自動往返電動小汽車

1、自動往返電動小汽車院 系：武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院信息工程系指導(dǎo)老師：羅云貴專業(yè)班級：自動化1112學(xué)生姓名：陳龍二0一三年八月二十六日目錄1、設(shè)計(jì)任務(wù) 21.1基本要求 21.2發(fā)揮部分 21.3說明 22、方案選擇 32.1、全硬件方案 32.2、智能化方案 33、方案論證與選擇 33.1、小車模型 33.2、單片機(jī)模塊 43.3、循跡模塊 43.4、電機(jī)及其驅(qū)動模塊 43.5、電源模塊 44、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 54.1、單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 54.2、循跡模塊設(shè)計(jì) 54.3、電機(jī)及其驅(qū)動模塊設(shè)計(jì) 64.4、電源模塊設(shè)計(jì) 75、系統(tǒng)軟件框圖 76、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)測量 146.1、測試條件 146.2

2、、測試數(shù)據(jù)146.3、結(jié)果分析146.4、改進(jìn)措施147、參考文獻(xiàn) 14摘要:設(shè)計(jì)以單片機(jī)Atmega128為核心組成測控系統(tǒng),CPU將各種傳感器得到的信息進(jìn)行綜合判別和處理，然后發(fā)出指令給電機(jī)驅(qū)動器，控制小汽車；使小汽車能夠快速、準(zhǔn)確的實(shí)現(xiàn)往返，并且能精確地在停車線附近停車。本設(shè)計(jì)利用紅外線發(fā)射與檢測技術(shù)對電動小汽車的運(yùn)行狀態(tài)跟蹤檢測;由單片機(jī)對汽車的運(yùn)行姿態(tài)實(shí)時作出反應(yīng),并輸出相適應(yīng)的控制指令,由驅(qū)動執(zhí)行電路完成限速行駛、全速前進(jìn)、定點(diǎn)定時停車和自動返回等基本操作.電路采取了多種抗干擾措施,工作穩(wěn)定可靠.整個系統(tǒng)按要求安裝于車體上,實(shí)施跟蹤監(jiān)控多傳感器并行工作、CPU的綜合數(shù)據(jù)處理為小汽車

3、按照預(yù)定程序運(yùn)行提供了充分的保證。關(guān)鍵詞:單片機(jī);電動小汽車;控制;檢測；自動1設(shè)計(jì)任務(wù)設(shè)計(jì)并制作一個能自動往返于起跑線與終點(diǎn)線間的小汽車。允許用玩具汽車改裝，但不能用人工遙控（包括有線和無線遙控）。跑道寬度0.5m，表面貼有白紙，兩側(cè)有擋板，擋板與地面垂直，其高度不低于20cm。在跑道的B、C、D、E、F、G各點(diǎn)處畫有2cm寬的黑線，各段的長度如圖1所示。1.1基本要求1) 車輛從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車體不得超出起跑線），到達(dá)終點(diǎn)線后停留10秒，然后自動返回起跑線（允許倒車返回）。往返一次的時間應(yīng)力求最短（從合上汽車電源開關(guān)開始計(jì)時）。2) 到達(dá)終點(diǎn)線和返回起跑線時，停車位置離起跑線和終點(diǎn)線

4、偏差應(yīng)最?。ㄒ攒囕v中心點(diǎn)與終點(diǎn)線或起跑線中心線之間距離作為偏差的測量值）。3) DE間為限速區(qū)，車輛往返均要求以低速通過，通過時間不得少于4秒，但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。1.2發(fā)揮部分1) 自動記錄、顯示一次往返時間（記錄顯示裝置要求安裝在車上）。2) 自動記錄、顯示行駛距離（記錄顯示裝置要求安裝在車上）。3) 其它特色與創(chuàng)新。1.3說明1) 不允許在跑道內(nèi)外區(qū)域另外設(shè)置任何標(biāo)志或檢測裝置。2) 車輛（含在車體上附加的任何裝置）外圍尺寸的限制：長度35 cm，寬度15cm。3) 必須在車身頂部明顯標(biāo)出車輛中心點(diǎn)位置，即橫向與縱向兩條中心線的交點(diǎn)。2方案選擇2. 1 全硬件方案本方案基于硬件邏輯電

5、路和脈沖電路的工作原理 ,采用計(jì)數(shù)器循環(huán)計(jì)數(shù) ,再通過譯碼器譯出相關(guān)狀時停車等功能。該方案邏輯復(fù)雜 ,使用器件品種多 ,組裝困難 , 故障率高 ,體積大 ,控制精度差 ,功能擴(kuò)展難度大 ,發(fā)揮空間小 ,性能價格比較低.2. 2 智能化方案本方案采用紅外線光電檢測與單片機(jī)智能控制技術(shù) ,對汽車的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時拾取相關(guān)信息送入單片機(jī) ,通過 CPU 運(yùn)算處理后 ,再發(fā)出相應(yīng)的控制指令 ,由驅(qū)動執(zhí)行電路控制汽車的運(yùn)行姿態(tài) ,最終實(shí)現(xiàn)小車智能往返，與全硬件方案相比 ,智能化方案具有軟件編程靈活 ,運(yùn)算控制精確 ,自由度大 ,可靠性高 ,電路簡單 ,體小量輕 ,成本低 ,功能易于擴(kuò)展 ,顯示直觀 ,智能化

6、程度高等優(yōu)點(diǎn). 為此 ,本設(shè)計(jì)及制作采用智能化方案.循跡模塊Atmega128單片機(jī)電機(jī)驅(qū)動電源模塊3方案論證與選擇3.1、小車模型方案一: 后輪直流電機(jī)驅(qū)動+前輪舵機(jī)轉(zhuǎn)向的方式,這種小車的優(yōu)點(diǎn)在于可以獲得很大的速度，由于轉(zhuǎn)向采用的是舵機(jī)所以缺點(diǎn)就在于要想轉(zhuǎn)彎一定要有一定的轉(zhuǎn)角。方案二: 采用直流電機(jī)+萬向輪的方式，這類的小車的優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)彎不需要轉(zhuǎn)角，可以原地轉(zhuǎn)彎，其次是可以精確控制小車行進(jìn)路線，直流電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于控制簡單，轉(zhuǎn)速快，缺點(diǎn)在于無法控制轉(zhuǎn)過角度，可能要和很多外部傳感器配合使用，增加了硬件的設(shè)計(jì)難度。步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于角度、轉(zhuǎn)速可控，可以開環(huán)控制，缺點(diǎn)在于控制較為麻煩，無法實(shí)現(xiàn)較高的

7、速度?；谏鲜隼碚摲治?，擬選擇方案二。3.2、單片機(jī)模塊本系統(tǒng)選用Atmega128 單片機(jī)為智能控制核心, Atmega128是高性能、低功耗的AVR 8位微處理器并且可以自動上電復(fù)位，功能強(qiáng)悍，可以只需電源不需任何外接電路即可工作，53個可編程I/O口線，工作于16 MHz時性能高16MIPS，128K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，4K字節(jié)的EEPROM，4K字節(jié)的內(nèi)部SRAM，多達(dá)64K字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空間，可以通過ISP實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程，兩路8位PWM，外部接口豐富，完全能實(shí)現(xiàn)小車的全部要求。3.3、循跡模塊探測路面黑線的大致原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不

8、同，可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)度判斷是否到達(dá)黑線。方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射接收電路，這種方案的缺點(diǎn)在于其它環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判；雖然采用超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。方案二：采用紅外一體式發(fā)射接收器，由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾，紅外一體式發(fā)射接收器由于感應(yīng)的是紅外光，常見光對它的干擾較小，紅外一體式發(fā)射接收器檢測黑線的原理為，由于黑線吸光，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的光照射在上面后反射的部分就較小，接收管接收到的紅外線也就較少，表現(xiàn)為電阻比較大，通過外接的電路就可以讀

9、出檢測的狀態(tài)，同理當(dāng)照射在白色表面時發(fā)射的紅外線就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻就比較小。本次小車采用方案二。3.4、電機(jī)及其驅(qū)動模塊方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的，但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機(jī)的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整，這個方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H 型PWM 電路，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在

10、占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高，H 型電路保證了可以簡單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)?；谏鲜隼碚摲治?，擬選擇方案三。3.5、電源模塊方案一：所有器件采用單一電源，這樣供電比較簡單，但是由于電動機(jī)啟動瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動的電動機(jī)電流較大，會造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，缺點(diǎn)十分明顯。方案二：單片機(jī)與大電流器件分開供電，這樣做雖然不如單一供電方便靈活，但避免大電流器件對單片機(jī)造成干擾，考慮電池?fù)p耗的情況下電壓的降低，因此必須采用低壓差的穩(wěn)壓

11、芯片但可以將電動機(jī)驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性?？紤]本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定可靠性更為重要，故擬采用方案二。4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)4.1、單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)由晶振電路、復(fù)位電路、ISP 下載接口幾個部分組成4.2、循跡模塊設(shè)計(jì)模塊電路圖如下圖，電源電壓為5伏，信號輸出后接入或非門再連接單片機(jī)的中段輸入口,當(dāng)小車經(jīng)過黑線時，經(jīng)過LM324比較器輸出約為0.7V，經(jīng)過白線時輸出為3.6V，而單片機(jī)識別的低電平為-0.50.3 VCC,高電平0.6VCCVCC+0.5 ，電源采用5V電壓，故高低電平可以被單片機(jī)識別。4.3、電機(jī)及其驅(qū)動模塊電機(jī)驅(qū)動模塊利用電池組供電。單片機(jī)的兩個端口輸出

12、高低電平驅(qū)動小車兩個輪子轉(zhuǎn)動，另外兩個端口輸出PWM波形，通過波形的占空比來控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。由于H 橋電路有諸多的優(yōu)點(diǎn)，但是在實(shí)際制作過程中電路又比較麻煩，因此在本設(shè)計(jì)中我們采用H 橋集成電機(jī)驅(qū)動芯片L298。L298N 的工作原理和以上介紹的H 橋相同，引腳圖如圖所示：L298N 是ST 公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用15 腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)含兩個H 橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電動機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電

13、平信號控制；具有兩個使能控制端，在不受輸入信號影響的情況下允許或禁止器件工作有一個邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電 壓下工作；可以外接檢測電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N 芯片驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動一臺兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動兩臺直流電機(jī)。4.4、電源模塊設(shè)計(jì)LM2940 系列是輸出電壓固定的低壓差三端端穩(wěn)壓器；輸出電壓有5V、8V、10V 多種；最大輸出電流1A；輸出電流1A 時，最小輸入輸出電壓差小于0.8V；最大輸入電壓26V；工作溫度-40+125；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護(hù)、電池反接和反插入保護(hù)電路采用兩路供電，這樣可以使用其中一路單

14、獨(dú)為單片機(jī)，指示燈等供電。另外一路提供L298N、光電管、舵機(jī)的工作電壓，L298N的驅(qū)動電壓由電池不經(jīng)任何處理直接給出。舵機(jī)可以用6V供電，也可以直接用5V供電。5系統(tǒng)軟件框圖開始延時5秒啟動檢測黑線否有黑線? 重新啟動結(jié)束限速限速 是黑線數(shù)加1 黑線數(shù)=3?是是是是停車黑線數(shù)=12?黑線數(shù)=10?黑線數(shù)=9?黑線數(shù)=6?黑線數(shù)=4?計(jì)時10S停車/*main.c*/#include<iom128v.h>#include<macros.h>#include"define.h"/* A端口使能端口1234B端口輸出PWM波D端口循跡輸入值E端口計(jì)數(shù)T

15、CCR1A/TCCR1B定時計(jì)數(shù)器設(shè)置*/ void car_qudong_init(void) DDRA=0XFF; PORTA=0XFF; /A端口輸出高電平 DDRB=0X60; PORTB=0X60;/使PB5、PB6輸出高電平 DDRD=0X00; PORTD=0XFF; DDRE=0X00; PORTE=0XFF;/設(shè)置輸入 TCCR1A=0XA1; TCCR1B=0X04; void main(void) uint i=0;car_qudong_init(); delay(5000); while(1) car_xunji(); if(PINE&0xff)=0xfe) i

16、+;/計(jì)數(shù) while(PINE&0xff)=0xfe); switch(i) case 1: case 2: case 4: case 5: case 8: case 10 case 11:car(50,50);delay(10);break; case 3: case 9:car(200,200);delay(10);break; case6:car(-150,100);delay(5);car(255,255);break;case7:delay(5000);car(50,50);delay(5);break; case 12:car(255,255);break; defaul

17、t:break; /*xunji.c*/#include<iom128v.h>#include<macros.h>#include"define.h"void car(signed short int Z,signed short int Y) if(Y>=0) IN1_1; PWM_Y(Y); else IN1_0; PWM_Y(-Y); if(Z>=0) IN3_1; PWM_Z(Z); else IN3_0; PWM_Z(-Z); void car_xunji(void) switch(PIND&0Xff) case 0xf

18、e:car(100,-100);delay(10);break;/01 case 0xfd:car(-100,100);delay(10);break;/10 default:break; /*delay.c*/#include<iom128v.h>#include<macros.h>#include"define.h"void delay(uint ms) int i,j; for(i=0;i<ms;i+) for(j=0;j<1140;j+); /*define.c*/ #define uint unsigned int#define

19、 uchar unsigned char#define IN1_0 PORTA&=(BIT(PA0)#define IN1_1 PORTA|=(BIT(PA0) #define IN2_0 PORTA&=(BIT(PA1)#define IN2_1 PORTA|=(BIT(PA1) #define IN3_0 PORTA&=(BIT(PA2)#define IN3_1 PORTA|=(BIT(PA2) #define IN4_0 PORTA&=(BIT(PA3)#define IN4_1 PORTA|=(BIT(PA3)#define PWM_Y(x) OCR1A=(x) #define PWM_Z(x) OCR1B=(x)6設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)測量6.1 測試條件1) 跑道長度12m ,寬0.5m. 用高檔繪圖紙粘接而成;寬2cm 的測試線用黑膠帶粘貼而成;跑道兩側(cè)設(shè)有高度為10cm 的木制擋版;2) 測試環(huán)境為露天陽光下(檢測對光干擾的抑制能力) ;3）小車供電電壓7.6V ,單片機(jī)供電電壓5V.6.2測試數(shù)據(jù)測試次數(shù)總時間限速區(qū)時間總路程(m)返回停車點(diǎn)與起跑線距離(cm)133.38.1243.3235.38.2242.4334.48.0241.56.3