-智能電動(dòng)車

目錄 方案比較、選擇與論證 - 頁碼 1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) - 頁碼 2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說明 - 頁碼 2 系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)、理論分析和計(jì)算、詳細(xì)電路圖 - 頁碼 3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)、理論分析和計(jì)算、各程序框圖 - 頁碼 8 軟硬件分別調(diào)試、聯(lián)合調(diào)試 - 頁碼 11 測(cè)試儀器與測(cè)試試驗(yàn)方法 - 頁碼 12 開發(fā)、實(shí)驗(yàn)及測(cè)試儀器 - 頁碼 12 測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析計(jì)算 - 頁碼 13 特色與創(chuàng)新點(diǎn)討論、設(shè)計(jì)總結(jié) - 頁碼 13 附錄（操作說明、元器件清單、程序清單、參考文獻(xiàn)等） - 頁碼 14 摘 要 本系統(tǒng)按要求制作了一個(gè)簡(jiǎn)易智能電動(dòng)車，它能實(shí)現(xiàn)的功能是：從起跑線出發(fā)，沿引導(dǎo)線到達(dá) B 點(diǎn)。在此期間檢測(cè)到鋪設(shè)在白紙下的薄鐵片，并同時(shí)發(fā)出聲光指示信息，實(shí)時(shí)存儲(chǔ)、顯示在 “ 直道區(qū) ” 檢測(cè)到的薄鐵片數(shù)目。電 動(dòng)車到達(dá) B 點(diǎn)以后進(jìn)入 “ 彎道區(qū) ” ，沿圓弧引導(dǎo)線到達(dá) C 點(diǎn)，能夠檢測(cè) C 點(diǎn)下正方形薄鐵片，并在 C 點(diǎn)處停車 5 秒，停車期間發(fā)出斷續(xù)的聲光信息。之后繼續(xù)行駛，在光源的引導(dǎo)下，利用超聲傳感器傳來的信號(hào)通過障礙區(qū)進(jìn)入停車區(qū)并到達(dá)車庫。最后，電動(dòng)車完成上述任務(wù)后能夠立即停車，全程行駛時(shí)間小于 90 秒。 并附加其他功能 。 另外系統(tǒng)中傳感器電路額外加入了單片機(jī)便于 89C51 單片機(jī)在之后的運(yùn)行中檢測(cè)四周電路，減小 89C51 負(fù)擔(dān)。 軟件方面：因?yàn)?，?huì)，利用傳感器在檢測(cè)到某物體時(shí)輸出信號(hào)發(fā)生特定變化這種規(guī) 律，讓單片機(jī)只對(duì)此類信號(hào)有所反應(yīng)，大大減少了處理數(shù)據(jù)，算法，從而加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度。 一、 方案比較、選擇與論證 根據(jù)題目要求，有兩種解決方案。 1 、精確定時(shí)法 這種方案主導(dǎo)思想是在對(duì)電動(dòng)車直線、轉(zhuǎn)彎行駛速度以及行程的準(zhǔn)確把握基礎(chǔ)上利用單片機(jī)定時(shí)來使電動(dòng)車順利通過直道區(qū)、彎到區(qū)、障礙區(qū)并且最終到達(dá)車庫。 缺點(diǎn) ：供電電壓不穩(wěn)定，易導(dǎo)致小車車速不穩(wěn)定，則距離不好控制；另外路線固定不變，不能應(yīng)對(duì)意外事件，而且想要準(zhǔn)確跑完全程對(duì)于電動(dòng)車的起始位置、直線行進(jìn)參數(shù)、轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行精密測(cè)量和計(jì)算，智能化差。 2 、傳感器引導(dǎo)法 這種方法核心是單片機(jī)通過對(duì)傳感器信號(hào)檢測(cè)來控制制動(dòng)電機(jī)和電機(jī)轉(zhuǎn)向的動(dòng)作，智能化大大增強(qiáng)， 可以用下圖形象的表示出來： 我們把任務(wù)分為了 直道 + 彎道區(qū)、障礙區(qū)和停車區(qū)，劃分依據(jù)是：三個(gè)部分所用到的感應(yīng)器不同，實(shí)現(xiàn)方法也存在差別。 直道 + 彎道區(qū)主要用黑白檢測(cè)光電傳感器和金屬探測(cè)接近開關(guān)。 障礙區(qū)則是用到了超聲波傳感器。（帶顯示） 停車區(qū)考慮車庫放置了光源，因此選擇了光電傳感器引導(dǎo)小車進(jìn)入車庫。 比起前一種方案來說，這種方案應(yīng)用面更廣，也更接近實(shí)用化，智能化。重要的是單片機(jī)可以通過對(duì)感應(yīng)器信號(hào)的檢測(cè)來控制電機(jī)運(yùn)作，從而大大提高了運(yùn)行過程中的實(shí)時(shí)性，準(zhǔn)確性、使得電動(dòng)車能夠輕松的完成整個(gè)過程。 綜上所述，本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用方案 2 。 二、 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì) 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說明 圖一 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)車的自動(dòng)行駛、躲避障礙物、探測(cè)金屬、計(jì)數(shù)、報(bào)警、光電引導(dǎo)功能 、測(cè)量距離、數(shù)碼顯示、電機(jī)控制等功能。 單片機(jī)檢測(cè)出來感應(yīng)器輸出信號(hào)從而輸出控制信號(hào)，控制電機(jī)工作，在直道區(qū)，考慮引導(dǎo)線是黑顏色，不宜反光，決定利用這一特性選用反射式光電傳感器，當(dāng)其輸出信號(hào)照射到黑色引導(dǎo)線上是輸出一個(gè)非常微弱的低電平。這個(gè)過程是一個(gè)負(fù)跳變的過程通過對(duì)此信號(hào)高低電平的檢測(cè)就可以使電動(dòng)車沿著直道區(qū)和彎道區(qū)的引導(dǎo)線行進(jìn)。 當(dāng)?shù)叵掠薪饘贂r(shí)，金屬探測(cè)器發(fā)出一個(gè)高電平，用單片機(jī)進(jìn)行檢測(cè)。 沿引導(dǎo)線到達(dá) C 點(diǎn)，將從金屬探測(cè)接近開關(guān)發(fā)送來的信號(hào)作為一個(gè)外部終端信號(hào)處理，執(zhí)行停車并發(fā)出斷續(xù)的聲光信號(hào) ，同時(shí)進(jìn)行 5 秒定時(shí)計(jì)數(shù)工作。 在車頭安裝有超聲傳感電路對(duì)障礙物進(jìn)行檢測(cè)。（有效距離 30 厘米） 光電傳感器接收部分用于采集光信號(hào)，通過比較輸出信號(hào)向車庫行駛。（始終朝在輸出信號(hào)最強(qiáng)的方向行駛） 以上就是完成這個(gè)題目的大體思路和方法。 2 、系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)、理論分析和計(jì)算、詳細(xì)電路圖 根據(jù)系統(tǒng)要求，硬件電路包括 :電源部分，單片機(jī)最小系統(tǒng)、超聲波測(cè)距電路、金屬探測(cè)電路、光電傳感器、黑白探測(cè)傳感器、 電機(jī)控制電路、顯示電路，電動(dòng)車整體圖示如下： 電源部分 隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中顯得越來越重要，它對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)是否正常工作起著至關(guān)重要的作用。由于電動(dòng)車本身為六節(jié) 1.5V 電池供電 ,根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇 7805 穩(wěn)壓管將直流 9V 電壓轉(zhuǎn)成 5V 輸出。 7805 直流穩(wěn)壓電路圖： 電動(dòng)機(jī)和金屬感器部分用原有的 9V 電壓信號(hào)，其他電路、傳感器都為 5V 電壓供電。 （ 2）單片 機(jī)最小系統(tǒng) 利用單片機(jī)最小系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)電路板完成傳感器與電動(dòng)機(jī)的連接和控制。 單片機(jī)選用 89C51，其內(nèi)部有 4K 字節(jié)的 Flash Rom，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。具體為 89C51 的 18、19 腳接 6MHz， 40 腳輸入信號(hào)為 5 伏， 20 腳接地， EA 腳接高電平。 （ 3 ）金屬探測(cè)電路 由電路圖可以得出，當(dāng)有金屬被其探測(cè)到時(shí)，輸出端輸出一個(gè)高電平，即發(fā)生一個(gè)正向跳變，將這個(gè)正向跳變信號(hào)用單片機(jī)檢測(cè)出來，借此控制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作。 以下時(shí)金屬接近開關(guān)外驅(qū)動(dòng)電路： （ 4 ） 顯示電路 在單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器顯示常用兩種方法：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)掃描顯示。靜態(tài)顯示占用單片機(jī)資源小?？梢蕴峁﹩为?dú)鎖存的 I/O 接口電路很多，這里我們組選擇最常用的的串并轉(zhuǎn)換電路 74LS164。 利用單片機(jī)串行發(fā)送接收端口，外接 4 片 74LS164 作為 4 位 LED 顯示器的靜態(tài)顯示接口，把 89C51 的 RXD 作為數(shù)據(jù)輸出線， TXD 作為移位時(shí)鐘脈沖。 74LS164 為 TTL 單向 8 位移位寄存器，可實(shí)現(xiàn)串行輸入，并行輸出。 系統(tǒng)總圖： 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)、理論分析和計(jì)算、各程序框圖 根據(jù)方案設(shè)定的三個(gè)部分重點(diǎn)解決問題，可以將單片機(jī)大量工作集中在信號(hào)檢測(cè)和精確定時(shí)計(jì)數(shù)上。 具體實(shí)現(xiàn)方法： 因?yàn)檫@是一個(gè)對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高的系統(tǒng)，所以大量數(shù)據(jù)信號(hào)都要在盡量短的時(shí)間內(nèi)完成。 具體思路如下： 利用單片機(jī)查尋法編程，不斷的檢測(cè)外部傳感器信號(hào)，并及時(shí)輸出顯示。編程關(guān)鍵實(shí)時(shí)輸出。除了傳感器本身延時(shí)外，還與優(yōu)化程序程度和電機(jī)控制度有關(guān)。 4) 軟硬件分別調(diào)試、聯(lián)合調(diào)試 階段調(diào)試 我們按照前面的方案同樣將調(diào)試分為了 3 個(gè)階段： 第一階段：首先是直道區(qū) + 彎道區(qū)的調(diào)試 通過兩邊固定的光電傳感器對(duì)引導(dǎo)線檢測(cè)來實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車沿著引導(dǎo)線到達(dá)指定的地點(diǎn)。 根據(jù)題目要求，在行進(jìn)線路上需要檢測(cè)金屬片，因此，我們又加上了金屬接近開關(guān)用于實(shí)現(xiàn)這個(gè)要求。 利用原來作過的靜態(tài)顯示電路板和試驗(yàn)用過的子程序，我們將顯示功能又加在了系統(tǒng)當(dāng)中。 第二階段：障礙區(qū)的調(diào)試 在障礙區(qū)主要解決的問題是如何躲避障礙物，我們根據(jù)題目在車頭安 裝了一個(gè)超聲波發(fā)送接收模塊，當(dāng)檢測(cè)到有障礙物時(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)向。 第三階段：停車區(qū)的調(diào)試 檢測(cè)光電接收器的輸出信號(hào)，來尋找光信號(hào)最強(qiáng)的方向。 聯(lián)合調(diào)試 在分步調(diào)試全部通過的基礎(chǔ)上，我們開始了整個(gè)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)試，協(xié)調(diào)金屬傳感器、黑白光電傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器的配合工作。 三、測(cè)試儀器與測(cè)試試驗(yàn)方法 開發(fā)、實(shí)驗(yàn)及測(cè)試儀器 實(shí)驗(yàn)：顯示電路實(shí)驗(yàn)、電機(jī)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行試驗(yàn)、模擬場(chǎng)地試運(yùn)行試驗(yàn)、超聲波發(fā)射接收以及測(cè)距試驗(yàn)、光電接收試驗(yàn)、電機(jī)控制試驗(yàn) 測(cè)試儀器 ：示波器，多功能穩(wěn)壓電源，電壓表，秒表。 四、測(cè)試數(shù)據(jù)及測(cè)試結(jié)果分析計(jì)算 全程行進(jìn)時(shí)間： 24s （誤差 2s ） 行進(jìn)距離： 11.2m （誤差 3050cm ） 傳感器工作電壓： 金屬接近開關(guān) 9V 光電傳感器 5V 超聲波傳感 5V 黑白光電傳感器 5V 傳感器輸出信號(hào)：金屬接近開關(guān) 4.8V 光電傳感器 4.78V 超聲波傳感 5.0V 黑白光電傳感器 5V 五、特色與創(chuàng)新點(diǎn)討論、設(shè)計(jì)總結(jié) 在軟件和硬件上運(yùn)用了一些巧妙方法： 硬件方面：超聲傳感器電路部分額外加入了單片機(jī)擴(kuò)展了此模塊功能，并且是的輸出信號(hào)有規(guī)律可循，便于 89C51 單片機(jī) 在之后的運(yùn)行中檢測(cè)四周電路，減小 89C51 負(fù)擔(dān)，同時(shí)大大提高了電動(dòng)車載應(yīng)對(duì)障礙物時(shí)候的反應(yīng)時(shí)間。 軟件方面：因?yàn)閭鞲衅髟跈z測(cè)到某物體時(shí)，輸出信號(hào)會(huì)發(fā)生特定變化，利用這種變化規(guī)律，讓單片機(jī)只對(duì)此類規(guī)律的信號(hào)有所反應(yīng)，大大減少了處理數(shù)據(jù)，算法，從而加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，大量使用類似于 JB/JNB 命令對(duì)相應(yīng)端口進(jìn)行查詢，并且簡(jiǎn)化程序代碼，避免使用繁瑣復(fù)雜的終端控制，確保系統(tǒng)的高精確度。另外，整個(gè)運(yùn)行過程中通過采用等分時(shí)端口查詢思想，只要分時(shí)足夠小，電動(dòng)車就會(huì) 對(duì)外界因素有充足的反映空間，即達(dá)到了接近實(shí)時(shí)的信號(hào)檢測(cè)處理效果，又可通過最終等分時(shí)數(shù)目準(zhǔn)確計(jì)算出行駛距離，一舉兩得。 總結(jié)與體會(huì) ： 經(jīng)過為期四天的設(shè)計(jì)，感觸頗深的是解決問題的方法、技巧。在這四天中，我們遇到許許多多問題，對(duì)待問題要多方法處理，多角度處理。通過這幾天的設(shè)計(jì)競(jìng)賽，我們不但增強(qiáng)了實(shí)踐能力和協(xié)作精神，而且懂得了聯(lián)系實(shí)際的重要性，這對(duì)我們以后的學(xué)習(xí)和工作不無裨益。當(dāng)然，我們的設(shè)計(jì)還存在著一些缺陷，有待于在將來設(shè)計(jì)中進(jìn)一步提高，在此懇請(qǐng)各位老師批評(píng)指正。 附錄 操作說明 該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電 動(dòng)車的自動(dòng)行駛、躲避障礙物、探測(cè)金屬、計(jì)數(shù)、報(bào)警、光電引導(dǎo)功能、測(cè)量距離、數(shù)碼顯示、電機(jī)控制等功能。 1 ） 啟動(dòng)時(shí)將徹底的電源開關(guān)撥至 “ ON ” 位置，此時(shí)電源接通。 2 ）供電部分是 6 節(jié) 1.5V 五號(hào)電池，供電電壓 9V 。 3 ）調(diào)整電動(dòng)車底部前端的微調(diào)器，可調(diào)節(jié)電動(dòng)車的直線行駛性能。（ “ R ”是右， “ L ” 是左） 4 ）使用完畢請(qǐng)把車身的開關(guān)至 “ OFF ” 。 5 ）長(zhǎng)期不使用時(shí)，請(qǐng)取出車底及遙控器的電池，另行保管。 元器件清單 AT89C51 ， 74LS04 ， S9014 ， S9013 ，蜂鳴器，超聲波傳感器，光電傳感器，金屬探測(cè)傳感器， ULN2803 ，電阻、電容若干，發(fā)光管。 部分程序清單 (1) 測(cè)金屬： MAIN: MOV SP,60H MOV 40H,#00H MOV 41H,#00H MOV 42H,#00H MOV 43H,#00H MOV 60H,#00H ; ACALL BCD ; ACALL DISP ; MOV 40H,50H CLR P3.7 SS1: JB P3.7,SS1 ; SETB P3.7 SS2: JNB P3.7,SS2 MOV 40H,60H MOV A,40H ADD A,#01H ; INC 40H ; MOV A,40H DA A MOV 40H,A MOV 41H,#00H MOV 42H,#00H MOV 43H,#00H MOV 60H,40H ACALL BCD ACALL DISP ; ACALL DELAY1S CLR P3.7 AJMP SS1 DISP: MOV SCON,#00H MOV R0,#40H MOV R2,#04H L00C9: MOV SBUF,R0 L00CB: JNB TI,$ CLR TI INC R0 DJNZ R2,L00C9 RET BCD: MOV R0,#40H MOV R2,#04H MOV DPTR,#TABL TAB: MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,TAB RET TABL: DB 0C0H DB 0F9H DB 0A4H DB 0B0H DB 99H DB 92H DB 82H DB 0F8H DB 80H DB 90H 引導(dǎo)線測(cè)試： MAIN: MOV P1,#0FFH ACALL DELAY1S CLR P1.0 CC1: JNB P3.5,CC2 CLR P1.2 AJMP CC1 CC2: JNB P3.4,CC3 CLR P1.3 AJMP CC2 CC3: AJMP CC1 DELAY1S: MOV R3,#50 D1: MOV R4,#20 D2: MOV R5,248 DJNZ R5,$ DJNZ R4,D2 DJNZ R3,D1 RET （ 3 ）障礙物調(diào)試： MAIN: MOV P1,#0FFH ACALL DELAY1S SS: CLR P1.0 NOP DD1: JNB P3.6,DD1 SETB P1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP ; ACALL DELAY CLR P1.1 ACALL DELAY5S SETB P1.1 CLR P1.0 CLR P1.3 ACALL DELAY5S ACALL DELAY5S ACALL DELAY5S MOV P1,#0FFH AJMP SS DD3: JNB P3.6,DD3 SETB P1.0 NOP NOP NOP NOP NOP NOP CLR P1.1 ACALL DELAY5S SETB P1.1 CLR P1.2 CLR P1.0 ACALL DELAY5S MOV P1,#0FFH AJMP DD2 DELAY1S: MOV R3,#50 D1: MOV R4,#20 D2: MOV R5,248 DJNZ R5,$ DJNZ R4,D2 DJNZ R3,D1 RET DELAY5S: MOV R3,#5 D3: MOV R4,#20 D4: MOV R5,248 DJNZ R5,$ DJNZ R4,D4 DJNZ R3,D3 RET DELAY: NOP NOP NOP NOP NOP RET DD2: NOP NOP NOP NOP NOP END （ 4 ）傳感器協(xié)調(diào)程序： MAIN: ;MOV TMOD,#50H ;MOV TH1,#00H ;MOV TH0,#00H MOV P1,#0FFH ACALL DELAY1S CLR P1.0 ; AJMP LINE MOV 40H,#00H MOV 41H,#00H MOV 42H,#00H MOV 43H,#00H MOV 50H,40H ACALL BCD ACALL DISP MOV 40H,50H ;GO FORWARD SS1: JB P3.7,SS0 ACALL MEATAL AJMP SS1 SS0: JNB P3.3,SS2;LINE AJMP LINE;SS2 SS2: JNB P3.5,SS3 AJMP GUAIWAN SS3: AJMP SS1 MEATAL: DD1: JNB P3.7,DD1 MOV 40H,50H MOV A,40H ADD A,#01H ; INC 40H ; MOV A,40H DA A MOV 40H,A MOV 41H,#00H MOV 42H,#00H MOV 43H,#00H MOV 50H,40H ACALL BCD ACALL DISP ; ACALL DELAY1S MOV 40H,50H AJMP SS1 DISP: MOV SCON,#00H MOV R0,#40H MOV R2,#04H L00C9: MOV SBUF,R0 L00CB: JNB TI,$ CLR TI INC R0 DJNZ R2,L00C9 RET BCD: MOV R0,#40H MOV R2,#04H MOV DPTR,#TABL TAB: MOV A,R0 MOVC A,A+DPTR MOV R0,A INC R0 DJNZ R2,TAB RET TABL: DB 0C0H DB 0F9H DB 0A4H DB 0B0H DB 99H DB 92H DB 82H DB 0F8H DB 80H DB 90H LINE: SETB P1.1 SETB P1.2 SETB P1.3 NOP CLR P1.0 ;REJUD: ;JB P3.3,CONTR JB P3.5,GUAIWAN ; AJMP REJUD CONTR: CLR P1.3 ACALL DELAY9S JB P3.5,GUAIWAN SETB P1.3 NOP JB P3.5,GUAIWAN NOP NOP JB P3.5,GUAIWAN NOP NOP NOP CLR P1.2 ACALL DELAY8S JB P3.5,GUAIWAN SETB P1.2 JB P3.5,GUAIWAN ; AJMP REJUD AJMP SS1 GUAIWAN: CLR P1.0 CLR P1.2 ACALL DELAY6S SETB P1.2 ACALL DELAY1S CLR P1.2 ACALL DEL