自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車設(shè)計(jì)報(bào)告[驕陽(yáng)書屋]

1、中國(guó)海洋大學(xué)課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目：自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車 組 員：莫錦河、李鵬飛 指導(dǎo)教師：谷健 自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車摘要本設(shè)計(jì)以一片單片機(jī)AT89C52作為核心來(lái)控制自動(dòng)往返小車，加以控制芯片L298N和單片機(jī)聯(lián)合控制小車的前進(jìn)與后退。路面的黑帶檢測(cè)使用光電傳感器，通過(guò)AT89C52對(duì)輸入的信號(hào)進(jìn)行處理，通過(guò)PWM調(diào)制使電機(jī)轉(zhuǎn)速能自動(dòng)調(diào)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車的快慢速行駛，以及自動(dòng)停車、往返的控制要求。關(guān)鍵字：電動(dòng)小車、AT89C52單片機(jī)、光電傳感器、PWM調(diào)速一、系統(tǒng)方案論證1.1最小系統(tǒng)控制器的選擇方案方案一：AVR ATMEGA16單片機(jī)。AVR 系列單片機(jī)采用RISC結(jié)構(gòu)，執(zhí)行速度較快，并且

2、內(nèi)部資源豐富，可以方便的使用C語(yǔ)言編程，并且開(kāi)發(fā)環(huán)境很方便，但是功耗較高，在超低功耗方面明顯不能滿足題目要求。方案二： MSP430G2553 系列超低功率微控制器包含幾個(gè)器件，這些器件特有針對(duì)多種應(yīng)用的不同的外設(shè)集。這種架構(gòu)與5 種低功耗模式相組合，專為在便攜式測(cè)量應(yīng)用中延長(zhǎng)電池的使用壽命而優(yōu)化。MSP430G2x13 和MSP430G2x53 系列是超低功耗混合信號(hào)微控制器，具有內(nèi)置的16 位定時(shí)器、多達(dá)24 個(gè)支持觸摸感測(cè)的I/O 引腳、一個(gè)通用型模擬比較器以及采用通用串行通信接口的內(nèi)置通信能力。此外，MSP430G2x53系列成員還具有一個(gè)10 位模數(shù)(A/D) 轉(zhuǎn)換器。方案三：典型的

3、51系列單片機(jī)AT89C52。51系列單片機(jī)操作較為簡(jiǎn)單，程序簡(jiǎn)單易學(xué)，開(kāi)發(fā)非常方便。綜合比較，我們采用方案三，采用典型的51系列單片機(jī)AT89C52，方便實(shí)現(xiàn)。1.2電動(dòng)機(jī)模塊方案一：選用步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元步進(jìn)電機(jī)件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱為“步距角”，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，

4、從而達(dá)到調(diào)速的目的。方案二：選用伺服電動(dòng)機(jī)，在伺服系統(tǒng)中控制機(jī)械元件運(yùn)轉(zhuǎn)的發(fā)動(dòng)機(jī)，是一種補(bǔ)助馬達(dá)間接變速裝置。伺服電機(jī)可使控制速度，位置精度非常準(zhǔn)確，可以將電壓信號(hào)轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速以驅(qū)動(dòng)控制對(duì)象。伺服電機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速受輸入信號(hào)控制，并能快速反應(yīng)，在自動(dòng)控制系統(tǒng)中，用作執(zhí)行元件，且具有機(jī)電時(shí)間常數(shù)小、線性度高、始動(dòng)電壓等特性，可把所收到的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電動(dòng)機(jī)軸上的角位移或角速度輸出。方案三：選用直流電動(dòng)機(jī)，直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過(guò)轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場(chǎng)平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場(chǎng)方向?qū)⒏淖?，因此此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫

5、茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。綜上比較，我們采用方案三，方便實(shí)現(xiàn)直流驅(qū)動(dòng)小車的運(yùn)動(dòng)。1.3升壓模塊 方案一：使用UCC38C43芯片的交錯(cuò)式升壓。交錯(cuò)式升壓電路中，每個(gè)相的工作方式都與上述單相升壓相似。兩個(gè)功率級(jí)會(huì)以反相 180的方式運(yùn)行，使得輸入和輸出電容的紋波電流互相抵消，但是功耗比較大。 方案二：使用直流升壓。其基本的工作過(guò)程是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值脈沖整流獲得高壓直流電，電路簡(jiǎn)單、低成本、而且功耗比較低。 綜上比較，我們采用方案二，更有利于實(shí)現(xiàn)超低功耗。1.4降壓模塊 方案一：使用二極管降壓電路。二極管導(dǎo)通時(shí)有一個(gè)止向壓降，且該壓降為固定值（硅管為

6、0.7V，鍺管為0.3V），但是電壓太高容易被擊穿。 方案二：使用TPS54331芯片降壓電路。其110A 工作電流以及極低的 1A 關(guān)斷電流，擁有 3.5V28V 的寬泛輸入電壓范圍、低至 0.8V 的可調(diào)輸出電壓以及高達(dá) 3A 的輸出電流，能顯著降低 LCD 電視負(fù)載點(diǎn)電路板設(shè)計(jì)方案功耗。綜合比較，采用方案二，結(jié)合AT89C52單片機(jī)共同實(shí)現(xiàn)超低功耗的功能。1.5黑帶檢測(cè)模塊方案一：選用反射式紅外傳感器，利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。 方案二：選用光電傳

7、感器，光電傳感器是采用光電元件作為檢測(cè)元件的傳感器。它首先把被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化，然后借助光電元件進(jìn)一步將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。 光電檢測(cè)方法具有精度高、反應(yīng)快、非接觸等優(yōu)點(diǎn)，而且可測(cè)參數(shù)多，傳感器的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，形式靈活多樣等優(yōu)點(diǎn)。綜上比較，我們采用方案二，材料容易獲取，切簡(jiǎn)單容易操作。二、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)及工作原理根據(jù)題目的要求，該系統(tǒng)主要由電動(dòng)機(jī)模塊、升壓模塊、降壓以及黑帶檢測(cè)模塊組成，其結(jié)構(gòu)的框架如下圖1所示。 圖1 系統(tǒng)方案圖2.1 AT89C52單片機(jī)AT89C52片內(nèi)集成256字節(jié)程序運(yùn)行空間、8K字節(jié)Flash存儲(chǔ)空間，支持最大64K外部存儲(chǔ)擴(kuò)展。根據(jù)不同的運(yùn)行速度和功耗的要

8、求，時(shí)鐘頻率可以設(shè)置在0-33M之間。片內(nèi)資源有4組I/O控制端口3個(gè)定時(shí)器、8個(gè)中斷、軟件設(shè)置低能耗模式、看門狗和斷電保護(hù)?？梢栽?V到5.5V寬電壓范圍內(nèi)正常工作。不斷發(fā)展的半導(dǎo)體工藝也讓該單片機(jī)的功耗不斷降低。具體電路見(jiàn)附圖1。2.2 電動(dòng)機(jī)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓由AT89C52單片機(jī)的P1.0和P1.1分別控制。當(dāng)P1.0為0，P1.1為1時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為+5.0V，小車進(jìn)入高速行駛狀態(tài)；當(dāng)P1.0為1，P1.1為0時(shí)，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓為+3.3V，小車進(jìn)入低速行駛狀態(tài)。當(dāng)P1.0為高電位時(shí)，電機(jī)供電三極管截止，關(guān)閉電機(jī)電源實(shí)現(xiàn)停車功能；當(dāng)P1.0為1時(shí)，D880輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓，小車按單片機(jī)

9、的指令執(zhí)行各種功能。具體電路見(jiàn)附圖2。2.3升壓模塊 直流升壓工作過(guò)程是：高頻振蕩產(chǎn)生低壓脈沖脈沖變壓器升壓到預(yù)定電壓值脈沖整流獲得高壓直流電，按照這個(gè)原理可是實(shí)現(xiàn)使用干電池給電容充電，從而獲得題目要求的25V電壓，而且利用這種方法其功耗和成本都比較低，而且簡(jiǎn)單方便易操作。具體電路圖見(jiàn)圖3。2.4降壓模塊TPS54331芯片，擁有 3.5V28V 的寬泛輸入電壓范圍、低至 0.8V 的可調(diào)輸出電壓以及高達(dá) 3A 的輸出電流，對(duì)于實(shí)現(xiàn)超低功耗起到重要作用。具體電路見(jiàn)圖4。2.5黑帶檢測(cè)模塊 光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。它們分為：發(fā)送器、接收器和檢測(cè)電路。發(fā)送器對(duì)

10、準(zhǔn)目標(biāo)發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)源于半導(dǎo)體光源，發(fā)光二極管(LED)、激光二極管及紅外發(fā)射二極管。光束不間斷地發(fā)射，或者改變脈沖寬度。接收器有光電二極管、光電三極管、光電池組成。在接收器的前面，裝有光學(xué)元件如透鏡和光圈等。在其后面是檢測(cè)電路，它能濾出有效信號(hào)和應(yīng)用該信號(hào)。具體電路圖見(jiàn)附圖5。2.6方向控制模塊由于小車自身存在的問(wèn)題，例如車輪有摩擦、車身設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)不夠合理等因素，可以會(huì)影響小車在前進(jìn)時(shí)偏離原定的方向，最終影響到小車的運(yùn)行速度，從而得不到正確的效果。所以，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選用了4個(gè)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，分別安裝在小車的前輪和后輪的四個(gè)方位，并將開(kāi)關(guān)的觸角延長(zhǎng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1或S3碰到擋板時(shí)，轉(zhuǎn)向電動(dòng)

11、機(jī)正轉(zhuǎn)，車頭左拐，離開(kāi)擋板；當(dāng)開(kāi)關(guān)S2或S4碰到擋板時(shí)，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，車頭右拐，離開(kāi)擋板。具體電路圖見(jiàn)附圖6。3、 軟件設(shè)計(jì)部分系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。軟件部分采用模塊化設(shè)計(jì)方法，由主菜單控制模塊、電動(dòng)機(jī)模塊、電源模塊、黑帶檢測(cè)模塊等程序組成。開(kāi)始初始化延時(shí)，小車運(yùn)動(dòng)讀取count的數(shù)目其他均全速前進(jìn)第3條限速前進(jìn)第5條剎車前進(jìn)第6條停車10S后返回，計(jì)數(shù)加一第10條限速前進(jìn)第12條剎車倒車第13條，停車10S后返回，計(jì)數(shù),清零圖2 程序流程圖四、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果 自動(dòng)小車為玩具遙控小汽車的改裝品，在改裝的過(guò)程中最重要的是考慮設(shè)計(jì)光電檢測(cè)管的位置，檢測(cè)黑帶的光電管放在車體

12、的中央，用遮光管將其以一定反射角度壓到跑道上。路程檢測(cè)用槽型光耦，放在小車的從動(dòng)輪上。在組裝前對(duì)每一個(gè)單元電路進(jìn)行測(cè)試，以保證外部硬件電路的無(wú)誤，有利于最后的統(tǒng)調(diào)。調(diào)整是以點(diǎn)到線，最后到整體調(diào)試的方法。在調(diào)整的過(guò)程中我們發(fā)現(xiàn)了許多問(wèn)題，如響應(yīng)中斷的次數(shù)的調(diào)整等。并且為了小車碰到墻壁不至于停車，我們?cè)谠O(shè)計(jì)中選用了4個(gè)雙刀雙擲開(kāi)關(guān)，分別安裝在小車的前輪和后輪的四個(gè)方位，并將開(kāi)關(guān)的觸角延長(zhǎng)。當(dāng)開(kāi)關(guān)S1或S3碰到擋板時(shí)，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，車頭左拐，離開(kāi)擋板；當(dāng)開(kāi)關(guān)S2或S4碰到擋板時(shí)，轉(zhuǎn)向電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)，車頭右拐，離開(kāi)擋板。五、總結(jié)本系統(tǒng)以單片機(jī)AT89C52芯片為核心部件，利用光電檢測(cè)、傳感器檢測(cè)技術(shù)并配

13、合軟件實(shí)現(xiàn)了小車的黑線檢測(cè)等功能，最終使小車完成設(shè)計(jì)題目要求的各項(xiàng)任務(wù)。在設(shè)計(jì)系統(tǒng)中，力求硬件線路簡(jiǎn)單，充分發(fā)揮軟件編程方便靈活的特點(diǎn)，來(lái)滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。該系統(tǒng)還有許多值得改進(jìn)的地方：電機(jī)驅(qū)動(dòng)和電機(jī)調(diào)速部分可以采用橋式PWM電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)小車往返行駛的功能。光耦合器也應(yīng)用到設(shè)計(jì)中，完成了電光電的轉(zhuǎn)換起到輸入、輸出、隔離的作用。由于本設(shè)計(jì)較小，沒(méi)有采用該設(shè)備，但在實(shí)際的工業(yè)生產(chǎn)中這一步是必不可少的。經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的鍛煉，我覺(jué)得自己對(duì)單片機(jī)知識(shí)的掌握又進(jìn)了一層。對(duì)單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的研究和軟件編程的興趣增加不少。歸納起來(lái)，主要有以下兩點(diǎn)：1、有兩年多的時(shí)間都是在學(xué)習(xí)單片機(jī)原理知識(shí)，并未真正地去應(yīng)用和實(shí)踐。平時(shí)但是經(jīng)過(guò)這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，我接觸到了更多平時(shí)沒(méi)有接觸到的儀器設(shè)備、元器件發(fā)現(xiàn)了自己很多不足之處。我還體會(huì)到了所學(xué)理論知識(shí)的重要性：知識(shí)掌握得越多，設(shè)計(jì)得就更全面、更順利、更好。2、了解進(jìn)行一項(xiàng)相對(duì)比較大型的科技設(shè)計(jì)所必不可少的幾