智能小车设计报告

光电系统课程设计报告——设计题目:光电智能小车指导教师:班级:设计者姓名:学号:同组者姓名:设计者联系电话: -0-目录一.摘要(2)二.方案设计与论证(2)1.技术指标(2)2.基本原理(3)3.方案论证(3)三.硬件电路设计(6)单片机最小系统设计(6)电压转换模块设计(8)光电探测输入模块设计(8)输出电机驱动模块设计(9)四.软件设计(11)编程思想及流程图(11)主要程序设计(13)五.测试结果及结论分析(14)测试报告(14)2.结论(14)六.心得体会(15)七.参考文献(15)八.附录(15)器件清单(16)程序清单(16)原理图(21)PCB一.摘要C8051F31016C8051F310的设计。从硬件设计到软件程序控制来实现设计题目要求。本次设计采用C8051F310st168L298N未做其它功能拓展。本文介绍了设计思想的方案论证,硬件设计和软件设计过程,以及最终测试和结果分析,从各方面剖析本次设计过程。二.方案设计与论证1.技术指标本次设计题目是:光电智能小车以单片机为核心,设计光电智能小车,小车沿弯曲跑道来回运行,到达终点时能方向行驶,具体要求如下:1、选用51系列单片机24CM,10×25CM色矩形。3、通过光电方法控制小车运动方向45V选作:可显示行驶路程和行驶时间小车跑道示意图如下:基本原理3检测模块利用光电探测器对指定路线进行检测,光电发射管发生的光由光电接收管接收,对于白纸和黑线,光的反射率不同,则光电接收管接收到的光功率大小就单片机进行处理。C8051F310C8051F31016/定时器阵列(PCA)输出给驱动模块。L298N做相应运动。3行控制并输出相应信号,即可实现整个系统的正常运转。方案论证⑴检测系统的方案选择方案一:基于反射式红外传感器的检测模块基于反射式红外传感器的模拟光电传感器阵列,利用传感器对白色和黑色反射率大小的不同,通过对各个传感器输出值的组合能够基本确定智能小车的位置,从而对小车的位置和行驶方向进行控制。c-eLM39374LS14单片机控制。电路原理图如下图:这种方法具有较高的可靠性和稳定性,但随着精度要求的呃提高会使得处理时径进行识别,降低了对环境的适应能力,影响了智能小车的速度和稳定性,而且具有一定的电路规模,不便电路设计。方案二:基于CMOS传感器的检测模块CMOSA/DCMOS色引导线。CMOS要求较高,且成本也较其它方式要高。方案三:基于st168器件的检测模块St168触检测方式。该器件即是基于反射式红外传感器的集成和改进。其光电特性如下表:st1681.4~2.0V;3.8~4.2Vst168确定统一的电压判决门限。综合考虑,本次设计选择st168器件作为检测模块输入。⑵检测放大器的方案选择方案一:采用普通单级放大电路普通单级放大电路结构简单,调试方便,价格低廉,但是在系统运用上海有很多不足,如抗干扰能力差,共模抑制比低等。这会使得单片机的输入信号不够稳定,很有可能导致控制时的误判。方案二:采用差动放大电路选择幼优质的元件构成比例放大的差动电路,可以提高一定的精度,但是仍旧不能完成某些要求。在本次设计中,需要将光电检测器的输入电平信号放大并滤除干扰,并要求对共模干扰信号有很强的抑制能力。这种情况下采用差动放大电路,必须设法减小温度漂移,但是实际运用中,共模抑制比较高时往往会使放大器的输出饱和;而为获得单片机能识别的电平又无法抑制共模干扰。方案三:电压比较电路Ur,UiUi>UrUiUrUrUrUr比较器鉴别准确,反应灵敏,动作迅速,抗干扰能力强,并且具有一定的保护措施。为了实现上述要求可以采用以下方法改善放大器性能:①选用集成电压比较器②可以在集成运放的两个输入断并联二极管,以提高响应速度。③尽可能使输入信号接近理想情况,使它在阈值附近的变化接近理想阶跃且幅度足够大简单电压比较器灵敏度高,但抗干扰能力差,运行也不够稳定。st168LM339AN入信号处理后输出给单片机进行控制。⑶驱动方式的方案选择方案一:静止可控整流器,简称V-M系统V-M产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。方案二:脉冲宽度调制,H型双极性可逆PWM变换器PWM电机配合,系统就可以获得很宽的频带,响应速度快,抗干扰能力强。而且主电路损耗小,装置效率高。H型双极式PWM变换器有如下优点:(1)电流一定连续;(2)可使电动机在四象限中运行;(3)电机停止时有微振电流,能消除静摩擦死区;(4)低速时,每个晶体管的驱动脉冲仍较宽,有利于保证晶体管可靠导通;(5)低速平稳性好,调速范围可达20000左右。其电路原理图如下图所示:PWM路规模较大,设计过程不简便。方案三:驱动芯片L298N调速L298NST1546V;3A,2A;25WH2特点:1、具有信号指示;2、转速可调;3、抗干扰能力强;4、具有过电压和过电流保护;5、可单独控制两台直流电机;6、PWM脉宽平滑调速7、可实现正反转;8、采用光电隔离。L298N三.硬件电路设计单片机最小系统设计C8051F310单片机芯片上集成了很多功能:805114,WTD1280字节内部数据RAM;16KBFLASH存储器,可在系统编程;10ADC29/25I/O5VUART、SMBusSPI4个通用16位计数器/定时器;16/定时器阵列(PCA),5/PCA内部可编程振荡器:24.5Hz,UART外部振荡器:晶体、RC、C、或外部时钟;32LQFPC8051F310ROM/EPROMRAM,可以供此系统的程序使用,不需C8051F310接口模块。3个部分整体电路图如下:复位电路:C8051F310来实现的;本设计选择的是用按键手动复位,KEY1C2CKRST时钟电路:C8051F310SiliconLabs2(C2)FLASH信号(C2CK)C2(C2D)在器件和宿主机之间传达信息。RC(R2C6)C2CK程序载入电路:5*2Header7行控制,4C2DC2D电压转换模块设计5V,但是C8051F3102.7V~3.6V3.3V5V3.3VSPX1117--800mA(LDO)电容实现电压的转换功能。SPX11171.1V。当输出电流减少时,静态电流随负载变化,并提高效率。SPX11171.5V,1.8V,2.5V,2.85V,3.0V,3.3V的输出电压。SPX11173:SOT-223,TO-252,TO-22026310uF由SPX1117构成的电压转换模块如下图所示:本次设计使用两个插口的电压插座,5VVinVout3.3V,3.3VC8051F310正常的工作电压。光电探测输入模块设计st1681*8Header6st1684cm,故在小车的前端4.5cm~5cm测器始终探测到黑线,会使得运行更加稳定。6st168口进行连接,故没有在电路图中画出st168FL、FM、FR、BL、BM、BRI/O端口进行逻辑控制。LM339AN的输入信号进行比较。st1681.4~2V3.8~4.2V左680Ω1kΩ5V3.1V8.2kΩ的电阻作为上拉电阻稳定输出。经电压比较器处理后,输出标准的高电平或低电平信号,送入单片机进行处理。光电探测输入模块电路如下图:IC0.1uF4.输出电机驱动模块设计经过前面的方案论证,选择L298N芯片作为驱动芯片驱动两个电机,实现车轮的速度调节和正反转。在将单片机的控制信号输入给驱动芯片之前添加一个缓冲器SN74HCT373N,可以使系统更加稳定。L298N2个电机,OUT1、OUT2OUT3、OUT42个电动机。5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机的正反转,;ENA,ENBL298N1PWMPWMI/OIN1IN2M1IN1,IN2M1IN3IN4M2PWMIN2IN4FLM1IN1输PWMM2(IN3PWMFR,IN1PWM,IN3PWMFLFRIN1IN3IN2IN4PWMBLBR整个输出电机驱动模块如下图所示:0.1uF四.软件设计编程思想及流程图2FLFRP0.2P0.42BLBRP2.2P2.4线时输入高电平,探测到白底时输入低电平。16/定时器阵列(PCA)的输出P1.2~P1.5PWML298N调速转向。程序主要分为前行程序和倒行程序两个大模块,每个大模块又分为直行程序,左转程序和右转程序三个小模块。上电时首先直接执行前行的直行程序,再对光电探测器输入信号进行判断,然后根据判断结果执行相应的子程序。前行程序模块:P0.2P0.4P0.2P0.4P0.2P0.4程序。每个子程序执行完后都跳转到程序开头进行判断。倒行程序模块:P2.2P2.4P2.2P2.4P2.2P2.4程序。每个子程序执行完后都跳转到程序开头进行判断。P1.2~P1.516/定时器阵列(PCA)PCA0CPH0~PCA0CPH3L298NIN1~IN4。IN1IN2IN4PCA0CPHx的赋值约FFh:PCA0CPH0PCA0CPH2,PCA0CPH1PCA0CPH3前行左转子程序:PCA0CPH0;PCA0CPH2增大,PCA0CPH1PCA0CPH3前行右转子程序:PCA0CPH0;PCA0CPH2减小,PCA0CPH1PCA0CPH3倒行时的三个子程序类似,PCA0CPH0PCA0CPH2PCA0CPH1PCA0CPH3P1.3P1.5PWM号占空比,实现倒行的直行,左转和右转模块的功能。程序流程图如下:白黑白主要程序设计主要的编程思想在前面已经做了很详细的论述,在此将前行程序的判断语句,前行程序的直行子程序,以及倒行程序的左转子程序三个部分作为例子,说明详细的程序设计过程。前行程序判断语句:OB_LEFT1:JBP0.2,OBRIGHT11//11SJMPOB_RIGHT1//11OBRIGHT11:JBP0.4,BACKSTART//若右1为高(压线),则双探头压线,到达终点,//跳转到倒行程序LJMPTURN_LEFT1//左1已压线,右1未压线,则进入左转程序OB_RIGHT1:JBP0.4,TURNRT1//11,LJMPANJIAN0//TURNRT1:LCALLANJIAN2//调用右转程序前行程序的直行子程序:ANJIAN0:MOVA,#00HMOVPCA0CPH0,A//1MOVA,#00HMOVPCA0CPH2,A//11MOVA,#0FFH//其他端口为零占空比的低电平MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1//执行结束后跳转到判断语句倒行程序的左转子程序:ANJIAN5:MOVA,#60H//22MOVPCA0CPH3,AMOVA,#00H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFH//MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2//执行结束后跳转到判断语句3相应模块也可以按照类似的思想进行编程,最终由整个编程思想将每个小模块按正确的逻辑“连接:起来,即可实现整个程序的设计。1.测试报告测试方法:数字万用表主要用于测试分立元件的电阻值,电容大小,以及二极管的截止/导通状态和某些关键点的电压值。信号发生器用于模拟光电探测器的信号输入给单片机进行控制,观察输出电机驱动模块是否运行正常。示波器用于观察输出电机驱动模块的驱动信号是否正常,并可以测量光电探测器的输入高电平和低电平的电压值,以及测试电压比较器的阈值电压值,作好整体的调试。直流稳压源为测试期间的各个部分供电。测试数据和结果:5V,5.2V3V61.4~2V3.8~4.2V较为稳定。测试驱动模块时,使探测器在白纸和黑线上不断变化,产生相应信号,用示波器IN1、IN2、IN3、IN4畅稳定。2.结论C8051F310st168L298N本次光电智能小车的设计采用两个驱动轮+一个随动轮运行,光电探测器探测4cm10cm×25cm30s,由于直接利用了车轮的正反转,在反向行驶时不需调头或者转弯,直接逆向行驶,所以一个来回所需要的时间约为1min。运行过程中,车身平稳,且转弯灵活,整个运行过程非常稳定且为发生任何错误。不足之处在于较大角度的转弯处,小车运行得不够灵活,转弯速度较慢,时间较长。六.心得体会本次光电系统课程设计使我受益匪浅。陆陆续续快一个学期的过程中我通过课程设计的各个步骤学到了很多东西。在确定了本次课设的题目后,首先查阅了很多资料,对硬件电路设计的原理有小组成员选择了性能稳定,成本低廉,简单可靠的方案来实现此次系统的设计。在画电路原理图的时候,器件相关参数的确定并不能像理论上计算得出就可以的,需要去做测试实验才能确定其参数,这让我知道了理论与现实操作还是有很大差别的,不能PCBPCBPCB同占空比的方波,此方法编程复杂繁琐,容易出现逻辑错误,最终决定用可以编程的计数器/定时器阵列(PCA计过程,使程序非常简洁明了。最终的焊接和调试过程,小组成员齐心协力,一步一步地调试好每个模块,最终完成了整个系统的设计。本次课设小组成员分工合作,虽然遇到了各种困难,但都一一克服了,使得我们最终共同完成了整个光电系统的设计。七.参考文献胡乾斌.单片微型计算机原理及应用[M].华中科技大学出版社,2006.江志红.51单片机技术与应用系统开发案例精选[M].清华大学出版社,2008.潘琢金.C8051F310/1/2/3/4/58/16KBISPFLASH微控制器数据手册[Z][D].,2004.八.附录原理图(P21)PCB(P22)器件清单程序清单$includeORG0000HLJMPORGMAIN:SETBP1.6SETBP1.7LCALLInit_DeviceSTART:LCALLANJIAN0//设置电机正转OB_LEFT1:JBP0.2,OBRIGHT11//11SJMPOB_RIGHT1//左1探头未压线,继续判断右1探头OBRIGHT11:JBP0.4,BACKSTART//1点,跳转到倒行程序LJMPTURN_LEFT1//左1已压线,右1未压线,则进入左转程序OB_RIGHT1:JBP0.4,TURNRT1//11,LJMPANJIAN0//若也未压线,则返回起始保持直行,且继续探测TURNRT1:LCALLANJIAN2//调用右转程序ANJIAN0:MOVA,#00HMOVPCA0CPH0,A//接左1轮MOVA,#00H//11MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1ANJIAN2:MOVA,#00HMOVPCA0CPH0,A//11MOVA,#60H//11MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1TURN_LEFT1:LCALLANJIAN3ANJIAN3:MOVA,#60H//11MOVPCA0CPH0,AMOVA,#00H//11MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1BACKSTART:LCALLANJIAN1//电机反转OB_LEFT2:JBP2.2,OBRIGHT21//22SJMPOB_RIGHT2//左2探头未压线,继续判断右2探头OBRIGHT21:JBP2.4,START//2跳转到前行程序LJMPTURN_LEFT2//左2已压线,右2未压线,则进入左转程序OB_RIGHT2:JBP2.4,TURNRT2//11,LJMPANJIAN1//若也未压线,则返回起始保持直行,且继续探测TURNRT2:LCALLANJIAN4//调用右转程序ANJIAN1:MOVA,#00H//接左2轮MOVPCA0CPH3,AMOVA,#00H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2ANJIAN4:MOVA,#00H//22PCA0CPH3,AMOVA,#60H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2TURN_LEFT2:LCALLANJIAN5//调用左转程序ANJIAN5:MOVA,#60H//22MOVPCA0CPH3,AMOVA,#00H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2;------------------------------------;-GeneratedInitializationFile--;------------------------------------;Peripheralspecificinitializationfunctions,;CalledfromtheInit_DevicelabelPCA_Init:movPCA0CN,#040hanlPCA0MD,#0BFhmovPCA0MD,#002hmovPCA0CPM0,#042hmovPCA0CPM1,#042hmovPCA0CPM2,#042hmovPCA0CPM3,#042hmovPCA0CPH0,#0FFhmovPCA0CPH1,#0FFhmovPCA0CPH2,#0FFhmovPCA0CPH3,#0FFhretPort_IO_Init:;P0.0-Skipped,Open-Drain,Digital;P0.1-Skipped,Open-Drain,Digital;P0.2-Skipped,Open-D