毕业设计80智能小车的黑线运动

本科毕业设计 摘 要 智能小车的黑线运动 摘 要 随着电子信息技术的飞速发展，现代电子技术将会在汽车上得到越来越多的运用， 并且这一方向的最终目 标 将会是实现智能化、无人驾驶汽车。 本次要求设计的模拟小车，基于电子技术应用、传感器、自动控制、单片机应用、电机传动等原理 实现小车准确沿黑线运动 。 采用黑色胶布铺设在浅色纸张中心，作为小车运动时的模拟黑线跑道 。 在凌阳公司单片机 SPCE061A 的支持下，通过反射式光电传感器判断小车运动时的路面信息，经过算法处理，送出控制信 号到小车电机，从而控制小车左转、右转、前进和后退，使小车能够 准确 跟踪 黑线跑道，实现小车的简易智能化。同时在小车运动时，利用 SPCE061A 内部的中断计数功能，同步的实时显示小车运动时间。 关键词 SPCE061A 单片机，反射式光电传感器，自控小车 ,时间显示 本科毕业设计 ABSTRACT ABSTRACT Along with the electronic information technology rapid development, the modern electronic technology will be able to obtain more and more utilization on the automobile, and this direction ultimate objective could realize the intellectualization, no driver automobile. The request of design a simulation car based on the principle of electronic technology application, sensor, automatic control, single chip computer application, electrical machinery transmission and so on theories to let the simulation car accurately follow the black line sport. Using the black adhesive plaster locates on the center of the white paper, as the cars simulation line runway. Under the support of Lingyang single chip mirco computer SPCE061A, through the reflection type electro-optical sensor judgment the road surface information when the car begin to move, according procedures processing, sends out the control signal to the car electrical engineering, and controls the simulation cars right, left, advance and the back to enable the simulation car accurately to track the runway to attain system of simple intellectualization. Meanwhile when car move, making use of the count function of the SPCE061A interior severance, synchronously display the cars movement time. Keywords The SPCE061A single chip mirco computer， The reflection type electro-optical sensor， Automatic control simulation car， Time display 本科毕业设计 目录 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . II 1 绪论 . 1 1.1 课题背景 . 1 1.1.1 当前智能汽车发展背景 . 1 1.1.2 本次毕业设计情况 . 2 1.2 毕业设计要求 . 3 2 系统基本方案确定 . 4 2.1 控制模块选择 . 4 2.1.1 采用 FPGA 作为系统的控制器 . 4 2.1.2 MCS-51 与 SPCE061A 的比较 . 4 2.2 电机位置选择 . 8 2.2.1 电机位置的选取 . 8 2.3 电机控制方案 . 11 2.3.1 励磁控制法 . 11 2.3.2 电枢电压控制法 . 11 2.3.3 VM 控制法 . 11 2.3.4 直流脉宽调制 . 12 2.3.5 凌阳公司的配套小车 . 13 2.4 路面检测模块选择 . 14 2.5 显示模块 . 15 3 单元电路设计 . 16 3.1 单片机设定 . 16 3.1.1 系统时钟设定 . 16 3.1.2 定义引脚 . 16 3.1.3 开启中断 . 17 3.2 电机驱动电路 . 17 3.3 光电传感电路设计 . 19 3.4 显示模块 . 20 3.5 系统框图 . 21 4 系统软件设计 . 22 本科毕业设计 目录 4.1 小车运动子程序 . 22 4.1.1 运动设计 . 22 4.1.2 读取数据设计 . 23 4.2 光电检测子程序 . 24 4.3 显示模块子程序 . 26 4.3.1 计数程序设计 . 26 4.3.2 时间显示设计 . 26 4.4 中断使用设计 . 27 4.5 延时程序设计 . 28 4.6 清看门狗设计 . 28 4.7 系统流程图 . 29 5 系统调试 . 30 5.1 测试工具 . 30 5.2 单片机引脚电平测试 . 30 5.2.1 对 IOB 口的测量 . 30 5.2.2 对 IOA 口的测量 . 31 5.3 对光电传感电路的调试 . 32 5.4 运动时间的测试 . 33 5.5 误差分析 . 33 5.5.1 运动误差分析 . 34 5.5.2 运动时间误差分析 . 34 5.5.3 解决措施 . 34 结论 . 35 附录 A：主程序清单 . 36 附录 B：延时子程序 . 40 附录 C：数字显示代码 . 41 参考文献 . 42 致 谢 . 43 本科毕业设计 1 绪论 1 1 绪论 1.1 课题背景 1.1.1 当前智能汽车发展背景 智能化电器及汽车电子业快速发展呈现出两大特点： 一、产品智能化： 交通法规和市场需求大力推动汽车电子信息技术的发展。目前，能源、排放、噪声、安全法规日趋严格，客户对舒适性的要求不断提高，都是推动汽车电子信息技术发展的重要因素。随着我国汽车排放标准、汽车安全性能的不断提高，安全带、安全气囊、 ABS、 ASR 等产品都将实现智能化。 二、产品集成化： 随着汽车和发动机系统微处理器的规模越来越大 ，汽车微处理器越来越多，有的车型达 60 个，并采用 LIN、 CAN 网络控制。据统计，目前，汽车电子产品已占汽车总成本的 1/3，软件部分占 4%，今后一个时期，预计将超过 10%。随着制造技术的不断提高， IC 将趋于集成化。由一个 IC 实现相当于以前多个 IC 的功能。目前，汽车 ITS 正在迅速兴起，包括汽车的智能化、公路的自动化和导航系统等，综合控制成为汽车电子信息技术发展趋势，远程信息处理系统使蓝牙技术广泛应用于汽车，汽车整体智能化水平将不断提升。 在 电子技术迅速发展的今天，人们对汽车驾驶的要求也会有相应的提高，都希望汽车 在首先作为驾驶工具的时候能提供高性能的驾驶特性，这些驾驶要求就是能够满足驾驶的安全性、以及驾驶时候的舒适性。在这些要求都能得到满足的时候，就希望汽车还能作为我们驾驶的时候一种娱乐或者体验高科技的载体，并且能够实现所谓自动化的功能，这就是当今流行的智能汽车。随着电子信息技术的飞速发展，形形色色的汽车智能技术在汽车上得到推广应用，充分体现出其安全、可靠、舒适、方便及快捷的优越性能。智能汽车是一种能够自动导航的新型汽车，车内安装有导航显示屏，可以在驾驶员键入目的地地名后显示出行车路线，当汽车接近某个需要拐弯的路口 时，语言装置通过人工合成的声音发出提示，当遇到交通堵塞的情况时，导航系统将引领驾驶员 绕道而行，并且可以随机应变，依据不同的道路状况和速度变化的状况自动进行启动，加速或刹车制动。智能汽车由一部道路图像识别装置，一部小型电子计算机和一套用电信号控制的自动操作系统组成。道路图像识别装置用来识别复杂的路况。 其中比较核心的部分就是智能导航系统：该技术将很受驾车者欢迎，尤其是长途开 车和外出旅行，你不必担心方向和路径，预先输入的指令将保证车子按最佳路线行驶。同时，自动控制系统将让你不必一直将脚放在踏板上，该系统通过雷 达使汽车同前面的一辆车保持安全的距离。随着一种利用全新的卫星导航系统本科毕业设计 1 绪论 2 也就是 GPS 的广泛应用。 GPS (Global Pilot System)全球导航系统也称全球卫星定位系统。它是依靠地球周围的 24 颗定位卫星，不断的对地面发射三维位置、三维速度的电子信息，然后通过地球上安装的相应的接收设备接收到这些信息，并用中转帧继续设备进行分析，从而判定发射提供信息的物体所处方位的一种定位系统。 GPS 的主要功能是：实时显示汽车在预先制定的电子地图中的位置、行驶速度，以及与目的地之间的距离。输入目的地后自动生成一条 去目的地的最佳行驶路线，并在转弯时用语言提醒用户，使用户去任何地方都不用问路，便可直接到达。开发一种无需驾驶员的智能型汽车的任务，也提到了议事日程上来。 开发这种汽车的技术关键有二：一是要研制能正确选择车道、感应障碍物、自动避免冲撞的技术。如德、法等国研制的 “自动智能巡航控制（ ATCC）系统 ”，就是这样一种装置，它可以用来选择最佳行车路线，防止与前面的车靠得太近，在能见度很差的情况下可以安全地行驶。这种装置能自动控制本车相对于其他车辆的速度。一种传感器在不断地测量前面车辆的速度，并据此调节加速器，确定自己的 合理车速。车上的红外激光不断地扫描车前的道路，寻找障碍物，同时把所获数据在汽车的挡风玻璃上显示出来；遇有危险情况时，会自动降低车速，或紧急刹车，处理时间为 300 毫秒。 二是必须铺设专用道路。这种道路的灵魂和核心是各种信息设备和传输技术，它通由监测器、数据搜集器、中心电脑、电子显示牌和闪光灯等构成。监测器设置在公路两旁或上方，汽车驶过时它会把车流信息通知路旁的数据搜集器，进而传至中心电脑，由中心电脑自动调节红绿灯时间，使车辆的停留时间减至最小。同时，路旁的电子显示牌会显示交通堵塞的程度，范围以及其他交通情况 ；或启动闪光灯，提醒乘车人收听当地交通情况广播。 1.1.2 本次毕业设计情况 上面是有关于当今流行的智能汽车的简单介绍，这次的毕业设计没有上面的难度。只是能够代表一定的以后智能汽车的发展方向。鉴于现在智能汽车发展的趋势，因此这次的毕业设计的题目有一定实用性。这次的毕业设计题目是在 2001年以及 2003 全国大学生电子竞赛的基础上 而得来的，鉴于全国大学生电子竞赛 对前沿科技有一定的预见性，因此在这里也借鉴了以前两次的全国大学生电子竞赛的题目要求，并且在此基础上进行了一些比较，在对以前的题目要求做了一些改进和删除 的基础上，提出了本次毕业设计题目的要求。 这次毕业设计的题目是智能小车的黑线运动 ，小车可以选择玩具车，或者自己动手买电动机以及所需的器件自制。在小车车身上面安装一定的传感器件，能够检测出路面信息，并且送出相应的信号到控制模块去进行判断， 通过光电传感器对路面信息检测的信号输入， 以及 控制模块中 的 算法处理，对小车的运动做出调整 ，使小车 能 沿 铺设的黑线 准确行驶。最后一项功能就是，根据单片机系统内本科毕业设计 1 绪论 3 的计数模块功能计算出小车行驶的总时间，并在任一时刻实时地变化显示小车运动时间。 这次的毕业设计是 对我们大学四年所学知识一个大 的综合，其中就包括对电子技术的基本应用、传感器件的使用、单片机的熟练应用如：编程、外围电路接口的使用、对电机传动方式的原理运用以及对物体的整体布局等等的一个综合应用。这次的毕业设计是对机电一体化、自动控制、单片机和电子技术使用等综合能力水平的体现。 1.2 毕业设计要求 本次毕业设计的题目是智能小车的黑线运动，采用凌阳公司的 SPCE061A 单片机作为控制 核心 ，利用反射式光电传感器作为路面信息判断的标准，通过内部算法的调整，使小车能够按照 自动跟踪黑线运动，特别是在弯度幅度比较大的时候不会发生错误而能继续跟 踪黑线； 同时采用显示集成电路实时显示小车运动 时间 。因此所设计出的小车应该具有以下功能： 光电传感器能够识别黑色胶布与白色纸张的区别，并能传送到单片机引脚； 小车在运动时能对路面信息进行算法处理，调整运动方向， 自动地跟踪黑线运动， 使小车能很 准确地 沿黑线运动； 能够实时地显示小车运动时间。本科毕业设计 2 系统基本方案确定 4 2 系统基本方案确定 该毕业设计是基于自动控制的基本原理；采用多个传感器协调配合；单片机中采用高效算法作为中心控制，设计一辆具有自适应能力的简易智能电动车。根据题目要求，本次设计中应具有：控制模块、电机驱动模块、 路面信号检测模块、时间显示模块。 以下是对各模块理论方案分析论证的详细陈述： 2.1 控制模块选择 根据题目要求，整个系统只需要几个光电传感器的协调作用，经过控制模块的调整就能达到要求。其中控制部分起到了调节和控制小车运动的功能。 2.1.1 采用 FPGA 作为系统的控制器 FPGA 是英文 Field Programmable Gate Array 的缩写，即现场可编程门阵列，它是作为专用集成电路（ ASIC）领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。 FPGA 采用了逻辑单元阵列 LCA（ Logic Cell Array）这样一个新概念，内部包括可配置逻辑模块CLB（ Configurable Logic Block）、输入输出模块 IOB（ Input Output Block）和内部连线（ Interconnect）三个部分。 FPGA 的基本特点主要有： 采用 FPGA 设计 ASIC 电路，用户不需要投片生产，就能得到合用的芯片。 FPGA 可做其它全定制或半定制 ASIC 电路的中试样片。 FPGA 内部有丰富的触发器和 I O 引脚。 FPGA 是 ASIC 电路中设计周期最短、开发 费用最低、风险最小的器件之一。 FPGA 采用高速 CHMOS 工艺，功耗低，可以与 CMOS、TTL 电平兼容。 可以说， FPGA 芯片是小批量系统提高系统集成度、可靠性的最佳选择之一。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑功能，即将所有的器件集成在一块芯片上，它采用的是并行的输入输出方式，适合大规模事实系统的控制核心。但是由于其集成度高，使其成本偏高；在编写程序方面有较大的难度； 同时由于芯片的引脚较多，使硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的难度。 2.1.2 MCS-51 与 SPCE061A 的比较 MCS-51 是美国芯片公司 Intel 的产品，作为世界上运用最为广泛的芯片之一，它具有很多优点：比如说可靠性高、程序设计简单、集成度高、易于使用、价格便宜、可用类型多等等优点，已经在日常生活中广泛被运用。 MCS51 系列是 Intel公司于 1980 年推出，它是一种高性能的 8 位单片机，一般封装为 40 引脚。其内本科毕业设计 2 系统基本方案确定 5 部有一个八位的微处理器（ CPU），一个 4K 的程序存储器和一个 128K 的数据存储器用于存放用户的程序等等，另外还有 64K 的片外程序和数据的存储器寻址能力，以便在系统空间不够时可以用于扩展 MCS51 的引脚，还有一个用于通 信的全双工的异步串行口，以及用于计数的 2 个定时 /计数器和 32 位的输入 /输出总线。 而 SPCE061A 是我国台湾的一家著名芯片公司凌阳科技公司的产品。它是 “凌阳大学计划 ”专为大学生、电子爱好者等进行电子实习、课程设计、毕业设计、电子制作以及电子竞赛设计而专门生产的一个型号的芯片，它具有体积小、集成度高、可靠性好且易于扩展、较强的中断处理能力、高性能的价格比、功能强、效率高的指令系统和低电压、低功耗等等优点。 61 板除了具备单片机最小系统电路外，还包括有电源电路、音频电路（含 MIC 输入部分和 DAC 音频输出部分） 、复位电路等，采用电池供电，方便随身携带。 表 2.1 两者的特点比较 比较 SPCE061A MCS51 核心 16 位 nsp核心 8 位 8051 核心 I/O 输出端口 32 位： A（ 16）、 B（ 16）；可以按位单独定义其状态 32 位： P0（ 8）、 P1（ 8）、 P2（ 8）、P3（ 8）；不可以按位单独定义其状态 中断结构 14 个中断源，两个优先级 5 个中断源，两个优先级 存储器 32K 字 FLASH， 2K 字 SRAM 4KROM, 128K 字节 RAM CPU 时钟 32768Hz49.152MHz(可软件 选 ) 28MHz 位操作 无 有 由于本次毕业设计对单片机内部资源要求较高，在使用引脚方面由于凌阳的单片机具有 32 位引脚，还具有位定义的特点，而在很多的时候 都是分别利用引脚完成不同的功能；另外在内部存储器上， SPCE061A 有更大的存储空间以便于程序的编写和调试，而 MCS51 的存储空间相对就小了很多，因此一片 MCS51 单片机很难满足要求。 另外 SPCE061A 还具有 2 通道 10 位 DAC； 7 通道 ADC 和 1通道 MIC 输入；触键唤醒功能；可调 PWM 输出；看门狗的外围电路大大减化 。SPCE061A 还具有丰富的 时基信源和时基中断，并且提供了非常精确的时基计数，本科毕业设计 2 系统基本方案确定 6 很方便完成的显示小车行驶时间的要求。 如图 2.1为 SPCE061A 的基本原理图。 图 2.1 SPCE061A 结构框图 61 板上有调试器接口（ Probe 接口）以及下载线（ EZ_Probe）接口，分别可接凌阳科技的在线调试器、简易下载线，配合 unSP IDE，可方便地在板上实现程序下载、在线仿真调试。 以下是 SPCE061A 的基本特点以及功能： 1） 16 位 nSP微处理器； 2）工作电压： VDD 为 2.43.6V(CPU)， VDDH 为 2.45.5V(I/O)； 3） CPU 时钟： 32768Hz49.152MHz； 4）内置 2K 字 SRAM、内置 32K FLASH； 5）可编程音频处理； 6） 32 位通用可编程输入 /输出端口； 7） 32768Hz 实时时钟，锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号； 8） 2 个 16 位可编程定时器 /计数器 (可自动预置初始计数值 )； 9） 2 个 10 位 DAC(数 -模转换 )输出通道； 10） 7 通道 10 位电压模 -数转换器 (ADC)和单通道语音模 -数转换器； 11）声音模 -数转换器输入通道内置麦克风 放大器自动增益控制 (AGC)功能； 12）系统处于备用状态下 (时钟处于停止状态 )耗电小于 2mA3.6V； 13） 14 个中断源：定时器 A / B， 2 个外部时钟源输入，时基，键唤醒等； 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 7 14）具备触键唤醒的功能； 15）使用凌阳音频编码 SACM_S240 方式 (2.4K 位 /秒 )， 能容纳 210 秒的语音数据； 16）具备异步、同步串行设备接口； 17）具有低电压复位 (LVR)功能和低电压监测 (LVD)功能； 18）内置在线仿真电路接口 ICE（ In- Circuit Emulator）； 19）具有保密能力；具有 WatchDog 功能（由具体型号决定）。 表 2.2 SPCE061A 引脚功能使用说明 IOA0-IOA15 I/O 口 A 共 16 位 IOB0-IOB15 I/O 口 B 共 16 位 OSC32I 振荡器输入。在石英晶振模式下是石英元件的一个输入脚，而在阻容模式下 RC 是振荡器的输入脚 OSC32O 振荡器输出。在石英晶振模式下是石英元件的一个输入脚或是外部脉冲的输入脚 XRESB 复位输入。若这个脚输入低电平时会使控制器被重置复位 ICE_EN ICE 使能端 ICE_SCK ICE 时钟端 ICE_SDA ICE 数据端 PVIN 程序保密设定端 PFUSE 程序保密设定端 DAC1 音频输出通道 1 DAC2 音频输出通道 2 X32O 晶振输出 X32I 晶振输入 VREF2 2V 参考电压输出端 AGC 语音输入自动增益控制端 OPI Microphone 的第二运放输入端 MICOUT Microphone 的第一运放输出端 MICN Microphone 的正向输入端 MICP Microphone 的负向输入端 VRT 外部 A/D 最高参考电压，即 A/D 转换输入电压上限值输入端；如该端输入一个 5V 的参考电压，则 A/D 转换电压输入范围为 0-5V 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 8 VCM ADC 参考电压输出端 VMIC Microphone 电源 SLEEP 睡眠状态指示端，当 CPU 进入睡眠状态时，该端输出一个高电平 VDDH I/O 电平参考。该端输入一个 5V 的参考电压，则 I/O输入输出高电平为 5V VDDIO I/O 电源 VSSIO I/O 地 VDD（第 7 脚） 锁 相环电源 VSS（第 9 脚） PLL 地 VDD（第 15 脚） 数字电源 VSS（第 24 脚） 模拟地 VSS（第 38、 49、 50、 62 脚） 数字地 VDD（第 15、 36 脚） 数字电源 SPCE061A 共有 84 位引脚，其中 15 个引脚悬空未用 由于该小车系统可以简单的分为控制系统、检测系统和显示部分三大部分，在本次设计中传感器也只用到了反射式光电传感器。因此综合实际情况、成本优势、制作的方便性和整个电路简洁性等因素：本着简单、实用、廉价、易操作等设计理念，对整个模块进行了充分的理论分析和方案论证，在控制模块上选择凌阳单片机 SPCE061A 作为整个系统的控制模块。 2.2 电机位置选择 本次毕业设计的运动模块系统作为 设计中另 一个重要的模块， 是小车运动的前提，其电机位置的选取将影响到小车的运动方式；其电机转动的精度关系到小车沿黑线运动的准确性。 2.2.1 电机位置的选取 方案一：选用前后轮分别控制 的小车，用普通微型直流电机作为驱动装置，用来驱动后轮；在前 轮 ，采用步进电机来驱动前轮，做更精确的调整。在前轮，采用步进电机的一个最大特点就是利用步进电机来调整小车的运动方向，给步进电机以不同的计数脉冲来使小车按照 要求 沿黑线准确运动。同时，车上装载用来检测路面信息的光电传感器通过后向 反馈通道将检测到的路面 信号 及时的传给车载凌阳 SPCE061A 单片机，经过算法处理，单片机根据送来的信号对小车的行驶方向做不同的调整，从而构成闭环系统，以达到题目要求。 图 2.2为系统框图。 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 9 图 2.2 方案一系统框图 方 案二：选用左右轮分别控制的小车，分 别用一个普通的玩具用微型直流电机来控制小车的左右轮，用直流电机控制就是使用它 的 驱动电路简单、调速范围宽广以及调速特性平滑等优点。通过使用适当的驱动电路 分别 对小车的左右轮的电机进行控制 ，达到不同的运动方式。 同时车上装载的用来检测路面信息的光电传感器通过后向反馈通道将检测到的不同路面信息及时的传给车载凌阳SPCE061A 单片机，采用高效算法 处理后单片机根据送来的信号对小车的行驶方向做出不同的调整，最终实现小车能够准确、误差小 地 沿黑线运动，从而构成闭环系统，达到设计要求。系统框图如图 2.3所示。 图 2.3 方案二系统框图 相比较两种方案而言，方案一中所采用的系统对小车的调速以及方向判断控单片机最小系统 速度控制 方向控制 功率驱动 直流电机 步进电机 行车状态 调整 传感器 信号采集处理 功率驱动 后向反馈通道 前向控制通道 左轮速度控制 右轮速度控制 功率驱动 功率驱动 直流电机 直流电机 行车状态调整 单片机最小系统 传感器 信号采集处理 后向反馈通道 前向控制通道 本科毕业设计 2 系统基本方案确定 10 制能够更加的准确。但是由于采用了步进电机就会使电机的驱动变得比较的 复杂，也同样使整个系统变得不够简洁，由于步进电机的价格比较的昂贵，也增加了成本因素。同时，采用该方案时，对小车的前轮的改造比较的困难，因为要采用不同 的驱动电路给小车前轮的步进电机和小车后轮的直流电机，特别是对小车的前轮提供不同的计数脉冲，也增加了 程序 设计方面的困难。同时前轮在转弯时也会有转弯不灵等情况出现，另 外在直道区直线行驶时由于本身结构的因素，其运动轨迹将会是曲线。 在方案二中由于使 用两个普通的直流电机来分别控制小车的左右轮，对于小车的改装 比较方便，可以采用相同的驱动，只要给小车的电机相同的电压就可以做直 线运动；另一方面也会使小车的转向控制非常方便，并且还可以实现小车的原地打转功能。本次设计要求使得小车校正方向的灵敏度比较高，适合小车稳定、高效、安全的要求 ， 并且 价格 也较低 ，选择直流电机的另外一个重要原因就是可以使用 SPCE061A 单片机自带的电池盒作为电源，或者采用简便的直流电源 而省去电源设计 。因此综合以上因素，选择方案二作为电机位置选取的标准。在方案二中小车的运动状态如表 2.3 所 示（图示为小车匀速运动）。 表 2.3 小车运动