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標題: 基于C8051F005小車行駛自動控制 [打印本頁]

作者: a664254710 時間: 2017-8-31 10:14
標題: 基于C8051F005小車行駛自動控制

摘要

本系統(tǒng)采用單片機C8051F005作為核心器件對小汽車行駛的自動控制�？刂七^程是利用反射型光電傳感器識別路面黑線信息，保證小車能夠有效的尋跡和停止。采用角度傳感器測量坡度，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理，完成電動小汽車在蹺蹺板處于任何角度時的速度及方向控制。利用PWM （脈寬調(diào)制）技術(shù)控制直流電機的轉(zhuǎn)速，時間用數(shù)碼管顯示。本設(shè)計共使用五支反射型光電傳感器，其中利用四支控制車輪的轉(zhuǎn)向，一支控制前進、停止。整個系統(tǒng)較好的實現(xiàn)了題目的要求，達到了較高的性能指標。

一、方案的論證與選擇

根據(jù)題目的基本要求，分別對系統(tǒng)各模塊進行論證。

1、單片機的選擇

方案一：采用傳統(tǒng)的89C51芯片作為小車的控制中心。51單片機具有價格低廉使用簡單等特點，但其運算速度較低。功能比較單一，內(nèi)部資源比較少，在對小車進行控制時必須外擴芯片，且本系統(tǒng)需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊但89C51中沒有，需要外加，控制過程相對比較繁瑣。

方案二：采用單片機C8051F005作為控制中心。C8051F系列單片機的指令系統(tǒng)與傳統(tǒng)的80C51單片機完全兼容，且單片機C8051F005具有豐富的內(nèi)部資源，并且包含12位精度的A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，方便了模擬、數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，不需要再外加A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，并且由于采用流水線技術(shù)，比標準51系列單片機快約12倍，除此之外C8051F系列單片機還具有操作簡單，在線下載易于調(diào)試等優(yōu)點，完全適合于對小車的控制。尤其是其具有豐富的中斷源為接收傳感器的信息提供了很大的方便。

基于上述分析，所以選擇方案二。

2、電動機驅(qū)動調(diào)速模塊的選擇

方案一：采用步進電機作為驅(qū)動源，此種方案可以輕松地達到調(diào)速的目的，但是在原有的小車結(jié)構(gòu)上找到合適的步進電機比較困難，同時也加大了系統(tǒng)的復雜程度，更提高了硬件改造的困難程度，而且步進電機的價格也比較高。

方案二：采用由達林頓管組成的H型PWM電路。PWM電路由四個大功率晶體管組成H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入控制脈沖的占空比，精確調(diào)整電動機轉(zhuǎn)速。這種電路由于管子只工作在飽和和截止狀態(tài)下，效率非常高。H型電路使實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制簡化，且電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性極強，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。

基于上述分析，擬采用方案二。

3、路面黑線探測模塊的選擇

探測路面黑線的工作原理是：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：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)境干擾；但如果直接用直流電壓對管子進行供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在10mA左右，仍然容易受到干擾。

方案二：采用電光開關(guān)（E3F-DS0C4），此電光開關(guān)默認為低電平，當檢測到黑線時會輸出高電平給單片機，從而產(chǎn)生中斷。此電路有助于降低輸入阻抗且硬件電路簡單易于軟件控制，還可以有效將光電檢測結(jié)果送入單片機處理。

基于上述考慮，擬采用方案二。

4、顯示選擇

方案一：采用靜態(tài)驅(qū)動法。輸出一次顯示數(shù)據(jù)后，所有數(shù)碼管可以一直保持顯示，只需要改變顯示內(nèi)容時才重新發(fā)送一次顯示數(shù)據(jù)，但實時性差，不宜采用。

方案二：采用動態(tài)驅(qū)動法原理。每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當每只數(shù)碼管顯示的時間間隔小于1/16S時人眼感覺不到閃爍，看到的是每只數(shù)碼管常亮。

以上兩種方案綜合考慮，采用方案二。

5、電源的選擇

方案一：雙電源供電。用兩個電源分別給控制系統(tǒng)和電機系統(tǒng)供電將兩個系統(tǒng)完全隔離，利用光電耦合傳輸信號，這樣做雖然可以將電動機驅(qū)動所造成的干擾大大降低但操作復雜不如單電源方便靈活。

方案二：采用單一電源（6節(jié)AA電池）供電方案，并在單片機與電機驅(qū)動電路間采用了光電耦合器進行連接，這樣既能簡化電路，提高了電源的可靠性，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于上述分析，擬采用方案二。
二、系統(tǒng)框圖及工作原理

圖2-1給出了系統(tǒng)組成框圖，數(shù)據(jù)采集通過反射型光電傳感器完成對黑線的檢測，并以電信號脈沖的形式送入單片機的中斷源，五支反射型光電傳感器依圖由上至下順序分別與單片機的P1.6、P1.7、P0.2、P1.5、P1.4相接，單片機對送來的信號進行分析、處理，角度傳感器將采集的信息通過A/D模塊進行采集，經(jīng)處理后發(fā)出指令對小車實施控制，使電動車在行駛中速度得以調(diào)整。另外，單片機通過內(nèi)部時鐘對行駛時間進行記錄并顯示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1、電機驅(qū)動電路模塊

電動機PWM驅(qū)動模塊的電路見附圖2。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TIP122和TIP127大功率達林頓管，以保證電動機啟動瞬間的電流要求。

電路工作過程：當40106的1腳為高電平，5腳為低電平時，Q1、Q4管截止，電動機正轉(zhuǎn)。當40106的1腳為低電平，5腳為高電平時，Q2、Q3管截止，Q1、Q4管導通，電動機反轉(zhuǎn)。

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�；谏鲜隹紤]，我們運用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動機的驅(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40106的1腳與5腳這對控制電壓，我們采用了200KHz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)整。最小脈沖為0.2ms，可以滿足車速調(diào)整的精度要求。同時，可以通過40106的1腳與5腳的切換來控制電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

2、傳感器模塊

2.1 反射型光電傳感器

光電傳感器在受到可見光照射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。它除能測量光強之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。本系統(tǒng)采用了反射型光電傳感器，利用黑色尋跡線對光反射很弱，使傳感器輸出低電平傳給單片機。單片機輸出相應(yīng)的指令從而控制小車的轉(zhuǎn)向。本設(shè)計共使用五支反射型光電傳感器，前左、前右傳感器安裝在兩前輪中間位置并分別與單片機P1.6、P1.7口相接，控制小車前輪的轉(zhuǎn)向，后左、后右傳感器安裝在兩后輪中央，與P1.5、P1.4口相連，控制小車的前進、后退，中傳感器安裝在車體中間一側(cè)位置并與單片機P2.0口連接，用于檢測橫向黑線，控制小車的行駛、停止。當傳感器檢測到信號后，傳給單片機產(chǎn)生中斷，并發(fā)出相應(yīng)指令調(diào)速。保證小車能夠有效的尋跡和停止。

2.2 角度傳感器

角度傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器，本系統(tǒng)采用的是固體擺式角度傳感器AME-B001，其輸出為模擬量，轉(zhuǎn)角范圍是0～360度，輸出電壓范圍是0.5～4.5V ，平衡位置電壓約為1.7V。此傳感器具有磁鋼位置未對準自動補償；故障檢測功能；非接觸位置檢測功能，是滿足苛刻環(huán)境應(yīng)用需求的理想選擇三個優(yōu)點。根據(jù)坡度的不同，單片機通過A/D模塊采集到不同的電壓，再根據(jù)電壓值的不同控制小車上下坡的速度，從而防止小車上坡時因為速度小而不能爬上及下坡時因為速度過大而沖下蹺蹺板，保證了小車在上下坡時的正常行駛。小車在蹺蹺板上行駛受重力G、支持力N、電機的拉力F拉和與行駛方向相反的摩擦力f，蹺蹺板與地面夾角為θ。受力情況分析如下圖所示。

圖2 小車受力分析

若使小車在蹺蹺板上保持勻速行駛，則應(yīng)受力平衡，故水平方向應(yīng)滿足：

經(jīng)受力分析可知：f=Ug； N=Gcosθ.經(jīng)推倒可得出拉力與θ的關(guān)系為：

根據(jù)拉力與電機扭力的關(guān)系：F拉= X%*F扭即可得出傾角θ與電機扭力的關(guān)系：

3、顯示電路模塊

動態(tài)驅(qū)動法對數(shù)碼管的筆畫端與公共端都加有驅(qū)動電路。將數(shù)碼管的筆畫端連接在一起，驅(qū)動電路將顯示字形碼（段碼）同時加在每只數(shù)碼管上。各個數(shù)碼管的公共端分別使用驅(qū)動器件驅(qū)動。任意一個時刻只有一只數(shù)碼管的公共端被驅(qū)動（位碼），故只有該數(shù)碼管能顯示。其他數(shù)碼管由于公共端未被驅(qū)動，即使筆畫端加有段碼驅(qū)動也不會顯示。位驅(qū)動電路不停地輪流驅(qū)動每一只數(shù)碼管，段驅(qū)動同時輸出被驅(qū)動的數(shù)碼管的段碼，這樣每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當每只數(shù)碼管顯示的時間間隔小于1/16S時人眼感覺不到閃動，看到的是每只數(shù)碼管常亮。電路原理圖見附圖3 所示。

4、電源電路模塊

本設(shè)計采用單電源供電，具體電路見附圖4所示。

四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計

采用兩根跳線通過三次切換,實現(xiàn)題目要求的功能。

基本要求1、2程序流程圖

由于基本要求部分的實現(xiàn)功能基本相似，只是蹺蹺板的狀態(tài)不同，故基本部分采用一個流程圖，見附圖6。

先將蹺蹺板固定在水平狀態(tài)，電動車從起始端A位置出發(fā)，行駛蹺蹺板的全程（全程的含義：電動車從起始端A出發(fā)至車頭到達蹺蹺板頂端B位置）。停止5秒后，電動車再從蹺蹺板的B端倒退回至蹺蹺板的起始端A，電動車能分別顯示前進和倒退所用的時間。前進行駛在1分鐘內(nèi)、倒退行駛在1.5分鐘內(nèi)完成。

蹺蹺板處在圖1所示的狀態(tài)下（配重物體位置不限制），電動車從起始端A出發(fā)，行駛蹺蹺板的全程。停止5秒后，電動車再從蹺蹺板的B端倒退回至蹺蹺板的起始端A，電動車能分別顯示前進和倒退所用的時間。前進行駛在1.5分鐘內(nèi)、倒退行駛在2分鐘內(nèi)完成。流程圖見附圖6。