小車課程設(shè)計報告

1、項目五 小車設(shè)計指導老師：戴儼炯 將雄隊員及年級：丁 益（09級） 何天曉（09級） 李維哲（09級）院系：長沙航空職業(yè)技術(shù)學院電子電氣工程系摘 要 本文設(shè)計的小車，是以C8051F120單片機核心板為控制芯片的簡易智能小車，利用各種傳感器采集數(shù)據(jù)，采用L298N芯片作為直流電機驅(qū)動?？梢酝ㄟ^往返跑道和智能跑道。小車在行駛過程中不僅能顯示運行狀態(tài)和行駛速度、測量黑線之間的距離、自動報警功能，而且還能尋跡行駛、探測鐵片、躲避障礙物、尋找光源等功能。采用PWM脈寬調(diào)制電機控制小車的行駛速度。整個系統(tǒng)在設(shè)計中注意低功耗處理和力求高性價比等細節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高，無論在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上都具有較好的

2、科學性。關(guān)鍵詞 C8051F120 PWM調(diào)速 避障 L298N- 21 - / 22文檔可自由編輯打印目 錄1 系統(tǒng)方案- 2 -1.1 電機驅(qū)動論證與選擇- 2 -1.2顯示模塊- 2 -1.3傳感器的選擇- 3 -1.4 控制系統(tǒng)論證與選擇- 3 -2系統(tǒng)理論分析與計算- 3 -2.1各個電路的分析- 3 -2.1.1霍爾傳感器測速的分析- 3 -2.1.2光源探測器的分析- 4 -2.2電路的計算- 4 -2.2.1霍爾傳感器測速的計算- 4 -3電路與程序設(shè)計- 4 -3.1電路的設(shè)計- 4 -3.1.1系統(tǒng)總體框圖- 4 -3.1.2電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖與電路原理圖- 5 -3.1.

3、3顯示模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖- 6 -3.1.4電源- 7 -3.1.5 探測模塊電路- 7 -3.2程序的設(shè)計- 9 -3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路- 9 -3.2.2程序流程圖- 9 -3.2.3 LN298子程序- 11 -3.2.4傳感器子程序- 12 -4測試方案與測試結(jié)果- 13 -4.1測試方案- 13 -4.2測試條件與儀器- 13 -4.3測試結(jié)果及分析- 13 -4.3.1小車結(jié)果的基本調(diào)試- 14 -4.3.2自動往返賽道調(diào)試與分析- 14 -4.3.3 簡易智能賽道調(diào)試- 14 -4.3.4測試分析與結(jié)論- 15 -總結(jié)- 15 -致謝- 16 -附錄1 原理圖

4、- 17 -附錄2 源程序- 18 -1 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制模塊、傳感模塊、顯示模塊、電機驅(qū)動模塊和電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。其各個模塊分部如下圖所示。電機驅(qū)動前后圖1.1 車身模塊分部圖1.1 電機驅(qū)動論證與選擇方案一：采用分立元件（三極管或MOS管）接成H橋電路來實現(xiàn)電機驅(qū)動。這樣雖然價格低。但穩(wěn)定性不高、體積大，安裝起來也比較麻煩。方案二： L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅(qū)動芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W?？梢圆捎肞WM脈寬平滑調(diào)

5、試。 綜合以上兩種選擇，選擇方案二。1.2顯示模塊方案一：用LED顯示，優(yōu)點亮度高、成本低。但不能顯示漢字，顯示內(nèi)容較少。方案二：用LCD1602顯示，小巧、成本較低。能顯示漢字，但顯示內(nèi)容較少。觀看不方便。方案三：用LCD12864顯示，成本較高，但顯示量大。人站著也能很容易觀察到放在行駛的小車上的液晶顯示內(nèi)容。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3傳感器的選擇（1）尋跡和黑線探測用小車底座自帶的尋跡電路，根據(jù)實際情況小車的底座離地面的距離更近，更利于有效地檢測地面信息。（2）尋找光源采用指向性光敏電阻作為光源定位器。（3）壁障用紅外電路對障礙物進行探測。（4）鐵片的檢測利用金屬傳感器對鐵片檢

6、測。 （5）采用自制霍爾傳感器來測量行駛速度1.4 控制系統(tǒng)論證與選擇方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51單片機價格便宜，應用廣泛，但是功能單一，引腳過少。如果系統(tǒng)需要增加語音播報功能，還需外接語音芯片，實現(xiàn)較為復雜；另外51 單片機需要仿真器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。方案二：采用Silicon Lab公司的C8051F120。C8051F120是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。具有64個數(shù)字I/O引腳，高速性能流水結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核；12位、100ksps的ADC、而我們使用的是C8051F120核心板。由于這次設(shè)計中需要單片機的引腳比較多，AT89S5

7、1單片機的引腳過少，幾乎不能完成此次設(shè)計要求。C8051F120有84個可以外接引腳，功能強大?？刂破饋肀容^方便。綜合考慮我們決定選擇C8051F120核心板2系統(tǒng)理論分析與計算2.1各個電路的分析2.1.1霍爾傳感器測速的分析我們在小車的前輪上挨著車身這邊放上一塊磁鐵并用熱熔膠粘做。用霍爾傳感器焊在靠近磁鐵的這邊。當小車在行駛時。沒轉(zhuǎn)一圈就能給霍爾傳感器一個信號。以用來計算單位時間內(nèi)小車行駛速度。2.1.2光源探測器的分析我們在小車的前面安裝了三個指向性較好的光敏電阻。根據(jù)左、中、右的光敏電阻探測值來判斷光源的方向，進行相應地電機驅(qū)動。2.2電路的計算2.2.1霍爾傳感器測速的計算小車的輪子

8、轉(zhuǎn)一圈大概是12cm，轉(zhuǎn)的圈數(shù)位n行駛總距離為 L=0.12N平均速度為Ls=(0.12NP)/S3電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計3.1.1系統(tǒng)總體框圖總體系統(tǒng)方框圖如圖3.1所示：信號放大LCD12864 顯示單片機控制超聲波傳感器尋跡電路電機運行速度與方向圖3.1 自動往返部分方框圖尋跡電路金屬探頭LCD12864顯示電機的運行速度與方向超聲波傳感器光源定位器信號放大單片機控制 圖3.2 簡易智能部分方框圖3.1.2電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、電機驅(qū)動子系統(tǒng)框圖C8051F120系統(tǒng)LN298前右輪后前輪前左輪后右輪圖3.3電機子系統(tǒng)框圖2、電機驅(qū)動子系統(tǒng)電路我們采用的是廠家已經(jīng)模塊

9、化生產(chǎn)的LN298的電路。 圖3.4 LN298電機驅(qū)動電路3.1.3顯示模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、顯示模塊子系統(tǒng)框圖C8051F120系統(tǒng)LCD12864液晶行駛距離行駛速度是否感應障礙物障礙物距離鐵片數(shù)量圖3.5顯示模塊系統(tǒng)框圖2、顯示模塊子系統(tǒng)電路本電路接法可以通過P47調(diào)節(jié)背光模式。圖3.6 LCD12864顯示電路3.1.4電源考慮到實際問題，我們在電路中接了兩個電源輸入端，分別可為12V和15V20V對整個系統(tǒng)供電。最后輸出為5V，對整個系統(tǒng)供電。圖3.7 電源電路3.1.5 探測模塊電路該小車電路有很多信息是需要用各種探測器來實現(xiàn)：尋跡探測器是用小車底座自帶的，測距是用超聲波

10、探測器來實現(xiàn)，鐵片的探測用的是金屬探測器，接電源后在由單片機對其采集的數(shù)據(jù)進行分析，分析后進行相應的輸出控制。如圖2.3 直接使用的探測器圖3.8 三種直接可用的探測器自己組裝的探測器 如圖2.4 光源探測使用光敏電阻，用些黑膠布裹做光敏電阻周圍以提高指向性。還經(jīng)過LM339把信號放大后傳給單片機。并加上發(fā)光二極管來起提示做用。我們使用三個探測器更好地探測光源的方向。障礙物探測使用紅外探測器。紅外探測信號經(jīng)過LM339把信號放大后傳給單片機。用四個紅外探測器，以更精確的定位障礙物的位置。速度探測使用霍爾傳感器。在車輪上粘上磁鐵，把霍爾傳感器放靠近車輪的地方。每轉(zhuǎn)一圈進行計數(shù)加1，來累計算小車的

11、行駛速度。圖3.9 組裝的探測器如圖1.1和圖1.2所示，整體電路由C8051F120單片機、LCD12864液晶、電機驅(qū)動模塊、各種探測模塊和電源部分等電路組成，而報警電路使用蜂鳴器。3.2程序的設(shè)計軟件實現(xiàn)的功能如下：探測障礙物、光源的位置和距離；給步進電機步進脈沖；尋跡；蜂鳴報警；顯示鐵片數(shù)量、時間、路程；匯總。3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路1程序功能描述1）鍵盤實現(xiàn)功能題目要求小車要在兩條跑道上行駛。所以我們用了兩個獨立按鍵。分別用來切換小車的行駛模式。2）顯示部分顯示車速、鐵片數(shù)量、和行駛完路段的時間等。2程序思路本系統(tǒng)采用PWM脈寬調(diào)制控制電機。小車的行駛方向、速度按照各種傳感器

12、的探測得到的數(shù)據(jù)進行分析后進行處理。3.2.2程序流程圖開始系統(tǒng)初始化減速行駛驅(qū)動電機并顯示相關(guān)信息判斷是否掃描四跟黑線判斷是否掃描到終點線判斷是否掃描三跟黑線全速行駛等待10S結(jié)束倒向行駛判斷是否掃描到起跑線YESNOYESNONONOYESYES圖3.10自動往返程序流程圖系統(tǒng)初始化開始驅(qū)動電機并顯示相關(guān)信息如碰到鐵片報警并繼續(xù)行駛判斷是否行駛23.M減速行駛是否到達C點停留5S掃描障礙物并躲避障礙物尋找光源 并向光源駛?cè)フ业焦庠?停止結(jié)束YESYESNONO圖3.11 簡易智能程序流程圖3.2.3 LN298子程序使用直流/步進兩用驅(qū)動器。分別為M1和M2。引腳A，B可用于輸入PWM脈寬

13、調(diào)制信號對電機進行調(diào)速控制。（如果無須調(diào)速可將兩引腳接5V，使電機工作在最高速狀態(tài)，既將短接帽短接）實現(xiàn)電機正反轉(zhuǎn)就更容易了，輸入信號端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機M1正轉(zhuǎn)。（如果信號端IN1接低電平， IN2接高電平，電機M1反轉(zhuǎn)。）控制另一臺電機是同樣的方式，輸入信號端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，電機M2正轉(zhuǎn)。（反之則反轉(zhuǎn)），PWM信號端A控制M1調(diào)速，PWM信號端B控制M2調(diào)速。其控制方式參考了表：表3.1 L298N電機驅(qū)動控制 電機旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4輸入PWM信號改變脈寬可調(diào)速調(diào)速端A調(diào)速端BM1正轉(zhuǎn)高低/高/反轉(zhuǎn)低高/高/

14、停止低低/高/M2正轉(zhuǎn)/高低/高反轉(zhuǎn)/低高/高停止低低/高3.2.4傳感器子程序霍爾傳感器每靠近一次輪胎上的磁鐵，就會產(chǎn)生一個信號，通過LM339把信號放大后。單片機會進行一次計數(shù)。超聲波（正前方）與紅外（左右）結(jié)合避障。并用超聲波發(fā)射信號與接收信號來定位障礙物和測量障礙物距離。紅外接收則使探測范圍更廣，判斷更準確。其初步流程如圖3.3所示左有感應進行左右調(diào)整紅外中間有感應障礙物右有感應左輪有慢慢轉(zhuǎn)動右輪有慢慢轉(zhuǎn)動超聲波檢測距離很近停止驅(qū)動圖3.3 避障程序流程圖尋光源程序：在三個光敏電阻周圍在加了膠布后（留個洞）已經(jīng)具有了指向性。如果只有右邊的檢測光源，則只驅(qū)動左邊的電機；左邊則相反。最終要

15、能調(diào)整成三個光敏都能感應到光源。四個電機一起驅(qū)動，直到探測車身離光源只有10CM停止驅(qū)動。4測試方案與測試結(jié)果4.1測試方案1、硬件測試硬件采用部分調(diào)試法，每焊起一個模塊的元件，就進行測試。這樣可以降低調(diào)試的難度、并且可以節(jié)約時間、可以更急時的對電路進行調(diào)整。2、軟件仿真調(diào)測試用Proteus接成各個模塊的電路，先測試各個子程序的。并在測試中進行相應的調(diào)試，到后面總體調(diào)試。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)主要可以用來調(diào)試小車倒車的時間長短、行駛的速度、尋跡的靈敏度和光敏二級管尋找光源的方向。4.2測試條件與儀器測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且進行初步檢查：電路無虛焊、短路等不正

16、常情況。測試儀器：模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。跑道光源等。4.3測試結(jié)果及分析4.3.1小車結(jié)果的基本調(diào)試首先要要讓小車正常通電； 系統(tǒng)能對電機進行PWM控制，能尋跡行駛。小車狀態(tài)通電是否正常電機運行狀態(tài)能否感應黑線調(diào)整全速時正常限速不能適度的靈敏度限速時正常全速能適度的靈敏度分析：測試過程中可能由于黑線過細，小車在快速行駛過程中沒能感應到黑線。調(diào)節(jié)靈敏度后能百分之九十五的感應到細黑線，屬于正常范圍 。4.3.2自動往返賽道調(diào)試與分析 測試次數(shù)尋跡功能是否正常限速區(qū)去行駛速度能否往返調(diào)整12能（但過于靈敏）0.45 m /S不能調(diào)整尋跡指示燈靈敏度36能0.5 m /S不

17、能調(diào)整限速區(qū)的行駛速度79能0.28 m /S不能調(diào)整小車的倒車程序1014能0.25m/S能不斷地調(diào)整往返程序分析：前面由于尋跡電路過于靈敏、一條黑線能感應到兩至三次。調(diào)節(jié)延遲時間后只感應一次了。第二輪測試時：又發(fā)現(xiàn)再限速去減速過小，沒能達到題目要求。通過PWM再次調(diào)試。第三輪測試中已經(jīng)很接近題目要求但小車沒越過第四跟線就已經(jīng)開始加速。而且不能自動往返。經(jīng)過一系列的程序調(diào)整后；在第四輪的測試中小車已經(jīng)能根據(jù)題目要求行駛在自動往返的賽道上。后面我們在這基礎(chǔ)上讓小車盡最快的速度跑完賽道，小車往返時間控制在了42s50s。4.3.3 簡易智能賽道調(diào)試測試次數(shù)能否探測鐵片能否躲避障能否尋找光源調(diào)整1

18、5前兩次能 后面不能了不能不能調(diào)整金屬探頭67能有時能能（經(jīng)常亂跑）調(diào)整程序跟紅外探頭816能能能（有時亂跑）調(diào)整光敏電阻/程序1720能能光源夠強就能把程序/光敏電阻靈敏度跳到最佳2134能能有一次不能 繼續(xù)調(diào)整程序4.3.4測試分析與結(jié)論尋跡模塊在跑第一個賽道已經(jīng)沒了問題，可以不用調(diào)試。而在前面幾次調(diào)試中，行駛了幾次后發(fā)生了金屬探頭接觸不良的情況。在第二輪測試中，在躲避障礙物時經(jīng)常性德亂跑，經(jīng)過我們分析，可能是小車行駛的速度過快，也有可能程序?qū)懙南到y(tǒng)對感應信號過于靈敏。導致系統(tǒng)不能正常的對驅(qū)動進行控制。調(diào)整小車速度后有所轉(zhuǎn)好。后面我們又對程序進行了調(diào)整， 后幾次避障能正常運行。第三輪測試時候，由于光源只是個100W的白熾燈,所以有時候感應不是特別遠。再增強了光敏電阻的指向性后又進行了程序調(diào)整。在第四輪測試中尋找光源已經(jīng)基本正常。第五輪測試小車的穩(wěn)定性。綜上數(shù)束，本設(shè)計到達設(shè)計要求。總結(jié)在本次設(shè)計的過程中，我們遇到了各種困難和許多沒有預想到的情況，但我們通過團隊協(xié)作和努力，最終克服了困難、解決問題。由于我們的水平有限和時間緊張等因素，我們在電路的設(shè)計上海存在許多值得改進的地方。經(jīng)過此次產(chǎn)品的設(shè)計與制作，我們也深刻的體會到：實踐是；理論運用最好的檢察官，懂得了共同協(xié)作和團隊的重要性，提高了我們電路分析、解決好各種電路問題的能力。同時也認