 51 需要的外部电路特别复杂，因此实 现起来比较困难，而且功耗比起 msp430 要大很多，因此我们选用了方案二作为最终方案。 2.系统设计 2.1 总体要求 设计并制作一个能自动进入危险现场排除险情的简易排爆机器人小车，危险现场如图 1 所示。进入危险现场通道起点距危险现场 1.3m，通道宽 25cm，画有 1cm 宽的黑色中心线， 危险现场为直径 1m 的圆形平面场所，边长 1.5cm 的可疑铁磁材料薄片任意放置于场内，现 场所有的边界均为宽 2cm 的黑线。 1要求机器人小车进入现场找到可疑铁磁材料薄片，并将其转移到防爆处理库的危险 品储仓，在整个搜索和转移过程中机器人小车除探头和机械手外均不得接触边线和可疑铁 磁材料薄片。 2送入危险品储仓后机器人小车要回到出发点。 图 1 现场示意图 2.2 总体设计 首先，让车沿黑线直线进入圆内，行进的同时通过车体周围的寻迹传感器随时矫正车体， 防止车轮触及黑线。进入圆形区域后，让车体沿左边沿着圆环内圈运动，同时让摆臂向右摆 动，摆臂前的金属探头开始扫描。扫描一次，当摆臂碰到行程开关后，让摆臂往回摆动，摆臂 复位，碰到另一个行程开关，一次扫描结束。小车边运动，摆臂边扫描，如此往复运动，直到 扫描到可疑金属后，摆臂稍做调整，用电磁铁将可疑金属物吸起，发出声光警报，并让摆臂 复位。小车沿着圆内线继续运动直到扫描到通道中间的黑线，车体骑着黑线运动。到危险品 储仓时，让车转过 90 度角，进入仓库，把危险品放入防爆处理库。车体转过 180 度角，离开 车库。最后回到出发点。整个过程，时间由液晶显示频显示。 2.3 系统设计详细电路图 图一为 msp430f449 基本功能电路图 图二为外围电路电路图 2.3 模块设计 本方案硬件方面运用了电机驱动模块、光电隔离模块、金属传感器模块、寻迹模块。在软 件方面运用单片机嵌入式操作系统，实现了对单片机的控制及时间的显示功能。 电机驱动模块设计 电机驱动主要由 L293D 构成，由外部的输入 IN1 与 IN2 经芯片比较，通过控制输出的 OUT1 和 OUT2 高低电平来控制电机的正反转与停止。 光电隔离模块设计 光电隔离主要用了发光管和受光管构成。通过对光电隔离模块的运用，使芯片只对外输 出高低电平信号，不与外部高电压接触，能有效保护芯片，不至于被外部高电压所损坏。而 由芯片所发出的高低电平信号也不会由于外部信号的影响而出现混乱。 金属传感器模块 当金属探测器探测到金属时，电感线圈中的电感迅速变化，从而产生感应电流，电流经过 三极管的放大，改变了输出电流。将输出信号变送给单片机。这样，系统就检测到金属传感 器探测到可疑金属片，并对摆臂和电磁铁进行控制，使得电磁铁将可疑金属片吸引起来。 寻迹模块 如下图，寻迹传感器主要由发光管和光电管组成。 寻迹其实就是寻找黑线的过程。当传感器工作时，有一端一定会在白纸上，另一端可能 在黑线上也可能在白纸上。其寻迹的工作原理是：发光管两端有固定的电压，发出一定的光 强，因为白纸与黑线对光的反射效果不同，因此光电管在同一光强上表现的吸收效果就不同， 从而表现出的外部特性即电阻阻值出现较大变化，导致与其串联的电阻两端电压出现明显 变化，将两个传感器输出的电压值做比较，就可以得出传感器是在白纸上还是在黑线上，达 到寻迹的目的。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行 走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过 15cm。对于发射和接收红外线的红外 探头，可以自己制作或直接采用集成式红外探头。 由于发光管与光电二极管在制造工艺水平比较低，所购买的元件存在明显的个体差异， 因此在把二者组合的之前，我们首先对它们做了测试，以确保达到预期的目的。 具体测试方法如下： 拿同一发光管与其它光电管组合，分别测它们在同一外部条件下，在黑线与白纸上，测 得与光电管串联的电阻两端的电压。并计算出差值，从而比较并挑选出合适的发光管与光电 管的组合。 具体测试数据如下：（单位：V） 发光管 1 白纸上黑线上差值 光电管 11.200.270.93 光电管 20.810.210.60 光电管 30.640.120.52 光电管 41.250.231.02 光电管 50.980.180.80 光电管 60.960.160.80 光电管 71.430.371.06 光电管 80.700.100.60 发光管 2 白纸上黑线上差值 光电管 12.130.901.23 光电管 21.370.610.76 光电管 31.250.550.70 光电管 41.640.611.03 光电管 51.530.630.90 光电管 62.241.440.80 光电管 71.730.641.09 光电管 81.370.410.90 发光管 3 白纸上黑线上差值 光电管 12.020.931.09 光电管 21.550.570.98 光电管 31.210.550.66 光电管 41.830.811.02 光电管 51.700.601.10 光电管 62.121.011.11 光电管 71.900.801.10 光电管 81.300.560.74 发光管 4 白纸上黑线上差值 光电管 12.300.801.50 光电管 21.270.670.60 光电管 31.200.500.70 光电管 41.800.701.10 光电管 51.540.620.92 光电管 61.560.561.00 光电管 71.510.600.91 光电管 81.200.500.70 发光管 5 白纸上黑线上差值 光电管 12.561.700.95 光电管 22.001.070.93 光电管 31.850.900.95 光电管 42.681.601.08 光电管 52.501.550.95 光电管 62.351.351.00 光电管 72.241.101.14 光电管 81.900.801.10 发光管 6 白纸上黑线上差值 光电管 12.400.901.50 光电管 21.400.720.68 光电管 31.020.500.72 光电管 42.000.981.02 光电管 51.240.840.40 光电管 61.560.740.82 光电管 71.220.540.68 光电管 80.850.440.41 发光管 7 白纸上黑线上差值 光电管 11.450.600.85 光电管 21.010.400.61 光电管 30.240.020.22 光电管 41.010.350.66 光电管 51.200.540.66 光电管 61.200.460.74 光电管 71.300.520.78 光电管 80.850.270.58 发光管 8 白纸上黑线上差值 光电管 12.501.660.84 光电管 22.121.150.97 光电管 30.450.270.18 光电管 42.411.440.97 光电管 51.760.890.87 光电管 61.100.350.75 光电管 71.400.600.80 光电管 80.780.270.51 初步选定组合： 发光管光电管白纸上黑线上差值 112.280.761.52 282.451.161.29 360.900.340.54 441.450.550.90 531.560.680.88 671.320.570.75 721.860.841.02 851.230.480.75 经过进一步的测试，最终选定了以下六组 发光管光电管 11 28 44 53 72 65 红外探头的安装 在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，在小车 底盘安装 6 个红外探头。 2.4 单片机嵌入式操作系统设计 （1）总体设计思路 开始工作后，首先对单片机各功能模块进行初始化：将定时器、LCD 显示器、各个端口分 别进行初始化，然后小车开始运动。 （2）WDT 中断处理 WDT 在工作中起主要作用，处理大部分的中断，包含了小车在行进过程中的主要函数功 能的完成。 （3）P1 中断 P1 端口负责在小车行进中通过行程开关控制摆臂往返运动。 （4）P2 中断 P2 端口负责金属探测（探测到金属后产生中断）。 3、系统调试 3.1硬件调试 （1）车体驱动电源 原方案：只用一个电源给小车（除单片机外）供电，发现小车耗电量很大，一段时间后就不 能正常工作。 改进：用双电源分别给电机供电，使小车可以长时间稳定工作。 （2）行程开关 原方案：将行程开关放在两段（图一），其中一个行程灵活性不好，碰到后不能正常返回。 改进：将一个开关用线与摆臂相连，用摆臂给线的牵引力代替碰撞，解决了这个问题。 （如 下图） 3.2软件调试 因为红外管的性能影响，在白天和晚上的时候光电探头的 A/D 转换部分在程序设计的黑 线和白纸上差异较大。因此，要根据当时的光强确定其比较数值。 4、指标测试 4.1. 测试仪器 电源 、金属铁片、白纸黑线场地 4.2.测试指标 （1）车轮是否触及边线 （2）电磁铁能否将可疑金属片吸起 （3）能否正常返回 4.3 测试结果 由于光电探头与车轮几乎在一条直线上，因此运动时可能会稍微触及边线。 电磁铁基本都可以吸引铁片。 正常返回时，在入库的时候，车容易迷失方向。 5、结论 本次设计我组基本完成了题目要求，在整个竞赛过程中独立设计了众多模块，实现了多 项题目要求。因为个人能力所限，及所购买的元件质量问题，我们的作品仍然存在着很多问 题，请评委批评指正。 6、收获 通过本次的电子竞赛，让我们学到了许多书本上学不到的许多知识。 在刘老师的精心指导和大家互相协作的基础上，我们基本完成了本次任务，并且认识到了合 作的重要性。在电子竞赛中学到的知识，能让我们在以后学习生活中受益无穷。大家都希望 以后可以有更多的机会去多锻炼自己。 小车整个排爆过程： 1.直线阶段：光电探头 5 始终沿中间的黑线前进（正对），探头 4（左侧）负责检测左边路黑 线，当检测为黑线时小车向右转（车体一直来回摆动），而检测不为黑线时，小车左转，就 这样探头 4 控制着小车沿左边路黑线行进。 2.进入雷区：当探头 5 离开中间黑线时，表明小车进入雷区，此时小车启动扫描程序。具体 步骤为让小车前进一小段距离（小于金属探测器探测范围），摆臂一次，直到探测到金属 片，启动电磁铁，进行拾取。具体为：发现金属片后，让小车单步后退（距离小于电磁铁吸 引范围），然后用电磁铁吸引金属片。 3.拾取后，小车返库阶段：小车沿左边线前进，同时开启探头 6，当 6 检测到黑线时，说明 小车已处于仓库入口，调整车速，沿一定角度入库。同时开启光电探头 1 检测到黑线时 左转，探头 3 检测到黑线时车体右转。当 1 检测到两次以上黑线时，开启探头 2，沿入库 的黑线进入。当 2 检测到白色区域，说明小车就位，放下金属片，进入调头步骤，原地左 转（左轮后退，右轮前进）。 4. 回起点：当光电探头 1 检测到黑线时左转，探头 3 检测到黑线时车体右转。当 1 检测到两 次以上黑线时,读取探头 2。当 1、2、3 全部检测到黑线时，车左转。当探头 3 检测到白色 区域，再次检测到黑线时，读取探头 1，沿着边线运动。当 1、2、3 全部检测到黑线时，车 转身回到初始位置。 （注：关闭与开启的意思就是 是否读取数据） 整个过程的源程序 /*调试内容：整个排爆过程*/ /*输入、输出端口分配*/ /* 寻迹传感器 OUT1P6.0/A0 95 寻迹传感器 OUT2P6.1/A1 96 寻迹传感器 OUT3P6.2/A2 97 寻迹传感器 OUT4P6.3/A3 02 寻迹传感器 OUT5P6.4/A4 03 寻迹传感器 OUT6P6.6/A6 04 左电机 E1 端P3.5/TB4 66 左电机 IN1 端+P3.3 68 左电机 IN2 端-P3.4 67 右电机 E2 端P2.2/TB1 77 右电机 IN3 端-P3.1 70 右电机 IN4 端+P3.2 69 摆臂电机 E1 端P2.3/TB2 76 摆臂电机 IN1 端+ P2.7 72 摆臂电机 IN2 端- P3.0 71 行程开关 1P1.0 87 行程开关 2P1.1 86 金属传感器 OUTP2.5 74 电磁铁驱动信号P2.6 73 声光报警P3.6/TB5 65 */ /*光电探头数据范围*/ /* ADC_result0340 int ccr2,ccr1=80,ccr4=50,ccr0=512; /*ccr2 摆臂电机调速,ccr1 右电机调速,ccr4 左电机调速,ccr0 PWM 周期*/ float ADC_result6; int a,b6,c8,d4,e; / 切换控制变量 int tdly2=1,0; /延时 tdly0为 0 时进入延时模式 为 1 时正常工作 tdly1为延时时 长 void td(void) /*延时函数*/ tdly1+; if(tdly1=30) tdly0=1;tdly1=0; void LCDclr(void) /*LCD 清空*/ int i; for (i=0; i2; ADC_result1 = ADC12MEM12; ADC_result2 = ADC12MEM22; ADC_result3 = ADC12MEM32; ADC_result4 = ADC12MEM42; ADC_result5 = ADC12MEM52; ADC12CTL0 |= ADC12SC; /启动转换 void init_ADC12(void) /*ADC 初始化*/ int i; P6SEL |= 0x1F; / 使能 A/D 通道 A0A4 ADC12CTL0 = ADC12ON+SHT0_2+REFON+MSC+REF2_5V; / 接通并设置 ADC12 ADC12CTL1 = SHP+CONSEQ_1; / 使用采样定时器 ADC12MCTL0 = INCH_0+SREF_0; /序列开始 ADC12MCTL1 = INCH_1+SREF_0; ADC12MCTL2 = INCH_2+SREF_0; ADC12MCTL3 = INCH_3+SREF_0; ADC12MCTL4 = INCH_4+SREF_0; ADC12MCTL5 = INCH_5+SREF_0+EOS; / 序列结束 for ( i=0; i450) /左转 TBCCR4=0; TBCCR1=80; else if(ADC_result3400 if(ADC_result5315 if(d2=3) if(ADC_result2350TBCCR1=50; if(ADC_result25TBCCR1=0;P2OUT d0=3;a=6; if(ADC_result52 if(d1=1) if(ADC_result02TBCCR1