《循跡小車_測速_顯示_無線遙控.doc》由會員分享，可在線閱讀，更多相關《循跡小車_測速_顯示_無線遙控.doc（21頁珍藏版）》請在裝配圖網(wǎng)上搜索。

2013 年黑龍江科技大學 電子設計大賽報告 題目：競速小車 學院名稱 電氣與信息工程學院 參賽學生 姜春東 邵曉軼 馮興榮 指導老師 郭靜華 2013 年 6 月 目錄 目錄 引言 1 1 方案設計與論證 .1 1.1 電機驅動部分論證與分析 1 1.2 傳感器探測部分論證與分析 2 1.3 電機部分論證與分析 2 1.4 顯示部分論證與分析 2 1.5 電源部分論證與分析 3 1.6 控制單元部分論證與分析 3 2 原理分析與硬件電路圖 .4 2.1 系統(tǒng)總體設計 4 2.2 車體部分設計 4 2.3 電機驅動模塊 5 2.4 循跡探測模塊 7 2.5 穩(wěn)壓電路的設計 9 3 軟件設計與流程 .9 3.1 主程序框圖 9 3.2 源程序 10 4 制作安裝調試 .15 4.1 電路設計與制作 15 4.2 小車的檢測與調試 16 5 總結 .16 6 參考文獻 .16 7 附錄 .17 7.1 元器件列表 17 競速小車 1 摘要：本設計以一片單片機 STC89C52 作為核心來控制自動循跡小車，采用 四個減速電機，加以控制芯片 L298N 和單片機聯(lián)合控制小車的前進與后退。路 面的黑帶檢測使用 RPR220 紅外傳感器，經(jīng)過 LM339 處理后，傳送給 STC89C52 對輸入的信號進行處理，通過一個液晶顯示器以動態(tài)顯示的形式顯示小車走過 的路程和速度。可實現(xiàn)遙控小車的開始和結束。 關鍵詞：STC89C52 L298N RPR220 1602 LM339 引言 報告是以小車的總體設計為主要線索，包括小車的設計分析及發(fā)案論證、 小車的軟件設計、小車的硬件設計、以及總體的設計流程。共分為五部分。其 中第一部分主要是對小車總體設計及各個設計方案進行了論證，第二部分是對 小車硬件部分的設計做了詳細的介紹，第三部分重點敘述了軟件的設計及流程 和各種相關的算法，第四部分介紹了我小車設計的開發(fā)流程，第五部分敘述了 我在設計過程中遇到的問題和解決方法，并對本次的設計活動做了總結報告和 在本次活動中的心得。 1 方案設計與論證 本次競賽要求制作的小車能夠循黑線前進并且達到競速的目的，而且要顯 示走過的時間和速度。并且有按鍵起車與聲光語言提示。根據(jù)題目的要求，我 們組設計了以下幾種方案并對各方案進行了論證與分析。 1.1 電機驅動部分論證與分析 方案 1：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調整電動機的分壓，從而達到調速的 目的。但是電阻絡只能實現(xiàn)有級調速，而數(shù)字電阻的元器件價格昂貴。更主要 的問題在于一般電動機的電阻較小，但電流很大；分壓不僅會降低效率，而且 很難實現(xiàn)。 方案 2：采用繼電器對電動機的開或關進行控制，通過開關的切換對小車 的速度進行調整。方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢， 機械 結構易損壞，壽命較短，可靠性不高。 方案 3：采用達林頓管 TIP4 組成的 PWM 電路。用單片機控制達林頓管使之 工作在占空比可調的狀態(tài)，精確調整電機轉速。 方案 4：采用 L298N 來控制電機的正轉和反轉來實現(xiàn)小車的前進和后退，并 且如果再利用上 PWM，就可以實現(xiàn)整車的加速與減速，精確小車的速度。 基于上述理論分析，擬選擇方案 4。 競速小車 2 1.2 傳感器探測部分論證與分析 方案 1：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境 光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑 線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明 顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。 但是這種方案受 光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。 方案 2：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射 管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接 收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光 線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿 足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此我們放棄了這個 方案。 方案 3：用 RPR220 型光電對管。RPR220 是一種一體化反射型光電探測器， 其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光 電三極管。 簡單實用，特別適合我們這次的制作。 基于上述理由我們選擇了方案 3。 1.3 電機部分論證與分析 方案一：采用直流電機 直流電機速度快，價格便宜，通過調節(jié)電流來改變速度，驅動電路簡單， 調速范圍廣，調速特性平滑。但其轉距小，帶有大負載時很容易堵轉；而且由 于其速度較快，不易控制，精確度低，不適合應用在本題。 方案二：采用步進電機 步進電機是一種能將電脈沖轉化為角位移的機構，通過控制脈沖個數(shù)來控 制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電機轉動的速度和加速度，其精確度高， 但控制相對較繁瑣。 方案三：采用減速電機 減速電機也是通過控制電流來改變速度的，而且其內部有減速齒輪箱，轉 距大，而且易控制，速度較步進電機快。通過分析題目要求，減速電機可以達 到題目要求的精度，而且價格適中，控制簡單。 綜上所述，我們決定采用方案 3——減速電機。 1.4 顯示部分論證與分析 方案 1：使用數(shù)碼管顯示。 數(shù)碼管顯示具有亮度高，色彩選擇多的優(yōu)點，但是數(shù)碼管占用 I/O 資源多， 控制復雜，功耗較大，顯示信息量較少且單一。 方案 2：使用 1602 液晶屏顯示。 液晶顯示驅動簡單，易于控制，功耗小，且顯示信息量大，可以直觀地觀 測到小車的位置及速度信息。 競速小車 3 基于上述理論分析，我們決定選擇方案 2。 1.5 電源部分論證與分析 方案 1：采用 2 節(jié) 4.2V 可充電式鋰電池串聯(lián)共 8.6V 給直流電機供電，經(jīng) 過 7805 的電壓變換后給支流電機供電，給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。但由于 電壓不太夠，價格昂貴，因此，我們放棄了。 方案 2：采用:9V 蓄電池為直流電機供電，將 12V 電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片 機系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出 性能。但蓄電池的體積過于龐大，使用極為不方便。 方案 3： 采用 3 節(jié) 3.7V 鋰電池供電，電壓達到 11v，經(jīng) 7805 穩(wěn)壓后給支 流電機供電，給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。但價錢還是太貴。 基于上述理論，我們選擇方案 2。 1.6 控制單元部分論證與分析 方案 1：采用純數(shù)字電路 該方案外部檢測采用光電轉換，系統(tǒng)控制部分采用數(shù)字電路譯碼對小車電動機 兩端電壓調整，來控制小車的運行。時間和行程用加法器進行計數(shù)。此系統(tǒng)的 設計將會使電路過于復雜，調試時需要改變硬件電路，機動性差。 方案 2：用單片機控制 用光電檢測不同的信號，并經(jīng)單片機對其處理，傳送給 L298 信號，使其控制電 機的正轉和反轉。通過單片機內部定數(shù)器/計數(shù)器進行定時、計數(shù)，在用單片機 串行輸入/輸出口進行顯示控制。此方案電路成熟、工作穩(wěn)定、容易實現(xiàn)控制。 為能更好的實現(xiàn)題目的各種設計要求，所以我們選用第二種方案。用單片機進 行控制。其工作框圖如下： 單片機控制工作圖 開始 光電檢測 STC 89C52 小車正反轉 顯示路程 顯示速度 競速小車 4 2 原理分析與硬件電路圖 2.1 系統(tǒng)總體設計 基于上述各方案的論證與分析，我們確定了最終方案。整個系統(tǒng)采用 11V 鋰電池供電。系統(tǒng)的總體結構框圖如圖 1 所示。 STC89C52 最小系統(tǒng)板 液晶顯示 模塊 循跡模塊 電機驅動模塊 兩個左輪 兩個右輪 車體 系統(tǒng)總體框 2.2 單片機資源分配 STC89C52 單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺 寸有限的集成電路芯片上。它由如下功能部件組成，8 位微處理器、128 字節(jié)數(shù) 據(jù)存儲器、8k 程序存儲器、p1、p2、p3、p4 四個 8 位并行 I/O 口、1 個全雙工 的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行 I/O 口，甚至 與多個單片機相連構成多機系統(tǒng)， 、片內有 2 個 16 位的定時器/計數(shù)器， 具有 四種工作方式。具有 5 個中斷源，2 級中斷優(yōu)先權及特殊功能寄存器。它們都 是通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結 構模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。為 了合理調用單片機的資源,如圖 2-2 是單片機資源分配圖。 競速小車 5 I N T 1 ' / P 3 . 3 1 3 T 0 / P 3 . 4 1 4 1 5 T 1 / P 3 . 5 1 6 W R ’ / P 3 . 6 P 2 . 7 P 2 . 6 P 2 . 5 P 2 . 4 2 8 2 7 2 6 2 5 R D ’ / P 3 . 7 1 7 X T A L 2 1 8 1 9 X T A L 1 2 0 V S S P 2 . 3 P 2 . 2 P 2 . 1 P 2 . 0 2 4 2 3 2 2 2 1 P 1 . 0 1 P 1 . 1 2 3 P 1 . 2 4 P 1 . 3 V C C P 0 . 0 P 0 . 1 P 0 . 2 4 0 3 9 3 8 3 7 R S T 9 R X D / P 3 . 0 1 0 1 1 T X D / P 3 . 1 1 2 I N T 0 ' / P 3 . 2 P 0 . 7 E A ’ A L E / P R O G ’ P S E N ’ 3 2 3 1 3 0 2 9 P 1 . 4 5 P 1 . 5 6 7 P 1 . 6 8 P 1 . 7 P 0 . 3 P 0 . 4 P 0 . 5 P 0 . 6 3 6 3 5 3 4 3 3 S T C 8 9 C 5 2 V s s 1 V c c 2 3 V e e 4 R S D B 6 1 3 D B 7 1 4 1 5 L E D + 1 6 L E D - R / W 5 E 6 7 D B 0 8 D B 1 D B 2 9 D B 3 1 0 1 1 D B 4 1 2 D B 5 L C D 1 6 0 2 蜂鳴器 1 2 3 4 電機驅動控制端 尋 跡 檢 測 光 電 對 管 測 速 光 電 對 管 圖 2-2 單片機資源分配圖 2.3 電機驅動模塊 我們主要采用 L298 驅動兩臺直流電機電路如圖-3 所示，。L298 可驅動 2 個電動機，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之間可分別接電動機，本實驗裝置我們 選用驅動兩臺直流減速電動機。5，7，10，12 腳接輸入控制電平，控制電機的 正反轉。2，3，13，14 四個腳連接直流減速電機。6，11 腳接 PWM 信號（即 EnA，E nB接控制使能端）控制電機的停轉。四組光耦對輸入、輸出電信號起隔離 作用。8 腳接地。表 2-3 是 L298N 功能邏輯真值表圖。 Ven 為 6，11 腳。IN1=IN3，IN2=IN4. IN1 為 5 腳。 IN2 為 7 腳。 IN3 為 10 腳。 IN4 為 12 腳。 表 2-3 L298 驅動電路真值表 IN1=1 IN2=0 正轉ENA=ENB=1 IN1=0 IN2=1 反轉 競速小車 6 IN1=IN2=1(或 0) 停止ENA=ENB=0 IN1=1(或 0)，IN1=IN2 停止 由表 2-3 可知同為低電平時，電機停止工作；ENA 和 ENB 同為高電平時， 電機正轉或反轉。 L298 驅動兩臺直流電機電路 圖 2-3 L298 管腳排列如下： 競速小車 7 2.4 循跡探測模塊 小車循跡原理是小車在貼有黑膠帶的白色路面上行駛時，由于黑線和白線 對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接受的反射光的強弱來判斷黑線，我們采用了 比較普遍的檢測方法——紅外檢測法。 紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射特點。 在小車行駛過程中不斷的向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(fā)生漫 反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則 小車的接收管接收不到信號，在通過 LM339 作比較器采集高低電平，從而實現(xiàn) 信號的檢測。 市場上有很多紅外傳感器，在這里我們選用了 RPR220。 RPR220 采用 DIP4 封裝，其具有如下特點： 1.塑料透鏡可以提高靈敏度。 2.內置可見光過濾器能減小離散光的影響。 3.體積小，結構緊湊。 RPR220 參數(shù)如下： 競速小車 8 電路圖如下： 2.5 穩(wěn)壓電路的設計 為了給整個控制系統(tǒng)提供一個穩(wěn)定的電壓，在此選擇了 7805 穩(wěn)壓管作為該 電路的核心芯片。該穩(wěn)壓電路的設計如圖 3.3.5 所示。 競速小車 9 圖 3.3.5 穩(wěn)壓電源電路圖 7805 穩(wěn)壓管有一系列固定的電壓輸出，應用非常的廣泛，每種類型由于內 部電流限制，以及過熱保護和安全工作區(qū)的保護，使它基本上不會損壞，如果 能夠提供足夠的散熱片，他們就能夠提供大于 1.5A 的輸出電流，雖然是按照固 定電壓值來設計的，但是當接入適當?shù)耐獠科骷螅湍塬@得各種不同的電壓 和電流。 3 軟件設計與流程 3.1 主程序框圖 此部分是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用。 控制方法有很多，大部分都采用單片機控制。由于 51 單片機具有價格低廉是使 用簡單的特點，這里選擇了 STC89C52 作為控制核心部件，其程序控制方框圖如 圖所示。 競速小車 10 是否在彎道？ 開始 延時 3s 提速行駛 N Y 檢測右傳感器？ 電機反轉 小車左轉 黑線 遮蔽 檢測左轉傳感器？ 器？ 白線 遮蔽 電機反轉 小車右轉 黑線 遮蔽 白線 遮蔽 圖 3.3.1 系統(tǒng)的程序流程圖 小車進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機 I/O 口， 一旦檢測到某個 I/O 口有信號變化，程序就進入判斷程序，把相應的信號發(fā)送 給電動機從而糾正小車的狀態(tài)。 3.2 源程序 #include sbit IN1=P1^0; sbit IN2=P1^1; sbit IN3=P1^2; sbit IN4=P1^5; sbit ENA=P1^6; sbit ENB=P1^7; sbit hong=P1^3; sbit feng=P1^4; sbit ce1=P2^0; sbit ce3=P2^2; sbit ce2=P2^1; sbit ce4=P2^3; 競速小車 11 sbit ce5=P2^4; sbit lcden=P2^7; sbit lcdrs=P2^5; sbit wr=P2^6; sbit ce6=P3^2; sbit ce7=P3^3; sbit p1=P3^3; sbit p2=P3^4; unsigned char code table[]=“Vmax: cm/s“; //顯示最高速度 unsigned char code table1[]=“Va: cm/sT: s“;//顯示瞬時速度和行駛時 間 unsigned char num,j,n,m=0; unsigned int x=0,a=0,k=0,l=0,lu1=0,lu2,Va=0,t=0,Vm=0; void delay(unsigned int z) // 延時函數(shù) { unsigned int x,y; for(x=z;x0;x--) for(y=110;y0;y--); } void write_com(unsigned char com) //液晶寫命令 { lcdrs=0; P0=com; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0; } void write_data(unsigned char date) //液晶寫數(shù)據(jù) { lcdrs=1; P0=date; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0; } void init() //液晶初始化 { wr=0; lcden=0; write_com(0x38); 競速小車 12 write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x80+0x00); for(num=0;numVm) { 競速小車 17 Vm=Va; } display(5,Vm); //顯示最大速度 display(3,Va); //顯示瞬時速度 TR1=0; //關閉定時器 1 } } } void time1() interrupt 3 using 1 { TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; //重裝初值 m++; if(m==20) { m=0; t++; } } void time2() interrupt 4 { lu1++; } void time3() interrupt 0 { lu2++; } 4 制作安裝調試 4.1 電路設計與制作 我們根據(jù)實際需要，手工將循跡模塊，控制模塊，驅動模塊制作出來，并 通過銅柱，螺母等將其固定在洞洞板上 競速小車 18 4.2 小車的檢測與調試 在檢測過程中，我們設計的小車有沖出跑道的情況，而無法正常循黑線前 進，我們分析可能的原因是：1.路探測，每一個 RPR220 之間的距離安裝的不合 理，導致小車有探測的不靈敏，而沖出跑道；2。程序需要優(yōu)化；3.車速太快， 而檢測裝置不夠靈敏，這種情況下，我們選擇了降低電壓，減少車速。 表 2 調試情況 小車運行次數(shù) 成功循跡次數(shù) 1 1 2 1 3 2 4 2 5 3 6 4 5 總結 首先感謝學校電子設計大賽給我們這樣一次珍貴的鍛煉機會，在這 20 多天 的時間里，我們三個人同心協(xié)力，分工合作，共同完成了智能循跡小車的項目。 在制作過程中遇到了很多困難與挫折，我們也一度灰心喪氣，但是我們都一步 步挺了過來，克服了一個又一個的困難，最終完成了制作。 在這一次的大賽中，我們獲益匪淺。其中不僅僅包括知識上的，也包括意 志與精神上的。剛開始的我們在制作小車方面的知識幾乎可以說是零，在制作 過程中，由于缺乏經(jīng)驗和忽略細節(jié)問題，我們在調試的時候經(jīng)常碰到很多奇怪 的問題，但是我們通過耐心的調試，或者上網(wǎng)查閱資料，直到弄懂為止；遇到 分歧，我們就在一塊討論，共同研究。參加此次培訓對我們來說是一次寶貴經(jīng) 歷，也是人生的一筆精神財富。當然由于知識能力與水平有限，我們也有做的 不好與不完善的地方，懇請老師批評指正，希望下次我們能夠做的更好。 6 參考文獻 [1]全國大學生電子設計競賽組委會.全國大學生電子設計競賽獲獎作品精選 （1994——1999）[M].北京：北京理工大學出版社,2003 年第 1 版. [2]王曉明. 電動機的單片機控制. 學術期刊，2002； [3]王東鋒，王會良，董冠強. 單片機 C 語言應用 100 例[M]. 電子工業(yè)出版 社。2009.3； [4]郭天祥 《十天學會單片機和 C 語言編程視頻教程》 競速小車 19 7 附錄 7.1 元器件列表 序號 元器件名稱 1 車模 2 RPR220 型光電管 3 7805 穩(wěn)壓管 4 STC89C52 單片機 5 電位器 6 各種阻值的電阻 7 杜邦線 跳線 8 銅柱 螺母 9 各種型號的電容器 10 LM339 11 減速電機 12 L298N 13 發(fā)光二極管 14 液晶顯示器 15 電瓶 16 紅外接收頭 17 光電門