自动往返小车

自动往返小车 作者:XXX XXX XXX (XXX学院) 赛前辅导及文稿整理辅导教师:XXX 摘 要 本作品采用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;金属片检测部分采用金属传感器检测并采用发光二极管和蜂鸣器实 现声光报警;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 向也由左右两个红外对管来检测，两旁及前方障碍物采用光电传感器来检测并用 发光二极管来指示，同时采用四个LED数码管作为小车行程、时间、金属片数 目的显示模块。 Abstract AT89S52 this works as the core to control the use of components, the control of the realization of the L298 motor driver control car; metal detection sensors detect metal parts and the use of light-emitting diodes and the realization of sound and light alarm buzzer; electric vehicle detection and tracing the use of infrared detection circuit of the tube to complete; electric vehicles from around the direction of the tube to the two infrared detection, and in front of obstacles on both sides of the use of photoelectric sensors to detect and use light-emitting diodes to indicate, at the same time using four LED digital tube as a car trip, time, number of metal display module. 一、的论证和比较 1(总体方案论证与比较 方案一:采用各类数字电路来组成小车的控制系统，对黑线检测信号，障碍检测信号进行处理。本方案电路复杂，灵活性不高，效率低，不利于小车智能化的扩展，对各路信号处理比较困难。 方案二:采用ATM89S52单片机来作为整机的控制单元。路两旁障碍物采用光电传感器构成检测电路，并通过发光二极管来显示。黑线采用红外线对管来发射接收，送到单片机系统处理。行驶的的路程通过霍尔检测电路来检测小车行驶的圈数，从而计算出小车行驶的路程。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。 比较以上两种方案的优缺点，方案二简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，因此采用方案二来实现。方案二的基本原理如图5-1所示。 电动机驱动 数码管显示 AT89S52 数码管驱动 光电传感电路 LED显示报警 黑线检测电路 霍尔检测电路 图5-1 自动往返小车运行基本原理图框图 路程通过在车轮上安装小磁块，再用霍尔开关感应产生计数脉冲。道路两旁的障碍物采用光电传感电路来检测高低电平的变化，控制小车避开障碍。记时由软件实现，显示采用普通七段LED。此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现。 2(路面情况检测方案的选择 探测路面黑线的基本原理: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，可根据接收到的反射光强弱来判断黑线，可实现的方案有以下几种: 方案一:采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，电路如图5-2所示。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跟地的平坦程度、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，但这有增加额外的功率损耗。 方案二:采用红外线对管，利用其一个管发射出光，而另一只则负责接，由于白纸的黑线和白纸的反射系数不一样，白纸则反射回来，而黑线则被吸收了。这个再由外围电路对信号进行检测，同时接到单片机口，由单片来检测识别，控制小车的行驶。当对着黑线时，则一直检测到高电平，而白纸则低电平。这样一来检测反映灵敏，外围电路也很简单。电路如图5-3所示。 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。 图5-2普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收 图5-3红外线对管工作原理 3(电动机的选择 方案一:采用步进电机，步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。 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。 由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，因此建议采用直流电机作为动力源。 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。但是电阻网络只能实现有级调速，而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比较小，但电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 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，显得电路简明了许多，最重要一点是该芯片可以直接和单片口线相连，所以可以实现单片的时时控制，使电路灵活了许多，并且体现了智能控制。 结合电路和灵活性，最终选择了方案二，后来实践中也体现也了这一点。 5(路程检测方案的选择 方案一:采用霍尔元件集成片，该器件内部由三片霍尔元件组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔反应，可以产生电流的变化，对此加以判断，但需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。但制作有难度。 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(显示部分 方案一:采用LCD显示，用单片机可实现显示数据，但显示亮度和字体大小在演示时不尽人意，价格也比较昂贵。 方案二:采用LED七段数码管，采用经典电路译码和驱动，电路结构简单，并且可以实现单片机I/O口的并用，显示效果直观，明亮，调试容易。故采用LED数码管显示。 7(检测道路两旁的障碍物 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，则通知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，这个电路结构十分简单，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，灵敏度也良好，特别是加大一定电压时，效果明显，所以最终采用了这个方案。 二、系统方案硬件的设计与实现 本系统采用单片机作为控制核心，对各种传感器送来的信号进行分析处理，然后控制电机的转动，并通过LED显示各种数值。本系统主要的单元电路有单片机主控电路、电机驱动控制电路、黑线寻迹行走控制电路、LED显示电路。 1(单片机主控电路 如下图为单片机最小系统图及其作为主控电路的接口电路图，最小系统图作为单片机工作的基础抱括了(时钟电路、复位电路)等。主控电路中P0口控制LED段码，P1口用于L298芯片的控制，P2口用LED位码的控制及红外线对管电路的识别输入。如图5-4所示。 图5-4 片机最小系统图及其作为主控电路的接口电路图 2(电机驱动控制电路 将两个直流电机的四个引脚端分别接到L298的四个输出端即可，具体接法如上图5-5所示。 图5-5 电机模块 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。 电机控制方向引脚如表5-1所列。 表5-1 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 3(判断黑线行走控制电路 如下图5-6所示为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。红外对管内部有两个“眼睛”，一个用来发射红外线，另一个则接收反射回来的红外线(当红外线遇到黑线则被吸收，三极管集电极输出高电平，遇到白纸则反射回来，三极管集电极输出低电平)。其输出端通过排线接到单片机IO口，把信号送到单片机里面，由单片机进行识别处理。单片机再输出控制L298的信号，通过L298来驱动前轮电机的打弯，后轮电机驱动行走。具体行驶时，当没有黑线时，红外对管输出低电平。当遇到黑线时输出一个低电平。这样就可以检测在行驶过程中遇到黑线的个数，从而可以控制小车加速、减速、正常行驶。 +5VR18Q +5VU2300J1Q53前Q2 1OPTOISO19013 R19R20CON31002K +5VR22H +5VU530013J1ACQ63后24QKE2 1OPTOISO19013 R23R24CON3图5-6红外线对管电路 1002K 4(LED显示电路 显示部分电路由一个四位数码管组成，数码管段码经过限流电阻引出插针，直接和单片机P0口相连，数码管的位码COM端经过PNP型三极管9012和1K的电阻也连接出插针，直接和单片机P2口的部分引脚相连。具体连接的电路如下图5-7所示: J1Q102330R161R2330102数码管1R333083R433074R533035330R6116R73307R833089dpCON8 1 4Q1Q2Q3Q49012901290129012 J2R9R10R11R12CON4512+5V31K1K1K1K412 图5-7 LED显示模块 5(路程和障碍物检测电路 如下图5-8所示，J12为霍尔开关AEE4元件，1脚接地，3脚接电源，2脚接单片机I/O口。当AEE4没有接近磁铁，就不会形成磁场，2脚一直输出高电平，当AEE4一接近磁铁，就会形成磁场，磁感线切割，2脚就输出低电平。2脚通过跟单片要的I/O口连接，把输出的信号送进单片机处理，通过单片机编程，去控制显示小车行走的路程。 +5V J12 R15 15.1K 2P36 路程检测3 CON3 图5-8 路程检测电路 如下图5-9所示 J13、J14、J15、J16分别为四个光电传感器，光电传感器电路结构十分简单，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，则反馈回一个低电平，从而驱动外围指示电路，灵敏度也良好，特别是加大一定电压时，效果明显。当没有遇到障碍物时，反馈回来一个高电平。根据这个原理可以检测到遇到的障碍物，控制小车的转向，使小车沿一条直线行驶。 +5VJ13+5VJ145.1K5.1KR32R33 11P00P0222前左前右33 CON3CON3 +5VJ15+5VJ165.1K5.1KR34R35 11P26P2722后左后右33 CON3CON3 图5-9 障碍物检测电路 三、系统软件设计 1(主程序流程图如下: 开始 设定初始化 进入走直线程序 否 是否完了? 进入最大拐弯程序 是否完 否 进入避开障碍物程序 过了与否 否 暂停一段时间 结束 2(直线子程序流程图 开始 检查车两头传器 小车向左边拐弯 小车向右边拐弯 检查金属, 否 金属1 并计算出距离 是否结束 返回 四、系统测试和误差分析 (1)通过对小车实践行驶的四次测试，小车均能正常行驶完全程，除了第二次时行驶过程中出现一个小弯，致使数据出现一定的误差。实际全程为15(6米，共有黑线6根。具体数据如表5-2所示。 表5-2 行驶路程、金属片数目测式数据表 第一次 第二次 第三次 第四次 次 数 项 目 行程 16.4M 16.6M 16.0M 16.2M 黑线 6根 6根 6根 6根 (2)时间的显示我们采用F0.00分来显示(直接通过单机定时1秒实现),就是正常行驶时，数码就会正常显示小车用时间。具体几次的测试如图表5-3所示。 图表5-3 行驶时间数据表 项目 第一次 第二次 第三次 第四次 行驶时间 2分33秒 2分40秒 2分30秒 2分32秒 (3)测试结果分析 小车行驶时存在潜在路线问题，由于行驶的路线不够平滑。特别是打弯时，车轮偏移抖动都会产生轻微的误差，这样累加就会产生较小的路程误差。时间则是主要由于电机转动不够平稳，甚至打滑，这样就使小车在整个行驶中不能实现匀速行驶，所以时间上也不免产生细微误差。不过小车可以准确地检测到在行驶过程中遇到的黑线，并根据黑线行驶完了全程。 五、 小车可以根据题目要求行驶完全程，在行驶过程中没有出现大的转弯，可以准确检测出行驶过程中的黑线，对道路两旁的挡板也可以很好地感应出来。小车准确记录了行驶的时间和行驶的路程，而且没有出现大的误差。小车在行驶过程中路程出现的误差是由于小车的前轮转弯调整得不好所致，但对小车正常行驶完全程没有太大的影响。 附录一:系统电路图 R8330 S1S2 SW-PBSW-PB Q2Q390129012 R9R10R11R12 111K1K1K1KENA速度检测482+5V+12VOUT16ENAC2C3U43MC7805TOUT215+5V104104U3313+5V91OUT3+12V+5VVSSVS510IN1IN3J8142OUT4712CC11GNDIN2IN4M1P32212MCC03104220UMETERCON3M212M+5VMETERJ912121P33J11J10GND2SENASENBCON2CON23L298CON3 前右后右 +5VJ14+5VJ165.1K5.1KR35R3311P27P022233CON3CON312J1123545Q10前左后左6前面7+5VJ13+5VJ155.1K5.1KR34R328411P26P00CON822P2033CON3CON3P211219P226dpJ13后面数码管10P1512P238Q4+5V3479012RST510XZ6P25P243P1778P2411P1910P23P25P36P2214010XZP27P21P10/TVCC239P26P20P11/TP00338P12P01437P13P02536P14P03635P15P04330R17344P16P05R2+5V3308333P17P06Q1R33309322RESETP079012R433010311RXDEA/VPR5J123301130R15TXDALE/PJ2330R6122915.1KINT0PSENCON4R733013282INT1P2714273T0P261526T1P25+5VCON31625WRP241724AT89S52RDP231823X2P22+5V1922X1P212021GNDP20U11P30P315.1K*8Vin1+5VJ4+5VR242P00LED2P13R254P015R16C1R266P02LED470710uFR278P03R20R281+5VP043302J5R29321P05S32141SW-PBJ6R3052J3P06P363P001R3174P01P07285P02R13R1436P035.1K5.1KP0447P15R17P0558P164.7KP06Y16P17P077CON8+5V+5VRSTAT89S52P308C4C512MP31 CON822P22P104C6C710uFP32P33 P37