自動(dòng)追光自動(dòng)避障電動(dòng)小車(chē)

1、目錄摘 要31 引 言32方案設(shè)計(jì)與論證32.1總體方案描述32.2微處理器模塊的比較與論證42.3電機(jī)的比較與論證42.4追光模塊的比較與論證52.5避障模塊的比較與論證52.6自動(dòng)停止模塊的比較與論證53系統(tǒng)硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)63.1硬件實(shí)現(xiàn)63.1.1 微處理器電路63.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路63.1.3 追光模塊電路73.1.4 超聲波避障電路73.1.5 電源保護(hù)模塊電路83.2軟件實(shí)現(xiàn)83.2.1 流程圖84系統(tǒng)測(cè)試104.1主要測(cè)試用的儀器104.2測(cè)試結(jié)果114.2.1 追光模塊測(cè)試114.2.2 避障模塊測(cè)試114.2.3 太陽(yáng)能電池板追光測(cè)試114.2.4 自動(dòng)停止模塊測(cè)試124

2、.2.5 基本部分測(cè)試124.2.6 發(fā)揮部分測(cè)試125總 結(jié)13參考文獻(xiàn)14附 錄15附錄1電路圖：15附錄2主程序：16摘 要本設(shè)計(jì)基于MSP430F149單片機(jī)為控制器，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)帶有自動(dòng)尋光、自動(dòng)避障、自動(dòng)追光太陽(yáng)能充電系統(tǒng)的電動(dòng)小車(chē)。本系統(tǒng)包含控制器、步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)、小車(chē)尋光、超聲波避障、太陽(yáng)能板充電以及太陽(yáng)能板自動(dòng)追光等模塊。該電動(dòng)小車(chē)能夠在場(chǎng)地內(nèi)自動(dòng)尋找光源前進(jìn)并能夠檢測(cè)前方多個(gè)障礙物并能繞道前行;車(chē)上太陽(yáng)能板能夠自動(dòng)追光始終對(duì)準(zhǔn)光源并給電池充電，且有LED顯示充電狀態(tài):小車(chē)能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)跑完全程并能自行停止。整個(gè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了全部功能要求，運(yùn)行穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：MSP430F14

3、9；超聲波傳感器；太陽(yáng)能電池板；電動(dòng)小車(chē)1 引 言隨著汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)進(jìn)入調(diào)整期，目前，全球石油資源緊缺，且油價(jià)不斷上漲，沖擊了各個(gè)行業(yè)，尤其是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)，同時(shí)人類(lèi)面對(duì)著全球變暖、水平面上升等世界性問(wèn)題。因此未來(lái)的汽車(chē)將走向電動(dòng)汽車(chē)的時(shí)代，而太陽(yáng)能是目前作為最清潔的能源，對(duì)人類(lèi)來(lái)說(shuō)無(wú)疑是一種新型的能源。本設(shè)計(jì)便是針對(duì)太陽(yáng)能供電小車(chē)的研究，其中的主要難點(diǎn)在于追光與避障功能的實(shí)現(xiàn)，而本設(shè)計(jì)已經(jīng)完美的完成了這兩點(diǎn)，并且充分利用綠色資源，實(shí)現(xiàn)了小車(chē)的智能化。2方案設(shè)計(jì)與論證2.1總體方案描述使用100W的白熾燈作為電源，通過(guò)太陽(yáng)能電池板收集電能，然后通過(guò)升壓電路給蓄電池充電，再由蓄電

4、池給電動(dòng)小車(chē)供電。小車(chē)在啟動(dòng)以后，使用光敏三極管尋找光源，發(fā)現(xiàn)光源后，由單片機(jī)MSP430F149控制，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)小車(chē)沿著光源方向運(yùn)動(dòng)。在沿光源運(yùn)動(dòng)的道路上，放置3個(gè)障礙物，電動(dòng)小車(chē)前端使用超聲波傳感器，超聲波傳感器發(fā)現(xiàn)障礙物后，將信號(hào)傳給單片機(jī)MSP430F149，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)小車(chē)能夠自動(dòng)避開(kāi)，然后繼續(xù)沿光源方向運(yùn)動(dòng)，同時(shí)太能能板始終正對(duì)著光源。運(yùn)動(dòng)到一定距離以后，利用太陽(yáng)能電池板距離光源遠(yuǎn)近不同所產(chǎn)生的電壓不同，利用此原理實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車(chē)的自動(dòng)停車(chē)。圖2.1 系統(tǒng)框圖2.2微處理器模塊的比較與論證方案一：51系列單片機(jī)，是8位單片機(jī)，體積小，低功耗，控制能力強(qiáng)，擴(kuò)展靈活，使用方便。但是其運(yùn)行速度很

5、慢，（因?yàn)槭荂ISC（集中指令）結(jié)構(gòu)，而且芯片為了抗干擾采用了12分頻的方法）、所有的I/0口都是準(zhǔn)雙向口，I/0口的驅(qū)動(dòng)能力弱。方案二：MSP430F149單片機(jī)，是16位單片機(jī)，處理能力強(qiáng)，超低功耗，并且運(yùn)算速度快。相比較之下選擇方案二。2.3電機(jī)的比較與論證方案一：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過(guò)載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)；能滿(mǎn)足生產(chǎn)自動(dòng)化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、啟停的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻

6、率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)一個(gè)脈沖信號(hào)， 電機(jī)則轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)步距角。因此，步進(jìn)電機(jī)具有快速啟停能力，如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能立即使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)，而且步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)換精度高，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，非常適合定位控制系統(tǒng)。相比較之下選擇方案二。2.4追光模塊的比較與論證方案一：使用光敏電阻檢測(cè)光源，反應(yīng)靈敏度一般，檢測(cè)距離范圍有限，其受外部影響較大，檢測(cè)信號(hào)易出現(xiàn)誤差，故放棄使用此方案。 方案二：使用光電三極管自制追光傳感器。此方案價(jià)格低廉，可靠性良好，且便于安裝在小車(chē)上。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)得知反應(yīng)靈敏，能滿(mǎn)足此系統(tǒng)的要求，所以我們選擇方案二。2.5避障模塊的比較與論證方案一:

7、 利用超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)，它具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)，超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測(cè)模式。位于傳感器前面的被檢測(cè)物通過(guò)將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測(cè)到被測(cè)物。方案二：使用紅外傳感器，它是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，檢測(cè)距離可以根據(jù)要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，發(fā)出的紅外線照射到黑色的平面后紅外線被吸收。若紅外接收管能接收到反射回的紅外線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到紅外線則檢測(cè)出黑線繼而輸出

8、高電平。由于測(cè)試中使用的是白熾燈，產(chǎn)生的光中，紅外光占有比例較大，如使用紅外傳感器，會(huì)有較大的干擾。所以考慮到設(shè)計(jì)中對(duì)障礙物中尺寸和顏色上的要求以及使用的方便性、穩(wěn)定性和檢測(cè)具體的可調(diào)性，選擇方案一。2.6自動(dòng)停止模塊的比較與論證方案一：將太陽(yáng)能電池板經(jīng)吸收太陽(yáng)能后產(chǎn)生的電壓值傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中，若電壓值達(dá)到一定值則判定小車(chē)已經(jīng)距離光源足夠近，單片機(jī)發(fā)出停車(chē)指令。這種方法是根據(jù)太陽(yáng)能電池板發(fā)電電壓與其與光源距離成反比這一結(jié)論，進(jìn)而利用太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的電壓值來(lái)判斷與光源的距離。方案二：采用熱敏電阻，本設(shè)計(jì)采用的光源是白熾燈，白熾燈是在照明的時(shí)候能夠產(chǎn)生大量的熱量，我們可以利用該特性，采用熱敏電阻制

9、作一個(gè)停車(chē)模塊。熱敏電阻的阻值能夠隨著周?chē)鸁岬牟煌淖儭Ｈ缓笸ㄟ^(guò)比較器控制小車(chē)靠近光源時(shí)自動(dòng)停車(chē)。相比較之下，方案一更易操作，所以選擇方案一。3系統(tǒng)硬件、軟件的實(shí)現(xiàn)3.1硬件實(shí)現(xiàn)3.1.1 微處理器電路本設(shè)計(jì)采用的MSP430F169的最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示。圖3.1 微控制器電路圖3.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路L298N是ST公司生產(chǎn)的芯片。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V，并且可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)，而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。圖3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3.1.3 追光模塊電路本設(shè)計(jì)是采用光敏三極管來(lái)進(jìn)行追光，電動(dòng)

10、小車(chē)上一共安裝有三路光敏三極管，若中間的光敏三極管感應(yīng)到光，則向前直行。當(dāng)邊路的光敏三極管感應(yīng)到光，便會(huì)向那個(gè)方向轉(zhuǎn)彎，使其向著光源直行。圖3.3 光敏三極管電路圖3.1.4 超聲波避障電路超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，它是利用壓電效應(yīng)的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化。超聲波測(cè)距的原理一般采用渡越時(shí)間法，首先測(cè)出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時(shí)間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物的距離。超聲波傳感器具有測(cè)量一定的測(cè)量范圍，一般從幾厘米到幾米不等。本設(shè)計(jì)通過(guò)設(shè)定一定的距離來(lái)進(jìn)行避障。圖3.4 超聲波模塊電路圖3.1.5 電源保護(hù)模塊電路一般的蓄電池具有過(guò)電流保護(hù)，所以本系統(tǒng)設(shè)計(jì)為短接

11、保護(hù)和反接保護(hù)。一般情況下給蓄電池充電電壓必須大于蓄電池電壓，否則可能造成放電現(xiàn)象。所以在對(duì)蓄電池充電時(shí)經(jīng)升壓模塊升壓到12V對(duì)其進(jìn)行充電，并帶有指示燈顯示其充電狀態(tài)，以達(dá)到安全充電的目的。圖3.5 電路保護(hù)模塊電路圖3.2軟件實(shí)現(xiàn)3.2.1 流程圖設(shè)計(jì)主程序流程圖如下：圖3.5 主程序流程圖其中，追光程序流程圖如下：圖3.6 追光程序流程圖避障程序流程圖如下：圖3.7 避障程序流程圖調(diào)整太陽(yáng)能電池板程序流程圖如下：圖3.8 調(diào)整太陽(yáng)能電池板程序流程圖4系統(tǒng)測(cè)試4.1主要測(cè)試用的儀器至此我們已近完成了硬件各功能的調(diào)試與軟件的編寫(xiě)，為了驗(yàn)證本設(shè)計(jì)能否按要求完成規(guī)定操作，在此做了以下測(cè)試。首先分別

12、測(cè)試各模塊：追光模塊、避障模塊、太陽(yáng)能電池板追光、自動(dòng)停止模塊。最后再測(cè)試整體功能是否能夠在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)按要求完成所有動(dòng)作。其中需要使用到的工具與儀器如下：表4.1 測(cè)試儀器序號(hào)名稱(chēng)數(shù)量備注1白熾燈1100W以下2障礙物515cm*15cm*15cm3秒表1記錄時(shí)間4米尺1測(cè)量場(chǎng)地大小4.2測(cè)試結(jié)果4.2.1 追光模塊測(cè)試分別將光源放在小車(chē)的左側(cè)、前方和右側(cè)。測(cè)試小車(chē)的追光情況，測(cè)試結(jié)果如下表：表4.2 追光模塊測(cè)試結(jié)果序號(hào)光源位置能否正確追光1左側(cè)能2前方能3右側(cè)能結(jié)論：小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)追光，比較穩(wěn)定。4.2.2 避障模塊測(cè)試將障礙物隨機(jī)選擇位置放置在小車(chē)與光源之間，測(cè)試小車(chē)的避障情況，并記錄時(shí)

13、間，測(cè)試結(jié)果如下表：表4.3 避障模塊測(cè)試結(jié)果場(chǎng)地大小障礙物個(gè)數(shù)能否正常避障所用時(shí)間1.5m*1.5m3能18s3能23s3能19s2m*2m5能28s5能16s5能21s結(jié)論：小車(chē)能夠?qū)崿F(xiàn)避障，比較穩(wěn)定。4.2.3 太陽(yáng)能電池板追光測(cè)試將光源分別放置在小車(chē)的左側(cè)、右側(cè)、前方和背后，測(cè)試太陽(yáng)能電池板對(duì)準(zhǔn)光源的情況，測(cè)試結(jié)果如下：表4.4 太陽(yáng)能電池板追光測(cè)試結(jié)果場(chǎng)地大小光源位置能否追光1.5m*1.5m左側(cè)能前方能右側(cè)能2m*2m背后能結(jié)論：太陽(yáng)能電池板能夠完成追光，并且比較穩(wěn)定。4.2.4 自動(dòng)停止模塊測(cè)試測(cè)試三次小車(chē)靠近光源后的自動(dòng)停止情況，并測(cè)量停止時(shí)距離光源的距離，測(cè)試結(jié)果如下：表4.

14、5 自動(dòng)停止模塊測(cè)試結(jié)果序號(hào)能否自動(dòng)停止距離1能15cm2能23cm3能18cm結(jié)論：小車(chē)可以完全實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停止功能，比較穩(wěn)定。4.2.5 基本部分測(cè)試場(chǎng)地大小為1.5m*1.5m，白熾燈距離地面25cm，小車(chē)距離白熾燈1.5m，在小車(chē)與光源之間隨機(jī)放置三個(gè)障礙物，測(cè)試小車(chē)從起始點(diǎn)直至最終停止的情況是否能夠滿(mǎn)足題目要求，并記錄時(shí)間。測(cè)試結(jié)果如下：表4.6 基本部分測(cè)試結(jié)果序號(hào)追光是否正常避障是否正常太陽(yáng)能板追光是否正常自動(dòng)停止是否正常所用時(shí)間1是是是是42s2是是是是34s3是是是是56s結(jié)論：本設(shè)計(jì)能夠完全實(shí)現(xiàn)題目中基本部分的要求。4.2.6 發(fā)揮部分測(cè)試場(chǎng)地大小為2m*2m，白熾燈距離地面2

15、5cm，小車(chē)背光行駛，在小車(chē)前進(jìn)方向隨機(jī)放置五個(gè)障礙物，測(cè)試小車(chē)從駛離光源直至最終駛出場(chǎng)地的情況是否能夠滿(mǎn)足題目要求，并記錄時(shí)間。測(cè)試結(jié)果如下：表4.7 發(fā)揮部分測(cè)試結(jié)果序號(hào)追光是否正常避障是否正常太陽(yáng)能板追光是否正常所用時(shí)間1是是是31s2是是是24s3是是是28s結(jié)論：本設(shè)計(jì)能夠完全實(shí)現(xiàn)題目中發(fā)揮部分的要求。5總 結(jié)我們?cè)诂F(xiàn)有條件對(duì)小車(chē)的部分功能進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果顯示小車(chē)較好地實(shí)現(xiàn)了題目的基本要求和發(fā)揮功能，性能較穩(wěn)定。我們?cè)谠O(shè)計(jì)中我們也出現(xiàn)了許多問(wèn)題，這也確實(shí)拖住了我們?cè)O(shè)計(jì)的腳步，不過(guò)我們還是將這些困難都克服了。這一周我們也學(xué)會(huì)了許多東西，這也使我們成長(zhǎng)了許多。參考文獻(xiàn)1趙建領(lǐng).51系列單

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17、件#include"motor.c" /電機(jī)驅(qū)動(dòng)程序,追光程序c文件uint num1; /超聲波寄存器數(shù)值uint num2; uint num3;uint flag3=1;uint flag2=1;void csb(void) star3(); P6OUT=0XFF;switch (P3IN&0X80)case 0x80:flag2=0;break; case 0x00:flag2=1;break;if(flag3=1)&&(flag2=0)P6OUT=0X0f;motor_left();delay_ms(1);motor_go();if(fla

18、g3=0)&&(flag2=1)P6OUT=0Xf0;motor_right();delay_ms(1);motor_go();/if(flag3=1)&&(flag2=1)P6OUT=0X00;/if(flag3=0)&&(flag2=0)P6OUT=0Xff;motor_back();delay_ms(10); motor_right();delay_ms(10); motor_stop();void main() chushihua();/初始化系統(tǒng),初始化捕獲器 motor_init();/初始化電機(jī),初始化追光 while(1) csb();zhuiguang();delay_ms(1);/定時(shí)器B捕獲中斷#pragma vector=TIMERB1_VECTOR_interrupt void Time