自制小车部分

　自制小车部分 目录 第1章 引言。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1.1研究背景。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。3 1.2本任务和主要内容。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 第2章 总体。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 第3章 系统主要硬件电路设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 2.1系统原理组成框图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 2.2 系统主控模块电路。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 2.2.1 STC89C52单片机性能优点。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。4 2.2.2 主控模块电路。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2.3 车体框架。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。5 2.4 电源及稳压模块。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。6 2.5 逻辑模块。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7 2.6 感测模块。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。7 2.7 连接模块。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。8 2.8 电机驱动模块。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。9 2.9 报警模块。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。10 第4章 系统软件设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11 3.1程序设计流程图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。11 3.2系统主程序设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。12 3.3 PWM信号控制小车走向流程图。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13 3.4 PWM信号控制电机流程序。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。13 3.5报警子程序设计。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。。。。。 。。。。。。。。。15 3.5总的程序。 。。。。。 。。。。。 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。 。。。。。15 结论 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。19 谢辞 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。19 参考文献。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。19 附录A英文原文 附录A汉语翻译 第1章 引言 本课程设计是以功耗低、抗干。。。。。。。单片机为核心，外加路面障碍物感测模 块――光电开关组完成对路面情况的实时监测，并把所采集的信息传输给单片 机，单片机根据路面情况做出恰当的处理，进而控制小车的走向。 1.1 研究背景 。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。进。。行探 测。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。门，这就使机器人 自。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。的研发有了重大意义。。。。。。。。。。。。。。。。。机器人中的一 类。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。。无人小车。。。。。。。。。。。。 1.2 本课的主要内容 设计基于MCS-51的移动机器人单片机控制系统。根据遍历规则确定机器 人结构的总体方案，对机器人方案进行可行性分析，及其自动控制总体设计， 元件选择，硬件电路设计，软件设计，模拟调试等任务。 主要内容是: ? 感测模块实时监测路面情况并及时传输给单片机; ? 单片机核心模块根据感测模块给予的信息控制小车两电机转动; ? 电机驱动模块驱动两电机转动，实现转向与行走; ? 小车根据遍历原则，走遍房间的大部分路径 ? 到达终点停车报警。 第2章 总体方案 机械方面:机械设计方面主要是关于车体的制作。车体包括底板、车轮、车轴。车体可以自制，也可以购买厂家生产的成品。自制时底板的材料可以用塑料，木板，铁片等。由于塑料取材方便，故选用塑料作为底板。车轮和车轴则在市场购买。 电路方面:电路方面包括电路图设计和电路板制作 。电路图可以用CAD画，也可以用专用软件，不过所用模块的电路图都能在网上找到，可以直接引用。电路板则使用开发板，自己焊接电路。 算法方面:算法即小车如何实现课题所要求的功能。根据遍历原则设计系统，则要求小车经过路面的大部分路径。 方案一:考虑实际路面有各种障碍物，小车要实现自我定位、避开障碍物和依据 障碍物的不同形状障碍物编写相应程序，障碍物越多则程序越复杂，所 需的传感器也越多。此种方案需要应用数学建模和大量程序，其算法过 于复杂，故最终放弃此方案。 方案二:将所要行驶的路面放上黑线，使小车以循迹方式走完所有路径，需要三 个传感器，两个用于循迹，一个用于判断终点。此方案已有先例，缺乏 自己的思考和创新，故排除此方案。 方案三:将路面理想化，路面平整且无障碍物。小车前方安装两个传感器，分别 用于检测是否接近墙面和到达终点。在墙一角将小车平行于墙面(如图 2-1所示)放好后启动，小车直线行驶时开启传感器1，当检测到接近 墙面时，拐弯转90度，行驶3秒同时开启传感器2 。如果传感器2检 测到信号则到达终点，小车停止并报警5秒。如果传感器2没有检测到 信号则在小车行驶3秒后，拐弯转90度。然后关闭传感器2继续前进。 此方案可行性高且消除了了方案二的顾虑，故作为选用方案。 方案三的具体内容:其硬件方面相对比较简单，只需在车体上添加2只传感器。而软件的特点包括三方面:一是需要通过判断传感器1检测次数的奇偶判断左转，还是右转;二是编写90度延时;三是恰当地调用中断函数。 第3章 系统主要硬件电路设计 3.1系统原理组成框图 感测模块电机驱动模块 主 控 模小车电机 块 逻辑模块液晶显示模块 图2,1 系统原理组成框图 3.2 系统主控模块电路 3.2.1 STC89C52单片机性能优点: 课堂上我们学习的是8051单片机，但实际应用中现在我们是不会再用8051单片机了。学习8051单片机是学习一种，学习单片机的基本结构，指令。现在单片机种类繁多，各有各的优点，结合具体情况恰当选择单片机型号也是非常重要的，在此系统中采用STC89C52为主控模块芯片，选此芯片的理由是: 01. 与MCS-51单片机完全兼容:指令兼容，引脚兼容; 02. 超强抗干扰能力:电源、I/O接口、时钟均有抗干扰措施; 03. 高可靠性: ? 宽电压范围，不怕电源波动5V产品3.4V,6V，; 。。? 宽温度范围:,40C,85C; 04. 低电磁辐射: ? 可禁止ALE输出，降低辐射; ? 可选6时钟/机器周期，降低晶振频率，降低辐射; ? 单片机时钟振荡器增益可设为1/2; 05. 超低功耗: ? 掉电模式典型功耗:?1uA，可由外中断唤醒; ? 空闲模式典型功耗:2mA; ? 正常工作典型功耗;4 mA,7 mA; 06. 可在线编程，节约投资; 07. 强驱动能力，无论灌电流还是拉电流，均优于MCS-51单片机; 08. 高速度，最高晶振达到90MHZ; 09. 内部资源更丰富，与MCS-51单片机相比增加了: ? T2定时/计数器; ? 内部数据存储器RAM增加了1,8倍; ? 自带A/D和PWM; ? 有P4口; 3.2.2 主控模块电路: 图2,2 系统核心STC89C52连接电路图 3.3 车体框架 方案一:自己设计制作车架 自己制作小车底盘，用两个直流电机作为主动轮，利用两电机的转速差完成前进、左转、右转、后退等动作。直流电机扭矩大，转速较慢，易于控制和调速，符合避障小车的要求。而且自己制作小车框架，可以根据电路板及传感器安装需求灵活设计。虽然自己制作小车制作周期较长，且费用较高，但是在实践中 既可以锻炼动手能力，又可以提高解决问题的能力。 :购买玩具电动车 方案二 玩具电动车价格低廉，有完整的驱动、传动和控制单元，其中传动装置是所需的，缩短了开发设计周期。玩具动车有两个直流电机，再加上自己设计的驱动模块就可以由单片机来控制了，而且买来的玩具电动车一般比较牢固，且比较美观。 为提高自己的动手操作能力，故在毕设中选用方案一 3.4电源及稳压模块 方案1:采用交流电经过直流稳压处理后供电 采用交流电提供直流稳压电源，电流驱动能力及电压稳定性最好，且负载对电源影响也最小。但由于需要电线对小车供电，极大影响了避障小车行动的灵活性及地形的适应能力。而且避障小车极易把拖在地上的电线识别为障碍物，人为增加了不必要的障碍。故放弃了这一方案。 方案2:采用干电池组进行供电 采用四节干电池降压至5V后给单片机及其他逻辑单元供电，另取六节干电池为电机及光电开关供电。这样电机启动及制动时的短暂电压干扰不会影响到逻辑单元和单片机的工作。但由于电机驱动需要比较大的电流，所以采用干电池供电使用的周期不能很长，实用性不太好。故放弃了这一方案。 方案3:采用可充电蓄电池供电 采用可充电蓄电池给驱动和感测模块供电，其它采用蓄电池经LM2575稳压后供电。虽然蓄电池的重量比较大，但是蓄电池能够供电的时间长而稳定，况且买来的小车负重能力好，所以采用此方案完全可行。故采用了此方案。 其原理图如下图所示: 图2,3 供电电源及稳压模块:LM2575电路图 3.5 逻辑模块 在感测模块和单片机中断接口之间，需要经过电平的逻辑处理，信息才能被单片机所感知。主要是一块三输入或非门，所以我们采用现成的74ls27芯片实现逻辑功能。 图2-4 信号逻辑模块:74LS27电路图 3.6 感测模块: 方案1:使用超声波探测器 超声波探测器探测距离远，测距方便。但由于声波衍射现象较严重， 且波包散面太大，易造成障碍物的错误判断。同时，超声波探测具有几厘 米甚至几十厘米的盲区，这对于我们的避障小车是个致命的限制。故放弃 了这一方案。 方案2:使用光电对管探测 光电对管价格低廉，性能稳定，但探测距离太近(一般不超过3cm)， 使得小车必须制动迅速。而我们由于采用普通直流电机作为原动力，制动 不采取这一方案。 距离至少需要10cm。因此 方案3:使用视频采集处理装置进行探测 使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理， 这是最精确的信息采集方案，可以对墙体进行精确定位和测距。但是使用 视频采集会增加小车成本，而且小车行进转弯的精确度并未达到视频处理 的精度，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以放弃了这 一方案。 方案4:使用光电开关进行障碍物信息采集 使用两只E3F-DS30C4光电开关，探测正前方墙体信息，一只用于小车到达墙前发出中断请求，另一只则在小车转90度后行驶的小行程中检测是否停车。E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离0~30cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作(理论上应避免日光和强光源的直接照射)。小车换档调速后的最大制动距离不超过30cm，一般在10~20cm左右，因而探测距离满足小车需求。故采用此方案。 光电开关排列如图所示: 图2-5 光电开关示意图 3.7连接模块 此模块的主要作用是，连接单片机和电机驱动模块，并消除干扰，让单片机能够准确的控制电机驱动模块，在此采用了一集成了四个光耦的集成电路TLP521-4，而不采用单个的光耦，且一个集成电路也显得更美观，价钱也不高，市场上也容易买到。 其原理图如下图所示: 图2-6 连接模块:TLP521-4电路图 3.8电机驱动模块 此模块的主要作用的驱动直流电机，让直流电机有足够的动力。 方案1:使用分立原件搭建电机驱动电路 使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉，在大规模生产中使用广 泛。但分立原件H桥电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障， 故放弃了这一方案。 方案2:使用L298N芯片驱动电机 L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，输出电压最高可 达50V，可以直接通过电源来调节输出电压;可以直接用单片机的IO口 提供信号，而且带有使能端，方便PWM调速，电路简单，性能稳定， 使用比较方便。L298N芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四 相电机，正好符合小车两个直流电机的驱动要求。 其原理图如下所示: 图2-7 驱动模块:L298电路图 3.9报警模块 由于自激蜂鸣器是直流电压驱动的，不需要利用交流信号进行驱动，只需对驱动口输 出驱动电平并通过三极管放大驱动电流就能使蜂鸣器发出声音，很简单。 蜂鸣器 第四章 系统软件设计