智能小车

水温控制系统 智能小车 1、​ 总体方案设计与论证 1、​ 方案的设计与选择： 方案一：全自动模式。本方案由两块MCU构成，主要由两大独立部分构成：一是用于信息采集和无线发射的无线发射台，二是放在小车上的用于无线接收和控制小车的小车控制台。无线发射台主要由传感器分布电路和无线电发射电路构成；小车控制台主要由无线接收电路和电机控制电路构成；通过键盘给小车输入一个位置，然后把小车放在在分布有传感器的地图上行走，传感器采集小车的位置信息，经过发射台的MCU处理后由无线发射电路发射出去。小车控制台的无线接收模块接收到信息之后进行解码再送往控制台的MCU，MCU根据位置信息进行判断，然后小车往哪个方向走，最后顺利到达预先输入的地点。 方案二：自动加手动遥控两种模式。自动模式采用方案一的。在小车控制台上加一个模式选择开关，手动遥控时自动模式无效，此时控制台接收到的是遥控器发出的信号，单片机对此信号进行处理后再对电机发出控制信号。从而实现手动遥控。 选择：方案二充分利用了小车控制台的无线接收电路模块，扩展了系统的功能，使系统多样化，而且手动遥控只需再做一个独立的遥控器便可充分利用方案一的原有电路，无需改动方案一的任一处细节。于是经过讨论决定采用 1.​ 传感器分布： 方案一：采用红外对管。在地上装红外发射管，在小车上装红外接收管，当小车经过红外对管上方时便检测到信号。此方案优点是：不用传感器驱动电路，不用无线发射接收电路。缺点：无法对每一个点进行编码，小车无法知道自己的确切位置；红外对管的方向行太强，小车上的红外接收管必须正对着才能检测到信号，稳定行不高。 方案二：采用光敏电阻。在地上装光敏电阻，小车上装发光管，检测电流大小来检测小车到达的位置。优点：不用传感器驱动电路。缺点：灵敏度极差。 方案三：采用IS489做传感器。在地上的某些固定位置安装16个IS489，小车上安装发光管。优点：IS489在光照和没光照时输出只有高电平和低电平两种状态，灵敏度高，容易通过软件实现对不同点进行编码。缺点：需要驱动和输出信号整形电路。 最终的选择：通过实验和讨论，我们决定采用方案三。 2.​ 传感器电路驱动： 方案一： 直接采用I/O口驱动IS489的驱动。输出信号直接从I/O口输入。优点：硬件设计十分简单。 方案二： I/O口控制三极管的基极，采用三极管反相驱动的方法。在IS489的正极加二极管限制电流反相流出。传感器的信号输出由Schmitt触发器整形之后从I/O输入。优点：可靠行高。 选择：通过实验证明方案一行不通。原因是I/O口的驱动能力十分的有限，传感器输出波形也非十分的。于是决定采用方案二。 3.​ 无线发射接受模块： 方案一：手动遥控直接控制电机 利用编码译码芯片PT2262和PT2272和无线发射与接收模块传输一个四位二进制数据。做一个遥控器，上面安放五个按键，设计五个按键按下后四个数据端口的状态，这几种状态代的数据就是由为使用PT2272解码后的输出数据直接控制L298N（电机控制芯片）的四个控制端而决定的，前进的编码信号就是0011，停止为1111，左转为1011，右转为0111，后退为0000。设计键盘时，要考虑编码芯片的编码使能端TE，当TE为低电平时，不断编码，若TE为高电平，停止编码，所以每当按下一个键，TE也接地，松开后TE再回到高电平，这样若不按下按键，无线发射模块就不发射。优点：控制比较有效，直接。缺点：如果项目中有利用单片机来进行电机控制的内容，则容易与单片机产生冲突，影响系统稳定性。 方案二：手动遥控间接控制小车 利用编码译码芯片和无线发射接收模块来传输数据，用遥控器发送不同的数据给主控台上的无线接收模块，每一种数据代表一个不同的状态信息，利用解码芯片pt2272-L4译码并将数据锁存在D0~D3，然后用单片机I/O(P0.0~p0.3)口读取数据，读出后进行判断，判断出控制指令（包括前进，停止，左转，右转，原地转180度，还有停止），再让单片机发出控制信号，控制两个电机的运行，以此完成不同的动作。优点：控制信号由遥控器发出，经单片机判断处理后执行，可以更好的控制小车的运行，不会产生冲突，运行也较平稳。缺点：控制信号的控制速度无直接控制快。 方案三：信息自动反馈 利用传感器（光敏三极管 IS489）来实现信息自动反馈，需要做一个无线电发射台和一幅地图，在地图上装上传感器，再引出数据线，由于发射和接收的信息长度有限，所以要用单片机对传感器接收到的信息进行处理，利用扫描程序判断小车位置，再把这个位置信息整理并传输给PT2262的数据端D0～D3，用无线发射模块将此信息发射出去，在主控台上的无线接收模块接收到这个信息，并译码，输出，再用P0.0~P0.3读取位置信息，交给信息处理程序，进行位置判断，进而执行其他的动作，完成自动寻址等功能。优点：单片机的能力得到发挥，小车可以自动调节，实现自动控制，更加智能化。缺点：传感器系统比较难于调试，需要大量的时间，比较占用I/O口。 方案四：手动＋自动控制 在主控电路上既有手动控制系统，又有自动控制系统，可以利用一个拨动开关来实现两个系统之间的切换。优点：实现更多的功能，使单片机的 功能得到充分发挥。缺点：占用CPU和内存比较多。 选择： 经过实验测试和讨论研究，最终决定选择第四种方案。 4.​ 电机控制模块： 方案一：用三极管搭桥式驱动电路驱动电机。用单片机的定时器产生方波实现PWM调速。用光耦隔离强弱电。采用差动转向的方法，用单片机的I/O口产生一个一定宽度的高脉冲，以改变小车的前进方向。 方案二： 采用集成驱动芯片L298N驱动电机。用NE555作为方波发生器，产生一定占空比的方波，以实现PWM调速。用光耦隔离强弱电。采用差动转向法转向。在小车的履带上贴上黑白相间的纸条，利用红外线在不同颜色的物质表面的反射特性的不同（在白色物体表面发生漫反射，而被黑色物体完全吸收。），通过对履带转过的格数进行计数，以实现较为精确的转向。（计数的个数需实现用实验测定）。 选择： 比较上述两种方案，第一种方案电路简单，但系统稳定性差，精度低（不能实现精确的转向），不能满足设计的要求，并且用单片机产生PWM波占用单片机资源。（单片机的定时器要计数用。）第二种方案驱动电路简单稳定可靠。但用NE555作方波发生器时，在小车行进的过程中不能改变占空比。（考虑到小车上左右电机并不对称，需要不断地改变左右电机电压的有效值，进行实地测试，以便小车能够直线行进。故此需要用到PWM调速技术。）综合考虑系统方案中并不要求小车在行进的过程中改变速度，故此，可以事先调好PWM波。因此，用NE555作方波发生器以实现PWM调速可以满足要求。 才用差动的方法转向，用红外对管ST168来计数履带走过的格数，以实现较为精确的转向。由此，我们采用方案二。 二、硬件设计 1、单片机系统： 本方案由两个相互独立的单片机系统组成，一个在无线发射台，用于传感器信号处理和信号无线发射，具体电路如图2-1所示。一个在小车控制台上，用于信号无线接收和电机控制，如图2-2所示。 图2-1 2、传感器分布： 此部分电路采用16个光电传感器IS489组成一个正方形的矩阵键盘，相邻的两个传感器之间间隔为51.6CM，小车沿着传感器的连线行走，当到达某一个传感器，装在车前的小灯便会触发光电传感器，经过编码便能知道小车的位置。具体电路图3如下： 图 3 3. 无线发射接收模块： 该部分主要由遥控器电路、无线发射电路、无线接收电路组成。 图5-1为遥控器电路：每一个按键按下后都会发出一个四位的二进制数，左上方为无线发射模块，右边为按键电路。 图5－1 图5-2为发射模块电路： 四路数据并行输入，经过编码芯片编码之后串行无线发射出去。使能端TE接到P3.0,来控制PT2262的编码状态，当P2口检测到新的传感器信息时，单片机给D0～D3特定的值，然后将P3.0置低电平，PT2262开始编码，发射模块将此编码发射出去，传递给小车上的无线接收器。 图5－3为无线接收模块： VT端为解码有效确认端，常态为低电平，当解码成功后输出高电平（瞬态），现接一LED以显示解码是否成功，若收到新的信息，就会闪亮一下。 图5－3 三、软件设计 发射台程序设计：发射台的MCU不断对传感器矩阵键盘进行扫描，当发现有某一I/O口有电平突变即说明小车已经到达某一个传感器，此时程序转入行列循环扫描，得到被触发的传感器的行列码。得到行列码之后调用编码程序对每个行列码进行软件编码。最后把这个编码并行输送给无线发射模块，启动发射模块发射编码。发射完毕之后关闭发射模块，等待下一次发射。 小车控制台程序设计：程序初始化完毕之后判断P2.6口的电平，高电平则进入自动模式，调用自动模式程序。否则调用手动模式程序。 自动模式程序：初始化外围电路，等待输入小车要到达的目的地。目的地通过按键输入，由液晶显示出来。目的地输入完毕之后进入寻找目的地函数。采用定时器没5ms中断的方法对无线接收模块的数据输出端口进行扫描，当发现有数据突变则说明接收到新数据。对数据进行软件解码得到小车的物理位置信息，通过液晶显示出来并与目的地的比较，控制小车往那个方向行走。最终到达目的地。 手动模式程序：初始化外围电路，不断扫描无线接收模块的数据输出，不同的编码控制不同的状态。得到编码之后调用相应的电机控制程序，实现对电机的控制。 四、指标测试与结果 1、主要技术指标测试 (1)​ 测试仪器 测试使用的仪器设备如表1所示。 表1 测试使用仪器设备表 序号 名称、型号、规格 数量 备注 1 直流稳压电源 DF1731SL1ATA 1 宁波中策电子有限公司 2 示波器 TDS1002 1 Tektronix 3 万用表 17B 1 FLUCK (2)​ 测试方法 用5V稳压电源驱动四个并联的IS489，测试当一个IS489输出为低电平，另外三个输出为高电平时的输出状态，结果为低。测试当三个IS489正极接电源正极，负极接电源负极，而另外一个正极和负极都接电源的负极时，输出是3.5V 经过Schmitt触发器整形之后为高电平。 使用示波器检测无线发射的发射编码和无线接收模块接收到的编码是否一样。使用示波器监测PWM波发生电路的输出波形。 （3）硬件调试过程中出现的一些问题 在调试NE555PWM模块时，由于使用的变阻器有问题，结果两路波形频率相差较大，而且占空比可调范围小，输出波形不稳定。后来换用两个较好的变阻器，问题得到解决。在调试光耦隔离模块的时候，由于参数估计错误，导致刚开始烧毁了一块光耦芯片。电机驱动模块，由于对电路作了简化处理，在安装的过程中几乎没有出现什么问题。而在ST168红外对管的安装调试过程中则出现了较多的问题。先是打算在履带上用油漆涂色，但测试的效果不理想，因为，履带上孔较多，涂油漆的颜色较淡，因而没有得到预期的波形。后来在履带上贴上白色胶条，这样，虽然得到了比较好的波形，但仍然有一些误差，后来，与同学的讨论中知道，还要加施密特触发器整形，最后得到了十分漂亮的波形。 五、结束语 这次作品制作从原理设计到电路焊接，我们遇到了很多困难，一些是由于所掌握的知识太少，设计出来的方案不合理所致。一些是由于考虑不周密所致，如硬件焊接要模块化，原先我们没有考虑到，以致后来电路出现问题之后无法修改。但在设计制作过程，我们都新学了许多知识，许多设计方法，用这些所学到的新知识，新方法，我们基本克服了遇到的困难，达到了预定的目标。 电出版社, 2005．