简易智能电动车设计毕业设计论文.docx
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简易智能电动车设计毕业设计论文
第一部分设计任务与调研…………………………………………………………3
第二部分设计说明……………………………………………………………………5
第三部分设计成果……………………………………………………………………10
第四部分结束语………………………………………………………………………17
第五部分致谢…………………………………………………………………………17
第六部分参考文献…………………………………………………………………18
第一部分设计任务与调研
1.毕业设计的主要任务:
智能小车采用MSP430F2274F单片机作为核心控制芯片,由液晶显示模块、电机驱动模块、传感器模块、电源模块组成。
在机械结构上,用两个直流电机作为前轮,再外加一个从动轮,使小车转向更加敏捷。
采用PWM驱动控制芯片,红外LED和一体化接收头来避障。
基于可靠的硬件设计和稳定软件算法,实现避障、测速等功能。
2.设计的思路、方法:
本系统划分为控制部分和信号检测部分。
其中信号检测部分包括:
障碍物探测模块,路程测量模块。
控制部分包括:
电机驱动模块,显示模块,控制器模块,计时模块,状态标志模块。
2.1控制器模块
本系统的控制器采用的MSP430单片机。
MSP430在电池供电的低功耗应用中具有独特的优势。
其工作电压为1.8~3.6V,正常工作时功耗可控制在200μA左右,低功耗模式可实现2μA甚至0.1μA的低功耗。
MSP430系列单片机作为性能优异的MCU已经得到了广泛的应用。
MSP430具有高集成度,通常在单个芯片上集成了12位的A/D转换器、比较器、多个定时器。
一般单片就可满足大多数的应用需要。
支持JTAG在线编程,可以方便地实现程序的下载、仿真、调试和升级。
2.2电机驱动模块
电机的驱动电路主要通过电机的正转和反转实现小车前后或者左右方向的选择,并使用PWM控制芯片来实现对电机的控制,L298芯片实现电机的驱动。
2.3显示模块
在小车运行过程中,需要对运行的时间和路程做必要的显示,系统选用液晶显示屏显示时间和路程。
液晶显示屏(LCD)具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险,平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势,可视面积大,画面效果好,分辨率高,抗干扰能力强等特点。
2.4障碍物探测模块
采用左右两个红外传感器。
红外传感器,是目前使用比较普遍的一种避障传感器,可调节红外传感器的检测距离为10~80cm,开关量输出(TTL电平),简单、可靠。
2.5电源模块
双电源供电。
电机驱动部分、显示电路、红外传感器部分用小型蓄电池供电。
小型蓄电池具有,输出功率大,在负载不稳定的情况下能保证合适的电压和电流输出的特点。
单片机和倾角传感器则对电压参数要求比较高,使用9v干电池稳压到5V。
这样设计虽然不如单电源方便灵活,但可以将电极驱动所造成的干扰有较高的抑制,提高了系统的稳定性能。
3.调研的目的和总结
随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人们的关注,而汽车的智能化已成为科技发展的新方向,本设计就是在这样的背景下提出来的。
智能机器人的发展非常迅速,已经广泛应用于机械、电子、交通等领域,人们也在不断地着力于改进机器人的智能,让它更好地为人们提供便捷、舒适的生活。
而智能电动车作为机器人的典型代表,也在不断地发展,方便人们对安全性能的追求。
智能小车采用MSP430F2274F单片机作为核心控制芯片,由液晶显示模块、电机驱动模块、传感器模块、电源模块组成。
在机械结构上,用两个直流电机作为前轮,再外加一个从动轮,使小车转向更加敏捷。
采用PWM驱动控制芯片,红外LED和一体化接收头来避障。
基于可靠的硬件设计和稳定软件算法,实现避障、测速等功能。
近年来机器人的智能水平不断提高,并且迅速地改变着人们的生活方式,也慢慢开始成为人们生活方式的主导。
人们在不断探讨、改造、认识自然的过程中,制造能替代人劳动的机器一直是人类的梦想,以此来提高人们的生活品质。
智能车辆是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动控制等技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。
它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用,对解决道路交通安全提供了一种新的途径。
计算机控制与电子技术融合为电子设能化开辟了广阔前景.本设计就是其在电动车的智能化方面的一种尝试.文中所设计的简易电动车,在多种传感器的配合下,具有自动寻线、障碍物探询、铁片报警告示等性能.近几十年来,主要工业化国家为电动车的开发投入了大量的人力和财力,电动车的各项相关技术也取得了重大的进展,尽管电动车在能源和行驶里程的研制方面,至今未取得突破性的进展。
但是电动车的美好前景仍然激励着人们锲而不舍地开发新型电动车,改善其性能。
车与世纪之交的今天,能源和环境对人类的压力越来越大,要求尽快改善人类生存环境的呼声越来越高。
为了适应这个发展趋势,世界各国政府、学术界、工业界正在加大对电动车开发的投资力度,加快电动车商品化步伐。
虽然目前电动车在能源和行驶里程方面还未能尽如人意,但已足以满足人类基本需要。
从技术发展的角度来看,在走过了漫长而艰难的发展程之后,电动车正面临着重大技术突破,有望成为21世纪的重要交通工具。
现代电动车的能源系统、电机驱动系统、智能化的能量管理系统、充电系统、车载空调和变速系统,电动车的基础设施建设以及未来智能化交通系统的发展。
根据各类系统的不同特点。
第二部分设计说明
1控制电路的设计
单片机接收从传感器检测电路输入的逻辑信号和脉冲信号,并将输入的信号进行处理运算,以控制电流或控制电压的形式输出给被控制的单元电路,完成各项任务要求。
单片机MSP730F2274外接各种传感器电路和显示电路,其中金属探测电路和距离测量电路是信号输入,显示电路是信号输出。
为了方便单片机引脚的使用,我们将单片机的所有引脚用接口引出。
图2-1为控制电路模块电路图。
图2-1控制电路模块图
2电机驱动电路的设计
电机的驱动芯片选用L298N。
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。
此电机驱动电路如图2-2所示。
芯片引脚情况为11脚为高时,当10脚电平高于12脚时,13脚,14脚端电机正转;12脚电平高于10脚时,电机倒转;11脚为低时,电机自由控制。
图2-2电机驱动图
3显示模块的设计
液晶显示模块以其微功耗、体积小、显示内容丰富、模块化以及接口电路简单等诸多优点在科研、生产和产品设计等领域中发挥着越来越重要的作用。
本系统中采用液晶屏来显示时间、路程、小车与起跑线的距离等信息。
图2-3所示为液晶与MSP430F2274的连接图。
为节省I/O口,采用串口方式与单片机通信。
图2-3液晶与MSP430F2274的电路连接图
4电源模块的设计
系统要求有3.3V,5V,9V混合输出可充电蓄电池电源。
我们采用了一个蓄电池储存电提供系统用电要求,所以要设计一充电电路,由于单片机MSP430F2274需要工作在3.3V的电压下以达到低功耗的目的,而一些传感器,液晶等外围设备需要5V与9V的工作电压。
所以我们利用一个7805三端5V稳压管、一个7812三端12V稳压管和一个AMS1085CT三端3.3V稳压管做为电路主要组成部分。
电路原理图如图2-4所示。
图2-4电源电路原理图
5障碍物探测电路的设计
小车行驶线路中,有两个障碍物,要求小车绕过障碍物,避免与障碍物相撞。
为了检测障碍物并确定障碍物的距离,在小车的前方安置两个红外线发射与接收电路。
图2-5为障碍物探测电路。
调节其电位器,可以改变红外发射与接收的距离。
将红外检测到的信息发送到MSP430F2274,并通过控制电机避开障碍物。
图2-5障碍物探测
6系统软件设计
6.1设计思路
系统软件设计采用C语言对单片机进行编程实现各项功能。
程序是在WINXP环境下采用IAREmbeddedWorkbench软件编写。
可以实现小车对传感器的查询,电机的控制,液晶显示等功能。
红外探测障碍物时,当没有感应到障碍物时红外传感器为单片机提供高电平,当传感器感应到障碍物时红外传感器为单片机提供低电平,并产生一个下降沿提供给单片机触发中断,从而调用中断子程序。
当检测到障碍物时,控制小车左转一定时间后,再右转一定时间,再次判断前方是否有障碍物,直到没有障碍物的信号避障子程序流程如图2-6所示。
其它子程序包括:
显示子程序、延时子程序、路程测量子程序等。
图2-6避障子程序流程图
6.2避障单元设计
在避障单元设计中,判断有无障碍物时使用的是求平均值,即求概率事件的值方式。
因为有外界的干扰和接收电路的延时,即使你发射出完全相同的十组信号,接收时也有所不同基本上没有两组信号是完全相同,而且还有可能收到多于十组的信号,这时只能用软件进行排除和更正。
先将所有低电平的时间计数下来,放入数据寄存器中。
如果某些值太小或者太大就认为是无效值,再将有效的几组值求其平均值,再与阀值进行比较。
运行实验也证明,本设计中采用的L298N芯片基于概率分析的避障单元实现方式,取得很好的避障效果。
6.3避障
一体化红外线接收头输出波形图如下:
图2-7红外线输出波形图
第三部分设计成果
1.系统测试
1.1测试使用的仪器
⑴测试使用的仪器
测试中所使用的仪器仪表;稳压器、万用表、软尺。
⑵指标测试和测试结果
红外发射管的电流在5~20mA之间,电流大,发射的红外线强,但杂散反射光分量多,不易调整,检测误差大;电流小,工作可靠,检测头相对被检测的物体的距离范围窄,对于宽度为5cm的黑色条纹,电流在10mA左有就可以了。
将检测头对准在白纸上,适当靠近或拉开与白纸间的距离,调整电位器,使得反向器输出为一个高电平。
在用一张画有黑白相间条纹的划过检测头,用示波器观察波形是否在高、低电平中跳变。
若没有此现象,可慢慢调整电位器,直到满意为止。
轮胎测试:
前轮驱动电路直接用稳压可调直流电源供电,用外加信号触发,观看电机转速以及测量电机两端的电压。
电机在正常行驶下不动作,在小车偏离轨道时电机发生了相应的转动,同时电机在动作时的电流达到一定的强度,使轮子能偏转到比较大的角度。
2系统软件流程图
(1)铁片流程图及程序如下:
图3-1铁片流程图
铁片程序:
voidiron_1()//检测铁片
{
uchartemp;
last=iron.num;
if(P32==0)
{
delay_ms(10);
if(P32==0)
{
while(P32==0);
iron.num++;}
if((last==0)&&(iron.num==1))
{for(temp=0;temp<2;temp++)//change
{//change
delay_ms(100);
P27^=1;
P26^=1;
}}}
if(iron.num>=2)
{
iron.num=0;
iron.iron_stop_flag=1;
}
else
if(iron.num<2)
{iron.iron_stop_flag=0;}
if(iron.iron_stop_flag==1)
{iron.iron_stop_flag=0;
P23=0;//stop
P24=0;//stop
for(temp=0;temp<10;temp++)//change
{//change
delay_ms(100);
P27^=1;
P26^=1;}
init_turn();
while
(1)
{while
(1)
{turn_left_right();
iron_1();
if(step_mode==1)break;
P23=1;
P24=0;
P22=0;
P21=1;
delay_ms(200);//change
P22=0;
P21=0;}
step_mode=1;//准备进入下一状态}}
(2)行驶转向流程图及程序如下:
图3-2行驶转向流程图
行驶转向程序:
voidinit_turn()
{
P21=0;
P22=0;
P23=1;
P24=0;
P26=0;
P27=0;
}
voidturn_left_right()//循迹
{
if((P10==1)&&(P11==0))//turnleft
{
delay_ms(0);
P21=1;
P22=0;
}
if((P11==1)&&(P10==0))//turnright
{
delay_ms(0);
P22=1;
P21=0;
}
if((P11==1)&&(P10==1))//stop
{
delay_ms(0);
P22=0;
P21=0;
}
/////
if((P11==0)&&(P10==0))//change
{
delay_ms(0);
P22=0;
P21=0;
}
/////
}
voidcheck_block()
{
if((P12==0)&&(P13==1)&&(P14==1)&&(P15==1))//turnleft壁障
{
delay_ms(0);
P21=1;
P22=0;
}
if((P13==0)&&(P14==1)&&(P15==1))//turnright寻光
{
delay_ms(0);
P22=1;
P21=0;
}
if((P14==0)&&(P15==1))//stop找方向
{
delay_ms(0);
P22=0;
P21=0;
}
/////
if(P15==0)//change停车
{
delay_ms(0);
P23=0;
P24=0;
step_mode=2;
}
/////
}
在进行微机控制系统设计时,除了系统硬件设计外,大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。
因此,软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。
对于本系统,软件更为重要。
在单片机控制系统中,大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。
数据处理包括:
数据的采集、数字滤波、标度变换等。
过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算,然后再输出,以便控制。
为了完成上述任务,在进行软件设计时,通常把整个过程分成若干个部分,每一部分叫做一个模块。
所谓“模块”,实质上就是所完成一定功能,相对独立的程序段,这种程序设计方法叫模块程序设计法。
模块程序设计法的主要优点是:
(1)单个模块比起一个完整的程序易编写及调试;
(2)模块可以共存,一个模块可以被多个任务在不同条件下调用;
(3)模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序,为设计者提供方便。
本系统软件采用模块化结构,由主程序﹑定时子程序、避障子程序﹑中断子程序﹑显示子程序﹑调速子程序构成。
一个单片机的控制系统的功能实现和可靠性在很大程度上决定于软件,本系统软件采用C语言编程,移植性好,可适应不同核心的单片机采用模块化结构,每个功能模块对于整体的设计都是非常重要的。
第四部分结束语
因为时间有限,该系统还有许多值得改进的地方:
红外线有一定的缺陷,在光线较强的环境下输出的高低电平不稳定,因此,可以在光电管上加上固定管以减少与外界环境的接触。
还有许多的地方是通过老师的指导与讲解和同学讨论才得以完成的,本系统以MSP430单片机为核心部件,利用红外测障并配合一套独特的软件算法实现了小车的方向速度控制、躲避障碍物、时间显示等功能,最终使小车完成要求的各项任务。
通过这次设计使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务,从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。
在设计的过程中难免会遇到过各种各样的问题,同时在设计的过程中发现了自己的不足之处,对以前所学过的知识理解得不够深刻,掌握得不够牢固,以后还有待加强。
本系统以MSP430单片机为核心部件,利用红外测障并配合一套独特的软件算法实现了小车的方向速度控制、躲避障碍物、时间显示等功能,最终使小车完成要求的各项任务。
在系统设计中,力求硬件线路简单,并充分发挥软件编程方便灵活的特点,来满足系统设计要求。
因为时间有限,该系统还有许多值得改进的地方:
红外线有一定的缺陷,在光线较强的环境下输出的高低电平不稳定,因此,可以在光电管上加上固定管以减少与外界环境的接触。
智能机器人的发展非常迅速,已经广泛应用于机械、电子、交通等领域,人们也在不断地着力于改进机器人的智能,让它更好地为人们提供便捷、舒适的生活。
而智能电动车作为机器人的典型代表,也在不断地发展,方便人们对安全性能的追求。
文中智能小车采用TI公司的MSP430F2274单片机作为核心控制芯片,由液品显示模块、电机驱动模块、传感器模块、电源模块组成。
基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法,实现智能避障、测速等功能
第五部分致谢
这次设计终于顺利完成了,在设计中遇到了很多专业知识问题,最后在老师的辛勤指导下,终于游刃而解。
同时,在老师的讲解中和提示中我学也到很多实用的知识,感谢老师的细心指导!
同时,对给过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢!
大学生活即将过去,多么希望时间慢一点,转眼间我们就要步入社会这个大家庭了,大学三年,但它给我的影响却不能用时间来衡量,这三年以来,经历过的所有事,所有人,都将是我以后生活回味的一部分,是我为人处事的指南针。
大家都要各奔前程了,相逢即是缘,在这里祝福大学里跟我风雨同舟的朋友们,一路走好。
第六部分参考文献
【1】邢延超,谈正.基于计算机视觉的车道标线与障碍物自动检测.计算机工程与应用,2OO3.6:
223-225
【2】何立民.MCS-51单片机应用系统设计[M]北京:
航空航天大学出版社,1990
【3】常玉保,杨春晖.简易智能电动车[J].电子世界,2004(9):
33-36.
【4】杨兆升城市交通流诱导系统[M].北京:
中国铁道出版社2004
【5】夏建全,赵又新.工业计算机控制技术)))原理与应用[M].北京:
清华大学出版社;北京交通大学出版社,2006.
【6】刘金混智能控制电子工业出版社[M].2005,5
【7】胡汉才.单片机原理及其接口技术[M].北京:
清华大学出版社,2004.
【8】付家才,单片机控制工程实践技术,化学工业出版社,2004
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