迷宫探险智能电动车.docx
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迷宫探险智能电动车.docx
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迷宫探险智能电动车
设
计
报
告
设计人:
洪国阳潘进旺苏雪红
指导老师:
郭海燕
目录
迷宫探险智能电动车3
1.系统设计4
1.1设计任务4
1.2设计要求5
1.2总体设计方案6
1.2.1系统设计思路6
1.2.2各模块方案论证与选择6
2.单元电路设计8
2.1直流电机驱动模块8
1.1.1电路原理8
2.1.2参数计算9
2.2黑线跟踪模块9
2.2.1电路原理9
2.2.2参数计算9
2.3障碍物检测模块10
2.3.1工作原理10
2.3.2参数计算10
2.4寻光电路模块11
2.4.1工作原理11
2.4.2参数计算11
2.5霍尔测速模块11
2.5.1工作原理11
2.5.2参数计算12
3软件设计12
3.1软件平台、开发工具12
3.2软件实现的功能12
3.3软件设计思想13
3.4软件总系统的设计13
3.4.1软件的功能及算法13
3.4.2总程序流程图14
3.4.3子程序流程图15
4系统测试16
5结论16
6参考文献17
7附录17
附录1元器件明细表17
附录2仪器设备清单18
附录3原理图18
附录4PCB版图19
附录5程序清单19
迷宫探险智能电动车
摘要:
本设计以PIC16F877A芯片为核心,实现迷宫探险智能小车的系统设计。
该设计由直流电机正反转驱动电路模块,寻光电路模块,红外对射模块,霍尔测速模块以及障碍物检测电路模块组成。
通过软件编程实现智能电动车进入迷宫探险,能够躲避障碍物,最终找到光源目的地;其中,智能小车还可以实时显示行走的距离大小。
关键字:
智能小车PIC16F877A霍尔测速红外对射直流电机正反转
1.统设计
1.1设计任务
设计并制作一个简易智能电动车,其行驶路线示意图如下:
1.2设计要求
1、基本要求
(1)电动车从起跑红线出发(车体不得超过起跑线),从A点进入迷宫行驶。
(2)电动车到达B点以后进入长度不小于70cm,宽度不大于20cm的“桥梁”行驶(此处无围墙)。
(3)至C点仍进入迷宫行驶(两边仍有木质或纸质围墙)。
(4)到达D点,停车3秒,停车期间发出断续的声光信息。
(5)电动车经过D点后绕一个直径不大于60cm的圆形环岛行驶,至出口E点。
(6)电动车驶出出口红线立即停车,同时发出声光信息5秒。
全程行驶时间不能大于180秒,行驶时间达到180秒时必须立即自动停车。
2、发挥部分
(1)电动车在迷宫内行驶过程中,存储并显示B、C、D、E点至起跑线间的距离和行驶时间。
(2)可以从键盘设置环绕圆形环岛行驶的圈数。
让小车绕环岛运行若干周,且记录显示每圈绕行的长度。
绕行时间、距离最短且每次的两项数值最接近者为优。
(3)停车后,能准确显示电动车全程行驶时间。
(4)其它:
器材尽量考虑降低成本
1.2总体设计方案
1.2.1系统设计思路
本设计以PIC16F877A芯片为核心,实现迷宫探险智能小车的系统设计。
该设计由直流电机正反转驱动小车行使,红外对射电路保证小车按黑线的方向探寻,障碍物检测电路让小车能够安全避障;而寻光电路模块引导小车朝终点前行,同时,霍尔测速模块可以实时显示小车行使路程。
最终,智能小车可以顺利通过迷宫探险,到达光源终点。
系统框图如1。
图1系统框图
1.2.2各模块方案论证与选择
1.控制系统方案论证与选择
市场上常见的单片机有51系列和PIC系列,以下有两种方案。
方案一:
采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为系统的的控制器。
89系列单片机算术运算功能强,软件编写灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点。
但89C51单片机外围资源少,指令多为双周期,抗干扰能力不强。
方案二:
采用PIC16F877A单片机作为系统控制器。
PIC单片机具有89C51单片机的上述优点,而且内部自带资源丰富,可以大大减少系统的外围扩展电路,系统更加简洁。
PIC单片机抗干扰能力强,系统具有更高的性价比。
基于以上分析选择方案二。
2.直流电机驱动方案论证与选择
方案一:
利用继电器驱动直流电机正反转,电路的工作状况由I/O1和I/O2的逻辑电平决定。
当I/O1和I/O2的逻辑电平为01、10时,电机可以正常转动。
当I/O1和I/O2的逻辑电平为00、11及悬空时,电机不工作。
该电路直观,易于实现,不存在禁止状态;控制相同功率的电机成本较低;但是,继电器触点使用寿命有限。
方案二:
利用功率管驱动直流电机正反转,电路中电机转动方向由I/O1和I/O2的电平决定。
当I/O1和I/O2的逻辑电平为01、10时,电机可以正反转动。
当I/O1和I/O2的逻辑电平为00、11时,电机不工作。
使用寿命比较久,但是禁止I/O口悬空。
考虑实际情况,采用方案二。
3.黑线检测方案
利用反射式光电传感器的感光特性,检测智能小车迷宫探险的黑线路程。
传感器的阻值会随外界光的强弱的改变而随之变化,然后,通过LM324构成的电压比较电路,即可在输出端得到不同的高低电平。
通过软件编程将输出的电平值进行判定,从而控制小车前行的方向。
4.障碍物检测方案论证与比较
方案一:
采用由集成锁相环解码器LM56,红外发射、红外接受管构成电路检测障碍物。
当红外发射管检测到障碍物时,红外线被障碍物反射,照射在红外接收模块上,将其作为LM567第3脚输入信号,利用LM567内部VCO的频率锁定特性,即可在LM567的第8脚输出一个电平值。
根据该电路是否检测到障碍物的不同情况,第8脚输出的电平值也相应不一样。
即输出端I/O的高低平不同,而单片机根据I/O高低电平不同,作出相应判定使智能小车能绕过障碍物安全地继续前行。
本电路结构较为简单,频带采集范围宽,但是红外发射、红外接收管的灵敏度较差。
方案二:
采用555构成多谐振荡器产生红外发射信号,用LM567、红外接收管构成接受跟锁定部分。
该方法检测的性质与方案一类似,其优点体现在红外发射灵敏度高;但是,电路结构较复杂,芯片开销较大。
由于本设计对灵敏度要求不高,故采用方案1.
5.寻光电路方案
利用光敏电阻特性实现智能小车寻光源的目的。
由于光敏电阻阻值会随光线强弱而改变,然后,通过由LM324构成的电压比较电路,即可在输出端得到不同的高低电平。
通过软件编程将输出的电平值进行判定,控制小车朝光源前行。
6.路程测量方案
在智能小车的车轮均匀安装n个磁铁,利用开关型霍尔元件测量小车的转速,即可计算小车行驶的路程大小。
霍尔开元件特性是,当磁铁靠近而后远离的过程中,霍尔开关的第3脚也随之导通而截止的变化。
这样,就给输出端的I/O不同电平值。
通过软件编程计算,就可以在PIC16F877A系统板上用数码管实时显示出小车行驶路程的大小。
2.单元电路设计
2.1直流电机驱动模块
1.1.1电路原理
由功率管驱动直流电机正反转来实现智能小车前进跟后退。
电路中电机转动方向由I/O1和I/O2的电平决定:
当I/O1和I/O2为00时,T1、T2导通,T3、T4截止,加在电机两端上的电压差为0,电机不转。
当I/O1和I/O2为01时,T1、T4导通,T2、T3截止;当I/O1和I/O2为10时,T1、T4截止,T2、T3导通。
这两种情况流经电机上的方向互为相反,电机转动方向也相反。
当I/O1和I/O2为11时,T1、T2截止,T3、T4导通,加在电机两端上的电压差为0,电机不转。
当I/O1和I/O2悬空时,+5V经R1、TLP521的内部发光二极管、LED1、R4、T3、形成零点几毫安的电流,使T3一定程度的导通,该电流使光偶TLP521输出端微弱导通,进而拉低T1基极点位,使T1一定程度的导通;同理,T2和T4也一定程度导通,从而+V电源经T1、T3和T2、T4短路到地,会损坏功率管,故I/O1和I/O2不允许悬空。
电路原理图如1。
2.1.2参数计算
本设计选用的电机规格它的工作电压为2.4V,工作电流800mA,考虑到电机启动瞬间存在浪涌电流,故功率管的电流限额应是电机正常工作电流的4~5倍,所以功率管采用TIP122和TIP127即可满足要求。
R1和R8阻值的选择原则是,使流经发光二极管的电流位10~15mA。
二极管光强最大时,它的管压降为1.8~2.0V;根据公式
可知
所以取R1和R8的阻值约为100~140
。
R3、R4、R5、R6的选择原则是,能够为功率管提供足够的驱动电流,可选择阻值为5.1K。
2.2黑线跟踪模块
2.2.1电路原理
智能小车行走的迷宫小路由黑线组成,所以需要设计黑线跟踪模块才能实现安全探险。
为了准确探寻小车前行的迷宫路径,在小车的车头设计了3个反射式光电传感器,且各传感器之间的间距略大于黑线的宽度(黑线的线宽约2cm,两两传感器间距约2.3cm)。
黑线电路模块由PRP220、LM324及电阻构成电压比较电路。
根据传感器特性可知,当传感器检测到黑线时,PRP220的接收管截止;当传感器检测到白纸时,PRP220的接收管导通。
将PRP220传感器的变化值通过一个由LM324构成的电压比较电路(比较器基准电压可以通过电位器调节),在其输出端I/O即可得到不同的高低电平。
单片机根据I/O高低电平不同作出判断,使小车按黑线方向前行探险。
电路图如2.
图2黑线跟踪
2.2.2参数计算
光耦合PRP220的工作电流为10~15mA,工作电压为1.8V,根据公式
,电源电压取5V,计算可得R17阻值为200~320
。
电位器RW1取5K,R19取1K,使参考电压变化范围约
之间。
2.3障碍物检测模块
2.3.1工作原理
智能小车在迷宫探险的过程中,可能会遇到设置的障碍物,因此,需要设计障碍物检模块。
该障碍物检测模块由红外发射,红外接收以及集成块LM567等构成。
LM567的第5、6脚外接定时电阻和定时电容,第5脚输出
的方波信号,该方波信号经三极管9012放大后驱动红外发射管LED发射红外线。
当没有检测到障碍物时,红外接收模块收不到红外管发射的红外信号,则LM567的第3脚无输入信号,此时LM567的第8脚输出高电平且二极管灭,即输出端I/O为高电平;当检测到障碍物时,红外发射管发出的红外线被障碍物反射,照射在红外接收模块上,此时LM567的第3脚有输入信号,该信号的频率与LM567内部VCO的频率一致,LM567锁定输入信号,则LM567的第8脚输出低电平且二极管发亮,即输出端I/O为低电平;单片机根据I/O高低电平不同,作出相应判定使智能小车能绕过障碍物安全地继续前行。
电路图如3所示。
图3障碍物检测电路
2.3.2参数计算
本次设计锁相环的中心频率为4.45K,根据公式中心频率为f=1.1/RC,当取C=0.1uF时,计算可得R=2.2K。
RW电位器用来调整红外发射管LED的发射功率,以便调节检测障碍物的灵敏程度,故可取阻值约1K电位器。
红外接收的LM358电路是为了放大接受信号,以便后端的比较。
2.4寻光电路模块
2.4.1工作原理
智能小车在探险迷宫的过程中,是依靠光源来判定是否到达终点,所以需要设计寻光电路模块。
该模块由光敏电阻,LM324以及电阻构成电压比较电路。
当光敏电阻检测到光源时,光敏电阻的阻值会变小;当光敏电阻没有检测到光源时,光敏电阻的阻值变大。
将光敏电阻的变化值通过一个由LM324构成的电压比较电路(比较器基准电压约为1/2VCC),在其输出端的I/O即可得到不同的高低电平。
单片机根据I/O高低电平不同,对小车的行使方向做出相应的判断从而保证小车安全行使到终点。
其中,RW电位器用来调整光敏电阻的电压大小,从而提高感光的灵敏程度。
电路图如4。
图4寻光电路
2.4.2参数计算
R34、R36构成分压电阻,使得电路基准电压约为2.5V,故它们的阻值可取10K。
通过调节RW电位器可控制电路的灵敏度,因此初始状态可调节电位器使电压比较器的输出端输出低电平,使电位器处在比较器输出高电平和低电平的临界值之间,所以电位器取阻值100K。
2.5霍尔测速模块
2.5.1工作原理
智能小车要实时显示探寻的路程大小,所以需要设计一个测速的模块电路,通过跟单片机配合来测得转速,从而实现对路程大小的测量。
该电路由开关型霍尔元件组成,输出端接一个上拉电阻实现。
在智能小车的车轮均匀安装n个磁铁,当磁铁靠近霍尔开关时,霍尔开关导通它的3脚输出低电平,即输出端I/O为低电平;当磁铁远离霍尔开关时,霍尔开关截止它的3脚输出高电平,即输出端I/O为高电平。
因此,每检测到一个脉冲时路程加上
(L为车轮的周长),即可测出小车行走的路程。
电路图如5。
图5霍尔测速电路
2.5.2参数计算
霍尔元件选用44E型号,该器件为集电极开路输出,故输出端应接一个上拉电阻,其电源电压范围宽达4.5~25V。
3软件设计
3.1软件平台、开发工具
软件部分用PIC单片机的汇编语言编写。
同时我们还利用PIC单片机专用在线调试工具MPLABICD2,把程序下载到PIC16F877A芯片中,使得软件与硬件结合起来,使用方便,调试容易。
本设计采用的时钟晶振为4MHZ,故每条指令周期为1uS。
PIC16F877A采用哈佛结构设计,两级流水线取指令方式,具有开发容易,周期短,高速,低功耗,且功能强等特点,给阅读和使用都带来了极大的方便。
3.2软件实现的功能
系统的软件设计采用PIC的汇编语言进行编写,对单片机进行编程实现各项功能。
软件实现的功能是:
(1)检测、计算、显示和储存小车运动距离;
(2)显示电动小车运行时间,并储存;
(3)寻找光源;
(4)小车速度控制(产生PWM信号);
(5)数码管与发光二极管显示不同的状态,实现人机对话;
(6)检测运动过程中遇到的障碍物,并且能避开障碍继续前行。
3.3软件设计思想
该软件系统采用PIC单片机汇编语言编写,根据设计任务要求,采用2.5mS程序扫描。
主程序里进行按键扫描,键后处理,键后滤波,显示扫描,D/A转化,A/D采样,以及A/D、D/A校准等,并根据状态值进入各个功能模块,各个功能模块分别为设定电流、采样电流显示模块和调整设定电流模块;用定时器2自身带有的周期寄存器可实现自动重装载,设置周期寄存器初值为249,后分频为1:
10;根据公式T=P1*P2*(PR2+1)可实现2.5ms主程序循环基准时间。
3.4软件总系统的设计
3.4.1软件的功能及算法
总流程图采用模块化结构,复位分为两部分,在RAM建立各控制量的映射,方便各功能模块的编程,方便修改。
分块功能模块结构,可实现无扰动重入。
软件模块按功能划分,是以子程序的形式设计的,程序分别对各个功能进行调用,各个模块功能清晰明了。
3.4.2总程序流程图
3.4.3子程序流程图
4系统测试
首先,设置小车前后轮的PWM脉冲宽度,保证直流电机可以正常转动;然后,按下起始按键让小车沿设置的黑线方向寻走,在寻迹的过程中,任意设置障碍物,发现小车能够识别并避开障碍物继续沿黑线方向前;在一定距离处,设置一个光源,观察小车能准确识别光源方向并安全到达。
但是,如果几个模块合并时,发现小车不能正常行驶,感到十分遗憾。
所以,本次试验不是十分圆满。
5结论
本次设计有用到霍尔开关检测路程,当小车只有后轮行走时路程的检测是正确的。
但前轮有动作时路程的检测就出现不正常。
主要是因为只用一个电源供电,前轮的动作影响到霍尔元件的工作电流,从而影响到霍尔元件对路程的检测。
解决方法是用双电源供电,因为器件问题这次我们没有进行修正。
从这个汽车自动控制赛题中也可以看出,要对行驶的汽车实施控制不是一个简单的电子控制问题,它涉及到光学、力学和机械学等领域,并与单片机相结合,从而使控制效果优化。
6参考文献
[1]张华林,周小方编著.电子设计竞赛实训教程[M].北京:
北京航空航天大学出版社.2007.7.P10-12
[2]杨素行主编.清华大学电子学教研组编.模拟电子技术基础简明教程[M].高等教育出版社.
[3]徐孟尝主编.清华大学电子学教研组编.数字电子技术基础简明教程[M].高等教育出版社.
[4]李荣正,刘启中,陈学军编.PIC单片机原理及应用第2版[M].北京:
北京航空航天大学出版社.
李学海主编.PIC单片机实用教程[M]—提高篇.北京:
北京航空航天大学出版社
7附录
附录1元器件明细表
序号
名称
型号及规格
数量
1
功率管
TIP127
2
2
功率管
TIP122
2
3
单片机
PIC16F877A
4
红外对射
RPR220
3
5
光耦器件
TLP521
4
6
霍尔元件
A44E
1
7
光敏电阻
4
8
集成片
LM324
1
9
数码管
8
附录2仪器设备清单
序号
名称、型号及规格
主要技术指标
数量
备注
1
台式万用表
1
2
直流稳压电源
1
3
双踪数字示波器
带宽60MHZ
1
4
万用表
1
附录3原理图
图2黑线跟踪图4寻光电路
图3障碍物检测电路
图5霍尔测速电路
附录4PCB版图
电机驱动与霍尔开关
黑线检测与寻光电路
附录5程序清单
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