自动往返电动小汽车设计毕业设计论文.docx
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自动往返电动小汽车设计毕业设计论文
一、设计任务
设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。
允许用玩具汽车改装,但不能用人控括有线和无线遥控)。
跑道宽度0.5m,表面贴有白纸,两侧有挡板,挡板与地面垂直,其高度不低于20cm。
在跑道的B、C、D、E、F、G各点处画有2cm宽的黑线,各段的长度如图1所示。
二、设计的基本要求
(1)车辆从起跑线出发(出发前,车体不得超出起跑线),到达终点线后停留10秒,然后自动返回起跑线(允许倒车返回)。
往返一次的时间应力求最短(从合上汽车电源开关开始计时)。
(2)到达终点线和返回起跑线时,停车位置离起跑线和终点线偏差应最小(以
线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值);
(3)D~E间为限速区,车辆往返均要求以低速通过,通过时间不得少于8秒,
但不允许在限速区内停车;
(4)自动记录、显示当前的行驶距离(记录显示装置要求安装在小车上);
(5)自动记录、随时显示当前的行车时间(记录显示装置要求安装在小车上);
(6)其它特色与创新。
图1预设跑道的视图
三、方案的选择与论证
根据题目要求,系统可以划分为几个基本模块,如图2所示。
图2
对各模块的实现,分别有以下一些不同的设计方案:
1.电动机驱动与调速模块
方案一:
采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压,从而达到调速的目的。
但是电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般电动机的电阻很小,但电流很大;分压不仅会降低效率,而且实现很困难。
方案二:
采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整。
这个方案的优点是电路较为简单,缺点是继器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三:
采用由达林顿管组成的H型PWM电路。
这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高;H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制;由于在本设计中小车速度有两种情况,可以采用不同的直流电源来控制电动机的驱动。
基于上述理论分析,拟选择方案三。
2.路面黑线探测模块
探测路面黑线的大致原理是:
光线照射到路面并反射,由于黑线和白纸的反射系数不同,可根据接收到的反射光强弱判断是否到达黑线。
方案一:
可见光发光二极管与光敏二极管组成的位置传感器。
在安装时,发光二极管与光敏二极管应互成45度角。
可采取超高亮发光管可以降低一定的干扰。
方案二:
不调制的反射式红外发射-接收器。
由于采用红外管代替普通可见光管,可以降低环境光源干扰;但如果直接用直流电压对管子进行供电,限于管子的平均功率要求,工作电流只能在1OM左右,仍然容易受到干扰。
基于上述考虑,拟采用方案一较为简单。
3.车轮检速及路程计算模块
方案一:
采用霍尔传感器。
当磁铁正对金属板时,由于霍尔效应,金属板发生横向导通,因此可以在车轮上安装磁片,而将霍尔传感器安装在固定轴上,小汽车车轮没转一圈,霍尔传感器便输出一脉冲,通过对脉冲的计数进行车速测量。
方案二:
受鼠标的工作原理启发,采用断续式光电开关。
由于该开关是沟槽结构,可以将其置于固定轴上,再在车轮上均匀地固定多个遮光条,让其恰好通过沟槽,产生一个个脉冲。
通过脉冲的计数,对速度进行测量。
以上两种都是比较可行的转速测量方案。
尤其是霍尔元件,在工业土得到广泛采用,并且安装也较简单,因此采用方案一。
4.电源选择
方案一:
所有器件采用单一电源(6节M电池)。
这样供电比较简单;但是由于电动机启动瞬间电流很大,而且PWM驱动的电动机电流波动较大,会造成电压不稳、有毛刺等干扰。
方案二:
双电源供电。
将电动机驱动电源与单片机以及其周边电路电源完全隔离,利用光电藕合器传输信号。
这样做虽然不如单电源方便灵活,但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除,提高了系统稳定性。
我认为本设计的稳定可靠性更为重要,一般采用方案二。
但考虑到方案一在仿真时比较简单,顾采用了方案一。
二、系统的具体设计与实现
1.系统硬件电路的设计
自动往返行驶小汽车的控制系统采用AT89C51单片机;显示系统采用芯片8279控制的6位LED数码管来显示里程数和当前的行车时间;电机正反转采用桥式驱动控制,2挡电压调速;里程记录采用霍尔传感器;跑道标志线采用光敏管检测并使用软件整形消抖措施;单片机、电机采用独立稳压电源供电。
(1)电机驱动电路
本系统的电机驱动电路采用两对互补三极管,利用单片机16,17脚电位
的高低去控制三极管的截止和导通状态,从而实现小汽车驱动电机的
正反转功能。
为了防止电机转动时对单片机的干扰影响,提高单片机
的稳定性,本电路在电机的两端加了抗干扰电容,其电路如图3所示。
(2)电机调速电路
电机驱动电压由AT89C52单片机的Pl.7和Pl.6分别控制。
当Pl.7为O,Pl.6为1时,电机驱动电压为+7.5V,小车进人高速行驶状态;当Pl.7为1,P1.6为0时,电机驱动电压为+4.3V,小车进人低速行驶状态。
当P1.0为高电位时,电机供电三极管D880截止,关闭电机电源实现停车功能;当P1.0为0时,D880输出电机驱动电压,小车按单片机的指令执行各种功能。
电机调速控制电路如图4所示,但在仿真时为了形象简单地观察出是否到达限速区,利用一个发光二极管来表示是否换挡位即限速。
(3)传感脉冲检测电路
用于检测跑道标志的脉冲信号由光敏二极管、发光二极管电路组成。
当小车在白纸上时,输出为高电平;当遇到黑条时,输出低电平脉冲,作中断计数判断用,仿真时用开关来表示输出。
(4)LED显示电路
对多位LED显示器采用动态扫描的方法进行显示。
系统采用6位数码管显示,前三位数码管显示的数值表示里程,显示的范围为1~999m;后3位数码管的数值表示当前的时间,其中前两位表示分,后一位表示秒。
往返到起点时显示的数值是一次往返的总时间。
PO口作数据输出,利用8279驱动数码管的显示,可以节省89c51的端口。
2.系统的软件设计
⑥主程序流程图。
如图5所示。
图5
总程序编程如下:
ORG0000H
LJMPMAIN
ORG0030H
LJMPSCAR
ORG000BH
LJMPTIM0
MAIN:
CLRP1.3
CLRP1.4
CLRP1.5
CLRF0
ST:
MOVTMOD,#51H
MOVTL0,#0F0H
MOVTH0,#0D8H
MOVTH1,#00H
MOVTL1,#00H
MOVR6,#00H
MOVR7,#00H
MOV50H,#03H
MOV51H,#0E8H
SETBP1.3
SETBTR0
SETBTR1
SETBIT0
SETBEX0
SETBET0
SETBEA
SETBPT0
BLB:
MOVC,P1.0
JCBLB1
LCALLDISP
SJMPBLB
BLB1:
MOVC,P1.1
JCBLB1
INCR6
CJNER6,#01H,BLD
SJMPBLB
BLD:
CJNER6,#03H,BLD0
SETBP1.5
SJMPBLB
BLD0:
CJNER6,#04H,BLG
CLRP1.5
SJMPBLB
BLG:
MOVC,P1.1
JCSTPG
LCALLDISP
SJMPBLG
STPG:
MOVC,P1.1
JCSTPG
CLRP1.3
SETBF0
W10S:
MOVR6,#00H
JNBF0,T10S
LCALLDISP
SJMPW10S
T10S:
SETBP1.4
FBLG:
MOVC,P1.1
JCFBLG0
LCALLDISP
SJMPFBLG
FBLG0:
MOVC,P1.1
JCFBLG0
INCR6
CJNER6,#01H,FBLF
SJMPFBLG
FBLF:
CJNER6,#02H,SLWE
SJMPFBLG
SLWE:
CJNER6,#03H,SLWD
SETBP1.5
SJMPFBLG
SLWD:
CJNER6,#04H,FBLC
CLRP1.5
SJMPFBLG
FBLC:
CJNER6,#05H,STPB
SJMPFBLG
STPB:
MOVC,P1.0
JCRET0
LCALLDISP
SJMPSTPB
RET0:
MOVC,P1.0
JCRET0
CLRP1.4
CLRTR0
CLRTR1
LCALLDISP
LJMPMAIN
DISP:
MOVDPTR,#7FFFH
MOVA,#0D1H
WAIT:
MOVX@DPTR,A
JBACC.7,WAIT
MOVA,#34H
MOVX@DPTR,A
MOVA,#90H
MOVX@DPTR,A
MOVR4,TH1
MOVR5,TL1
MOVR2,#00H
MOVR3,00H
MOVR0,30H
MOVR1,06H
CLR0:
MOV@R0,#00H
INCR0
DJNZR1,CLR0
MOVR1,#05H
LCALLDIVX
MOVR0,#30H
LCALLBTOD0
MOVA,R7
MOVB,#20
MULAB
MOVR5,A
MOVR4,B
MOVR1,#100
LCALLDIVX
MOVR0,#33H
LCALLBTOD0
MOVR0,#30H
MOVR4,#06H
MOVDPTR,#TAB
LOAD0:
MOVA,@R0
MOVCA,@A+DPTR
MOV@R0,A
INCR0
DJNZR4,LOAD0
MOVA,#80H
ORL31H,A
ORL34H,A
MOVDPTR,#7FFEH
MOVR0,#30H
MOVR4,#06H
LOAD1:
MOVA,@R0
MOVX@DPTR,A
INCR0
DJNZR4,LOAD1
RET
DIVX:
CLRC
MOVA,R5
SUBBA,R1
MOVR1,A
MOVA,R4
SUBBA,#00H
MOVR4,A
JCEND0
MOVA,R3
ADDA,#01H
MOVR3,A
MOVA,R2
ADDCA,#00H
MOVR2,A
SJMPDIVX
END0:
RET
BTOD0:
CLRC
MOAA,R3
SUBBA,#64H
MOVR3,A
MOVA,R2
JCRES0
INC@R0
SJMPBTOD0
RES0:
MOVA,R3
ADDA,#64H
MOVR3,A
INCR0
BTOD1:
CLRC
MOVA,R3
SUBBA,#0AH
MOVR3,A
JCRES1
INC@R0
SJMPBTOD1
RES1:
MOVA,R3
ADDA,#0AH
INCR0
MOV@R0,A
RET
SCAR:
INCR7
RETI
TIM0:
MOVTL0,#0F0H
MOVTH0,#0D8H
PUSHPSW
CPLP1.2
JNBF0,END1
CLRC
MOVA,51H
SUBBA,#01H
MOV51H,A
MOVA,50H
SUBBA,#00H
MOV50H,A
JNZEND1
MOVA,51H
JNZEND1
CLRF0
END1:
POPPSW
RETI
TAB:
DB3FH,06H,5BH,4FH,66H,6DH
DB7DH,07H,7FH,6FH,77H,7CH
END
(3)软件的其他特色
①刹车时,借鉴了车辆制动装置ABS(自动防抱死)功能,将整个刹车过程分割为几个子过程,有效防止了轮胎打滑。
②原路返回时,充分利用上次正向行驶时得到的跑道长度数据,进一步优化性能。
③正向行驶时使用前部传感器,逆向行驶时使用中部传感器。
在压线时,则同时利用两个传感器判断当前位置,提高停车精度,并保证黑线计数正确。
3.其他功能的设计与实现
(1)数码管显示为了减少外部锁存器和译码模块,数码管全部使用软件进行动态显示。
在限速区内,数码管显示8s倒计时;在行驶过程中,显示已驶路程;在终点停车时和返回起点后,交替显示桂返时间与距离。
(2)车头方向的调整由于原玩具车前轮装有弹簧很容易发生随机偏转。
为了精确调整方向,我们拆除了车上原有的转弯控制电动机,设计了一个机械装置固定了车轮的方向杆,且留出一个螺丝作为接口,实现对方向杆的微调。
其机械结构如图14所示。
图14
(3)车速指示灯在车尾两端装有两对车速指示灯,当小车加速时,绿灯亮;当小车刹车减速时,红灯亮。
因此在限速区时,可明显体会到算法的运
行过程。
在终点停留时,红灯闪烁10次代表10s倒计时。
4.总的电路图如下:
注释:
(1)车头与车尾的光电传感器分别用两个按钮开关来替代,分别与P1.0与P1.1相连,通过按键来表示小车是否通过黑线与是否该到减速行驶即转换开关。
(2)用一个发光二极管来替代速度
心得体会
经过一个月的思考和资料查找,终于完成了该课程设计任务。
通过课程设计锻炼了我们的实践能力,也是对以后我们实际工作能力的训练和考察过程。
现在是一个高科技的时代,单片机的应用无处不在,已深入到国民经济众多技术领域,从天上到地下,从军事、工业到家庭日常生活。
在人类进入信息时代的今天,难以想象没有单片机的世界将会怎样!
这更坚定了我要学好单片机的决心。
在此次的单片机设计过程中我认真看了单片机课本和相关资料,巩固以前学过的知识的同时也学会了课本上所没有的东西。
该课题是2001年的全国电子科技大赛的C题,尽管只有软件编程和硬件的理论连接图,但是我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论的知识是远远不够的,只有把所学的和实践结合起来,然后在实践中得到真理。
在设计的过程中我遇到了很多困难,特别是芯片8279的扩展与其LED的驱动,是经过翻阅好多资料书才掌握其扩展方法,还好在最后关头解决了。
还有就是PROTUS的单片机软件仿真,由于对该软件不熟悉,花费了大量时间来学习。
在这次课设中,我学会了坚持不懈,不轻言放弃。
虽然在整个的设计中经历了不少的艰辛,但收获也同样巨大。
单片机课程设计虽然结束了,但通过这次的设计所学到的东西却很多,相信这次设计带给我的严谨的学习态度和一丝不苟的科学精神将影响着我以后的学习生活。
参考文献
1全国大学生电子设计竞赛组委会编.全国大学生电子设计竞赛获奖作品汇编.北京:
北京理工大学出版社,2004
2何立民主编.MCS-51单片机应用系统设计.北京:
北京航空航天大学出版社,1999
3胡寿松主编.自动控制原理.北京:
科学教育出版社,2001
4陈杰和黄鸿编著.传感器与检测技术.北京:
高等教育出版社,2002
5许建国主编.电机与拖动基础.北京:
高等教育出版社,2004
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