智能自動(dòng)尋跡小車(chē)研究設(shè)計(jì)單片機(jī)控制

1、智能自動(dòng)尋跡小車(chē)研究設(shè)計(jì)單片機(jī)控制 自動(dòng)尋跡小車(chē) 摘要:本尋跡小車(chē)是以有機(jī)玻璃為車(chē)架,ATmage32L單片機(jī)為控制核心,加以直流電機(jī)、光電傳感器和電源電路以及其他電路構(gòu)成。系統(tǒng)由mage32通過(guò)IO口控制小車(chē)的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向。尋跡由RPR220型光電對(duì)管完成。 關(guān)鍵詞:ATmage32L 直流電機(jī) 光電傳感器 自動(dòng)尋跡電動(dòng)車(chē) Abstract: The smart car is aluminum alloy for the chassis, ATmaga32L MCU as its core, including motor and servo, plus photoelectric se

2、nsors, as well as other flame sensor and power circuit. MCU controls the car turning back forward or running on the white line. RPR220 reflective photo sensor seeks the trace. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current

3、status. The system transmits information through DF module. The cars status will be transmitted to the Remote Console. OCMJ4X8C LCD display and 2 keys for start control Keywords: ATmaga32L MotorServoPhoto sensorElectrical fire engines一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1、設(shè)計(jì)要求 1自動(dòng)尋跡小車(chē)從安全區(qū)域啟動(dòng)。 2小車(chē)按指定路線運(yùn)行,自動(dòng)區(qū)分直線軌道和彎路軌道,在指定彎路處拐彎,實(shí)現(xiàn)靈

4、活前進(jìn)、轉(zhuǎn)彎、倒退等功能,在軌道上劃出設(shè)定的地圖。 3小車(chē)完成指定運(yùn)行任務(wù)后,自動(dòng)返回出發(fā)起點(diǎn),自動(dòng)倒車(chē),入庫(kù)。尋跡路線如圖1所示:2、小車(chē)循跡的原理 這里的循跡是指小車(chē)在黑色地板上循白線行走,通常采取的方法是紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法,即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn),在小車(chē)行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光,當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射,反射光被裝在小車(chē)上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收,小車(chē)上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車(chē)的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限,一般最大不應(yīng)超過(guò)3cm。3、模塊方案比較與論

5、證 根據(jù)設(shè)計(jì)要求,本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、電壓比較模塊等模塊構(gòu)成。 為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能,我們分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。3.1車(chē)體設(shè)計(jì) 方案1:購(gòu)買(mǎi)玩具電動(dòng)車(chē)。購(gòu)買(mǎi)的玩具電動(dòng)車(chē)具有組裝完整的車(chē)架車(chē)輪、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。但是一般的說(shuō)來(lái),玩具電動(dòng)車(chē)具有如下缺點(diǎn):首先,這種玩具電動(dòng)車(chē)由于裝配緊湊,使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次,這種電動(dòng)車(chē)一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng),不能適應(yīng)該題目的方格地圖,不能方便迅速的實(shí)現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn)90度甚至180度的彎角。再次,玩具電動(dòng)車(chē)的電機(jī)多為玩具直流電機(jī),力矩小,空載轉(zhuǎn)速快,負(fù)載性能差,不易調(diào)速。而

6、且這種電動(dòng)車(chē)一般都價(jià)格不菲。因此我們放棄了此方案。 方案2:自己制作電動(dòng)車(chē)。經(jīng)過(guò)反復(fù)考慮論證,我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動(dòng),后萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng),車(chē)體尾部裝一個(gè)萬(wàn)向輪。這樣,當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車(chē)的原地旋轉(zhuǎn),由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車(chē)坐標(biāo)不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。 在安裝時(shí)我們保證兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)同軸。當(dāng)小車(chē)前進(jìn)時(shí),左右兩驅(qū)動(dòng)輪與后萬(wàn)向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車(chē)在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn),可以避免出現(xiàn)后輪過(guò)低而使左右兩驅(qū)動(dòng)輪驅(qū)動(dòng)力不夠的情況。為了防止小車(chē)重心的偏移,后萬(wàn)向輪起支撐作用。 對(duì)于車(chē)架材料的選擇,我們經(jīng)過(guò)

7、比較選擇了有機(jī)玻璃。用有機(jī)玻璃做的車(chē)架比塑料車(chē)架更加牢固,比鐵制小車(chē)更輕便,美觀。 綜上考慮,我們選擇了方案2。小車(chē)底盤(pán)如圖2所示: 圖2 車(chē)體底盤(pán)圖3.2控制器模塊 方案1:采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式,提高了系統(tǒng)的處理速度,適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能,對(duì)數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我們放棄了此方案。 方案2:采用凌陽(yáng)公司的16位單片機(jī),它是16位控制器,具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展

8、、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高,尤其適用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽(yáng)單片機(jī)應(yīng)用語(yǔ)音處理和辨識(shí)時(shí),由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽(yáng)單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降低。 本系統(tǒng)主要是進(jìn)行尋跡運(yùn)行的檢測(cè)以及電機(jī)的控制。如果單純的使用凌陽(yáng)單片機(jī),在語(yǔ)音播報(bào)的同時(shí)小車(chē)的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡(jiǎn)潔性考慮,我們放棄了單純使用凌陽(yáng)單片機(jī)而考慮其它的方案。 方案3:采用Atmel公司的ATmaga32L單片機(jī)作為主控制器。ATmaga32L是一個(gè)低功耗,高性能的8位單片機(jī),片內(nèi)含32k空間的可反復(fù)擦些100,000次的Flash只讀存儲(chǔ)器,

9、具有2Kbytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM,32個(gè)IO口,2個(gè)8位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,1個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器,四通道PWM,內(nèi)置8路10 位ADC。且maga系列的單片機(jī)可以在線編程、調(diào)試,方便地實(shí)現(xiàn)程序的下載與整機(jī)的調(diào)試。 從方便使用的角度考慮,我們選擇了方案3。3.3電源模塊 由于本系統(tǒng)需要電池供電,我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。 方案1: 采用10節(jié)1.5V干電池供電,電壓達(dá)到15V,經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機(jī)供電,然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限,使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來(lái)很大的不便,因此,我們放棄了這種方案。 方案2:采用3節(jié)4

10、.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機(jī)供電,經(jīng)過(guò)7812的電壓變換后給支流電機(jī)供電,然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足,并且可以充電,重復(fù)利用,因此,這種方案比較可行。但鋰電池的價(jià)格過(guò)于昂貴,使用鋰電池會(huì)大大超出我們的預(yù)算,因此,我們放棄了這種方案。 方案3:采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電,將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過(guò)于龐大,在小型電動(dòng)車(chē)上使用極為不方便,但由于我們的車(chē)體設(shè)計(jì)時(shí)留出了足夠的空間,并且蓄電池的價(jià)格比較低。因此我們選擇了此方案。 綜上考慮

11、,我們選擇了方案3。3.4穩(wěn)壓模塊 方案1: 采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電,然后采用一片7809將電壓穩(wěn)定至9V,最后經(jīng)7805將電壓穩(wěn)至5V,給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電,但7809和7805壓降過(guò)大,使7809和7805消耗的功率過(guò)大,導(dǎo)致7809和7805發(fā)熱量過(guò)大,因此,我們放棄了這種方案。 方案2:采用兩片7812將電壓穩(wěn)壓至12V后給直流電機(jī)供電,然后采用2576將電壓穩(wěn)至5V。2576的輸出電流最大可至3A,完全滿足系統(tǒng)要求。 綜上考慮,我們選擇了方案2。3.5尋跡傳感器模塊 方案1:用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周?chē)h(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)

12、光線照射到白線上面時(shí),光線發(fā)射強(qiáng)烈,光線照射到黑線上面時(shí),光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí),阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。 但是這種方案受光照影響很大,不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。 方案2:用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。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,若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平,若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求,但是工作不夠穩(wěn)定,且容易受外界光線的影響,因此我們放棄了這個(gè)方案。 方案

13、3:用RPR220型光電對(duì)管。RPR220是一種一體化反射型光電探測(cè)器,其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管,而接收器是一個(gè)高靈敏度,硅平面光電三極管。 RPR220采用DIP4封裝,其具有如下特點(diǎn): 塑料透鏡可以提高靈敏度。 內(nèi)置可見(jiàn)光過(guò)濾器能減小離散光的影響。 體積小,結(jié)構(gòu)緊湊。 當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí),三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單,工作性能穩(wěn)定。 因此我們選擇了方案3。3.6電機(jī)模塊 本系統(tǒng)為智能電動(dòng)車(chē),對(duì)于電動(dòng)車(chē)來(lái)說(shuō),其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。由于本實(shí)驗(yàn)要實(shí)現(xiàn)對(duì)路徑的準(zhǔn)確定位和精確測(cè)量,我們綜合考慮了一下兩種方案。 方案1:采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)

14、動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確的定位,可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn),步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低,隨轉(zhuǎn)速的升高而下降,且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降,其轉(zhuǎn)速較低,不適用于小車(chē)等有一定速度要求的系統(tǒng)。經(jīng)綜合比較考慮,我們放棄了此方案。 方案2:采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大,體積小,重量輕,裝配簡(jiǎn)單,使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力,帶動(dòng)變速減速齒輪組,可以產(chǎn)生較大扭力。 我們所選用的直流電機(jī)減速比為1:74,減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為100r/min。我們的車(chē)輪直徑為6cm,因此我們的小車(chē)的最大速度可以達(dá)到 V2r?v2*3.14*0.03*100/60

15、0.314m/s 能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求,因此我們選擇了此方案。3.7電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 方案1:采用專(zhuān)用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片,它相應(yīng)頻率高,一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī),而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng),操作方便,穩(wěn)定性好,性能優(yōu)良。 方案2:對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,價(jià)格低廉,在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。 因此我們選用了方案1。4、最終方案 經(jīng)過(guò)反復(fù)論證,我們最終確定了如下方案: 1車(chē)體用有機(jī)玻璃車(chē)架手工制作。 2采用ATmaga32L單片機(jī)作為

16、主控制器。 3用蓄電池經(jīng)7812穩(wěn)壓后為直流電機(jī)供電,將12V電壓經(jīng)2576降壓、穩(wěn)壓后為單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。 4用RPR220型光電對(duì)管進(jìn)行尋跡。 5L298N作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示: 圖3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖二、硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì)1、微控制器模塊的設(shè)計(jì) 采用Atmel公司的ATmaga32L單片機(jī),不用燒寫(xiě)器而只用串口或者并口就可以往單片機(jī)中下載程序。 我們?cè)陂_(kāi)發(fā)過(guò)程中使用開(kāi)發(fā)版,方便程序的調(diào)試和整機(jī)的測(cè)試,待系統(tǒng)調(diào)試完成后,將單片機(jī)從開(kāi)發(fā)板上取下,安裝在小車(chē)系統(tǒng)板的單片機(jī)座中,由于本次設(shè)計(jì)要求中,小車(chē)需要完成的任務(wù)比較簡(jiǎn)單,因此我們只在小車(chē)系統(tǒng)板的單片機(jī)系

17、統(tǒng)中保留了晶振和復(fù)位電路,取消了JTAG編程口等冗余電路。2、光電對(duì)管電路的設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)并論證了兩種光電對(duì)管檢測(cè)及調(diào)理電路,電路原理圖分別如4和圖5所示: 圖4 光電對(duì)管檢測(cè)電路1 圖10所示電路中,R1起限流電阻的作用,當(dāng)有光反射回來(lái)時(shí),光電對(duì)管中的三極管導(dǎo)通,R2的上端變?yōu)楦唠娖?此時(shí)VT1飽和導(dǎo)通,三極管集電極輸出低電平。 當(dāng)沒(méi)有光反射回來(lái)時(shí),光電對(duì)管中的三極管不導(dǎo)通,VT1截至,其集電極輸出高電平。 VT1在該電路中起到濾波整形的作用。 經(jīng)試驗(yàn)和示波器驗(yàn)證,該電路工作性能一般,輸出還有雜散干擾波的成分。如果輸出加施密特觸發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)良好的輸出波形。 但是這種電路用電量比較大,給此種

18、傳感器調(diào)理電路供電的電池壓降較快。究其原因,是因?yàn)楣饷羧龢O管和三極管VT1導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)通電流較大。 因此我們考慮用比較器的方案。 圖5 光電對(duì)管檢測(cè)電路2 在圖3中,可調(diào)電阻R3可以調(diào)節(jié)比較器的門(mén)限電壓,經(jīng)示波器觀察,輸出波形相當(dāng)規(guī)則,可以直接夠單片機(jī)查詢使用。 而且經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測(cè)與調(diào)理電路。3、尋跡光電對(duì)管的安裝 考慮到設(shè)計(jì)要求,本次設(shè)計(jì)僅用7對(duì)光電傳感器就能完成設(shè)計(jì)要求,中間四對(duì)傳感器用來(lái)校正小車(chē)的尋跡路線,保證小車(chē)運(yùn)行的直線性。兩側(cè)的傳感器用來(lái)檢測(cè)小車(chē)過(guò)線,可以實(shí)現(xiàn)小車(chē)的轉(zhuǎn)彎和小車(chē)走過(guò)的方格的計(jì)數(shù)。當(dāng)車(chē)體中間通過(guò)白線時(shí),小車(chē)在相應(yīng)的坐標(biāo)方向上加一計(jì)數(shù)。車(chē)輪處的傳感器記錄小車(chē)的運(yùn)行速度和里程數(shù)。傳感器的安裝位置如圖6所示。圖6 傳感器安裝示意圖4、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 我們采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng),驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖7所示: 圖7 L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 L298N的5、7、10、12四個(gè)引腳接到單片機(jī)上,通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的PWM調(diào)速以及正反轉(zhuǎn)等功能。三、軟件實(shí)現(xiàn)3.1主程序流程圖 我們所設(shè)計(jì)的軟件的主程序流程圖如圖8所示:圖8