循跡小車_測速_顯示_無線遙控.doc

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2013 年黑龍江科技大學(xué) 電子設(shè)計大賽報告 題目：競速小車 學(xué)院名稱 電氣與信息工程學(xué)院 參賽學(xué)生 姜春東 邵曉軼 馮興榮 指導(dǎo)老師 郭靜華 2013 年 6 月 目錄 目錄 引言 1 1 方案設(shè)計與論證 .1 1.1 電機驅(qū)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(shè)計 4 2.2 車體部分設(shè)計 4 2.3 電機驅(qū)動模塊 5 2.4 循跡探測模塊 7 2.5 穩(wěn)壓電路的設(shè)計 9 3 軟件設(shè)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(diào)試 .15 4.1 電路設(shè)計與制作 15 4.2 小車的檢測與調(diào)試 16 5 總結(jié) .16 6 參考文獻(xiàn) .16 7 附錄 .17 7.1 元器件列表 17 競速小車 1 摘要：本設(shè)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(jìn)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(jìn)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?？蓪崿F(xiàn)遙控小車的開始和結(jié)束。 關(guān)鍵詞：STC89C52 L298N RPR220 1602 LM339 引言 報告是以小車的總體設(shè)計為主要線索，包括小車的設(shè)計分析及發(fā)案論證、 小車的軟件設(shè)計、小車的硬件設(shè)計、以及總體的設(shè)計流程。共分為五部分。其 中第一部分主要是對小車總體設(shè)計及各個設(shè)計方案進(jìn)行了論證，第二部分是對 小車硬件部分的設(shè)計做了詳細(xì)的介紹，第三部分重點敘述了軟件的設(shè)計及流程 和各種相關(guān)的算法，第四部分介紹了我小車設(shè)計的開發(fā)流程，第五部分?jǐn)⑹隽?我在設(shè)計過程中遇到的問題和解決方法，并對本次的設(shè)計活動做了總結(jié)報告和 在本次活動中的心得。 1 方案設(shè)計與論證 本次競賽要求制作的小車能夠循黑線前進(jìn)并且達(dá)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(shè)計了以下幾種方案并對各方案進(jìn)行了論證與分析。 1.1 電機驅(qū)動部分論證與分析 方案 1：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的 目的。但是電阻絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)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(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車 的速度進(jìn)行調(diào)整。方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢， 機械 結(jié)構(gòu)易損壞，壽命較短，可靠性不高。 方案 3：采用達(dá)林頓管 TIP4 組成的 PWM 電路。用單片機控制達(dá)林頓管使之 工作在占空比可調(diào)的狀態(tài)，精確調(diào)整電機轉(zhuǎn)速。 方案 4：采用 L298N 來控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來實現(xiàn)小車的前進(jìn)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(dāng)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(dāng)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(diào)節(jié)電流來改變速度，驅(qū)動電路簡單， 調(diào)速范圍廣，調(diào)速特性平滑。但其轉(zhuǎn)距小，帶有大負(fù)載時很容易堵轉(zhuǎn)；而且由 于其速度較快，不易控制，精確度低，不適合應(yīng)用在本題。 方案二：采用步進(jìn)電機 步進(jìn)電機是一種能將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機構(gòu)，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(zhuǎn)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(nèi)部有減速齒輪箱，轉(zhuǎn) 距大，而且易控制，速度較步進(jìn)電機快。通過分析題目要求，減速電機可以達(dá) 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(fù)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(qū)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(qū)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(dá)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(zhuǎn)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(diào)整，來控制小車的運行。時間和行程用加法器進(jìn)行計數(shù)。此系統(tǒng)的 設(shè)計將會使電路過于復(fù)雜，調(diào)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(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。通過單片機內(nèi)部定數(shù)器/計數(shù)器進(jìn)行定時、計數(shù)，在用單片機 串行輸入/輸出口進(jìn)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(shè)計要求，所以我們選用第二種方案。用單片機進(jìn) 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(zhuǎn) 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(shè)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(jié)構(gòu)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(qū)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(yīng)用所必需的基本內(nèi)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(jìn)行串行通訊，擴展并行 I/O 口，甚至 與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)， 、片內(nèi)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(quán)及特殊功能寄存器。它們都 是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是 CPU 加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié) 構(gòu)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(diào)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(qū)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(qū)動模塊 我們主要采用 L298 驅(qū)動兩臺直流電機電路如圖-3 所示，。L298 可驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)。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(zhuǎn)。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(qū)動電路真值表 IN1=1 IN2=0 正轉(zhuǎn)ENA=ENB=1 IN1=0 IN2=1 反轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)。 L298 驅(qū)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(dāng)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(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。 3.體積小，結(jié)構(gòu)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(shè)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(shè)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(yīng)用非常的廣泛，每種類型由于內(nèi) 部電流限制，以及過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，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(shè)計的，但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷?，就能獲得各種不同的電壓 和電流。 3 軟件設(shè)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(zhuǎn) 小車左轉(zhuǎn) 黑線 遮蔽 檢測左轉(zhuǎn)傳感器？ 器？ 白線 遮蔽 電機反轉(zhuǎn) 小車右轉(zhuǎn) 黑線 遮蔽 白線 遮蔽 圖 3.3.1 系統(tǒng)的程序流程圖 小車進(jìn)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(jìn)入判斷程序，把相應(yīng)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(guān)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(diào)試 4.1 電路設(shè)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(qū)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(diào)試 在檢測過程中，我們設(shè)計的小車有沖出跑道的情況，而無法正常循黑線前 進(jìn)，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(dǎo)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(diào)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(jié) 首先感謝學(xué)校電子設(shè)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?nèi)齻€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(xì)節(jié)問題，我們在調(diào)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(diào)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(xùn)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(dāng)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(xiàn) [1]全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽組委會.全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽獲獎作品精選 （1994——1999）[M].北京：北京理工大學(xué)出版社,2003 年第 1 版. [2]王曉明. 電動機的單片機控制. 學(xué)術(shù)期刊，2002； [3]王東鋒，王會良，董冠強. 單片機 C 語言應(yīng)用 100 例[M]. 電子工業(yè)出版 社。2009.3； [4]郭天祥 《十天學(xué)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