循迹小车-测速-显示-无线遥控

1、20132013 年黑龙江科技大学年黑龙江科技大学电子设计大赛报告电子设计大赛报告题目：竞速小车学院名称电气与信息工程学院参赛学生姜春东 邵晓轶 冯兴荣指导老师郭静华2013 年 6 月 目录目录引言引言.11方案设计与论证方案设计与论证.11.1电机驱动部分论证与分析.11.2传感器探测部分论证与分析.21.3电机部分论证与分析.21.4显示部分论证与分析.21.5电源部分论证与分析.31.6控制单元部分论证与分析.32原理分析与硬件电路图原理分析与硬件电路图.42.1系统总体设计.42.2车体部分设计.42.3电机驱动模块.52.4循迹探测模块.72.5稳压电路的设计.93软件设计与流程软

2、件设计与流程.93.1主程序框图.93.2源程序.104制作安装调试制作安装调试.154.1电路设计与制作.154.2小车的检测与调试.165总结总结.166参考文献参考文献.167附录附录.177.1元器件列表.17摘要摘要：本设计以一片单片机 STC89C52 作为核心来控制自动循迹小车，采用四个减速电机，加以控制芯片 L298N 和单片机联合控制小车的前进与后退。路面的黑带检测使用 RPR220 红外传感器，经过 LM339 处理后，传送给 STC89C52对输入的信号进行处理，通过一个液晶显示器以动态显示的形式显示小车走过的路程和速度。可实现遥控小车的开始和结束。关键词：关键词：STC

3、89C52 L298N RPR220 1602 LM339引言引言报告是以小车的总体设计为主要线索，包括小车的设计分析及发案论证、小车的软件设计、小车的硬件设计、以及总体的设计流程。共分为五部分。其中第一部分主要是对小车总体设计及各个设计方案进行了论证，第二部分是对小车硬件部分的设计做了详细的介绍，第三部分重点叙述了软件的设计及流程和各种相关的算法，第四部分介绍了我小车设计的开发流程，第五部分叙述了我在设计过程中遇到的问题和解决方法，并对本次的设计活动做了总结报告和在本次活动中的心得。1方案设计与论证方案设计与论证本次竞赛要求制作的小车能够循黑线前进并且达到竞速的目的，而且要显示走过的时间和速

4、度。并且有按键起车与声光语言提示。根据题目的要求，我们组设计了以下几种方案并对各方案进行了论证与分析。1.1电机驱动部分论证与分析电机驱动部分论证与分析 方案 1：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。但是电阻络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻较小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且很难实现。 方案 2：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械 结构易损坏，寿命较短，可靠性不高。 方案 3：采用达林顿管 TIP4 组成的 PWM 电路。

5、用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的状态，精确调整电机转速。方案 4：采用 L298N 来控制电机的正转和反转来实现小车的前进和后退，并且如果再利用上 PWM，就可以实现整车的加速与减速，精确小车的速度。基于上述理论分析，拟选择方案 4。1.2传感器探测部分论证与分析传感器探测部分论证与分析方案 1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。 但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作

6、。因此我们考虑其他更加稳定的方案。 方案 2：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，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的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。 方案 3：用 RPR220 型光电对管。RPR220 是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。 简单实用，特别适合我们这次的制作。基于上述理由我们选择

7、了方案 3。1.3电机部分论证与分析电机部分论证与分析 方案一：采用直流电机直流电机速度快，价格便宜，通过调节电流来改变速度，驱动电路简单，调速范围广，调速特性平滑。但其转距小，带有大负载时很容易堵转；而且由于其速度较快，不易控制，精确度低，不适合应用在本题。方案二：采用步进电机步进电机是一种能将电脉冲转化为角位移的机构，通过控制脉冲个数来控制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，其精确度高，但控制相对较繁琐。方案三：采用减速电机减速电机也是通过控制电流来改变速度的，而且其内部有减速齿轮箱，转距大，而且易控制，速度较步进电机快。通过分析题目要求，减速电机可以达到题目要求的精度

8、，而且价格适中，控制简单。综上所述，我们决定采用方案 3减速电机。1.4显示部分论证与分析显示部分论证与分析 方案 1：使用数码管显示。数码管显示具有亮度高，色彩选择多的优点，但是数码管占用 I/O 资源多，控制复杂，功耗较大，显示信息量较少且单一。 方案 2：使用 1602 液晶屏显示。液晶显示驱动简单，易于控制，功耗小，且显示信息量大，可以直观地观测到小车的位置及速度信息。基于上述理论分析，我们决定选择方案 2。1.5电源部分论证与分析电源部分论证与分析方案 1：采用 2 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 8.6V 给直流电机供电，经过 7805 的电压变换后给支流电机供电，给单片机系统

9、和其他芯片供电。但由于电压不太够，价格昂贵，因此，我们放弃了。方案 2：采用:9V 蓄电池为直流电机供电，将 12V 电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但蓄电池的体积过于庞大，使用极为不方便。方案 3： 采用 3 节 3.7V 锂电池供电，电压达到 11v，经 7805 稳压后给支流电机供电，给单片机系统和其他芯片供电。但价钱还是太贵。基于上述理论，我们选择方案 2。1.6控制单元部分论证与分析控制单元部分论证与分析方案 1：采用纯数字电路该方案外部检测采用光电转换，系统控制部分采用数字电路译码对小车电动机两端电压调整，来控制小车的

10、运行。时间和行程用加法器进行计数。此系统的设计将会使电路过于复杂，调试时需要改变硬件电路，机动性差。 方案 2：用单片机控制用光电检测不同的信号，并经单片机对其处理，传送给 L298 信号，使其控制电机的正转和反转。通过单片机内部定数器/计数器进行定时、计数，在用单片机串行输入/输出口进行显示控制。此方案电路成熟、工作稳定、容易实现控制。为能更好的实现题目的各种设计要求，所以我们选用第二种方案。用单片机进行控制。其工作框图如下：单片机控制工作图开始光电检测STC89C52小车正反转显示路程显示速度2原理分析与硬件电路图原理分析与硬件电路图2.1系统总体设计系统总体设计基于上述各方案的论证与分析

11、，我们确定了最终方案。整个系统采用 11V锂电池供电。系统的总体结构框图如图 1 所示。 STC89C52 最小系统板液晶显示模块循迹模块电机驱动模块两个左轮两个右轮车体系统总体框2.2单片机资源分配单片机资源分配STC89C52 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上。它由如下功能部件组成，8 位微处理器、128 字节数据存储器、8k 程序存储器、p1、p2、p3、p4 四个 8 位并行 I/O 口、1 个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行 I/O 口，甚至与多个单片机相连构成多机系统， 、片内有 2 个 16 位的定时器/

12、计数器， 具有四种工作方式。具有 5 个中断源，2 级中断优先权及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。为了合理调用单片机的资源,如图 2-2 是单片机资源分配图。INT1/P3.313T0/P3.41415T1/P3.516WR/P3.6P2.7P2.6P2.5P2.428272625RD/P3.717XTAL21819XTAL120VSSP2.3P2.2P2.1P2.024232221P1.01P1.123P1.24P1.3VCCP0.0P0.1P0.24039383

13、7RST9RXD/P3.01011TXD/P3.112INT0/P3.2P0.7EAALE/PROGPSEN32313029P1.45P1.567P1.68P1.7P0.3P0.4P0.5P0.636353433STC89C52Vss1Vcc23Vee4RSDB613DB71415LED+16LED-R/W5E67DB08DB1DB29DB31011DB412DB5LCD1602蜂鸣器1 23 4 电机驱动控制端寻迹检测光电对管测速光电对管图 2-2 单片机资源分配图2.3电机驱动模块电机驱动模块我们主要采用 L298 驱动两台直流电机电路如图-3 所示，。L298 可驱动 2个电动机，OUT

14、1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动两台直流减速电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转。2，3，13，14 四个脚连接直流减速电机。6，11 脚接 PWM 信号（即EnA，EnB接控制使能端）控制电机的停转。四组光耦对输入、输出电信号起隔离作用。8 脚接地。表 2-3 是 L298N 功能逻辑真值表图。Ven 为 6，11 脚。IN1=IN3，IN2=IN4.IN1 为 5 脚。 IN2 为 7 脚。 IN3 为 10 脚。 IN4 为 12 脚。表 2-3 L298 驱动电路真值表ENA=ENB=1IN1=1IN2=0正转I

15、N1=0IN2=1反转IN1=IN2=1(或 0)停止ENA=ENB=0IN1=1(或 0)，IN1=IN2停止由表 2-3 可知同为低电平时，电机停止工作；ENA 和 ENB 同为高电平时，电机正转或反转。L298 驱动两台直流电机电路 图 2-3L298 管脚排列如下：2.4循迹探测模块循迹探测模块小车循迹原理是小车在贴有黑胶带的白色路面上行驶时，由于黑线和白线对光线的反射系数不同，可根据接受的反射光的强弱来判断黑线，我们采用了比较普遍的检测方法红外检测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射特点。在小车行驶过程中不断的向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫反

16、射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车的接收管接收不到信号，在通过 LM339 作比较器采集高低电平，从而实现信号的检测。市场上有很多红外传感器，在这里我们选用了 RPR220。RPR220 采用 DIP4 封装，其具有如下特点：1.塑料透镜可以提高灵敏度。 2.内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 3.体积小，结构紧凑。RPR220 参数如下：电路图如下：2.5稳压电路的设计稳压电路的设计为了给整个控制系统提供一个稳定的电压，在此选择了 7805 稳压管作为该电路的核心芯片。该稳压电路的设计如图 3.3.5 所示。图 3.3.5 稳压电源电路图7805 稳压管

17、有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛，每种类型由于内部电流限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏，如果能够提供足够的散热片，他们就能够提供大于 1.5A 的输出电流，虽然是按照固定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压和电流。3软件设计软件设计与流程与流程3.1主程序框图主程序框图此部分是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。由于 51 单片机具有价格低廉是使用简单的特点，这里选择了 STC89C52 作为控制核心部件，其程序控制方框图如图所示。 是否在弯道？开始延时 3s提速行驶NY检测

18、右传感器？电机反转小车左转黑线遮蔽检测左转传感器？器？白线遮蔽电机反转小车右转黑线遮蔽白线遮蔽图 3.3.1 系统的程序流程图小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机 I/O 口，一旦检测到某个 I/O 口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。3.2源程序源程序#includesbit IN1=P10;sbit IN2=P11;sbit IN3=P12;sbit IN4=P15;sbit ENA=P16;sbit ENB=P17;sbit hong=P13;sbit feng=P14;sbit ce1=P20;sbit ce3=P22;sb

19、it ce2=P21;sbit ce4=P23;sbit ce5=P24;sbit lcden=P27;sbit lcdrs=P25;sbit wr=P26;sbit ce6=P32;sbit ce7=P33;sbit p1=P33;sbit p2=P34;unsigned char code table=Vmax: cm/s;/显示最高速度unsigned char code table1=Va: cm/sT: s;/显示瞬时速度和行驶时间unsigned char num,j,n,m=0;unsigned int x=0,a=0,k=0,l=0,lu1=0,lu2,Va=0,t=0,Vm=

20、0; void delay(unsigned int z) / 延时函数 unsigned int x,y; for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void write_com(unsigned char com) /液晶写命令lcdrs=0;P0=com;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void write_data(unsigned char date) /液晶写数据lcdrs=1;P0=date;delay(5);lcden=1;delay(5);lcden=0;void init() /液晶初始化wr=0;lcden=0;wr

21、ite_com(0 x38);write_com(0 x0c);write_com(0 x06);write_com(0 x80+0 x00);for(num=0;num12;num+)write_data(tablenum);delay(2);write_com(0 x80+0 x40);for(num=0;numVm) Vm=Va; display(5,Vm); /显示最大速度 display(3,Va);/显示瞬时速度TR1=0; /关闭定时器 1 while(1); if(ce1=1)&(ce2=1)&(ce3=1)&(ce4=1)&(ce5=1) /停

22、止 display(12,t); / 显示行驶时间 Va=(lu1+lu2)*3/(2*t);/计算速度 if(VaVm) Vm=Va; display(5,Vm); /显示最大速度 display(3,Va); /显示瞬时速度 TR1=0;/关闭定时器 1 void time1() interrupt 3 using 1TH1=(65536-50000)/256;TL1=(65536-50000)%256; /重装初值m+; if(m=20)m=0; t+; void time2() interrupt 4 lu1+; void time3() interrupt 0 lu2+; 4制作安装调试制作安装调试4.1电路设计与制作电路设计与制作我们根据实际需要，手工将循迹模块，控制模块，驱动模块制作出来，并通过铜柱，螺母等将其固定在洞洞板上4.2小车的检测与调试小车的检测与调试在检测过程中，我们设计的小车有冲出跑道的情况，而无法正常循黑线前进，我们分析可能的原因是：1.路探测，每一个 RPR220 之间的距离安装的不合理，导致小车有探测的不灵敏，而冲出跑道；2。程序需要优化；3.车速太快，而检测装置