光電系統(tǒng)設(shè)計(jì)報(bào)告

1、光電智能小車控制器1指導(dǎo)老師：吳裕斌 武樹(shù)斌班級(jí) 光電0703姓名 彭皓 學(xué)號(hào) U2000713863同組人：徐云路 鄢偉一 謝恒電話錄一 技術(shù)指標(biāo) 3 二 基本原理.3三 方案論證.4四 硬件電路設(shè)計(jì).7五軟件設(shè)計(jì).11六心得體會(huì).12七參考資料.12附錄 摘要 8051單片機(jī)是一款高性能的8位單片機(jī)，他的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。本次課程設(shè)計(jì)是以單片機(jī)為控制核心，車根據(jù)傳感器采集到的路況信息,控制轉(zhuǎn)向執(zhí)行器舵機(jī)和直流電機(jī)，相應(yīng)地調(diào)整小車的行駛方向和速度，最終的目的是使智能小車快速穩(wěn)定地沿著黑線跑完全程。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高。本文介紹了該

2、系統(tǒng)的基本原理，硬件電路設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)，以及相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)。關(guān)鍵詞 8051單片機(jī) 智能小車 循跡 光電探測(cè)器一技術(shù)指標(biāo)1選用51系列單片機(jī) 2小車沿跑道行駛3通過(guò)光電方法控制小車運(yùn)動(dòng)方向4采用直流電源供電二基本原理整個(gè)電路系統(tǒng)分為檢測(cè)，控制，驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用光電對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)比較器處理之后，送給軟件檢測(cè)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出相應(yīng)信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。智能小車在華油黑線的白紙“路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”-黑線。因此在該模塊利用了簡(jiǎn)單，應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法-紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，

3、即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射興致的特點(diǎn)。在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接受：如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號(hào)。智能小車尋跡系統(tǒng)框圖三方案論證3.1 供電電源關(guān)于電源部分，我們采用的是LM1117穩(wěn)壓芯片，它的輸出電壓為5V，并且具有限流和熱保護(hù)功能，輸出的負(fù)載電流可達(dá)800mA，基本上能夠滿足設(shè)計(jì)要求。3.2 驅(qū)動(dòng)部分采用C8051F310單片機(jī)作為小車的控制核心。我們把單片機(jī)的p0.0,p0.1,p0.4,p0.5端口劃分出來(lái)，用于可編程計(jì)數(shù)陣列的8位脈沖寬度調(diào)制模式的信號(hào)輸出。小

4、車使用了兩個(gè)微型直流電機(jī)，分別安裝在小車的前后輪，位于后輪的電機(jī)是作為動(dòng)力機(jī)，為小車的行駛提供動(dòng)力；位于前輪的電機(jī)是用于控制小車的轉(zhuǎn)向。方向電機(jī)控制情況如下：當(dāng)電機(jī)正轉(zhuǎn)，前輪左拐；電機(jī)反轉(zhuǎn)，前輪右拐；電機(jī)不轉(zhuǎn)，前輪方向不變。小車前進(jìn)的速度由后電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比決定，小車前輪轉(zhuǎn)向的角度由前電機(jī)的驅(qū)動(dòng)時(shí)間決定。因?yàn)殡姍C(jī)的驅(qū)動(dòng)電流較大可達(dá)數(shù)百毫安，所以不能直接通過(guò)單片機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)。這里我們采用的是驅(qū)動(dòng)芯片，即AE2501B直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，它的峰值電流1.50A，持續(xù)工作電流550mA，可以滿足要求。它的內(nèi)部電路是橋式驅(qū)動(dòng)電路。它的電源電壓范圍：39V，可直接用電源的5V的電壓給它供電。驅(qū)動(dòng)芯片的功能

5、表：InaINbVOaVOb電 機(jī)1腳8腳6腳3腳HLHL正轉(zhuǎn)LHLH反轉(zhuǎn)LLOPENOPEN停止注1：輸入同為高是禁止使用的狀態(tài)注2：高于2.0V為高電平，低于0.8V為低電平3.3 探測(cè)器的選擇探測(cè)器的基本原理就是用紅外發(fā)光二極管來(lái)發(fā)光，由紅外光電三極管進(jìn)行光信號(hào)的接收，進(jìn)行的是反射式的探測(cè)，以避免可見(jiàn)光所帶來(lái)的背景噪聲。市場(chǎng)上用于紅外探測(cè)法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡(jiǎn)單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作性能可靠的集成式紅外探頭。經(jīng)過(guò)比較，我們選擇了ST168這個(gè)集成器件。ST168采用高發(fā)射功率紅外光，電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，采用非接觸式檢測(cè)方式。ST168的檢測(cè)

6、距離很小，一般為815毫米，因?yàn)?毫米以下是它的檢測(cè)盲區(qū)，而大于15毫米則很容易受干擾。故把傳感器安裝在距離檢測(cè)物表面10毫米。下面為探測(cè)器檢測(cè)電路圖： ST168 檢測(cè)電路R1限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射管的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限輸入正向電流50mA的影響，用R1=150的電阻作為限流電阻，Vcc=5V作為電源電壓；可變電阻R2可限制接收電路的電流，一方面保護(hù)接收紅外管；另一方面可調(diào)節(jié)檢測(cè)電路的靈敏度。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龆说玫降氖悄M電壓信號(hào)，所以在輸出端增加了比較器。工作時(shí)，發(fā)射光束打到黑線，反射光弱，輸出高電平；發(fā)射光束沒(méi)有打到黑線，反射光強(qiáng)，輸出低電平。輸出信號(hào)送給單片機(jī)處理,以確

7、定小車是否轉(zhuǎn)向。3.4 顯示與按鍵部分顯示：在本設(shè)計(jì)中，一共使用了4個(gè)數(shù)碼管，其中3個(gè)用于顯示數(shù)值，1個(gè)顯示單位，即時(shí)間單位或者距離單位。由于單片機(jī)以及非門輸出低地平時(shí)帶負(fù)載能力都比高電平時(shí)強(qiáng)，所以采用共陽(yáng)極的8斷數(shù)碼顯示器。為了節(jié)省單片機(jī)的I/O口，考慮采用動(dòng)態(tài)顯示，所以用的是PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng)，電路如下：VDDPNP數(shù)碼管P3.0R22R1按鍵：使用了三個(gè)按鍵，兩個(gè)用于控制小車的啟動(dòng)/停止，另一個(gè)按鍵用與顯示（時(shí)間/距離）的切換。3.5 行車時(shí)間和行車距離的測(cè)量使用定時(shí)計(jì)數(shù)器TIME0來(lái)進(jìn)行行車時(shí)間的估計(jì)。輸出顯示時(shí)以秒為單位，定時(shí)時(shí)間設(shè)定為1S。由于紅外檢測(cè)具有反應(yīng)速度快、定位精度高，可靠性

8、強(qiáng)以及可見(jiàn)光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤測(cè)速方案。具體行車距離檢測(cè)電路如下所示：紅外測(cè)距儀由測(cè)距輪，遮光盤，紅外光電耦合器及凹槽型支架組成的。測(cè)量輪的周長(zhǎng)為記數(shù)的單位，精度根據(jù)電動(dòng)車控制的需要確定。測(cè)距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些。測(cè)距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個(gè)脈沖信號(hào)經(jīng)過(guò)整形器后直接送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)。初步擬定以分米作為計(jì)數(shù)單位?？傮w來(lái)說(shuō)是以中斷的方式實(shí)現(xiàn)行車時(shí)間的獲取和顯示。四硬件電路設(shè)計(jì)4.1 控制器模塊 采用C8051F310單片機(jī)，它是一款高性能的8位單片機(jī)單片機(jī)。有4K的程序存儲(chǔ)器，128字節(jié)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器?？删幊痰牟⑿蠭/O口P0P3，有32位雙

9、向輸入/輸出線。一個(gè)全雙工串行口，兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。五個(gè)中斷源，兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)的中斷結(jié)構(gòu)。一個(gè)片內(nèi)時(shí)鐘振蕩器和時(shí)鐘電路。并可以尋址64K字節(jié)的的程序存儲(chǔ)器和64K字節(jié)的外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。單片機(jī)的p0.0,p0.1,p0.4,p0.5用于可編程計(jì)數(shù)陣列的8位脈沖寬度調(diào)制模式的信號(hào)輸出，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向控制。4.2 尋跡傳感器模塊采用的是紅外發(fā)光二極管來(lái)發(fā)光，用紅外光電三極管進(jìn)行光信號(hào)的接收，進(jìn)行的是反射式的探測(cè)。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。4.3 電源模塊 采用輸出電壓為5V的LM1117穩(wěn)壓芯片，它有限流和熱保護(hù)功能，輸出的負(fù)載電流可達(dá)800mA。4.4 顯示模塊

10、 使用了4個(gè)LED數(shù)碼管，其中3位顯示數(shù)值，1位顯示單位，顯示單位也可以用來(lái)區(qū)別時(shí)間和距離。為了節(jié)省單片機(jī)的I/O口，考慮采用動(dòng)態(tài)顯示，所以用的是PNP管來(lái)驅(qū)動(dòng)。4.5 復(fù)位電路采用上電復(fù)位的方法鏡為單片機(jī)8051提供復(fù)位信號(hào)。4.6 按鍵模塊 設(shè)置了開(kāi)始，停止，轉(zhuǎn)換鍵通過(guò)P0.6,P0.7,P3.2端口將控制信息傳入8051單片機(jī)中，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行控制。4.7 晶振模塊 通過(guò)晶振電路向8051單片機(jī)提供12Mhz的時(shí)鐘頻率。附：舵機(jī)工作原理示意圖控制信號(hào)直流偏置電壓直流偏置電壓與電位移的電壓差電壓差是否為0舵機(jī)停止舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)電位器滑動(dòng)否五軟件設(shè)計(jì)程序流程圖（尋跡控制算法）小車進(jìn)入尋跡模式

11、后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O 口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O 口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。開(kāi)始中間傳感器是否在黑線左偏，右偏，出軌？左偏處理出軌處理右偏處理直線前進(jìn)結(jié)束NY六心得體會(huì)本次課程設(shè)計(jì)，雖然我們小組沒(méi)有進(jìn)入到二階段的實(shí)物階段，有些遺憾，但是，我還是從中學(xué)到了不少東西。首先，對(duì)于設(shè)計(jì)一個(gè)光電系統(tǒng)，資料收集和對(duì)整體的思考很重要。確定整個(gè)系統(tǒng)的大致的工作過(guò)程后，把系統(tǒng)分解細(xì)化成一個(gè)個(gè)功能模塊。然后根據(jù)所收集的相關(guān)資料進(jìn)行討論，確定每一個(gè)功能模塊的具體實(shí)現(xiàn)電路。我們之所以沒(méi)能進(jìn)入二階段，就是在這一方面做的不夠，討論的不夠仔細(xì)，以至于之前的原理圖出現(xiàn)錯(cuò)誤。在以后的課設(shè)當(dāng)中，需要吸取經(jīng)驗(yàn)，在細(xì)節(jié)方面要認(rèn)真謹(jǐn)慎，避免出現(xiàn)錯(cuò)誤。其次，手動(dòng)繪制PCB版對(duì)于熟練掌握Protel軟件的使用很有作用，這對(duì)于我們以后的學(xué)習(xí)也有很大幫助，畢竟Protel是我們以后經(jīng)常會(huì)接觸到的制圖工具。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是一個(gè)光電系統(tǒng)，所以這次課設(shè)也對(duì)我們關(guān)于電路，光電信息技術(shù)方面的知識(shí)有了鞏固和加深了解。并且將書(shū)本上的知識(shí)搬到了現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)當(dāng)中。激發(fā)了大家的興趣?？傊ㄟ^(guò)這次課設(shè)將電路，單片機(jī)，光電探測(cè)和電機(jī)方面的知識(shí)綜合在一起進(jìn)行分析討論。對(duì)于多方面