电子大赛 设计电赛智能小车.docx
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电子大赛设计电赛智能小车
简易智能小车
作品类别:
第五类
引言
本系统采用AT89S52作为主控制芯片,整合控制器模块,金属探测模块,障碍物探测模块,路面检测模块,光源探测模块,电机驱动模块,实现小车自动寻路,金属探测,避障和寻光入库。
电路结构简单,可靠性能高,无论在结构和技术上都具有较好的科学性,在无人区引导探测金属矿源方面具有一定的应用前景。
方案设计
一、设计要求:
1.电动车从起跑线出发,沿引导线到达B点。
在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1~3块薄铁片。
电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息,并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。
2.电动车到达B点以后进入“弯道区”,沿圆弧引导线到达C点要求电动车到达C点检处停车5秒,停车期间发出断续的声光信息。
3.电动车通过障碍区,在光源的引导下,进入车库。
简易路程图
二、方案选择:
1.电机驱动方案的选择与论证
方案一:
使用继电器对电机进行开关控制和调制。
但缺点很明显,这种电路不能和单片机直接连接,因为它返回“0”时,并没有接到地上,所以单片机并不能识别,反而都会的还是0,其次继电器响应慢而且机械结构容易坏。
方案二:
使用三极管或者达林顿管,结合单片机输出PWM信号实现调速的目的,此方案易于实施,但若控制电机转动方向较为困难工作不是很稳定。
方案三:
使用PWM控制芯片来实现对电机的控制,控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术,即通过对一系列脉冲的宽度进行调制,来等效地获得所需要波形。
2.路面寻线模块
方案一:
采用光敏传感器,根据白色背景和黑线反光程度的不同来判断传感器是否位于黑线上。
方案二:
采用反射式红外传感器来进行探测。
只要选择数量和探测距离合适的红外传感器,可以准确的判断出黑线的位置。
方案选择:
采用方案二。
方案一受环境光的影响太大,效果不佳。
而红外光不易受到环境光的干扰。
3.金属检测模块
采用金属接近开关来检测铁片,当金属接近时,高频磁场在金属中产生了涡流,使得LC谐振回路的震荡幅度下降到阈值电压,开关输出信号。
4.寻光模块
方案一:
采用单一的光敏电阻,利用其在不同的光强下阻值不同,确定小车的转向,保证其朝着光源最强的角度前进,这样做电路实现简单,但是精度不易控制。
方案二:
采用多个光敏电阻,在小车车头排列成为半圆状结构。
根据矢量合成原理,按照各个传感器测量光强的不同,确定小车相对于光的位。
方案选择:
采用方案二。
此方案实现较为复杂但能取得良好的效果。
5.避障模块
方案一:
采用一体化红外接收头,在38KHz附近,接收头的灵敏度不同。
依次在38KHz发射频段不同的红外线,在距离障碍物一定距离时测出障碍物。
方案二:
采用超声波测距的方法,利用超声波传感器,监视测量发射脉冲和接受脉冲的时间差,计算超声波和物体之间的距离。
可以将避障和寻光模块一起排列为环状结构。
方案选择:
因超声波测距有其性能上的优势,所以选择方案二。
三、总体设计:
单片机
AT89C51
金属探测模块
障碍物
探测模块
路面检测模块
电动机驱动模块
光源
探测模块
四、单元电路设计:
1.控制器模块:
本设计采用Atmel公司的AT89C51作为系统控制器的单片机方案,AT89C51主要用于控制实现电动车速度控制、循迹行驶、金属探测、金属数目数码管显示、躲避障碍物及探测光源寻光入库的功能。
(AT89C51电路图)
2.金属探测模块:
工作电压直流DC6~36V,三线制,NPN,常闭,检测距离8mm,电流200mA;
接线方式:
3.电机驱动模块:
电机的驱动芯片选用L298N作为驱动芯片。
工作稳定电机驱动信号由单片机提供,信号经过光耦隔离后,传至PWM控制芯片L298N,通过L298N的输出脚与两个电机相连。
电机
LALB
00不转
01前转
10后转
11不转
4.循迹模块:
当小车在白色地面行驶时,装在车下的红外发射管发射红外线信号,经白色反射后,被接收管接收,一旦接收管接收到信号,输出端将输出低电平;当小车行驶到黑线时,红外线信号被黑色吸收后,将输出高电平,从而实现了通过红线检测信号的功能。
将检测到的信号送到单片机的I/O口,当I/O口检测到的信号为高电平时,表明红外光被地上的黑线吸收了,表明小车处在黑色的引线上;同理,当I/O口检测到的信号为低电平时,表明小车行驶在白色地面上。
反射式红外传感器ST188采用高发射功率红外广电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
检测距离可调整X围为4-15mm;采用非接触检测方式LED(由左侧的白色方块表示)和探测器装(在右侧)。
虚线表示光线从发射器LED中发出并反射回探测器;探测器检测到的光强大小取决于物体表面的反射率,而这一光强就是传感器的输出值。
如图所示,选通信号(高电平)经过三极管扩流后送到传感器的K脚,如果检测到黑线,传感器C脚输出高电平;否则输出为低电平。
为了提高控制精度,要求传感器排列紧密,越紧越好。
但传感器排列紧密,传感器发射管的光线可能会从地面反射进入临近传感器的接收管。
所以不能同时开启这些传感器。
5、避障模块:
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波,从而测出发射和接受回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2,式中的C为超声波波速。
6、电机驱动模块:
本L298N驱动模块,采用ST公司原装全新的L298N芯片,采用SMT工艺稳定性高,采用高质量铝电解电容,使电路稳定工作。
可以直接驱动两路3-35V直流电机,并提供了5V输出接口(输入最低只要6V),可以给5V单片机电路系统供电(低纹波系数),支持3.3VMCUARM控制,可以方便的控制直流电机速度和方向。
7、寻光模块:
光源探测电路如下图所示,VT5为光敏三极管,三极管VT4、VT6构成达林顿管,三极管VT8是为了提高电路的负载能力,其中R1为可变电阻(0--5K),可调节光源探测灵敏度。
单片机可直接对VT8输出信号进行判断。
五、软件设计:
1、循迹算法:
如果某时刻检测到黑线偏左,就要向左转弯;如果检测到黑线偏右,就要向右转。
为了克服惯性,防止小车左右摆冲出黑线,采用PWM波控制小车速度,来使其平稳运动。
部分程序如下:
voidtimer0()interrupt1/*T0中断服务程序*/
{
if(t if(t t++; if(t>=100)t=0;/*1个PWM信号由100次中断产生*/ } voidxunji(void) { switch(a) { case0x06: flag=0;s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=65;zkby=65;break; case0x02: flag=0;s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=65;zkby=15;break; case0x01: flag=0;s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=55;zkby=5;break; case0x04: flag=0;s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=15;zkby=65;break; case0x08: flag=0;s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=5;zkby=60;break; case0x00: flag=1;s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=50;zkby=50;break; default: break; } 2、金属探测: 当探测到金属片时,管脚返回低电平0,数码管加一。 程序如下: if(b==0) {c=0; Delaynms(160); b=1;c=1; d=d+1; P0=table[d]; 3、超声波避障: 当小车4个红外探测器探测到黑线后,5s计时后进入避障阶段,当前方有障碍物时,小车做如下动作: 左拐—直走—右拐—直走。 部分程序如下: voidConut(void) { time=TH1*256+TL1; TH1=0; TL1=0; S=time*1.87/100;//算出来是CM11。 0592M晶振 if(flag==1)//超出测量 { flag=0;s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;} else{ if(S>=32){ zkbz=80; zkby=80; s1=0;s2=1;s3=0;s4=1; }else{ zkbz=60;zkby=60; s1=0;s2=1;s3=1;s4=1; Delaynms(1000); zkbz=60;zkby=75; s1=0;s2=1;s3=0;s4=1; Delaynms(1000); zkbz=60;zkby=60; s1=0;s2=1;s3=0;s4=1; Delaynms(1500); s1=1;s2=1;s3=0;s4=1; Delaynms(2000); s1=0;s2=1;s3=0;s4=1; Delaynms(1500); e=e+1; if(e>=2)e=0; }} } 4、寻光入库: 小车避障后进入寻光入库阶段,由寻光电路工作,寻找光源。 部分程序如下: voidquguang(void) { switch(f) { case0x40: s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=65;zkby=65;break;/*直走*/ case0x80: s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=65;zkby=15;break;/*左拐*/ case0x20: s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=15;zkby=65;Delaynms(100);break;/*右拐*/ case0xC0: s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=55;zkby=15;break;/*小右拐*/ case0x60: s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=15;zkby=55;break;/*小左拐*/ case0x00: s1=0;s2=1;s3=0;s4=1;zkbz=65;zkby=15;break;/*左拐*/ default: break; } Delaynms(10); 六、整体测试: 1.循迹: 循迹时,小车转弯时候老冲出黑线,通过调节PWM波调节小车速度,当个PWM信号由100次中断产生时,调节直线时,小车左右速度65,转弯时候65、15,小车平稳运动。 2.金属探测: 金属探测时,当金属片据传感器大于0.5cm时候,金属探测失灵,应把传感器置于据金属片0.5cm的高度上。 3.超声波避障: 当规避动作在小于据障碍物距离S=15cm时,小车将不能完全避开障碍物,所以,应设定S>30时,小车才能完全规避。 4.寻光入库: 通过调节R1,来调节寻光电路灵敏度,来避开自然光的影响,R1过大时候易收到自然光干扰,R1过小时候易击穿三极管。 七、结论: 经过以上调试,小车能实现循迹、金属探测、避障、寻光入库的功能,但是由于电源电压不恒定和万向轮的影响,小车在避障时候,不太稳定,每次转向程度偏差较大。 总体上来说,小车实现了预定功能,在整个设计过程中,我们组也遇到了很多困难,比如说小车运行不稳定,程序不够简洁明了,寻光干扰较大等问题,但在全体小组成员的努力下,终于完成了整个小车项目,经核算,小车花费不到200元。 附小车图:
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