找回密碼
 立即注冊(cè)

QQ登錄

只需一步，快速開(kāi)始

搜索
查看: 5070|回復(fù): 0
打印 上一主題 下一主題
收起左側(cè)

單片機(jī)智能救援小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作 附程序

[復(fù)制鏈接]
跳轉(zhuǎn)到指定樓層
樓主
ID:461024 發(fā)表于 2019-5-14 09:02 | 只看該作者 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
1.1設(shè)計(jì)任務(wù)概述

設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能小車，該小車能按照要求自動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)一個(gè)建筑物中曲折的道路，并完成規(guī)定的動(dòng)作。設(shè)矩形建筑物有兩個(gè)門A、B，門寬24厘米，建筑物的墻壁是10厘米高（或與小車高度相同）、2厘米厚的矮墻，建筑物內(nèi)無(wú)引導(dǎo)軌跡（見(jiàn)圖示）。

1.2基本任務(wù)

1、要求智能小車從A門進(jìn)入并開(kāi)始自動(dòng)計(jì)時(shí)，從B門出來(lái)，在行進(jìn)過(guò)程中，能自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)穆窂剑荛_(kāi)墻壁，找到通路，三分鐘之內(nèi)到達(dá)B門；

2、到達(dá)B門，停5秒，小車自動(dòng)計(jì)時(shí)并數(shù)字顯示AB段所用的時(shí)間，并聲光報(bào)警；

1.3發(fā)揮部分

1、自B門外，循弧形引導(dǎo)軌跡BC前進(jìn)（引導(dǎo)軌跡為2厘米寬）；

2、途中檢測(cè)到鐵片D（鐵片D放置在軌跡BC前二分之一段上的任意位置）時(shí)停車3秒，并聲光報(bào)警；

3、要求小車拾起鐵片D，繼續(xù)沿引導(dǎo)軌跡前進(jìn)；

4、到達(dá)C點(diǎn)；

5、在C點(diǎn)處，放下鐵片D并停止前進(jìn)。聲光顯示救援結(jié)束，并停止計(jì)時(shí)，分別顯示BD、DC段所用的時(shí)間。鐵片為直徑2厘米的圓形薄片。

注:智能救援小車場(chǎng)地圖片的相關(guān)說(shuō)明


智能救援小車場(chǎng)地圖
二、系統(tǒng)方案論證與選擇
根據(jù)題目中的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由微控制器模塊、電源模塊、避障模塊、循跡傳感器模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、金屬檢測(cè)模塊、角度測(cè)量模塊，語(yǔ)音提示模塊以及液晶顯示模塊等構(gòu)成。本系統(tǒng)的方框圖如圖1所示：
  

系統(tǒng)總框圖

為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。
2.1車體方案論證與選擇
方案1：購(gòu)買玩具電動(dòng)車。購(gòu)買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。玩具電動(dòng)車的電機(jī)多為玩具直流電機(jī)，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負(fù)載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動(dòng)車一般都價(jià)格不菲。因此我們放棄了此方案。
方案2：自己制作電動(dòng)車。經(jīng)過(guò)反復(fù)考慮論證，我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，在校車后面加萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車體尾部裝一個(gè)萬(wàn)向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。當(dāng)小車前進(jìn)時(shí)，左右兩驅(qū)動(dòng)輪與后萬(wàn)向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn)。為了防止小車重心的偏移，后萬(wàn)向輪起支撐穩(wěn)定的作用。對(duì)于車架材料的選擇，我們經(jīng)過(guò)比較選擇了實(shí)驗(yàn)室常用的敷銅電路板。用敷銅電路板做的車架比塑料車架更加牢固，比鐵制小車更輕便，美觀。綜上考慮，我們選擇了方案2。制作的小車實(shí)物如下圖所示：


小車實(shí)物

2.2控制模塊論證與選擇

方案一：采用凌陽(yáng)公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、具有語(yǔ)音處理、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，但考慮到我們小組對(duì)這個(gè)方案采用的微處理器并不熟悉，使用起來(lái)并不是很方便，這對(duì)于硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程增加了難度。我們決定不再使用此方案，考慮其他方案。
方案二：采用STC 89C52單片機(jī)作為主控制器。STC 89C52是一個(gè)超低功耗，和標(biāo)準(zhǔn)51系列單片機(jī)相比較具有運(yùn)算速度快，抗干擾能力強(qiáng)，支持ISP在線編程，片內(nèi)含8k空間的可反復(fù)擦寫1000次的Flash只讀存儲(chǔ)器，具有256 bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（RAM），32個(gè)I/O口，2個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。其指令系統(tǒng)和傳統(tǒng)的8051系列單片機(jī)指令系統(tǒng)兼容，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難度，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，在后來(lái)的實(shí)驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，STC 89C52精確度和運(yùn)算速度也都完全符合我們系統(tǒng)的要求。
綜合以上方案我們選擇比較普通的更為熟悉的方案二使用STC89C52單片機(jī)為我們整個(gè)系統(tǒng)的控制核心。

2.3電源模塊論證與選擇

由于本系統(tǒng)需要給救援小車系統(tǒng)供電，我們考慮如下幾種方案:

方案一：采用7.2V可充電動(dòng)力電池組。動(dòng)力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測(cè)試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。

方案二：采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電，將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其它芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過(guò)于龐大，由于我們的車體在設(shè)計(jì)時(shí)空間有限，在小型電動(dòng)車上使用極為不方便，因此我們放棄此方案。

綜上考慮，我們選擇了方案一來(lái)完成智能救援小車系統(tǒng)供電的任務(wù)。

2.4電機(jī)模塊選擇與論證
方案一：采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便，小車電機(jī)內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)對(duì)直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作，
方案二：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可以精確定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)距離和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低時(shí)不適于小車等對(duì)速度有一定要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比較分析我們決定放棄此方案。
綜合以上考慮我們選擇方案一的直流減速電機(jī)作為整個(gè)救援小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
2.5電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊選擇與論證
方案一：采用分立組件組成的平衡式驅(qū)動(dòng)電路，這種電路可以由單片機(jī)直接對(duì)其進(jìn)行操作，但由于分立組件占用的空間比較大，還要配上兩個(gè)繼電器，考慮到小車的空間問(wèn)題，此方案不夠理想,我們決定放棄此方案。
    方案二：因?yàn)樾≤囯姍C(jī)內(nèi)部裝有減速齒輪組，考慮不需調(diào)速功能，采用市面易購(gòu)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D控制減速電機(jī)，該芯片是利用TTL電平進(jìn)行控制，通過(guò)改變芯片控制端的輸入電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)和停止操作，亦能滿足直流減速電機(jī)的要求，用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有的操作方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)。
綜合以上分析與論證我們選擇方案二的驅(qū)動(dòng)芯片L293D作為整個(gè)救援小車系統(tǒng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。
2.6避障模塊的選擇與論證
方案一：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來(lái)，再被超聲波傳感器接收。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。但是超聲波傳感器需要40KHz的方波信號(hào)來(lái)工作，因?yàn)槌暡▊鞲衅鲗?duì)工作頻率要求較高，偏差在1％內(nèi)，所以用模擬電路來(lái)做方波發(fā)生器比較難以實(shí)現(xiàn)。因此我們考慮其它的方案。
方案二：用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。光電開(kāi)關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對(duì)紅外光由同步回路選通而檢測(cè)物體的有無(wú)。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平�？紤]到本系統(tǒng)只需要檢測(cè)障礙物，沒(méi)有十分復(fù)雜的環(huán)境。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，我們最終選擇了方案二。光電開(kāi)關(guān)的實(shí)物如下圖：

2.7循跡模塊選擇與論證
方案一：用光敏電阻組成光敏探測(cè)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(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白色軌跡上方和黑色軌跡上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。單片機(jī)據(jù)此來(lái)判斷小車是否偏離軌道，并根據(jù)反饋來(lái)不同的電平信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的控制操作命令來(lái)校驗(yàn)小車的位置。來(lái)完成小車的循跡任務(wù)。但是這種方案的缺點(diǎn)是受環(huán)境中光線的影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其它更加穩(wěn)定的方案。
方案二：用RPR220型光電對(duì)管完成系統(tǒng)循跡。RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。RPR220特點(diǎn)：塑料透鏡可以提高靈敏度。內(nèi)置可見(jiàn)光過(guò)濾器能減小離散光的影響。體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。
經(jīng)測(cè)試方案二不論是在黑暗或者是強(qiáng)光照射下，小車系統(tǒng)均可以很穩(wěn)定的工作，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。因此我們選擇方案一。
2.8金屬傳感器模塊論證與選擇
方案一：采用CCD圖像傳感器
利用CCD圖像傳感器可適用于各種量的檢測(cè)。具有檢測(cè)的圖像清晰、準(zhǔn)確，圖像界面友好，但是用CCD圖像傳感器需要處理的信號(hào)量太大，，價(jià)格昂貴，硬件電路設(shè)計(jì)困難，軟件編程復(fù)雜，其體積較大對(duì)于空間有限的小車上使用存在諸多的不便，故CCD不使用與本系統(tǒng)。
方案二：采用電感式接近開(kāi)關(guān)
電感式接近開(kāi)關(guān)屬于一種有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器，它由LC高頻振蕩器和放大處理電路組成，利用金屬物體在接近這個(gè)能產(chǎn)生電磁場(chǎng)的振蕩感應(yīng)頭時(shí)，使物體內(nèi)部產(chǎn)生渦流。這個(gè)渦流反作用于接近開(kāi)關(guān)，使接近開(kāi)關(guān)振蕩能力衰減，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，由此識(shí)別出有無(wú)金屬物體接近，進(jìn)而控制開(kāi)關(guān)的通或斷。這種接近開(kāi)關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是金屬物體。其體積較小適合在空間有限的智能救援小車上使用其實(shí)物圖如下圖所示：
  
通過(guò)以上分析我們選擇方案二，采用電容式接近開(kāi)關(guān)來(lái)完成題目中的尋找鐵片的任務(wù)。
2.9鐵片轉(zhuǎn)移模塊論證與選擇
鐵片轉(zhuǎn)移模塊主要實(shí)現(xiàn)金屬傳感器在探測(cè)到金屬后，把金屬轉(zhuǎn)移到指定區(qū)域。
方案一：采用高強(qiáng)度磁鐵實(shí)現(xiàn)鐵片的移動(dòng)。高強(qiáng)度磁鐵具有使用簡(jiǎn)單，無(wú)需外圍電路，直接將磁鐵放置在救援小車底盤的某一固定位置，當(dāng)救援小車靠近鐵片時(shí)，將鐵片吸附在磁鐵表面，以達(dá)到轉(zhuǎn)移鐵片的目的。但是不能按要求把鐵片放下，由于此方案不能很好的完成要求，我們決定放棄此方案。
方案二：利用電磁繼電器在通電時(shí)可產(chǎn)生磁場(chǎng)的原理，利用電磁繼電器通電的瞬間所產(chǎn)生的磁場(chǎng)來(lái)完成金屬鐵片的轉(zhuǎn)移任務(wù)，停電無(wú)磁場(chǎng)放下鐵片。電磁繼電器電流小，磁力強(qiáng)，易于單片機(jī)I/O口的控制。
綜合以上方案論述我們選擇方案二，實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)移鐵片。
2.10報(bào)警和語(yǔ)音提示模塊選擇與論證
方案一：采用IDS1420可分段錄放音模塊和功率放大電路。其輸出信號(hào)通過(guò)功率放大電路放大后輸出。IDS1420語(yǔ)音芯片可通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行錄放音的控制，其優(yōu)點(diǎn)是能夠給人以直觀的提示，采用直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，語(yǔ)音質(zhì)量較好，可讀性較好，功耗低，，這些條件都為救援小車的語(yǔ)音提示準(zhǔn)備了很好的條件。
方案二：采用單片機(jī)產(chǎn)生不同的頻率信號(hào)通過(guò)蜂鳴器來(lái)完成聲音提示功能，其硬件電路和較容易實(shí)現(xiàn)，但其缺點(diǎn)是給人以提示的可懂性比較差，給人的感覺(jué)不夠直觀，考慮的本題目的具體要求，我們決定不采用此方案。
通過(guò)以上方案論述我們選擇方案一，完成救援小車系統(tǒng)的語(yǔ)音提示功能。
2.11顯示模塊論證與選擇
方案一：采用LED數(shù)碼管顯示。              LED顯示具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)試方便、軟件實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易等優(yōu)點(diǎn)，但是由于我們計(jì)劃要顯示小車運(yùn)行時(shí)間，LED數(shù)碼管無(wú)法顯示如此豐富的內(nèi)容，因此我們放棄此方案。
方案二：采用LCD液晶顯示。LCD液晶具有功耗低、顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，顯示速度較快，界面友好等而得到廣泛應(yīng)用，因此我們選擇此方案。
通過(guò)以上方案論述我們選擇方案二，顯示小車運(yùn)行時(shí)間的任務(wù)。
2.12智能救援小車最終方案
經(jīng)過(guò)反復(fù)的探討和論證我們最終確定智能救援小車的如下最終方案：
1.車體用敷銅電路板手工制作。
2.采用STC89C52單片機(jī)作為整個(gè)電路的控制核心。
3.使用7.2V可充電動(dòng)力電池組為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電源。
4.采用直流減速電機(jī)作為救援小車系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。
5.使用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L293D作為直流減速電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。
6.采用光電開(kāi)關(guān)傳感器組成救援小車的避障系統(tǒng)。
7. 用RPR220型光電對(duì)管完成系統(tǒng)的尋跡任務(wù)。
8. 采用接近開(kāi)關(guān)完成金屬檢測(cè)任務(wù)。
9. 利用線圈通電可以產(chǎn)生磁場(chǎng)的原理完成貼片的轉(zhuǎn)移。
10. 采用IDS1420錄放音模塊完成救援小車的語(yǔ)音提示功能。
壓。
三、硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與功能實(shí)現(xiàn)
3.1救援小車主線路板制作
在線路板制作設(shè)備的選擇上，我們使用的是德國(guó)專業(yè)電路板設(shè)備LPKF ProtoMat? S62 電路板刻板機(jī)。LPKF線路板雕刻機(jī) ProtoMat? S62 的精確度較高，分辨率高達(dá)0.25 微米。可快速制作各種復(fù)雜對(duì)精度要求較高的線路板，該線路板雕刻機(jī)的最大優(yōu)點(diǎn)是：制作雙面線路板的速度較快，特別適合對(duì)時(shí)間有較高要求的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽試用，其實(shí)物圖和救援小車系統(tǒng)線路板的實(shí)物圖分別如下圖所示：

雕刻機(jī)實(shí)物                 
線路板實(shí)物圖
3.2微控制器電路的設(shè)計(jì)與原理
微控制器電路是整個(gè)智能救援小車系統(tǒng)的核心控制部分，它負(fù)責(zé)對(duì)各路傳感信號(hào)的采集、處理、分析及對(duì)各部分硬件電路進(jìn)行調(diào)整。本設(shè)計(jì)制作的智能救援小車系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)最小系統(tǒng)電路為整個(gè)系統(tǒng)的控制電路，通過(guò)各種傳感器電路，采集各種傳感器信息，以發(fā)出各種控制信號(hào)命令，來(lái)完成相應(yīng)的操作，單片機(jī)控制電路原理圖如所示：
單片機(jī)控制電路原理圖
3.3電源電路原理與設(shè)計(jì)
電源電路為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電源，是整個(gè)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性關(guān)鍵所在，本系統(tǒng)采用7.2V可充電動(dòng)力電池組，可充電反復(fù)利用，動(dòng)力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測(cè)試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好。其充電電路原理圖如圖所示：
3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的原理與設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中采用的電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L293D。L293D是歐洲著名的SGS公司的產(chǎn)品，為單塊集成電路、高電壓、高電流、四通道驅(qū)動(dòng)。設(shè)計(jì)用來(lái)接收DTL或者TTL邏輯電平，驅(qū)動(dòng)感性負(fù)載(比如繼電器，直流電機(jī))，和開(kāi)關(guān)電源晶體管。內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。其額定工作電流為1A，最大可達(dá)1.5A，Vss電壓最小4.5V，最大可達(dá)36V。
                       輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系
  L293d可直接的對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制，無(wú)須隔離電路。通過(guò)單片機(jī)的I/O輸入改變芯片控制端的電平，即可以對(duì)電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)，停止的操作（表1是其使能端、輸入引腳和輸出引腳的邏輯關(guān)系。），操作非常方便，亦能滿足直流減速電機(jī)的大電流要求。調(diào)試時(shí)在依照上表，用程序輸入對(duì)應(yīng)的碼值，即可以實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的操作。其驅(qū)動(dòng)電路原理圖如下所示：

3.5避障電路的原理與設(shè)計(jì)
用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。光電開(kāi)關(guān)實(shí)際發(fā)射頭與接收頭于一體的檢測(cè)開(kāi)關(guān)，其工作原理是根據(jù)發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，接收頭據(jù)此做出判斷是否有障礙物。當(dāng)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平。單片機(jī)根據(jù)接收頭電平的高低做出相應(yīng)控制，避免小車碰到障礙物。由于接收管輸出TTL電平，有利于單片機(jī)對(duì)信號(hào)的處理。
小車采用漫反射式傳感器進(jìn)行避障的電路原理圖如下圖所示：


                           光電開(kāi)關(guān)避障電路原理圖  

                               避障光電開(kāi)關(guān)實(shí)物圖                                                            
3.6光電開(kāi)關(guān)的安裝
   在避障傳感器的設(shè)計(jì)中，我們?cè)谲圀w底盤的前端裝有四個(gè)傳感器，用來(lái)起到避障的作用。四個(gè)傳感器的安裝位置與安裝方法相一致。具體的安裝位置如上圖：
3.7循跡電路的原理與設(shè)計(jì)
采用RPR220型光電對(duì)管完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，循跡電路是用以實(shí)現(xiàn)小車沿著場(chǎng)地的黑色弧形引導(dǎo)軌跡BC進(jìn)行前進(jìn)和位置校正的，且小車不能偏離該軌跡。本課題設(shè)計(jì)中采用自制的RPR220型光電對(duì)管完成系統(tǒng)循跡任務(wù)，傳感器的數(shù)據(jù)線輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，可直接與單片機(jī)的I/O引腳相連接，硬件電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單，其靈敏度可以通過(guò)調(diào)節(jié)多圈電位調(diào)。
在循跡檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)中，我們?cè)谲圀w底盤的前端裝有兩個(gè)傳感器，用來(lái)檢測(cè)黑色弧形軌跡，起到循跡前進(jìn)的作用。具體的安裝位置實(shí)物圖如下圖所示：

                            硬件電路                                    
實(shí)物圖
3.8金屬檢測(cè)電路的原理與設(shè)計(jì)
金屬傳感器性能的好壞對(duì)于該系統(tǒng)的功能是否能實(shí)現(xiàn)，起著十分重要的作用。我們選用的是LJ12A3-4-Z/BX型號(hào)的電感式接近開(kāi)關(guān)進(jìn)行金屬檢測(cè)工作，其電路原理如下圖所示，由于其數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)5.1K上拉電阻，輸出的是TTL電平，輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，可直接與單片機(jī)的I/O引腳相連接，硬件電路簡(jiǎn)單，容易操作。其原理圖如下所示：

       電感式接近開(kāi)關(guān)原理圖

3.9鐵片轉(zhuǎn)移電路原理與設(shè)計(jì)，
鐵片轉(zhuǎn)移電路主要運(yùn)用了線圈通電產(chǎn)生磁場(chǎng)的原理，借助其所產(chǎn)生的磁場(chǎng)，把金屬傳感器檢測(cè)到的鐵片按題目的要求轉(zhuǎn)移到指定位置的操作要求，本設(shè)計(jì)電路中采用的是將線圈的輸入端直接與單片機(jī)的I/O相連接，通過(guò)改變單片機(jī)引腳的高低電平即可以實(shí)現(xiàn)線圈有磁性的變化。
3.10語(yǔ)音提示電路的原理與設(shè)計(jì)
本設(shè)計(jì)中的智能救援小車的語(yǔ)音提示系統(tǒng)由IDS1420錄放音模塊和功率放大電路組。語(yǔ)音提示電路主要用來(lái)提示救援小車的工作狀態(tài)。IDS1420語(yǔ)音電路和功率放大電路的原理圖如下所示：
IDS1420語(yǔ)音電路原理圖
3.11系統(tǒng)其它功能的擴(kuò)展
  1.采用DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度。測(cè)溫電路主要功能是用來(lái)測(cè)量環(huán)境溫度并通過(guò)液晶顯示，本系統(tǒng)測(cè)溫電路采用美國(guó)dallas公司的ds18b20數(shù)字溫度傳感器實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量這種傳感器體積小，使用電壓寬，測(cè)量溫度范圍為-55攝氏度到125攝氏度，一總線的數(shù)字方式傳送，大大提高了系統(tǒng)的考干擾能力。系統(tǒng)原理圖如下圖所示

2.通過(guò)無(wú)線遙控電路實(shí)現(xiàn)小車的無(wú)線控制和操作。
無(wú)線遙控電路主要實(shí)現(xiàn)小車的無(wú)線操作，系統(tǒng)由發(fā)射和接收兩大部分組成，由單片機(jī)進(jìn)行控制操作。
3.通過(guò)編碼盤測(cè)量小車速度和路程功能。     
光電碼盤為32份黑白相間的圓盤，將其緊貼在車輪的內(nèi)側(cè)。在鋁合金車架上打一個(gè)圓孔，RPR220型光電對(duì)管通過(guò)圓孔對(duì)光電碼盤進(jìn)行檢測(cè)就可以得到車輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。從而計(jì)算出小車前進(jìn)的路程。
車輪的直徑為6cm，車輪的周長(zhǎng)為
L＝2*π*R＝2*3.14*0.03=8.85cm
光電碼盤被平均分成了36份，每一份的弧長(zhǎng)為
L=L/36=18.85cm/36=0.52cm
假設(shè)單片機(jī)檢測(cè)到黑白信號(hào)的變化為n，則
小車走過(guò)的路程為S＝n*0.52cm

4.通過(guò)傾角傳感器測(cè)量角度功能。
傾角傳感器通常用于測(cè)量角度和斜坡的高度，在救援小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，我們用WQH36-45傾角傳感器測(cè)量斜坡的高度，它是采用高性能磁敏感元件，利用重力結(jié)構(gòu), 可無(wú)電接觸點(diǎn)的測(cè)量?jī)A斜角度。具有體積小、靈敏度高、壽命長(zhǎng)、抗振動(dòng)、耐環(huán)境污染（耐水，油和各種惡劣環(huán)境）.特別適合 用于運(yùn)動(dòng)頻繁場(chǎng)合的水平姿態(tài)角度的測(cè)控和平面定位等工作場(chǎng)合。其原理圖如下所示：


5.采用ADC0832組成的電壓測(cè)量電路，并通過(guò)液晶顯示救援小車系統(tǒng)電池組的電壓。以5.5考電壓，低于5.5報(bào)警提示充電。
四、軟件設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)與說(shuō)明
  4.1主程序流程圖
  我們所設(shè)計(jì)的軟件的主程序流程圖如下圖所示：




4.2路面循跡子程序流程圖

  1. #include"reg51.h"
  2. #define uchar unsigned char
  3. #define uint unsigned int
  4. #define forward   0x5f
  5. #define back      0x0f
  6. #define right     0x4f
  7. #define left      0x1f
  8. #define stop      0xff
  9. #define bleft     0x9f   
  10. #define bright    0x6f
  11. sbit    cs_245=P3^4;    //光電開(kāi)關(guān)信號(hào)輸入使能端
  12. sbit    c=P1^2;         //轉(zhuǎn)向燈使能端
  13. sbit   baojing=P1^4;    //報(bào)警控制位
  14. sbit   jdq=P3^1;        //抓金屬控制位
  15. sbit   js=P3^0;        //金屬探測(cè)位
  16. uchar  code lcd[]={0x30,0x31,0x32,0x33,0x34,0x35,0x36,0x37,0x38,0x38,0x39}; //液晶顯示代碼
  17. uchar date1=0,second=0,minute1=0,minute2=0; //時(shí)間
  18. uchar number1=0 ,number=0;    //障礙物標(biāo)志個(gè)數(shù)
  19. /**********************/
  20. /*電機(jī)控制部分*/
  21. /*********************/
  22. void run_forward()       //向前運(yùn)動(dòng)
  23. {   P2=forward;delay(1000); display();   }   
  24. void run_back()         //向后運(yùn)動(dòng)
  25. {   P2=back;  delay(1000); display(); }
  26. void run_left()         //向前左轉(zhuǎn)
  27. {  P2=left;  delay(2500); display();   }
  28. void run_right()        //向前右轉(zhuǎn)
  29. {  P2=right; delay(2000);display();}
  30. /* 尋跡子程序
  31. void xunji()            
  32. {  uchar temp=0 ; cs_245=0;
  33.    temp=P0&0xc0; //白線的檢測(cè)
  34.       switch(temp)
  35.         { case 0xc0:{ run_forward(); deng(forwardd);cs_245=0;} break;//          case 0x80:{run_left(); run_right();deng(rightd); cs_245=0;} break;
  36.        case0x40:{run_right(); run_left();deng(leftd);cs_245=0;} break;//right      
  37.      default :break;}         
  38.   }
  39. /*避障子程序
  40. void bizhang()
  41. { uchar temp2=0，c1=0,c2=0,c3=0,c4=0,c5=0,c6=0,c7=0; ;
  42.    cs_245=0;
  43.    temp2=P0&0x38;    //檢測(cè)障礙
  44.     switch(number)    //障礙物的個(gè)數(shù)判斷來(lái)做相應(yīng)的轉(zhuǎn)向
  45.       {    case 1:{ run_forward(); deng(forwardd);cs_245=0;} break;
  46.            case 2:{ run_right();deng(rightd); cs_245=0;} break;
  47.            case 3:{ run_left();deng(leftd);cs_245=0;} break;
  48.            case 4:{ run_forward(); deng(forwardd);cs_245=0;} break;
  49.            case 5:{ run_right();deng(rightd); cs_245=0;} break;                       
  50.            default :break;  }
  51.   }
  52. //時(shí)間顯示函數(shù)
  53. void display()
  54. {    uchar lcd1[1]=0,lcd2[1]=0,lcd3[1]=0,lcd4[1]=0;
  55.             lcd1[0]= lcd[date1];//m1
  56.             lcd2[0]=lcd[second];//m2        
  57.             lcddisplay2(lcd1,lcd2,lcd3, lcd4  )}
  58. void star()
  59.   {TMOD=0x11;IE=0x8b;}   //定時(shí)器的
  60. //主函數(shù)
  61. void main(void)
  62.   {  star();    //定時(shí)器的初始化   
  63.      while(1)
  64.       { xunji(); //尋跡子程序
  65.                  bizhang(); //避障子程序           
  66.           }
  67. }
復(fù)制代碼

五、系統(tǒng)功能測(cè)試
5.1使用儀器及設(shè)備清單的說(shuō)明
本次設(shè)計(jì)中使用的相關(guān)儀器清單如下表所示
使用儀器及設(shè)備列表
5.2系統(tǒng)功能測(cè)試
5.2.1基本要求部分的功能測(cè)試
(1) 在規(guī)定的場(chǎng)地內(nèi)智能救援小車從A門進(jìn)入，自動(dòng)選擇路徑從B門出來(lái)。小車行駛路線的示意圖如下所示：
5.2.2發(fā)揮部分的功能測(cè)試
救援小車在B門的位置通過(guò)循跡電路沿著黑色引導(dǎo)線BC前進(jìn)，在金屬傳感器檢測(cè)到鐵片D時(shí)，單片機(jī)控制相應(yīng)的電路將鐵片撿起并轉(zhuǎn)移到指定的位置，在這個(gè)過(guò)程中單片機(jī)同時(shí)控制相應(yīng)的電路發(fā)出語(yǔ)音和發(fā)光提示，指示智能救援小車以完成救援任務(wù)。智能救援小車在實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分時(shí)所行駛的路線示意圖如下所示：

小車發(fā)揮部分功能及其它功能測(cè)試
測(cè)試步驟如下：
（1）首先把小車放在場(chǎng)地的入口處，按照題目所規(guī)定的要求，智能救援小車從A門進(jìn)入自動(dòng)選擇路徑從B門出來(lái)。在行駛過(guò)程中，救援小車可以自動(dòng)選擇路徑行走，其行走路線如上圖所示。智能救援小車從A門進(jìn)入后開(kāi)始計(jì)時(shí)，并通過(guò)液晶顯示來(lái)顯示救援小車系統(tǒng)所消耗的時(shí)間，再?gòu)腂門出來(lái)。在行進(jìn)過(guò)程中，救援小車可以自動(dòng)避開(kāi)墻壁，找到通路，可以在三分鐘之內(nèi)完成到達(dá)B門的要求，在B門處，小車檢測(cè)到黑色標(biāo)志，小車停止運(yùn)行，同時(shí)發(fā)出聲光，提示基本部分測(cè)試完畢。
（2）救援小車從B門外，通過(guò)循跡黑色弧形引導(dǎo)線BC前進(jìn)（引導(dǎo)軌跡為2厘米寬），在循跡黑色弧形引導(dǎo)線途中，通過(guò)接近開(kāi)關(guān)電路檢測(cè)到鐵片D時(shí)停車3秒（注意：鐵片D放置在軌跡BC前二分之一段上的任意位置），并由語(yǔ)音電路發(fā)出語(yǔ)音提示，由LED發(fā)光電路發(fā)光提示。單片機(jī)通過(guò)金屬傳感器電路采集到金屬信息時(shí)，通過(guò)控制相應(yīng)的磁感應(yīng)電路接通產(chǎn)生磁場(chǎng)，利用線圈通電時(shí)可產(chǎn)生磁場(chǎng)的原理?yè)炱痂F片，撿起鐵片之后金屬傳感器的檢測(cè)信號(hào)不再發(fā)生變化，救援小車?yán)^續(xù)沿黑色引導(dǎo)軌跡前進(jìn)。當(dāng)救援小車到達(dá)黑色弧形引導(dǎo)軌跡線的終點(diǎn)C之后，小車通過(guò)RPR220型光電對(duì)管電路通知單片機(jī)救援小車已完成本次救援任務(wù)，單片機(jī)通過(guò)控制相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路停止電機(jī)的運(yùn)行，通過(guò)改變相應(yīng)的磁感應(yīng)電路的電平狀態(tài)放下鐵片D，液晶顯示電路分別顯示走過(guò)BD、DC段軌跡所消耗的時(shí)間。同時(shí)在此過(guò)程中，單片機(jī)控制語(yǔ)音電路和發(fā)光二極管發(fā)光電路同時(shí)發(fā)出語(yǔ)音和發(fā)光的提示，指示救援小車的救援任務(wù)結(jié)束（救援小車系統(tǒng)測(cè)試的具體參數(shù)見(jiàn)下表）。
智能救援小車系統(tǒng)的功能參數(shù)列表：
基本部分?jǐn)?shù)據(jù)參數(shù)
測(cè)量次數(shù)
從入口端到出口端行駛時(shí)間（s）
至B端停留的時(shí)間（s）
至B端停留發(fā)出聲光提示的時(shí)間（s）
第1次
53
6.2
3.2
第2次
56
6.0
3.1
第3次
48
6.1
2.9
第4次
57
5.9
3.3
第5次
51
6.3
3.5


發(fā)揮部分?jǐn)?shù)據(jù)參數(shù)
測(cè)量次數(shù)
從B端到鐵片D點(diǎn)行駛時(shí)間(s)
在鐵片D點(diǎn)停留時(shí)間(s)
從鐵片D點(diǎn)處到終點(diǎn)C所用時(shí)間(s)
在C點(diǎn)停留的時(shí)間(s)
在C點(diǎn)處停留發(fā)出聲光提示的時(shí)間(s)
第1次
3
3
5
5
1
第2次
5
3
6
5
1
第3次
4
3
5
5
1
第4次
4
3
7
5
1
第5次
5
3
6
5
1

六、結(jié)論
測(cè)試表明，小車能夠較好的完成題目要求的基本要求和發(fā)揮部分。同時(shí)本智能救援小車的特色是：光電開(kāi)關(guān)判斷避障物的準(zhǔn)確、RPR220型光電對(duì)管能穩(wěn)定的完成循跡、救援小車應(yīng)用了電感式接近開(kāi)關(guān)檢測(cè)鐵片，經(jīng)測(cè)試我們發(fā)現(xiàn)其檢測(cè)金屬準(zhǔn)確、靈敏度較高，液晶顯示效果良好，語(yǔ)音播報(bào)清晰，智能救援小車系統(tǒng)運(yùn)行正常，各模塊電路參數(shù)穩(wěn)定。較好的完成了題目中所規(guī)定的基本部分和發(fā)揮部分，系統(tǒng)還擴(kuò)展了其它常用功能，如溫度顯示等。

在本次設(shè)計(jì)大賽中，，通過(guò)我們共同的努力，我們完成了智能救援小車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與制作，本設(shè)計(jì)中的救援小車能完成了大賽題目要求的大部分功能，同時(shí)也提高了我們的創(chuàng)新意識(shí)和團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)，培養(yǎng)了我們認(rèn)真分析問(wèn)題、獨(dú)立解決問(wèn)題的能力，鞏固了我們對(duì)所學(xué)理論的實(shí)際運(yùn)用。還鍛煉了我們的動(dòng)手實(shí)踐能力，使我們更有信心在電子行業(yè)中繼續(xù)學(xué)習(xí)下去。
在比賽的四天三夜的努力拼搏中，受益匪淺，終生難忘。我們不僅完成了一件作品，而且。我們?cè)谡{(diào)試的過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題，如在避障、循跡、金屬檢測(cè)等問(wèn)題上，通過(guò)大家的共同努力研究問(wèn)題被解決，參加此次競(jìng)賽對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一次寶貴經(jīng)歷，也是人生的一筆精神財(cái)富。當(dāng)然，由于我們的知識(shí)能力和水平有限，有些地方還不是很完善，系統(tǒng)也存在一定的缺陷和不完善的地方，懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正，以便我們下一次做的更好。


完整的Word格式文檔51黑下載地址：
智能小車完整材料.rar (1.9 MB, 下載次數(shù): 20)

分享到:  QQ好友和群QQ好友和群 QQ空間QQ空間 騰訊微博騰訊微博 騰訊朋友騰訊朋友
收藏收藏1 分享淘帖 頂頂 踩踩
回復(fù)

使用道具 舉報(bào)

本版積分規(guī)則

手機(jī)版|小黑屋|51黑電子論壇 |51黑電子論壇6群 QQ 管理員QQ:125739409;技術(shù)交流QQ群281945664

Powered by 單片機(jī)教程網(wǎng)

快速回復(fù) 返回頂部 返回列表