寻迹小车

摘 要 本设计采用AT89S52为核心控制部件，通过对L298的控制实现对小车电机驱动的控制，电动车寻迹黑线检测采用红外对管检测电路完成；电动车行驶的方向由左右两个红外对管和超声波来检测，两旁及前方障碍物采用光电传感器来检测，行使路程采用A44E霍尔开关来检测，同时采用LCD1602显示行使的时间与路程。 Abstract This design uses AT89S52 core control component of control through the implementation of the L298 motor driver control of the car, electric car tracing the black lines were detected by infrared detection circuits to complete the pipe; electric car from the left and right direction of travel on the tube and the infrared ultrasound to detect, at the sides and front of the photoelectric sensor to detect obstacles in the exercise distance by A44E Hall switches to detect the same time, the exercise by LCD1602 display the time and distance. 一、系统论证与比较 1．主控电路选择 方案一:由FPGA构成主控电路,系统板体积小，运算速度快,稳定性强,而且功能强大,可以提供丰富的逻辑单元和I/O口资源，但是成本较高，不符合节能、环保的要求。 方案二:采用AT89S52单片机构成的主控电路，支持ISP下载技术，控制操作简单，价格低廉，通用性强。 经比较分析，考虑到传统的51单片机就可以满足题目的需要，而且价格低廉，性价比高，因此选择方案二。 2．寻迹方案选择 探测路面黑线的基本原理是：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，所以可根据接收到的反射光强弱来判断黑线。 方案一：普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案。该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果和地的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高亮度发光二极管降低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。 方案二：红外线对管方案。由于采用了红外线管代替普通可见光管，可以降低环境光源对接收管的影响。本方案由外围电路对信号进行检测，同时将对管与单片机I/O口相连接，由单片来检测识别，控制小车的行驶。当小车探测到黑线时，单片机一直检测到高电平，而小车探测到白纸时，单片机则检测到低电平。 比较以上两种方案，方案二占有很大的优势，这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性，所以选择方案二。 3．电机的选择 方案一：采用步进电机。步进电机的显著特点就是具有快速启停能力和很高的转换精度，但其相对较高，而且一般步进电机在不旋转时仍有若干相通电，功耗太大。 方案二：采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转；能满足各种不同的特殊运行要求。 经比较分析，由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此选择方案二。 4．电动机驱动方案的选择 方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速目的。但电阻网络只能实现有级调速，且数字电阻的元器件价格比较昂贵，且可能存在干扰。更主要的问题在于一般电动机的电阻较小，电流很大，分压会降低效率，而且实现也很困难。 方案二：采用LM298芯片来控制两个电机转动，由于只用LM298来控制，电路结构简单，最重要是该芯片可以直接和单片口线相连，所以可以实现单片机的实时控制，使电路灵活了许多，并且体现了智能控制。 结合电路性价比和灵活性，最终选取方案二作为电动机的驱动。 5．路程检测方案的选择 方案一：采用霍尔元件集成片进行检测。该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔感应，可以产生电流的变化，对此加以判断，只要在车轮上安装磁片，将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行对车速的测量。 方案二：采用光电码盘进行检测。旋轴转动，带动码盘转动，码盘上刻有许多狭缝，码盘转动时发射光透过狭缝被接受元件接受。用计数器对接受到的信号进行计数。用这种方案能很精确的算出小车已经走过的距离,但制作工艺较复杂。 以上两种都是比较可行的转速测量方案，霍尔元件在工业上得到广泛采用，且制作简单。因而选择方案一。 6．障碍物检测方案选择 方案一：采用超声波传感器，如果传感器接受到反射的超声波，则单片机两旁有障碍物，否则通知单片机可以向前行驶。但该电路复杂，而且易受干扰，稳定性不是很好。 方案二：采用光电传感器，相应的电路结构十分简单，可以直接和发光二极管相连起到指示报警。当遇到障碍物时，则反馈回一个较高电平，从而驱动外围指示电路，灵敏度高，特别是加大一定电压时，效果更明显，所以最终采用了这个方案。 7．显示部分 方案一：采用七段LED数码管显示，电路结构简单，并且可以实现单片机I/O口的并用，显示明亮，调试容易。 方案二：采用LCD1602显示，低功耗，尺寸小，用单片机可实现显示数据，显示比较丰富，可显示数字、字母、字符，能实时显示数据的变化情况。 经比较分析，最终选择方案二。 二、电路模块的设计与分析 1．系统设计分析 系统主要由主控电路、L298驱动电路、黑线检测电路和LCD1602显示电路、避障电路、声光报警电路和路程检测电路七个部分组成。首先，主控电路控制L298驱动电路控制电机的转动，对各种传感器送来的信号进行分析处理，并通过LED1602显示行使时间与路程。系统框图如图J-2-1所示。 图J-2-1 系统总体框图 2．单片机主控电路 主控电路包括单片机最小系统、声光报警电路和LCD1602显示电路，电路如图J-2-2所示。单片机P0口则用于传输显示数据，使1602能够实时显示小车行使的时间与路程。P1口用于控制电机和寻迹,P3口控制超声波与避障电路。 3．L298驱动电路 L298是恒压恒流双H桥集成电机芯片，可同时控制两个电机，且输出电流可达到2A。L298的EN A（第6引脚）、EN B（第11引脚）分别和LPC2106的PWM4和PWM6相连，作为调制信号。SENSE A，SENSE B为电流反馈引脚。电路如图J-2-3所示。电机控制方向引脚如表1所列。 表J-2-1 L298控制引脚使能逻辑关系 EA（B） IN1（3） IN2（4） 电机运转情况 H H L 正转 L L L 停止 H L H 反转 图J-2-2 单片机主控电路 图J-2-3 L298驱动电路 4．黑线检测电路 系统采用红外对管来实现黑线寻迹的检测，电路如图J-2-5所示。三个红外线对管及一些外围元件构成的红外线对管检测电路，用来检测黑线。其输出端通过排线接到单片机IO口，把信号送入单片机，由单片机进行识别处理。单片机输出信号控制L298，通过L298来驱动前轮电机的转弯和后轮电机的行走。当小车行驶为直线时，中间红外线对管输出高电平，左右两个对管输出低电平。 当左红外线对管检测到白纸，则前轮向右转。当右红外线对管检测到白纸，则前轮向左转。若左中右均检测到白纸，则小车停止行驶。 图J-2-4 黑线检测电路 5．路程检测电路和避障电路 路程检测电路如图J-2-5所示，当AEE4没有接近磁铁，3脚一直输出高电平，当AEE4接近磁铁，就会形成磁场，磁感线切割，3脚就输出低电平。3脚通过与单片机的I/O口连接，把输出的信号送入单片机处理，通过单片机编程，来控制显示小车行走的路程。 图J-2-5 路程检测电路 避障电路主要由光电传感器检测和红外检测组成，电路如图J-2-6所示，光电传感器用在拐弯时检测前面的障碍物，避免车子撞到前方的障碍，转弯时当检测到前方有障碍时光电传感器输出低电平给单片机控制其停止前进，然后控制其转弯。红外检测电路用在车子在直线行走时，检测车子两边的墙壁，避免车子碰壁。当红外对管没有检测到墙壁时，处于断开状态，比较器输出高电平。当红外对管接收到墙壁反射回来的信号时处于导通状态，比较器输出低电平。给单片机提供一个控制信号，控制其往外拐弯，避免碰壁。R5可以调节红外对管检测的距离。 图J-2-6 红外检测电路 6．超声波检测缺口电路 电路如图J-2-7所示，超声波检测缺口电路主要用于检测C点的缺口，当小车行驶到Ⅱ区时开启。超声波检测左墙壁的距离，当检测到左墙的距离大于40cm时，单片机判断已经行驶到缺口，单片机立刻控制小车左拐。B2发送超声波信号，经过墙壁反射由B1接收。通过发送和接收所需的时间算出车子和墙壁的距离,s=vt。 图J-2-7 超声波检测缺口电路 三、系统软件设计 1．系统软件图 系统的软件程序由汇编语言编写，使用WAVE编译环境，详细的程序流程图如图J-3-1。 图J-3-1 主程序流程图 系统初始化操作后，立即对键盘进行循环扫描，以选择工作模式，并在执行完相应的工作模式操作后再进行故障检测。另外，系统的时钟信号是通过定时中断程序完成的。 四、系统测试与分析 1．系统测试仪器 万用表1台、双路直流稳压电源1台、卷尺1个（精度1mm）、秒表一个。 2．系统测试与结果分析 （1）行使路程和时间测试1：结果如表J-4-1所示。 表J-4-11 第一次 第二次 第三次 第四次 行程/m 6.2 5.9 6.1 6.0 时间/s 49 47 46 45 测试结果分析：由于加到电机的电压不足9V，电机转动过慢，小车行使时不够平衡。 （2）行程和时间测试2：结果如表J-4-2所示。 表J-4-2记录2 第一次 第二次 第三次 第四次 行程/m 6.8 5.9 6.4 6.6 时间/s 28 31 29 28 测试结果分析：经加足电压，修改驱动电机的程序，使小车在行使时平衡能力较好，时间缩短了很多。 （3）转弯是否成功测试结果如表J-4-3所示。 表J-4-3测试记录 第一次 第二次 第三次 第四次 第一个弯 不成功 成功 成功 成功 第二个弯 不成功 不成功 成功 不成功 测试结果分析：转弯不成功，是由于光电传感器检测不到障碍物，单片机接收不到信号，经调整光电传感器的灵敏度，转弯基本成功。 （4）行使过程中小车的碰壁次数测试结果如表J-4-4所示。 表J-4-4测试记录 项目 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 第六次 第七次 次数 4 3 5 1 0 0 1 测试结果分析：在小车前的左右轮上加上红外接收电路后，小车碰壁次数相对减少了。 （5）小车到停止线时，中心点与停止线的距离测试结果如表J-4-5所示。 表J-4-5测试记录 项 目 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 第六次 第七次 误差/cm +0.5 +0.1 -0.2 +0.2 +0.3 +0.1 +0.2 测试结果分析：小车行使到停止线时，车身中心点与停止线的误差在±0.5cm,也能发出声报警。 （6）小车温度测试结果如表表J-4-6所示。 表J-4-6 测试记录 项 目 第一次 第二次 第三次 第四次 第五次 第六次 第七次 温度/℃ 30.5 29.5 29.5 30.0 29.5 29.5 30.0 测试结果分析：小车温度与显示的实时温度一致。 五、设计制作总结 系统通过单片机实现了小车从起跑线A出发，沿轨迹至B，最后经C到达终点线D的路程，在行使过程中不碰壁，并且能实时显示行使路程与时间。通过测试，完成了题目的全部要求。 目 项 数 次 目 项 数 次 目 项 数 次 PAGE 8