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智能小车
摘要
智能作为现代的新发明,是以后的发展方向,他可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作,不需要人为的管理,可应用于科学勘探等等的用途。
智能电动车就是其中的一个体现,智能小车,也称轮式机器人,是一种以汽车电子为背景,涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多科学的科技创意性设计。
本课题以小车位研究对象来研究智能化控制技术。
系统准备采用单片机为控制器核心,其集成在现有玩具电动车的基础上,加装光电波传感器及金属探测器,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
80C51单片机是一款八位单片机,他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
这里介绍的是如何用80C51单片机来实现常州轻工职业技术学院的毕业设计,该设计是结合科研项目而确定的设计类课题。
本系统以设计题目的要求为目的,采用80C51单片机为控制核心,利用超声波传感器检测道路上的障碍,控制电动小汽车的自动避障,快慢速行驶,以及自动停车,并可以自动记录时间、里程和速度,自动寻迹和寻光功能。
整个系统的电路结构简单,可靠性能高。
实验测试结果满足要求,本文着重介绍了该系统的硬件设计方法及测试结果分析。
小车运行方案,在现有玩具电动车的基础上,加装光电检测器,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
采用的技术主要有:
(1)通过编程来控制小车的速度;
(2)传感器的有效应用;
(3)新型显示芯片的采用.
关键词:
80C51单片机、光电检测器、PWM调速、电动小车
ABSTRACT
Thenewsmartasamoderninvention,isthefuturedirectionofdevelopment,hecanpre-setaccordingtothemodelinanenvironmentwhereautomaticoperation,withouthumanmanagement,canbeappliedtoscientificexploration,etc.purposes.Smartelectriccarisoneembodiment,intelligentcar,alsoknownasthewheeledrobotisakindofautomotiveelectronicsasthebackground,coveringthecontrol,patternrecognition,sensortechnology,electronics,electrical,computer,machineryandmanyotherscienceandtechnologycreativedesign.Preparedtoadoptmicrocomputercontrolsystem,thecore,whichintegratestheexistingtoyelectriccar,basedontheinstallationofoptical-wavesensorsandmetaldetectors,toachievethespeedofelectricvehicles,location,operationalstatusofthereal-timemeasurement,andmeasurementdatasenttothemicrocontrollerforprocessing,andthendetectedbyamicrocontrolleraccordingtoavarietyofdatatoachieveintelligentcontrolofelectricvehicles.
80C51microcontrollerisamicrocontroller8,andhiseaseofuseandversatilityarethemajorityofuserspraise.Hereishowtoachievethe80C51microcontrollerChangzhouLightIndustrialVocationalandTechnicalCollegegraduationdesign,thedesignisacombinationofscientificresearchandtodeterminethedesignofclasstopics.Thesystemrequirementstodesignthetopicforthepurposeofusing80C51microcontrollerforthecontrolofthecore,theuseofultrasonicsensorsdetectobstaclesontheroadtocontroltheelectriccar'sautomaticobstacleavoidance,fast-slowdriving,andautomaticparking,andcanautomaticallyrecordthetime,mileageandspeed,automatictrackfindingandsearchinglightcapabilities.Asimplecircuitstructureofthesystemreliabilitycanbehigh.Experimentaltestresultsmeettherequirements,thisarticlefocusesonthehardwareofthesystemdesignmethodsandtestresultsanalysis.Carisrunningtheprogram,undertheexistingtoyelectriccar,basedontheinstallationofphotoelectricdetectors,toachievethespeedofelectricvehicles,location,operationalstatusofthereal-timemeasurement,andmeasurementdatasenttothemicrocontrollerforprocessing,thenSCMdetectedaccordingtoavarietyofdatatoachieveintelligentcontrolofelectricvehicles.
Theadoptionoftechniqueas:
(1)Reducethespeedbyprogramtheengine;
(2)Efficientapplicationofthesensor;
(3)Theadoptionofthenewdisplaychip.
Keywords:
80C51singlechipcomputer,lightelectricitydetector,PWMspeedadjusting,Electricitymotivesmallcar.
目录
摘要1
ABSTRACT2
目录3
第一章前言5
第二章方案设计7
2.1直流调速系统7
2.2系统原理图8
2.3检测系统9
第三章硬件设计13
3.180C51单片机硬件结构13
3.2最小应用系统设计14
3.3前向通道设计16
3.4后向通道设计18
3.5显示电路设计19
第四章软件设计20
4.1主程序设计21
4.2显示子程序设计25
4.3避障子程序设计26
4.4软件抗干扰技术27
4.5“看门狗”技术29
4.6可编程逻辑器件30
第五章测试数据、测试结果分析及结论32
参考文献33
致谢34
第一章前言
十九世纪末,随着内燃机的诞生,人们发明了最现代化的交通工具——汽车。
经过一个多世纪的发展,汽车技术、性能有了很大的提高,人们充分享受到了汽车带来的巨大便利。
但是,在享受汽车带来便利的同时,人们也发现汽车也给社会的发展带来了不少的损失,甚至危害到了人们的人身安全。
由于公路客、货运输量的迅速增长,人们深受交通拥挤、堵塞严重事故频繁和环境污染等公害的困挠。
尤其是随着高速公路发展,汽车速度的提高,各类恶性交通事故的发生呈不断上升趋势,给人们的生命财产造成了巨大的损失。
同时,经常性的交通拥挤和环境污染等也给现代城市的可持续发展带来了严重的影响。
这迫使人们采用高、新技术以提高车辆的安全性、可靠性,以解决道路交通的公害问题。
智能车辆的研究发展正是在这种背景下诞生的。
智能小车,也称轮式机器人,是一种以汽车电子为背景,涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多科学的科技创意性设计。
鉴于智能车辆拥有越来越广泛的市场前景和应用价值,多年以来,韩国汉阳大学和飞思卡尔公司进行合作,针对韩国大学生连续多年举办了智能车大赛;自2006年起,中国教育部与相关高校进行合作,开始在中国举办全国大学生智能车竞赛。
本次邀请赛要求参赛队引导改装后的模型汽车按照规定路线行进,以完成时间最短者为优胜。
在国外,美国国家科学委员会曾预言:
“20世纪的核心武器是坦克,21世纪的核心武器是无人作战系统,其中2000年以后遥控地面无人作战系统将连续装备部队,并走向战场。
”为此,从80年代开始美国国防高级研究计划局(DARPA)专门立项,制定了地面无人作战平台的战略计划,目标是研制出满足战场需要的智能车辆,可以在崎岖的地形上沿规划的路线自主导航及躲避障碍,必要时重新规划其路线。
另外,日本通产省组织的极限环境下作业的机器人计划、欧洲尤里卡中的移动机器人计划等。
虽然智能车辆的研究起源于军事的要求,但是在其他领域的应用也有极大的价值,并且在研究上也取得了一定的成果。
在太空探索方面,美国NASA研制的火星探测机器人索杰那于1997年成功登上火星,这是一个具有六个轮子的自主移动机器人。
在民用方面,智能车辆也有许多成功的例子。
如日本的VERTIS智能汽车系统,该智能汽车主要有23个ITSZ子系统,主要用于实现车载通讯、信息加工处理、环境探测、辅助控制(自动驾驶)等四项功能。
另据报道,雷诺正在研制的自动汽车或智能车辆将让汽车能够感知周围环境,如道路状况、附近车辆的距离及行驶速度等,并能根据具体情况及时作出调整车速、校正方向等正确反应。
目前,雷诺公司正在进行红外摄像、雷达、随着汽车工业的迅速发展,关于汽车的研究也就越来越受人关注。
近年来,全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目,全国各高校也都很重视该题目的研究。
可见其研究意义很大。
本设计就是在这样的背景下提出的,指导教师已经有充分的准备。
本题目是结合科研项目而确定的设计类课题。
设计的智能电动小车应该能够实时显示时间、速度、里程,具有自动寻迹、寻光、避障功能,可程控行驶速度、准确定位停车。
根据题目的要求,确定如下方案:
在现有玩具电动车的基础上,加装光电、红外线、超声波传感器及金属探测器,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。
本设计采用MCS-51系列中的80C51单片机。
以80C51为控制核心,利用超声波传感器检测道路上的障碍,控制电动小汽车的自动避障,快慢速行驶,以及自动停车,并可以自动记录时间、里程和速度,自动寻迹和寻光功能。
80C51是一款八位单片机,它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。
它是第三代单片机的代表。
第三代单片机包括了Intel公司发展MCS-51系列的新一代产品,如8xC152﹑80C51FA/FB﹑80C51GA/GB﹑8xC451﹑8xC452,还包括了Philips﹑Siemens﹑ADM、OKI﹑ATMEL等公司以80C51为核心推出的大量各具特色﹑与80C51兼容的单片机。
新一代的单片机的最主要的技术特点是向外部接口电路扩展,以实现Microcomputer完善的控制功能为己任,将一些外部接口功能单元如A/D﹑PWM﹑PCA(可编程计数器阵列)﹑WDT(监视定时器)﹑高速I/O口﹑计数器的捕获/比较逻辑等。
这一代单片机中,在总线方面最重要的进展是为单片机配置了芯片间的串行总线,为单片机应用系统设计提供了更加灵活的方式。
Philips公司还为这一代单片机80C51系列8xC592单片机引入了具有较强功能的设备间网络系统总线----CAN(ControllerAreaNetworkBUS).
新一代单片机为外部提供了相当完善的总线结构,为系统的扩展与配置打下了良好的基础。
本设计就采用了比较先进的80C51为控制核心,80C51采用CHOMS工艺,功耗很低。
该设计具有实际意义,可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。
尤其是
在足球机器人研究方面具有很好的发展前景;在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。
所以本设计与实际相结合,现实意义很强。
第二章方案设计
根据题目的要求,确定如下方案:
在现有玩具电动车的基础上,加装光电检测器,实现对电动车的速度、位置、运行状况的实时测量,并将测量数据传送至单片机进行处理,然后由单片机根据所检测的各种数据实现对电动车的智能控制。
这种方案能实现对电动车的运动状态进行实时控制,控制灵活、可靠,精度高,可满足对系统的各项要求。
2.1直流调速系统
调速就是在一定的负载下,根据生产工艺的要求,人为地有意地改变电动机的转速。
主要实现方法有以下三种。
方案一:
串电阻调速系统。
方案二:
静止可控整流器。
简称V-M系统。
方案三:
脉宽调速系统。
1、旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流,由发电机给需要调速的直流电动机供电,调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压,从而调节电动机的转速。
改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变,所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。
该系统需要旋转变流机组,至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机,还要一台励磁发电机,设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。
且技术落后,因此搁置不用。
2、V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。
它可以是单相、三相或更多相数,半波、全波、半控、全控等类型,可实现平滑调速。
V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性,它不允许电流反向,给系统的可逆运行造成困难。
它的另一个缺点是运行条件要求高,维护运行麻烦。
最后,当系统处于低速运行时,系统的功率因数很低,并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
3、采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是,在这里晶闸管不受相位控制,而是工作在开关状态。
当晶闸管被触发导通时,电源电压加到电动机上,当晶闸管关断时,直流电源与电动机断开,电动机经二极管续流,两端电压接近于零。
脉冲宽度调制(PulseWidthModulation),简称PWM。
脉冲周期不变,只改变晶闸管的导通时间,即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
与V-M系统相比,PWM调速系统有下列优点:
(1)由于PWM调速系统的开关频率较高,仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流,电枢电流容易连续,系统的低速运行平稳,调速范围较宽,可达1:
10000左右。
由于电流波形比V-M系统好,在相同的平均电流下,电动机的损耗和发热都比较小。
(2)同样由于开关频率高,若与快速响应的电机相配合,系统可以获得很宽的频带,因此快速响应性能好,动态抗扰能力强。
(3)由于电力电子器件只工作在开关状态,主电路损耗较小,装置效率较高。
根据以上综合比较,以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向,本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现,但是驱动能力有限。
为顺利实现电动小汽车的前行与倒车,本设计采用了可逆PWM变换器。
可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。
我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器,它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。
2.2系统原理图
简易智能电动车采用80C51单片机进行智能控制。
开始由手动启动小车,并复位,当经过规定的起始黑线,由超声波传感器和红外光电传感器检测,通过单片机控制小车开始记数显示并避障、调速;系统的自动避障功能通过超声波传感器正前方检测和红外光电传感器左右侧检测,由单片机控制实现;在电动车进驶过程中,采用双极式H型PWM脉宽调制技术,以提高系统的静动态性能;采用动态共阴显示行驶时间和里程。
系统原理图如图2.6所示。
图2.6系统原理图
2.3检测系统
检测系统主要实现光电检测,即利用各种传感器对电动车的避障、位置、行车状态进行测量。
一、行车起始、终点及光线检测
本系统采用反射式红外线光电传感器用于检测路面的起始、终点(2cm宽的黑线),玩具车底盘上沿黑线放置一套,以适应起始的记数开始和终点的停车的需要。
利用超声波传感器检测障碍。
光线跟踪,采用光敏三极管接收灯泡发出的光线,当感受到光线照射时,其c-e间的阻值下降,检测电路输出高电平,经LM393电压比较器和74LS14施密特触发器整形后送单片机控制。
本系统共设计两个光电三极管,分别放置在电动车车头的左、右两个方向,用来控制电动车的行走方向,当左侧光电管受到光照时,单片机控制转向电机向左转;当右侧光电管受到光照时,单片机控制转向电机向右转;当左、右两侧光电管都受到光照时,单片机控制直行。
见图2.1电动车的方向检测电路。
行车方向检测电路采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。
该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏三极管及其上拉电阻。
红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体,红外光敏三极管在接收到反射回来的红外线后导通,发出一个电平跳变信号。
图2.1电动车的方向检测电路
此套红外光电传感器固定在底盘前沿,贴近地面。
正常行驶时,发射管发射红外光照射地面,光线经白纸反射后被接收管接收,输出高电平信号;电动车经过黑线时,发射端发射的光线被黑线吸收,接收端接收不到反射光线,传感器输出低电平信号后送80C51单片机处理,判断执行哪一种预先编制的程序来控制玩具车的行驶状态。
前进时,驱动轮直流电机正转,进入减速区时,由单片机控制进行PWM变频调速,通过软件改变脉冲调宽波形的占空比,实现调速。
最后经反接制动实现停车。
前行与倒车控制电路的核心是桥式电路和继电器。
电桥上设置有两组开关,一组常闭,另一组常开。
电桥一端接电源,另一端接了一个三极管。
三极管导通时,电桥通过三极管接地,电机电枢中有电流通过;三极管截止时,电桥浮空,电机电枢中没有电流通过。
系统通过电桥的输出端为转向电机供电。
通过对继电器开闭的控制即可控制电机的开断和转速方向进而达到控制玩具车前行与倒车的目的,实现随动控制系统的纠偏功能。
如图2.3前行与倒车控制电路所示。
图2.3前行与倒车控制电路
检测放大器方案:
方案一:
使用普通单级比例放大电路。
其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。
但是也存在着许多不足。
如抗干扰能力差、共模抑制比低等。
方案二:
采用差动放大电路。
选择优质元件构成比例放大电路,虽然可以达到一定的精度,但有时仍不能满足某些特殊要求。
例如,在测量本设计中的光电检测信号时需要把检测过来的电平信号放大并滤除干扰,而且要求对共模干扰信号具有相当强的抑制能力。
这种情况下须采用差动放大电路,并应设法减小温漂。
但在实际操作中,往往满足了高共模抑制比的要求,却使运算放大器输出饱和;为获得单片机能识别的TTL电平却又无法抑制共模干扰。
方案三:
电压比较器方案。
电压比较器的功能是比较两个电压的大小,例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较,在Ui>Ur和Ui 而Ui变化经过Ur时,比较器的输出将从一个电压跳变到另一个电平。 在本设计中,光电传感器只输出一种高低电平信号且伴有外界杂波干扰,所以我们尝试采用了一种滞回比较器。 简单电压比较器结构简单,而且灵敏度高,但它的抗干扰能力差,也就是说如果输入信号因受干扰在阈值附近变化,则比较器输出就会反复的从一个电平跳到另一个电平。 如果用这样的输出电压控制电机或继电器,将出现频繁动作或起停现象。 这种情况,通常是不允许的。 而滞回比较器则解决了这个问题。 滞回比较器有两个数值不同的阈值,当输入信号因受干扰或其他原因发生变化时,只要变化量不超过两个阈值之差,滞回比较器的输出电压就不会来回变化。 所以抗干扰能力强。 但是,滞回比较器毕竟是模拟器件,温度的漂移是它无法消除的。 方案四: 施密特触发器。 综合考虑系统的各项性能,最后我们决定采用数字器件——施密特触发器。 施密特触发器是双稳态触发器的变形,它有两个稳定状态,触发方式为电平触发,只要外加触发信号的幅值增加到足够大,它就从一个稳定状态翻转到另一个稳定状态。 施密特触发器具有与滞回比较器相类似的滞回特性,但施密特触发器的抗干扰能力比滞回比较器更强。 二、行车距离检测 由于红外检测具有反应速度快、定位精度高,可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点,故采用红外光电码盘测速方案。 具体电路同图2.5行车距离检测电路所示: 图2.5行车距离检测电路 红外测距仪由测距轮,遮光盘,红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。 测长轮的周长为记数的单位,最好取有效值为单一的数值(如本设计中采用0.1米),精度根据电动车控制的需要确定。 测距轮安装在车轮上,这样能使记数值准确一些。 遮光盘有一缺口,盘下方的凹形物为槽型光电耦合器,其两端高出部分的里面分别装有红外发射管和红外接收管。 遮光盘在凹槽中转动时,缺口进入凹槽时,红外线可以通过,缺口离开凹槽红外线被阻挡。 由此可见,测距轮每转一周,红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后送入计数器或直接送入单片机中。 为实现可逆记数功能,我们在测距仪中并列放置了两个槽型光电耦合器,遮光盘先后通过凹槽可产生两个脉冲信号。 根据两个脉冲信号发生的先后顺序与两个光电耦合器的位置关系,即可计算出玩具车的行驶方向(前进或后退)。 遮光盘及槽型光电耦合器均安装在不透光的盒子里,以避免外界光线的干扰,使电路不能正常工作。 测距原理: 将光栅安装在电机轴上,当电机转动时,光栅也随之转动,同时安装在光栅一侧的红外发光二极管点亮,在光栅的另一侧设有红外三极管,用于接收红外发光二极管发出的红外线信号。 由于光栅随电机高速转动,则红外线三极管接收到的就是一系列脉冲信号。 将该信号传输到80C51单片机的内部计数器计数,根据预先实测的数据换算关系即可计算出电动机车的行车距离。 第三章硬件设计 一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容: 一是
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