简易自动入库小车设计制作报告

2006年黑龙江赛区大学生电子竞赛 简易自动入库小车设计制作报告 参赛队员：秦林柱 褚宏靖 张磊 指导老师：卢文生 范红刚 黑龙江科技学院 2006年10月15日 目录 一、设计要求和主要指标………………………………………… 2 1、任务………………………………………………………………2 2、要求………………………………………………………………2 3、主要指标…………………………………………………………3 二、设计制作报告……………………………………………………4 摘要、关键词…………………………………………………………4 1、总体设计……………………………………………………4 2、硬件模块电路设计……………………………………………… 5 3、软件程序设计……………………………………………………11 4、调试及性能…………………………………………………17 5、结论………………………………………………………………17 6、参考文献………………………………………………………… 18 1、任务 有一个圆形车库（跑道图见大赛目E题），圆形车库的外圆用宽20mm的黑线画出，其半径以选用小车的最小圆周运动的半径确定。圆形车库中心地面上有一个铁片（50×50mm）。出发区与车库间的地面上有黑色的边界线组成的过道，中心有黑色引导线（黑线宽20mm）。要求小车能够正确按黑色引导线间的过道行驶到车库，停止于铁片处并可以自动返回。 2、要求 基本要求： （1）小车在起点线可以自行放置，但小车任何部位不得越过起点线。 （2）小车在运行过程中不得超界。若部分车身越界并能自动返回，酌情扣分；若越界后不能自动返回或车身整体越界，则中止测试。 （3）入库停车后，小车的任何部位不应越界，且小车距中心铁片偏差越小得分越高。 （4）从小车启动开始到入库停车为止，所用时间不应超过60秒。 发挥部分： 实现小车的自动返回，返回过程中小车的行驶路径同基本要求（2）。返回方式可选退回或掉头返回，具体要求如下： （1）若退回，小车入库后须停车60~90秒后退回到出发点停车。 （2）若掉头返回，小车入库后也须停车60~90秒，然后再库内掉头并返回到出发点停车。 （3）返回停车后，车身不得压起点线，车身与起点线的距离越小得分越高。 （4）其他特色与创新 3、主要指标 电源部分 ：8.4伏锂电池组、12.6伏锂电池组、7805稳压电源； 信息采集部分 ：反射式红外收发对管、自制霍尔金属传感器； 信息处理部分：CD4011、光藕、LM324、74LS47；CD4511 控制部分 ：89S52 驱动部分：L298N 双通道直流电机驱动芯片 完成指标：1、遥控启车； 2、自动循迹入库； 3、检测铁片中心、停留60秒； 4、自动返回出发区，自动停车 创新部分：1、全程语音提示：启动、停留、转弯、停车； 2、左右转、铁片检测灯光提示； 3、数码管显示：入库、停留、出库时间 二、设计制作报告 摘要：我们设计制作了一个具有寻线功能的简易自动入库小车。主要功能如下：遥控启动；自动入库功能（沿着黑线进入车库），并伴随灯光提示；检测车库中心所放置的铁片并停车，伴随语音和灯光提示，计算并显示入库，停留和出库所用的时间。    为使小车运行更加灵活可靠，我们采用了后轮用两个直流电机分别驱动，前轮采用自制的万向轮的驱动方式，采用L298双通道直流电机驱动芯片作为主控电路，将红外传感器采集的信号，经单片机处理后 ，控制驱动电机的PWM的占空比和方向，从而实现了题目要求的一系列动作，通过红外遥控启车，显示时间，和实时语音提示功能的实现，增加了作品的趣味性，技术性和智能程度；另外通过自制的霍尔金属传感器和自制万向轮的使用，更好的减轻了整车的重量，增加了小车的灵活性。 关键字：遥控启车 万向轮 PWM控制 霍尔传感器 万向轮 1．总体方案论证    采用ATM89S52单片机作为整机的控制单元；启车采用红外线遥控控制；寻迹采用反射式红外对管；铁片检测采用霍尔元件制作的金属传感器；将以上信号送入单片机进行处理，调制出PWM脉冲和电平对直流电机进行驱动；同时采用数码管对时间进行计时和显示，用ISP1420进行语音提示和报警。 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。     本方案简洁、灵活、可扩展性好，能达到题目的设计要求，基本原理如图1所示。 图1 简易自动小车基本原理框图 2．硬件模块电路设计（部分电路原理图） 1）启动部分 遥控器原理利用发射芯片产生一个32位数据，经高频载波通过红外线发射LED发射出去。接收部分由一个红外线接收模块接收数据经电容滤掉高频载波后，送单片机，与单片机中预存的数据进行比较，如相同而启动主程序运行。运行原理如图2、3所示。 图2 红外线发射器工作方块图 图3 红外线接收工作方块图 2）寻迹部分 利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。采用红外线发射，外面可见光对接收信号的影响较小，利用红外对管对黑线边界进行检测，再用LM324对检测信号进行比较，取反，送单片机进行处理。 电路原理如图4所示 图4 寻迹原理图 3）铁片检测部分 根据霍尔元件的检测金属的原理，我们自制了一种简易而又可靠的金属检测传感器对车库内铁片进行检测，并同时停车计时。自制金属传感器的结构原理如图5所示. 图5 霍尔金属传感器结构原理图        4）单片机控制部分 采用一般的单片机系统控制电路，主要由：电源电路、晶振电路、复位电路，及外部中断输入电路组成，电路结构简单，性能稳定，是单片机系统控制普遍采用的硬件电路。电路原理如图5所示。 图6 单片机控制原理图 5）电机驱动部分 L298双通道直流电机驱动芯片是非常棒的小型直流电机驱动芯片之一。它可以被用来驱动两个直流电机或是双极性步进电机。在6~46V的电压下，可以提供2A的额定电流，并且具有过热自动关断和电流反馈检测功能，安全可靠；为了保证L298正常工作，我们另外安装了续流二极管。利用单片机调整出PWM脉冲和高低电平对直流电机进行驱动和控制。电路原理图如图7所示 图7 电机驱动部分电路图 6）显示行走时间部分 由于本题对显示并没有具体要求，为了便于观察比较，我们只对小车入库、停留和返回的时间利用数码管进行了简单的显示，为了尽量少的占用主程序空间，影响PWM脉冲的质量，电路部分采用CD4511对两位独立的数码管进行分别驱动，效果良好。 7）语音部分 采用ISP1420语音芯片，构成语音录放电路，进行真人录音，并在小车行驶过程中根据题目要求的任务进行适时地语音提示；根据程序设计，在启动，转向等时间根据声音在1420中的存储地址进行调用并同步播放。 8）电源部分 为防止系统运行时电机对单片机执行程序的干扰，采用8.4伏和12.6伏锂电池组分别对单片机控制部分和电机驱动部分进行独立供电。12.6伏直接驱动电机，经7805稳压后给L298芯片供电，8.4伏经7805稳压后给单片机和其他传感器和芯片供电。信息处理部分，加光藕进行隔离。 3. 系统程序设计（部分） 1）部分程序模块流程图                               图11  主程序流程     图 12 寻迹子程序流程图 2）部分程序 start:mov SP,#60h; mov P1,#00h; MOV P3,#0FFH; MOV TMOD,#05h ;DIANG SHI QI GONGZUO ZAI WAI BU JI SHU FANG SHI MOV TH0,#0FFH; MOV TL0,#0FFH; mov IP,#02h; mov TCON,#50h mov IE,#07H ; DIANG SHI QI 1 JIA LIANG GE WAI ZHONGDUAN RONG XU clr P3.7 CLR ZUO_CHEWEI CLR YOU_CHEWEI; QIDONG: MOV A,#00H MOV R0,#20H LOOP0: MOV @R0,A INC R0 CJNE R0,#25H,LOOP0 SETB IRIN MOV 22H,#0FFH LOOP1: CALL IR_IN MOV A,22H; CJNE A,#0FFH,MAIN1; LOOP3: JMP LOOP1 IR_IN: MOV R0,#IRCOM I1: JNB IRIN,I2 JMP I1 I2: MOV R4,#20 I20: CALL DEL DJNZ R4,I20 JB IRIN,I1 I21: JB IRIN,I3 CALL DEL JMP I21 …… DELAY1: MOV R6,#25 DL2: MOV R7,#100 DJNZ R7,$ DJNZ R6,DL2 RET MAIN1:SETB EA; MAIN:JB FC_MARK,FANCHENG SETB ZUOLUN; SETB YOULUN; SJMP MAIN FANCHENG:JNB ZUO_CHEWEI,MANSU; JNB YOU_CHEWEI,MANSU; SJMP TINGCHE; MANSU:SETB ZUOLUN; SETB YOULUN; MOV R4,#200; DJNZ R4,$; CLR ZUOLUN; CLR YOULUN; MOV R4,#100; DJNZ R4,$; SJMP MAIN TINGCHE:jb ZUO_CHEWEI,TINGCHE; TINGCHE1:JB YOU_CHEWEI,TINGCHE1 CLR EA CLR ZUOLUN; CLR YOULUN; CLR ZUOLUN; CLR YOULUN; ;lcall yuyin; ;LCALL DISPLAY; SJMP $ ZUOLUN_ZHUAN:PUSH A; PUSH PSW; NOP NOP NOP NOP NOP NOP jNb YOULUN,XIANGQIANPAO ; MOV P1,#00H; nop; nop; nop; nop; SETB YOULUN; CLR ZUOLUN LCALL DUAN_DELAY; ; MOV P1,#00H; SJMP TIAOCHU XIANGQIANPAO:SETB ZUOLUN; SETB YOULUN; TIAOCHU:POP PSW; POP A; RETI; …… END   4调试及性能分析      根据题目要求，对各要求进行排序并逐个设计制作和调试，我们把循迹作为本题目的主要完成功能，并由此确定车型和设计方法，通过多次试验，对比，调试，我们最后采用了自制小车的设计方案，采用前万向轮，后双电机驱动的车型，通过软硬件调试和磨合后，循迹效果较好，入库时间控制在20秒以内，最短时间15秒72。 主要功能完成后，加入铁片检测并在程序中设计延时和自动转弯功能，经过多次调试后，较好的完成小车的自动返回，由于程序的逐渐增多，程序的执行效率受到影响，为了增加小车返程的稳定性，我们根据跑道不同路段的变化对小车进行了多次变速，增加稳定性的同时，也使得小车的行驶过程更加人性化，真实化。 经过调试完成基本要求和发挥部分后，为更好的体现题目完成的性能指标，我们又在原来的基础上加装了语音提示，速度显示，灯光提示，使小车的主要指标和运行过程一目了然。      整机综合调试，上电后对系统进行初始化，接着控制电机使小车向前寻迹行驶。 5．结论     通过各种方案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化，智能入库小车能够完成遥控启车，循迹入库，检测铁片停车，停车60秒掉头返回，伴随时间显示，实时语音提示等功能，在完成题目基本要求和发挥部分的前提下，新增了遥控、显示，语音等创新功能，并且把入库时间控制20秒以内，并运行稳定。 6．参考文献 [1] 付家才 著。单片机工程实践技术。北京：化学工业出版社，2003。 [2] 胡汉才 著。单片机原理及其接口技术。北京：清华大学出版社，1996。 [3] [美]丹尼斯克拉克 迈克尔欧文斯 著 机器人设计与控制。北京 科学出版社 2004 [4] 吴金戌 沈庆阳 郭庭吉 著 8051单片机实践与应用 北京：清华大学出版社 2002 [5] 陈永甫 著。红外检测与控制电路。北京：人民邮电出版社，2004。 [6] [日]山名宏治 著。玩具机器人制作。北京：科学出版社，2005。 停车信号 电源 语音提示 时间显示 电机驱动 灯光提示 89S52 铁片检测 寻迹信号 接收脉冲 红外遥控脉冲 红外线信号 接收 单片机 8051控制 红外线 接收模块 发射红外线信号 红外线 发射 二极管 信号 放大 AND门 38KHZ载波信号 8051单片机 中断 进入寻迹子程序 左黑带（N） 右黑线（N） 左拐标志 右拐标志 返回 PAGE 1