光电设计大赛改后

1、第四届全国光电设计大赛理论方案报告参赛题目：基于光电导航的智能移动测量小车基于光电导航的智能移动测量小车参 赛 队 伍 名 称 ： 黑骑士参赛队黑骑士参赛队所在学校：长春理工大学光电信息学院长春理工大学光电信息学院队长姓名：程鹏程鹏 吴昌斌吴昌斌 刘劲刘劲提 交 方 案 时 间 ：一一.要求要求本设计是一种基于单片机控制的具有光电导航功能自动寻迹小车系统，包括小车系统构成软硬件设计方法。要求从线路的指定点出发，沿轨道上铺设的“8”字形导航条走完全程。在行走过程中，利用光电技术测量、记录沿途所通过隧道的数目、各段隧道的长度及沿途路边树木的棵数。 小车以AT89C51 为控制核心, 用单片机产生P

2、WM波，控制小车速度。利用太阳能电池辅助供电提供充足的电能。利用红外光电传感器对路面白色轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断,及时控制驱动电机以调整小车转向,从而使小车能够沿着白色轨迹自动行驶,实现小车自动寻迹的目的。 在计算隧道长度时，采用光电传感器和超声波传感器相协调的测量方式，使测量更精准。关键词：单片机AT89C51 光电传感器 直流电机 自动循迹小车 计数器 光电检测技术 二二.总体方案总体方案（1）研究隧道长度测量问题； （2）研究传感器参数的选择问题 （3）研究隧道长度测量的问题； （4）研究树木、隧道计数时的识别问题； （6）研究解决显示

3、器的问题； （7）研究各模块互不干扰的问题； （8）研究行驶速度 测量精确度之间的协调问题；三三.车体结构车体结构小车大概尺寸是长20CM,宽17CM(包括2轮子)长20CM,宽14CM(不包括2轮子)四四.循迹导航的实现循迹导航的实现 1、小车循迹原理：这里的循迹是指小车在深绿色地板上循白线行走，由于白线和深绿色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。通常采取的方法是红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到深绿色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如

4、果遇到白线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定白线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限工作原理及电路图工作原理及电路图: : 当检测的物体为深绿色时，红外发射器发出的光大部分被深绿色物体所吸收，反射会的光线已很微弱，光敏三极管无法导通，所以LM324的2引脚为高电平并且与3引脚的输出电压同时送到LM324内进行比较。由于U2U3使得LM324的输出引脚为低电平。当检测到白色物体时反射回的光线足够多，光敏三极管导通此时2引脚为低电平并且与3引脚的高电平同时送入LM324内进行比较，由于此时U2U3所以LM 324输出引脚输出高电平将

5、比较器输出的高低电平送到单片机中进行处理判断就可以区分出此时被检测到的轨迹是白色还是深绿色。循迹的实现：在小车具体的循迹行走过程中，为了能精确测定白色线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其循迹的可靠性。这4个红外探头的具体位置如图3-6所示。图3-6 传感器安装图图中循迹传感器全部在一条直线上。其中X1与Y1为第一级方向控制传感器，X2与Y2为第二级方向控制传感器，并且白线同一边的两个传感器之间的宽度不得大于白线的宽度。小车前进时，始终保持(如图3-6中所示的行走轨迹白线)在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离白线时，第一级传感器就能

6、检测到白线，把检测的信号送给小车的处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹予以纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器都只检测到深绿色，则小车会继续行走；若小车由于惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器的探测范围，这时第二级探测器动作，再次对小车的运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。可以看出，第二级方向探测器实际是第一级的后备保护，从而提高了小车循迹的可靠性。 工作原理及电路图工作原理及电路图五五. .隧道测量隧道测量 如果进入隧道，我们可以用光敏电阻光敏电阻的感光性能调节阻值的大小从而输出高低电平，从电平开始改变就计时，电平再次改变就结束计时。通过驱动轮的转速以及车轮半径就可以计算出隧

7、道长度。地面的白线是导引线，位置读取和计算的准确度、稳定性将直接影响小车的控制和运行。下图是实际运行中出现的情况，白块表示感应到白线的传感器。传感器的排列比较密，可能12个传感器都能踩到白线；转弯处车身倾斜甚至23个传感器都能踩到白线。应该求白线的中心位置作为结果。 另外采用超声波传感器超声波传感器，提前感知隧道，配合光电传感器精准计算出小车进入离开和隧道的时间，结合小车行驶速度，并通过一定的算法，准确测得隧道数目和隧道的长度。原理：原理：具体方法：具体方法：采用直流减速电机附带测速系统：GB37Y3530该款电机适用条件:直径：37mm,电机尾部加装双通道霍尔效应编码器，AB双路输出,单路每

8、圈脉冲16CPR,双路上下沿共输出64CPR电压工作范围： DC6V-12V6V电机的空载转速有：速度检测方案速度检测方案: :由于要精确测量隧道长度，对小车的速度测量由于要精确测量隧道长度，对小车的速度测量精度得特标高，对测速方案要求更高。精度得特标高，对测速方案要求更高。小车的实际行驶速度是小车速度控制的控制输入量，准确实时的测量小车的速度才能实现小车的速度控制，即纵向控制。常用的测速方案有以下几种：方案一：方案一： 光电测速传感器原理：是传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，光源的光通过开孔盘的孔和缝隙反射到光敏元件上，开孔盘随旋转体转一周，光敏元件上照到光的次数等于盘上的开孔数，从而测出旋

9、转体旋转速度。灵敏度较高，但容易受外界光源影响。 方案二：方案二： 测速发电机原理：是将旋转机械能转化成电信号，适合于测量速度较高的旋转物体的速度。采用电磁感应的原理。但市场上测速发电机应用于低压市场的比较少，而且都比较重，不适用于模型车，并且要将侧速发电机安装到电动车上需要对电动车模型进行较大改动，由于其质量较重，可能会严重影响电动车的机动性能，除非自制。优点是测速准确、稳定、快速，可以直接由AD 转换器读入单片机测得当前速度值。图2-3 测速发电机方案三：方案三： 霍尔传感器霍尔传感器其工作原理是：利用霍尔开关元件测转速，内部具有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路，其

10、输出电平和TTL电平兼容。在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M 旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。 方案选择论证：方案选择论证：光电测速传感器受外界光源影响很大，不适合运动性物体的测速；测速发电机体积重量较大，不便于小车上安装；集成化霍尔开关传感器具有灵敏可靠、体积小巧、无触点、无磨损、使用寿命长、功耗低以及不怕尘土、油污、湿热等优点，综合小车运动环境和重量轻的要求，我们使用了霍尔传感器来进行速度检测。 我们在后轮上贴了N 个磁铁，轮

11、子每转1/N 圈，霍尔元件就会输出一个脉冲，只要测量每两个脉冲之间的时间就可以知道当前车速。要提高测速的速度可以适当增加N 值，但相应测到速度的精度就会下降，但考虑到实际运行系统对速度精度要求不高，所以在调试阶段可以根据情况增减N 值。 图4-5 霍尔开关型传感器CS1018 内部结构图六六. .树木数目测量树木数目测量用的是颜色的ST188，如果检测到有反射的光线就计数加一。 采用并排式光电传感器，两侧多组排列，并结合超声波传感器辅助测量，在测得数据后经一定的算法，避免遗漏或重复，使得测量树木的棵树更加精准计数模块计数模块：采用单片机自身的定时、计数器进行计数，每当传感器检测到一次目标信号后

12、计数器便自加一次，直至跑完全程，程序自动停止计数，并通过显示模块实时地显示树木棵树。显示模块显示模块：为了更直观地显示要测量的数据，我们选择配备一个液晶显示模块，所有监控数据一目了然。采用128*64 OLED液晶显示器，可以直接插入开发板液晶插座，兼容标准1602和12864接口，每个点都能自己发光，所以没有背光这一说法，可以显示小车行驶速度，行驶距离，隧道长度，树木棵树等等，对比度高，在强光下也可以看得很清楚。七七.单片机的选择单片机的选择单片机：AT89C51（32位）主要特性：主要特性：与MCS-51 兼容 4K字节可编程闪烁存储器 寿命：1000写/擦循环数据保留时间：10年全静态工作：0Hz-24Hz三级程序存储器锁定128*8位内部RAM32可编程I/O线两个16位定时器/计数器5个中断源 可编程串行通道低功耗的闲置和掉电模式片内振荡器和时钟电路八、经费预算八、经费预算产品名称数量单价总价太阳能电池板20120小