智能循迹小车设计方案 智能循迹小车方案

智能循迹小车设计方案智能循迹小车方案自动化06--2班2009年6月5日自动寻迹小车摘要本寻迹小车是以PCB电路板为车架，AT89S51单片机为控制核心，加以直流电机、光电传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由AT89S51通过IO口控制小车的前进后退以及转向。寻迹由RPR2…各省主要风电塔架制造厂名单序号123456789101112131415161718192021222324公司名称甘肃玉门锦辉长城甘肃科耀电力有限公司北车集团兰州金牛轨道交通装备有限公司河北强盛风电设备有限公司保定天威电气设备结构有限公司…学习“七.一”讲话精神，深入剖析“四种危险”胡锦涛在党庆90年大会上，总结了建党以来的“三件大事”和“两大成果”，提出了往后“两个宏伟目标”，指出中共面临“四种考验”和存在“四种危险”。整篇讲话与时俱进，有新意，有不少新提法，是一篇回顾历史、总结经…自动化06--2班2009年6月5日自动寻迹小车摘要本寻迹小车是以PCB电路板为车架，AT89S51单片机为控制核心，加以直流电机、光电传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由AT89S51通过IO口控制小车的前进后退以及转向。寻迹由RPR220型光电对管完成。关键词：AT89S51直流电机光电传感器自动寻迹电动车AbstractThesmartcarisaluminumalloyforthechassis,AT89S51MCUasitscore,includingmotorandservo,plusphotoelectricsensors,aswellasotherflamesensorandpowercircuit.MCUcontrolsthecarturningbackforwardorrunningonthewhiteline.RPR220reflectivephotosensorseeksthetrace.Farinfraredflamesensortrackstheflame.Inaddition,theSCMsystemwithSunplusforvoicebroadcastcanremindcurrentstatus.ThesystemtransmitsinformationthroughDFmodule.Thecar’sstatuswillbetransmittedtotheRemoteConsole.OCMJ4X8CLCDdisplayand2keysforstartcontrol.Keywords:AT89S51MotorServoPhotosensorElectricalfireengines一、系统设计1、设计要求（1）寻线跑（2）显示小车当前的速度（3）显示时间并记录行驶距离（4）自动避开障碍物（5）其他2、小车循迹的原理这里的循迹是指小车在地板白纸上循黑线行走，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，当红外光遇到白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；如果遇到黑线则红外光被吸收，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3cm。3、模块方案比较与论证根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。3.1车体设计方案1：方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，前万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与前万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。对于车架材料的选择，我们经过比较选择了PCB板。用有PCB板做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观，而且可以直接在其上焊接元件。综上所述，选择方案2。图2车体底盘图3.2控制器模块方案1：采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案3：采用Atmel公司的AT89S51单片机作为主控制器。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。由于89S51单片机的资源已经可以满足设计需要，且51单片机价格上有优势。从方便实用不浪费资源的角度考虑，我们选择了方案3。3.3电源模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案1：采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给直流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算，因此，我们放弃了这种方案。方案3：采用1块充电锂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。充电电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然充电电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且充电电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。综上考虑，我们选择了方案3。3.4稳压模块方案1：采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用一片7809将电压稳定至9V，最后经7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电，但7809和7805压降过大，使7809和7805消耗的功率过大，导致7809和7805发热量过大，因此，我们放弃了这种方案。方案2：采用一片7812芯片和一片7912芯片将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用7805芯片将电压稳至5V，给单片机系统供电。7805的输出电流最大可至1.5A，完全满足系统要求。综上考虑，我们选择了方案2。3.5寻迹传感器模块方案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。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。RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我们选择了方案3。3.6电机模块本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。为了能够较好的满足系统的要求，我们选择了方案2。3.7电机驱动模块方案1：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。方案3：采用专用芯片L293作为电机驱动芯片。L293是美国德州仪器（TexasInstruments）生产的微型电机驱动集成电路芯片，支持Vcc4.5~36V，最大输出电流为1A。由于其驱动能力有限，多应用于小型机器。但对于本小车设计负重不是太多，L293可以胜任。另外L298N管脚不好焊接，L293是标准DIP16封装，可以方便买到芯片底座，方便随时更换芯片。因此我们选用了方案3。4、最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：（1）车体用PCB板车架手工制作。（2）采用AT89S51单片机作为主控制器。（3）充电电池经7812，7912稳压后为直流电机供电，将12V电压经7805降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。（4）用RPR220型光电对管进行寻迹。（5）L293作为直流电机的驱动芯片。系统的结构框图如图3所示：图3系统结构框图二、硬件实现及单元电路设计1、微控制器模块的设计采用Atmel公司的AT89S51单片机，不用烧写器而只用串口或者并口下载线就可以往单片机中下载程序。我们在开发过程中使用开发版，方便程序的调试和整机的测试，待系统调试完成后，将单片机从开发板安装在小车底座板上方便及时调试。积木式连接还方便拆卸以便于其他项目的开发与调试。2、光电对管电路的设计我们设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如4和图5所示图4光电对管检测电路1图4所示电路中，R1起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R2的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三极管集电极输出低电平。当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。VT1在该电路中起到滤波整形的作用。经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。究其原因，是因为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流较大。因此我们考虑用比较器的方案。图5光电对管检测电路2在图3中，可调电阻R3可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机查询使用。而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调节电路。3、寻迹光电对管的安装考虑到设计要求，本次设计仅用5对光电传感器就能完成设计要求，中间2对传感器用来校正小车的寻迹路线，保证小车运行的直线性。两侧的传感器用来检测小车过线。车轮处的传感器记录小车的运行速度和里程数。4、电机驱动电路的设计我们采用电机驱动芯片L293作为电机驱动，驱动电路的设计如图6所示：图6L293电机驱动电路L293的1、2、7、9、10、15四个引脚接到单片机上，L293的3、6、11、14接到直流电机上。通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的PWM调速以及正反转等功能。三、软件实现3.1主程序流程图我们所设计的软件的主程序流程图如图7所示：图7主程序流程图3.2传感器数据处理及寻迹程序流程我们用一个字节来代表车底的6个光电传感器。用每一个位来代表当前传感器的检测状态。我们把小车直线行进时分成三种状态，当中间四个传感器都检测到白线时，小车在跑道的正上方，这时控制两电机同速度全速运行。当检测到有一个传感器或者同侧的两个传感器偏出白线时，小车处于微偏状态，这时将一个电机速度调慢，另一电机速度调快，完成调整。当检测到有三个电机偏出时，小车处于较大的偏离状态，这时把一个电机的速度调至极低，另一电机全速运行，从而在较短时间内完成路线的调整。用这种三级调速的寻迹算法同单纯的判断检测到对管的位置并作出判断的方法相比，程序思路清晰，程序执行结果较好。该检测传感器子程序的流程图如图8所示：图8传感器信息处理子程序流程图四、系统功能测试4.1测试仪器及设备表1测试仪器设备清单4.2功能测试小车从启动区启动，沿黑线循迹行走；遇障碍时停止，随即右转一定角度走最后回到黑线上，继续行走。五、结论测试表明，小车能够较好的完成实验的基本要求。寻迹误差较小。六、结束语我们的寻迹小车在完成设计要求的前提下，充分考虑到了外观、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。由于设计要求并不复杂，我们没有在电路中增加冗余的功能，但是我们保留了各种硬件接口和软件子程序接口，方便以后的扩展和进一步的开发。另外，我们的车体底盘经过充分的论证和专业的设计，兼顾了美观、廉价、稳固、可靠等各方面的因素，具有较高的稳定性和推广意义。鸣谢：黑龙江科技学院创新工程实践基地七、参考文献1.戴佳，苗龙。51单片机应用