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科技博览会智能小车
智能小车设计报告
物理学与信息技术学院
詹晓佳杨艳王欢
2011年10月11日
智能小车设计报告
摘要:
本设计中智能小车采用C8051F350单片机作为小车的检测和控制的核心,以L298驱动芯片作为电机驱动,驱动电机采用直流减速电机,电机控制方式为PWM控制,实现电动车的智能循迹、壁障、超车等功能。
路面寻线分为跑道外边缘黑线检测和路面黑色转弯标记线检测,寻线方式采用反射式光电传感器。
芯片通过判断循迹模块、探测模块返回的信息,产生不同占空比的PWM波,控制电机的转速和转向,从而完成小车在行车道的正常行驶、在转弯处的转弯以及在超车区的超车等动作。
基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法,实现小车的智能化。
关键字:
C8051F350单片机L298驱动PWM控制循迹壁障超车
目录
目录1
一、系统方案2
1.1设计目标2
1.1.1基本要求2
1.1.2发挥部分3
1.2方案选择3
1.2.1主控制模块选择3
1.2.2循迹模块方案的选择与比较3
1.2.3电机驱动模块方案的选择与比较3
1.2.4电机的选择4
1.2.5避障模块方案选择4
1.3总体方案描述4
二、硬件电路设计5
2.1主控制模块5
2.2电机驱动模块6
2.3红外光电对管前进控制和检测路面标志部分7
2.3.1红外光电对管前进控制8
2.3.2红外光电对管检测路面标志部分8
三、软件设计思路8
3.1总软件流程设计8
3.2红外光电对管前进控制和检测路面标志程序设计9
四、系统测试方法与测试结果10
4.1测试条件与仪器10
4.2硬件测试10
4.3测试结果及分析10
4.3.1测试结果10
4.3.2结果分析10
五、总结10
六、附录11
参考文献11
实物图片11
一、系统方案
1.1设计目标
如下图1所示,甲车车头紧靠起点标志线,乙车车尾紧靠边界,本设计要求甲、乙两辆小车同时起动,先后通过起点标志线,在行车道同向而行,不能碰撞,在超车区控制超车,实现两车交替超车领跑功能,且要求行驶时间尽量短。
图1小车跑道示意图
1.1.1基本要求
(1)甲车和乙车分别从起点标志线开始,在行车道各正常行驶一圈。
(2)乙两车按图1所示位置同时起动,乙车通过超车标志线后在超车区内实现超车功能,并先于甲车到达终点标志线,即第一圈实现乙车超过甲车。
(3)乙两车在完成
(2)时的行驶时间要尽可能的短。
1.1.2发挥部分
(1)在完成基本要求
(2)后,甲、乙两车继续行驶第二圈,要求甲车通过超车标志线后要实现超车功能,并先于乙车到达终点标志线,即第二圈完成甲车超过乙车,实现了交替领跑。
甲、乙两车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。
(2)甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈,并交替领跑;两车行驶的时间要尽可能短。
(3)在完成上述功能后,重新设定甲车起始位置(在离起点标志线前进方向40cm范围内任意设定),实现甲、乙两车四圈交替领跑功能,行驶时间要尽可能的短。
1.2方案选择
实现以上功能,可有多种实现方案,下面对控制模块、电机驱动模块、循迹模块、探测模块的几种实现方式及其优缺点分别加以比较并选择。
1.2.1主控制模块选择
方案一:
采用FPGA或CPLD作为系统的控制器。
可以实现比较复杂的逻辑功能,速度快、密度高、体积小、稳定性高,容易实现仿真、调试和功能扩展,但是此控制器成本高、引脚多、功耗大,性价比比较低。
方案二:
采用MSP430系列单片机作为系统的控制器,算术运算功能强大,控制能力较强,软件编程灵活,因此自由度比较大,而且该系列单片机使用范围广,技术成熟,体积小,成本较低,容易实现仿真、调试和功能扩展。
方案三:
采用C8051F350单片机作为小车的主控芯片,该单片机体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点,节能且易于控制,编程简单。
综合以上三种方案,选择方案三。
1.2.2循迹模块方案的选择与比较
方案一:
采用热探测器,它的光谱响应是无选择性的,只受透光窗口光谱透射特性的限制,因此响应率较低、响应速度慢、机械强度低,可能使小车正确行驶产生较大误差。
方案二:
采用反射式红外传感器TCRT500来进行探测。
其抗干扰能力较强,体积小、灵敏度高、传输速度快,主要应用场合有电度表脉冲数据采样、传真机碎纸机纸张检测、障碍检测、黑白线检测。
只要选择数量和探测距离合适的红外传感器,检测范围3.5mm~15mm,正确固定便可以准确的判断出黑线的位置。
比较两个方案,方案二比较容易满足精确寻迹计要求,故选择方案二。
1.2.3电机驱动模块方案的选择与比较
方案—:
采用数控电位器调整电动机的分压,从而达到调速的目的。
但是数控电位器的价格比较昂贵、不实用,而且一般电动机的电阻很小、电流很大,分压会降低效率,想要精确控制小车速度比较困难。
方案二:
采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换调整小车速度,电路较为简单,但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。
方案三:
采用集成驱动芯片L298作为电机驱动的核心。
L298是恒压恒流双H桥集成电机驱动芯片,可同时控制两个电机,具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大、可实现频繁的无级快速启动和反转等优点,工作稳定且输出电流可达到2A,驱动力很强,可使小车具有较高的速度。
由于要求小车的行驶时间尽可能的短,在电机驱动模块方面,本系统更适合使用方案三。
1.2.4电机的选择
方案一:
使用普通直流电机。
直流电机力量大,能获得较大的启动转矩,转动速度快,但由于存在机械触点,直流电机容易产生噪声。
方案二:
使用步进电机。
步进电机通过控制脉冲个数来控制角位移量,从而达到准确定位的目的,但是价格昂贵。
方案三:
使用直流减速电机。
直流减速电机,即齿轮减速电机,是在普通直流电机的基础上,加上配套齿轮减速箱,其作用是提供较低的转速,较大的力矩。
同时,齿轮箱不同的减速比可以提供不同的转速和力矩,使用方便。
综合比较可知,直流减速电机完全能实现本设计的要求,且控制简单,经济实用,所以选择方案三。
1.2.5避障模块方案选择
方案一:
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,较为精确的计算超声波和前方小车之间的距离。
方案二:
采用反射式红外传感器TCRT500,发射光经过调制后发出,接收头对反射光线进行调节输出,有效地避免了可见光的干扰。
通过旋转传感器尾部的电位器可以方便的调节检测障碍物的有效距离,使用方便。
采用方案二。
根据本设计不需要精确测距避障,虽然超声波测距有其性能上的优势,但其价格过高,且通过算法上的优化红外测距完全可以满足设计要求,且控制简单。
1.3总体方案描述
该智能小车可以实现沿着轨道自动检测拐弯标志控制拐弯,根据小车要实现的功能,本设计中小车以C8051F350单片机为控制核心,采用L298N驱动芯片来驱动电机从而控制轮子的转向和转速,利用3路反射式红外传感器TCRT500来实现路面边缘黑线和跑道上的各种标记线检测与对应控制部分。
总体方案如下图2所示:
图2系统总体方案
二、硬件电路设计
2.1主控制模块
C8051Fxxx系列单片机是完全集成的混合信号系统级芯片,具有与8051兼容的微控制器内核,与MCS-51指令集完全兼容。
片内集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部件 ,C8051Fxxx单片机采用流水线结构,、处理能力大大提高,峰值性能可达25MIPS。
是真正能独立工作的片上系统(SOC)。
每个MCU都能有效地管理模拟和数字外设,可以关闭单个或全部外设以节省功耗。
FLASH存储器还具有在系统重新编程能力,可用于非易失性数据存储,并允许现场更新8051固件。
采用流水线结构,与标准的8051结构相比指令执行速度有很大的提高。
其最小系统电路图及稳压电路图如图3所示。
图3最小系统电路图及稳压电路图
2.2电机驱动模块
电机的驱动芯片选用L298N。
一个L298N可驱动两个电机,OUT1、OUT2、OUT3、OUT4之间分别接小车的左右两轮的电动机,5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA、ENB接控制使能端及单片产生的占空比可调的PWM波,分别控制左右两个电机的停、转,其连接图如下图4所示:
图4L298N驱动电路
通过430单片机给L298N的1IN1,IN2,IN3,IN4四个控制端口输入的不同编码,电动车运行状态如下表1所示:
表1电机转动状态编码:
左电机
右电机
电动车运行状态
1IN1
1IN2
IN3
IN4
1
0
1
0
前行
1
0
0
1
左转
1
0
0
0
以左电机为中心原地左转
0
1
1
0
右转
0
0
1
0
以右电机为中心原地右转
0
1
0
1
后退
1
1
1
1
立刻停止
根据上表1可知,只要设定L298N的1IN1,IN2,IN3,IN4四个控制端口的不同编码,就可得到电动车的前进,后退,旋转、停止等不同的运行状态,且L298的最大输出电流为2.2A,可使电动车快速运-行。
2.3红外光电对管前进控制和检测路面标志部分
本设计的关键所在就是小车在跑道上的行走控制,其中包括前进过程中检测路面的拐弯标志线和边界标志线、壁障、超车等功能。
其中本设计都采用在车体上合理安装红外光电对管来实现控制,为了识别甲乙两车,光电管采用不同的布局方式,其中乙车各模块安装示意图如下图5所示,甲车车头安装了5个光电管,其左右各2个,中间1个。
红外光电管电路原理图如图6所示。
图5乙车上的安装分布示意图
图6红外光电管电路原理图
2.3.1红外光电对管前进控制
为了控制小车较稳定前进,本设计采用三路红外光电对管来循迹跑道的外边界2cm黑色边界线,光电管的具体布局如图5所示。
光电管与路面的距离范围设置为3.5mm~15mm,当检测到黑线,输出为低电平,反之输出为高电平,根据3路光电管的高低电平编程实现小车的左拐、右拐等动作,基本上实现循外轨道边界行走的功能。
其实现表格如下表2所示。
表2乙车寻跑道外边缘前进控制表格
光电管1
光电管2
光电管3||4
小车运行状态
0
0
0
直走
0
0
1
左转
0
1
0
右转
1
0
0
直走
1
0
1
左转
1
1
0
右转
2.3.2红外光电对管检测路面标志部分
智能小车路面检测是采集的安装在小车前头中间的一路光电管的高低平来实现的,检测到黑线时为低电平,通过软件检测来实现对应的控制。
三、软件设计思路
3.1总软件流程设计
本设计总软件设计如下图7所示。
图7系统总软件设计流程图
3.2红外光电对管前进控制和检测路面标志程序设计
红外光电对管前进控制和检测路面标志程序设计分别如下图8所示。
图8标志线识别程序流程图
四、系统测试方法与测试结果
4.1测试条件与仪器
●测试条件:
检查多次,仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同,硬件电路保证无虚焊,并且检查各模块与C8051F350单片机的接线无误。
●测试仪器:
秒表,示波器,双通道数字存储示波器,数字万用表,直流稳压电源。
4.2硬件测试
在系统设计的软硬件设计的基础上,把程序经编译、下载到C8051F350芯片中,观察小车的在跑道上的运行状态,能否实现交替超车等功能。
4.3测试结果及分析
4.3.1测试结果
经过多次测试,其统计结果如下表3所示。
表3测试结果
跑一圈所用时间
一圈正常循迹
第一次
29秒
是
第二次
32秒
是
第三次
34秒
是
4.3.2结果分析
经过多次的测试,完成率可以达到90%以上,基本实现了基础部分的要求。
五、总结
该小车以C8051F350单片机为控制核心,由路面边缘黑线和跑道上的各种标记线检测与控制部分、电机驱动以及红外避障等部分组成。
系统设计合理,经过不断地调试、改进,实现了全部的基本功能。
当然,该小车还存在着一些缺陷,比如:
外型不够美观、功能少等。
总之,本设计还有一定的提升空间,我们会再接再厉。
通过本次竞赛,无论是在硬件还是软件上都有很大的提高,这使我们经历了一个设计从方案提出到确定,到最后的调试出实物,看到效果。
在这个过程中收获巨大。
通过竞赛,我们提高了自学能力以及团队协作能力,并进一步提高了对本专业的兴趣。
六、附录
参考文献
[1]谢自美.电子线路设计、实验、测试(第三版)[M].华中科技大学出版社,2006.8
[2]全国大学生电子设计竞赛组委会.第五届全国大学生电子设计竞获奖作品选编[M].
北京:
北京理工大学出版社,2003年第1版.
[3]全国大学生电子设计竞赛系统设计(第2版)北京航天航空大学出版社,2011.02
[4]谢自美.电子线路设计·实验·测试[M].武汉:
华中科技大学出版社,2000.5第二版
[5]王晓明.电动机的单片机控制[J].学术期刊,2002,13(15):
1322-1755.
[6]来清民.传感器与单片机接口及实例[M].北京:
北京航空航天大学出版社,2008.
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