整套自動往返電動小車設計及實施方案課件

1、7/17/2022謝兵華 制作1任務設計任務：設計制作一個自動往返于起跑線與終點之間的電動小車實際目的：1.測試學生在單片機應用方面 的水平；2測試學生在電子電路設計與制作方面的應用能力；3測試學生的實際動手能力等。 7/17/2022謝兵華 制作2設計的要求車輛從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車體不得超出起跑線），到達終點先后停留10s，然后自動返回起跑線（允許倒車返回）。往返一次的時間應力求最短（從合上電源開關(guān)開始計時）。到達終點線和返回起跑線時，停車位置離起跑線和終點線偏差應最?。ㄒ攒囕v中心點與終點線或起跑線中心之間距離作為偏差的測量值）。D-E之間為限速去，車輛往返均要求以低俗通過，通過時間不得

2、少于8s，但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。 自動記錄、顯示一次往返時間（記錄顯示裝置要求安裝在車上）。自動記錄、先是行駛距離（記錄顯示裝置要求安裝在車上）?；疽螅?/17/2022謝兵華 制作3一、電動小車系統(tǒng)設計方案 自動往返電動小車系統(tǒng)方框圖如圖1所示。采用單片機作為自動往返電動小車的檢測和控制核心。根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為幾個基本模塊，如圖 1所示。 對各模塊的實現(xiàn)，分別有以下一些不同的設計方案: 圖17/17/2022謝兵華 制作41. 電動機驅(qū)動調(diào)速模塊 方案一:采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴

3、。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大;分壓不僅會降低效率，而且實現(xiàn)很困難。 方案二:采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較 短、可靠性不高。 方案三:采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效 率非常高;H型電路保證了可以簡單地實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制;電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。 基于上述理論分析，擬選擇方案三。2. 路面黑線探

4、測模塊 探測路面黑線的大致原理是:光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強弱判斷是否到達黑線。 方案一:可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射-接收電路。這種方案的缺點在于其他環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判;雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。 方案二:不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾;但如果直接用直流電壓對管子進行供電，限于7/17/2022謝兵華 制作5 管子的平均功率要求，工作電流只能在1OM左右，仍然容易受到干擾。

5、方案三:脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射-接收器?？紤]到環(huán)境光干擾主要是直流分量，如果采用帶有交流分量的調(diào)制信號，則可大幅度減少外界干擾;另外，紅外發(fā)射管的最大工作電流取決于平均電流，如果使用占空比小的調(diào)制信號，在平均電流不變的情況下，瞬時電流可以很大(50-100mA)，這樣也大大提高了信噪比。 基于上述考慮，擬采用方案三。3. 車輪檢速及路程計算模塊 方案一:采用霍爾集成片。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當磁鐵正對金屬板時，由于霍爾效應，金屬板發(fā)生橫向?qū)ǎ虼丝梢栽谲囕喩习惭b磁片，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計數(shù)進行車速測量。 方案二:受鼠標的工作原理啟發(fā)，采用斷續(xù)式光電開關(guān)。由

6、于該開關(guān)是溝槽結(jié)構(gòu)，可以將其置于固定軸上，再在車輪上均勻地固定多個遮光條，讓其恰好通過溝槽，產(chǎn)生一個個脈沖。通過脈沖的計數(shù)，對速度進行測量。 以上兩種都是比較可行的轉(zhuǎn)速測量方案。尤其是霍爾元件，在工業(yè)土得到廣泛采用。但是在本題中，小車的車輪較小，方案一的磁片密集安裝十分困難，容易產(chǎn)生相互干擾。相反，方案二適用于精度較高的場合，可以車輪上加較多的遮光條來滿足脈沖計數(shù)的精度要求，因此擬采用方案二。4. 電源選擇 方案一:所有器件采用單一電源(6節(jié)M電池)。這樣供電比較簡單;但是由于電動機啟動瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動的電動機電流波動較大，會造成電壓 7/17/2022謝兵華 制作6 不穩(wěn)、有毛刺

7、等干擾,嚴重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電，缺點十分明顯。 方案二:雙電源供電。將電動機驅(qū)動電源與單片機以及其周邊電路電源完全隔離，利用光電藕合器傳輸信號。這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動機驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 我們認為本設計的穩(wěn)定可靠性更為重要，故擬采用方案二。5. 小結(jié) 經(jīng)過一番仔細的論證與比較，我們決定了系統(tǒng)各個主要模塊的最終方案如下: 電動機驅(qū)動與調(diào)速模塊:采用達林頓管的H型PWM電動機驅(qū)動電路。 車輪檢速模塊: 采用光電斷續(xù)開關(guān)構(gòu)成的光電感應系統(tǒng)。 路面黑線檢測模塊:采用調(diào)制的反射式發(fā)射-接收器。 電源:雙電源供電(6節(jié)M電池+1節(jié)9V方型電池) 電動小汽

8、車車體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)名稱 單位（cm）車身長度24cm車身寬度14.cm車頭到路段檢測傳感器位置 14.5cm7/17/2022謝兵華 制作7STCPWM電動機驅(qū)動前進/后退指示轉(zhuǎn)速檢測整形電路LED數(shù)碼管路面檢測時間、距離顯示速度、方向控制車輪轉(zhuǎn)動檢測信號方波信號整形電路同步信號（中斷）檢測信號方波信號系統(tǒng)組成及原理框圖如圖2 所示。以下分為硬件和軟件兩個方面進行具體分析。圖27/17/2022謝兵華 制作8二、系統(tǒng)的具體設計與實現(xiàn)1.系統(tǒng)的硬件設計(1) 電動機PWM驅(qū)動模塊的電路設計與實現(xiàn) 具體電路見圖3。本電路采用的是基于PWM原理的H型驅(qū)動電路。該電路采用11P132 大功率達林頓管，以保

9、證電動機啟動瞬間的8A電流要求。圖37/17/2022謝兵華 制作9 當Ug1為高電平 ,Ug2為低電平時，Q3、Q6 管導通，Q4、Q5管截止，電動機正轉(zhuǎn)。當Ug1為低電平，Ug2為高電平時，Q3、Q6管截止，Q4、 Q5 管導通，電動機反轉(zhuǎn)。另外四個二極管可以在Ug1由高變低時，通過D2、D4 兩個二管形成電動機電圈感應電壓的回路，起到了保護電動機的作用。 控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5V電源，因此若達林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身的壓降，加到電動機兩端的電壓就只有4V左右，減弱了電動機的驅(qū)動力。基于上述考慮，我們運用了 4N25光藕集成塊，將控制部分與電動機的

10、驅(qū)動部分隔離開來，這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動電流得到了大大的增強。 至于Ug1 與Ug2這對控制電壓，我們采用了200Hz的周期信號控制，通過對其占空比的調(diào)整，對車速進行調(diào)節(jié)。最小脈寬為0.2ms，速度共分25擋，可以滿足車速調(diào)整的精度要求。同時，可以通過Ug1與Ug2的切換來控制電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 (2) 路面黑線檢測模塊的電路設計與實現(xiàn) 為了檢測路面黑線，在車底的前部和中部安裝了兩個反射式紅外傳感器。為減少環(huán)境光源干擾，增加信噪比，采用脈沖調(diào)制的發(fā)射與接收電路。 發(fā)射、接收的具體電路見圖4。 發(fā)射部分采用55定時器產(chǎn)生9kHz、占空比為1:5的方形脈沖信號，通 過三極

11、管Q1的放大來驅(qū)動紅外發(fā)射管，實現(xiàn)路面檢測系統(tǒng)信號的調(diào)輸入制。接收部分的光敏二極管在不同的光 照強度下，電阻值會大幅改變。因 此可以通過改變島的大小，調(diào)整輸 出對路面灰度的敏感程度。本實驗 中，我們把電路參數(shù)設置為只對黑 色敏感，這樣甚至可以忽略路面上 的腳印。輸出的交流信號，經(jīng)過隔直電容，整形后輸出 7/17/2022謝兵華 制作10 至于解調(diào)的一般做法是通過濾波電路后利用頻率解碼器解調(diào)。但是這樣做無法充分利用瞬時信噪比大的優(yōu)勢，而且也無法方便地調(diào)節(jié)接收敏感度。 因此，我們使用單片機同步檢測的方法。接收器產(chǎn)生的信號經(jīng)過信號識別整形電路向單片機分別指示兩個傳感器的探測信號。同時，發(fā)射電路的55

12、5定時器產(chǎn)生的調(diào)制信號作為同步信號輸入給單片機中斷。當單片機接收到中斷時，便去檢測傳感器信號，等連續(xù)檢測到若干個信號之后，再發(fā)送中斷通知單片機。 這樣做的優(yōu)點在于，可以充分利用單片機編程，等連續(xù)測到多個信號后才認為是黑線，避免將其他雜物誤判為黑線，以增強糾錯能力。 圖47/17/2022謝兵華 制作11(3) 車速及路程檢測模塊的電路設計與實現(xiàn) 在車軸上固定有一個溝槽狀的斷式紅外光電開關(guān)，而在車輪側(cè)壁則伸出一圈遮光板，圓周上均勻分布15 個輸出方孔。車輪轉(zhuǎn)動時，方孔依次通過溝槽，光電開關(guān)便得到通斷相間的高低電平信號。得到的信號經(jīng)過整形，發(fā)送至單片機，以實現(xiàn)車速檢測和程計算。具體電路如圖5所示圖

13、5 在物理結(jié)構(gòu)上，我們將該檢測裝置安裝在前車輪上。因為后輪在剎車時容易打滑、反轉(zhuǎn)，故安裝在前輪才能測得實際的車速和路程。7/17/2022謝兵華 制作122. 系統(tǒng)的元件 單片機控制電路，主要實現(xiàn)對路面黑線的軟件檢測與糾錯，作為整個控制部分的核心，負責車速檢測、電動機驅(qū)動、數(shù)據(jù)顯示等功能。單片機具體電路如圖6所示。 圖6EA/VP31X119X218RESET9RD17WR16INT012INT113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P23

14、24P2425P2526P2627P2728PSEN29ALE/P30TXD11RXD1080C51調(diào)速時間、里程顯示起停、避障、位移、檢測電動機驅(qū)動時鐘電路復位電路7/17/2022謝兵華 制作13(1)路面檢測程序 程序流程圖如圖7所示。該檢測算法的主要特點是:只有連續(xù)檢測到幾個黑線信號之后，才發(fā)中斷信號通知單片機到達黑線。這樣可以避免其他細小物體的干擾。同樣，在到達黑線之后，只有連續(xù)檢測不到信號時，才取消中斷，避免黑線上的雜物干擾。 開始開中斷等待中斷記錄傳感器1，2的狀態(tài)連續(xù)檢測到N個信號？連續(xù)N次未檢測到信號向單片機發(fā)中斷取消向單片機發(fā)中斷檢測到信號？NNYYYN圖77/17/202

15、2謝兵華 制作14(2)單片機的的主控程序 單片機的中斷和定時器資源配置如表1所示。 表1 黑線計數(shù)(中斷服務程序1)。由 于車底前部和中部裝有兩個傳感 器，采用 中斷和查詢結(jié)合的檢測方法。單片機在對黑線信號進行糾錯處理后，向自己的INTO發(fā)出中斷請求信號，并通過單片機的P1.4指明是哪一個傳感器檢測到黑線，在其中斷服務程序中進一步查詢中斷源(見圖8)。 圖87/17/2022謝兵華 制作15 為了保證程序的實時性，中斷服務程序盡量簡潔，故在程序中設置2個全局計數(shù)變量Linenum1和Linenum2，分別對應兩個傳感器檢測到的黑線數(shù)，服務程序僅僅累加計數(shù)變量，而到達黑線后的操作由主程序完成。

16、車速檢測(中斷服務程序2) 如前文所述，當車輪轉(zhuǎn)動時，安裝在輪胎上的圓形遮光板上的方孔依次通過槽型斷續(xù)式光電開關(guān)，每通過一個方孔便產(chǎn)生一個脈沖。因此只需記錄兩個脈沖所間隔的時間，便能得到實際車速(見圖9)。其中，時間差由定時器的時鐘計算得到。 圖9 同時，由累計脈沖的總數(shù)便可得到行駛的路程。本作品中，車輪周長18cm, 圓周上方孔數(shù)為15個，故一個脈沖對應1.2cm路程，即路程測量精度為1.2cm。 7/17/2022謝兵華 制作16定時器服務程序。 為了提高效率，我們將多個需要定時的模塊放在一個定時器服務程序中，其程序流程圖如圖10所示。通過分頻來實現(xiàn)各個不同功能。定時器頻率為5kHz。電動

17、機PWM脈寬調(diào)制信號的產(chǎn)生:脈寬調(diào)制信號的一個周期為5000s。一個最小脈寬的時間為200s間，則速度可分為5000/200=25 擋。 系統(tǒng)時鐘的產(chǎn)生:只需設置一個全局變量不斷累加 ,便能提供一個系統(tǒng)時鐘。 LED數(shù)碼管的動態(tài)掃描:為了使人眼感覺不到抖動，掃描頻率應不低于60Hz，服務程序中將時鐘經(jīng)16分頻后，得到5000/16=312.5 Hz，則4位數(shù)碼管的每一位平均掃描頻率為312.5/4=78Hz。 圖10限速子程序。在限速區(qū)中為了實現(xiàn)低速行駛的要求，最簡單的方法是減小功率。但這種開環(huán)系統(tǒng)缺點十分明顯。首先是對電池電量依賴性強，電量充足時可能開得過快，電量不足時則過慢;其次，當小車碰

18、到擋板時， 由于阻力增加， 車速也會與正常行駛差異極大，乃至停車。 7/17/2022謝兵華 制作17 因此，限速必須采用閉環(huán)系統(tǒng)，即通過車速檢測的反饋，不斷調(diào)整電動機的驅(qū)動力。算法流程圖如圖11所示圖11 為了直觀地指示當前限速狀態(tài)，在車尾設有兩對紅綠指示燈，通過指示燈的狀態(tài)可清晰觀察該速度反饋系統(tǒng)的運行狀態(tài)。另外值得注意的是，判斷當前車速是否低于設定值不能通過計算兩次脈沖間隔來實現(xiàn)。因為車速很慢時，等待下一個脈沖的時間將無限變長;一旦車子停駛，程序便永遠不能判斷當前車速。故檢測車速時設置了一個超時器，一旦超時還沒有來脈沖，便認為車速變慢或停止。 過線返回算法。 題目要求在到達終點線及返回起

19、點線時壓線。當車速不快時，只需通過剎車便可解決;但如果車速太快，剎車后仍超出終點線時，就應該倒退回終點線上。而7/17/2022謝兵華 制作18 且此時倒車必須為較低的速度，保證一次剎車即可壓線，否則可能產(chǎn)生來回往返的死循環(huán)。算法流程圖如圖12所示 圖127/17/2022謝兵華 制作19主程序流程圖。如圖13所示。圖137/17/2022謝兵華 制作20總程序編程如： #include#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit P1_0=P10;sbit P1_1=P11;sbit P1_2=P12;sbi

20、t P1_3=P13;float f=0;int a,counter;uchar LED0_data,LED1_data,LED2_data,LED3_data,LED4_data,LED5_data,i=0;uchar code segcode=0 xc0,0 xf9,0 xa4,0 xb0,0 x99,0 x92,0 x82,0 xf8,0 x80,0 x90;/低電平有效7/17/2022謝兵華 制作21void display();void delay_10us(uint m);void delay_ms(uint n);void ting();void zheng();void fa

21、n();void zheng_jiansu();void fan_jiansu();void init()TMOD=0 x51;TL0=(65536-20000)%256;TH0=(65536-20000)/256;TL1=0;TH1=0; TR0=1;TR1=1;ET0=1;EA=1;7/17/2022謝兵華 制作22IT0=1;/脈沖方式EX0=1;/開外部中斷0:加速void dectobit(int dec)LED5_data=dec/100000;dec=dec%100000;LED4_data=dec/10000;dec=dec%10000;LED3_data=dec/1000;d

22、ec=dec%1000;7/17/2022謝兵華 制作23LED2_data=dec/100;dec=dec%100;LED1_data=dec/10;dec=dec%10;LED0_data=dec;void display()P2=0 x01;P0=segcodeLED5_data;delay_ms(1);P2=0 x02;P0=segcodeLED4_data;delay_ms(1);P2=0 x04;P0=segcodeLED3_data;delay_ms(1);7/17/2022謝兵華 制作24P2=0 x08;P0=segcodeLED2_data;delay_ms(1);P2=0

23、 x10;P0=segcodeLED1_data;delay_ms(1);P2=0 x20;P0=segcodeLED0_data;delay_ms(1);void main() init(); while(1) dectobit(f); display();7/17/2022謝兵華 制作25if(a=1)zheng();if(a=2)zheng();if(a=3)zheng_jiansu();if(a=4)zheng();if(a=5)ting(); void zheng() P1_1=1; P1_0=0; P1_2=0; P1_3=1; delay_10us(2000); P1_0=1;

24、P1_2=1; delay_ms(10); 7/17/2022謝兵華 制作26void zheng_jiansu() P1_1=1; P1_0=0; P1_2=0; P1_3=1; delay_10us(1000); P1_0=1; P1_2=1; delay_ms(5); void fan() P1_0=1; P1_1=0; P1_2=1; P1_3=0; delay_10us(2000); 7/17/2022謝兵華 制作27P1_1=1; P1_3=1; delay_ms(10); void fan_jiansu() P1_0=1; P1_1=0; P1_2=1; P1_3=0; dela

25、y_10us(1000); P1_1=1; P1_3=1; delay_ms(5); void ting()P1=0 xff;7/17/2022謝兵華 制作28void delay_ms(uint n) /n 個 1ms延時程序 uint i; for(;n0;n-) for(i=0;i8)a=0;counter=0; 7/17/2022謝兵華 制作30(3) 軟件的其他特色剎車時，借鑒了車輛制動裝置ABS(自動防抱死)功能，將整個剎車過程分割為幾個子過程，有效防止了輪胎打滑。原路返回時，充分利用上次正向行駛時得到的跑道長度數(shù)據(jù)，進一步優(yōu)化性能。正向行駛時使用前部傳感器，逆向行駛時使用中部傳感

26、器。在壓線時，則同時利用兩個傳感器判斷當前位置，提高停車精度，并保證黑線計數(shù)正確 3. 其他功能的設計與實現(xiàn)(1)數(shù)碼管顯示 為了減少外部鎖存器和譯碼模塊，數(shù)碼管全部使用軟件進行動態(tài)顯示。在限速區(qū)內(nèi)，數(shù)碼管顯示8s倒計時;在行駛過程中，顯示已駛路程;在終點停車時和返回起點后，交替顯示桂返時間與距離。(2)車頭方向的調(diào)整 由于原玩具車前輪裝有彈簧很容易發(fā)生隨機偏轉(zhuǎn)。為了精確調(diào)整方向，我們拆除了車上原有的轉(zhuǎn)彎控制電動機，設計了一個機械裝置固定了車輪的方向桿，且留出一個螺絲作為接口，實現(xiàn)對方向桿的微調(diào)。(3)車速指示燈 在車尾兩端裝有兩對車速指示燈，當小車加速時，綠燈亮;當小車剎車減速時，紅燈亮。因此在限速區(qū)時，可明顯體會