小車(chē)課程設(shè)計(jì)報(bào)告

1、項(xiàng)目五 小車(chē)設(shè)計(jì)指導(dǎo)老師：戴儼炯 將雄隊(duì)員及年級(jí)：丁 益（09級(jí)） 何天曉（09級(jí)） 李維哲（09級(jí)）院系：長(zhǎng)沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子電氣工程系摘 要 本文設(shè)計(jì)的小車(chē)，是以C8051F120單片機(jī)核心板為控制芯片的簡(jiǎn)易智能小車(chē)，利用各種傳感器采集數(shù)據(jù)，采用L298N芯片作為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)?？梢酝ㄟ^(guò)往返跑道和智能跑道。小車(chē)在行駛過(guò)程中不僅能顯示運(yùn)行狀態(tài)和行駛速度、測(cè)量黑線之間的距離、自動(dòng)報(bào)警功能，而且還能尋跡行駛、探測(cè)鐵片、躲避障礙物、尋找光源等功能。采用PWM脈寬調(diào)制電機(jī)控制小車(chē)的行駛速度。整個(gè)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中注意低功耗處理和力求高性?xún)r(jià)比等細(xì)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性能高，無(wú)論在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上都具有較好的

2、科學(xué)性。關(guān)鍵詞 C8051F120 PWM調(diào)速 避障 L298N- 21 - / 22文檔可自由編輯打印目 錄1 系統(tǒng)方案- 2 -1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)論證與選擇- 2 -1.2顯示模塊- 2 -1.3傳感器的選擇- 3 -1.4 控制系統(tǒng)論證與選擇- 3 -2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算- 3 -2.1各個(gè)電路的分析- 3 -2.1.1霍爾傳感器測(cè)速的分析- 3 -2.1.2光源探測(cè)器的分析- 4 -2.2電路的計(jì)算- 4 -2.2.1霍爾傳感器測(cè)速的計(jì)算- 4 -3電路與程序設(shè)計(jì)- 4 -3.1電路的設(shè)計(jì)- 4 -3.1.1系統(tǒng)總體框圖- 4 -3.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖與電路原理圖- 5 -3.1.

3、3顯示模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖- 6 -3.1.4電源- 7 -3.1.5 探測(cè)模塊電路- 7 -3.2程序的設(shè)計(jì)- 9 -3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路- 9 -3.2.2程序流程圖- 9 -3.2.3 LN298子程序- 11 -3.2.4傳感器子程序- 12 -4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果- 13 -4.1測(cè)試方案- 13 -4.2測(cè)試條件與儀器- 13 -4.3測(cè)試結(jié)果及分析- 13 -4.3.1小車(chē)結(jié)果的基本調(diào)試- 14 -4.3.2自動(dòng)往返賽道調(diào)試與分析- 14 -4.3.3 簡(jiǎn)易智能賽道調(diào)試- 14 -4.3.4測(cè)試分析與結(jié)論- 15 -總結(jié)- 15 -致謝- 16 -附錄1 原理圖

4、- 17 -附錄2 源程序- 18 -1 系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制模塊、傳感模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和電源模塊組成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。其各個(gè)模塊分部如下圖所示。電機(jī)驅(qū)動(dòng)前后圖1.1 車(chē)身模塊分部圖1.1 電機(jī)驅(qū)動(dòng)論證與選擇方案一：采用分立元件（三極管或MOS管）接成H橋電路來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。這樣雖然價(jià)格低。但穩(wěn)定性不高、體積大，安裝起來(lái)也比較麻煩。方案二： L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)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?？梢圆捎肞WM脈寬平滑調(diào)

5、試。 綜合以上兩種選擇，選擇方案二。1.2顯示模塊方案一：用LED顯示，優(yōu)點(diǎn)亮度高、成本低。但不能顯示漢字，顯示內(nèi)容較少。方案二：用LCD1602顯示，小巧、成本較低。能顯示漢字，但顯示內(nèi)容較少。觀看不方便。方案三：用LCD12864顯示，成本較高，但顯示量大。人站著也能很容易觀察到放在行駛的小車(chē)上的液晶顯示內(nèi)容。綜合以上三種方案，選擇方案三。1.3傳感器的選擇（1）尋跡和黑線探測(cè)用小車(chē)底座自帶的尋跡電路，根據(jù)實(shí)際情況小車(chē)的底座離地面的距離更近，更利于有效地檢測(cè)地面信息。（2）尋找光源采用指向性光敏電阻作為光源定位器。（3）壁障用紅外電路對(duì)障礙物進(jìn)行探測(cè)。（4）鐵片的檢測(cè)利用金屬傳感器對(duì)鐵片檢

6、測(cè)。 （5）采用自制霍爾傳感器來(lái)測(cè)量行駛速度1.4 控制系統(tǒng)論證與選擇方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51單片機(jī)價(jià)格便宜，應(yīng)用廣泛，但是功能單一，引腳過(guò)少。如果系統(tǒng)需要增加語(yǔ)音播報(bào)功能，還需外接語(yǔ)音芯片，實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜；另外51 單片機(jī)需要仿真器來(lái)實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。方案二：采用Silicon Lab公司的C8051F120。C8051F120是完全集成的混合信號(hào)片上系統(tǒng)型MCU。具有64個(gè)數(shù)字I/O引腳，高速性能流水結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核；12位、100ksps的ADC、而我們使用的是C8051F120核心板。由于這次設(shè)計(jì)中需要單片機(jī)的引腳比較多，AT89S5

7、1單片機(jī)的引腳過(guò)少，幾乎不能完成此次設(shè)計(jì)要求。C8051F120有84個(gè)可以外接引腳，功能強(qiáng)大。控制起來(lái)比較方便。綜合考慮我們決定選擇C8051F120核心板2系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1各個(gè)電路的分析2.1.1霍爾傳感器測(cè)速的分析我們?cè)谛≤?chē)的前輪上挨著車(chē)身這邊放上一塊磁鐵并用熱熔膠粘做。用霍爾傳感器焊在靠近磁鐵的這邊。當(dāng)小車(chē)在行駛時(shí)。沒(méi)轉(zhuǎn)一圈就能給霍爾傳感器一個(gè)信號(hào)。以用來(lái)計(jì)算單位時(shí)間內(nèi)小車(chē)行駛速度。2.1.2光源探測(cè)器的分析我們?cè)谛≤?chē)的前面安裝了三個(gè)指向性較好的光敏電阻。根據(jù)左、中、右的光敏電阻探測(cè)值來(lái)判斷光源的方向，進(jìn)行相應(yīng)地電機(jī)驅(qū)動(dòng)。2.2電路的計(jì)算2.2.1霍爾傳感器測(cè)速的計(jì)算小車(chē)的輪子

8、轉(zhuǎn)一圈大概是12cm，轉(zhuǎn)的圈數(shù)位n行駛總距離為 L=0.12N平均速度為L(zhǎng)s=(0.12NP)/S3電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路的設(shè)計(jì)3.1.1系統(tǒng)總體框圖總體系統(tǒng)方框圖如圖3.1所示：信號(hào)放大LCD12864 顯示單片機(jī)控制超聲波傳感器尋跡電路電機(jī)運(yùn)行速度與方向圖3.1 自動(dòng)往返部分方框圖尋跡電路金屬探頭LCD12864顯示電機(jī)的運(yùn)行速度與方向超聲波傳感器光源定位器信號(hào)放大單片機(jī)控制 圖3.2 簡(jiǎn)易智能部分方框圖3.1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)框圖C8051F120系統(tǒng)LN298前右輪后前輪前左輪后右輪圖3.3電機(jī)子系統(tǒng)框圖2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)電路我們采用的是廠家已經(jīng)模塊

9、化生產(chǎn)的LN298的電路。 圖3.4 LN298電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.1.3顯示模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、顯示模塊子系統(tǒng)框圖C8051F120系統(tǒng)LCD12864液晶行駛距離行駛速度是否感應(yīng)障礙物障礙物距離鐵片數(shù)量圖3.5顯示模塊系統(tǒng)框圖2、顯示模塊子系統(tǒng)電路本電路接法可以通過(guò)P47調(diào)節(jié)背光模式。圖3.6 LCD12864顯示電路3.1.4電源考慮到實(shí)際問(wèn)題，我們?cè)陔娐分薪恿藘蓚€(gè)電源輸入端，分別可為12V和15V20V對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電。最后輸出為5V，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)供電。圖3.7 電源電路3.1.5 探測(cè)模塊電路該小車(chē)電路有很多信息是需要用各種探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)：尋跡探測(cè)器是用小車(chē)底座自帶的，測(cè)距是用超聲波

10、探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，鐵片的探測(cè)用的是金屬探測(cè)器，接電源后在由單片機(jī)對(duì)其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析后進(jìn)行相應(yīng)的輸出控制。如圖2.3 直接使用的探測(cè)器圖3.8 三種直接可用的探測(cè)器自己組裝的探測(cè)器 如圖2.4 光源探測(cè)使用光敏電阻，用些黑膠布裹做光敏電阻周?chē)蕴岣咧赶蛐?。還經(jīng)過(guò)LM339把信號(hào)放大后傳給單片機(jī)。并加上發(fā)光二極管來(lái)起提示做用。我們使用三個(gè)探測(cè)器更好地探測(cè)光源的方向。障礙物探測(cè)使用紅外探測(cè)器。紅外探測(cè)信號(hào)經(jīng)過(guò)LM339把信號(hào)放大后傳給單片機(jī)。用四個(gè)紅外探測(cè)器，以更精確的定位障礙物的位置。速度探測(cè)使用霍爾傳感器。在車(chē)輪上粘上磁鐵，把霍爾傳感器放靠近車(chē)輪的地方。每轉(zhuǎn)一圈進(jìn)行計(jì)數(shù)加1，來(lái)累計(jì)算小車(chē)的

11、行駛速度。圖3.9 組裝的探測(cè)器如圖1.1和圖1.2所示，整體電路由C8051F120單片機(jī)、LCD12864液晶、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、各種探測(cè)模塊和電源部分等電路組成，而報(bào)警電路使用蜂鳴器。3.2程序的設(shè)計(jì)軟件實(shí)現(xiàn)的功能如下：探測(cè)障礙物、光源的位置和距離；給步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)脈沖；尋跡；蜂鳴報(bào)警；顯示鐵片數(shù)量、時(shí)間、路程；匯總。3.2.1程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1程序功能描述1）鍵盤(pán)實(shí)現(xiàn)功能題目要求小車(chē)要在兩條跑道上行駛。所以我們用了兩個(gè)獨(dú)立按鍵。分別用來(lái)切換小車(chē)的行駛模式。2）顯示部分顯示車(chē)速、鐵片數(shù)量、和行駛完路段的時(shí)間等。2程序思路本系統(tǒng)采用PWM脈寬調(diào)制控制電機(jī)。小車(chē)的行駛方向、速度按照各種傳感器

12、的探測(cè)得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后進(jìn)行處理。3.2.2程序流程圖開(kāi)始系統(tǒng)初始化減速行駛驅(qū)動(dòng)電機(jī)并顯示相關(guān)信息判斷是否掃描四跟黑線判斷是否掃描到終點(diǎn)線判斷是否掃描三跟黑線全速行駛等待10S結(jié)束倒向行駛判斷是否掃描到起跑線YESNOYESNONONOYESYES圖3.10自動(dòng)往返程序流程圖系統(tǒng)初始化開(kāi)始驅(qū)動(dòng)電機(jī)并顯示相關(guān)信息如碰到鐵片報(bào)警并繼續(xù)行駛判斷是否行駛23.M減速行駛是否到達(dá)C點(diǎn)停留5S掃描障礙物并躲避障礙物尋找光源 并向光源駛?cè)フ业焦庠?停止結(jié)束YESYESNONO圖3.11 簡(jiǎn)易智能程序流程圖3.2.3 LN298子程序使用直流/步進(jìn)兩用驅(qū)動(dòng)器。分別為M1和M2。引腳A，B可用于輸入PWM脈寬

13、調(diào)制信號(hào)對(duì)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。（如果無(wú)須調(diào)速可將兩引腳接5V，使電機(jī)工作在最高速狀態(tài)，既將短接帽短接）實(shí)現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)就更容易了，輸入信號(hào)端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)。（如果信號(hào)端IN1接低電平， IN2接高電平，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)。）控制另一臺(tái)電機(jī)是同樣的方式，輸入信號(hào)端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)。（反之則反轉(zhuǎn)），PWM信號(hào)端A控制M1調(diào)速，PWM信號(hào)端B控制M2調(diào)速。其控制方式參考了表：表3.1 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 電機(jī)旋轉(zhuǎn)方式控制端IN1控制端IN2控制端IN3控制端IN4輸入PWM信號(hào)改變脈寬可調(diào)速調(diào)速端A調(diào)速端BM1正轉(zhuǎn)高低/高/反轉(zhuǎn)低高/高/

14、停止低低/高/M2正轉(zhuǎn)/高低/高反轉(zhuǎn)/低高/高停止低低/高3.2.4傳感器子程序霍爾傳感器每靠近一次輪胎上的磁鐵，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)信號(hào)，通過(guò)LM339把信號(hào)放大后。單片機(jī)會(huì)進(jìn)行一次計(jì)數(shù)。超聲波（正前方）與紅外（左右）結(jié)合避障。并用超聲波發(fā)射信號(hào)與接收信號(hào)來(lái)定位障礙物和測(cè)量障礙物距離。紅外接收則使探測(cè)范圍更廣，判斷更準(zhǔn)確。其初步流程如圖3.3所示左有感應(yīng)進(jìn)行左右調(diào)整紅外中間有感應(yīng)障礙物右有感應(yīng)左輪有慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)右輪有慢慢轉(zhuǎn)動(dòng)超聲波檢測(cè)距離很近停止驅(qū)動(dòng)圖3.3 避障程序流程圖尋光源程序：在三個(gè)光敏電阻周?chē)诩恿四z布后（留個(gè)洞）已經(jīng)具有了指向性。如果只有右邊的檢測(cè)光源，則只驅(qū)動(dòng)左邊的電機(jī)；左邊則相反。最終要

15、能調(diào)整成三個(gè)光敏都能感應(yīng)到光源。四個(gè)電機(jī)一起驅(qū)動(dòng)，直到探測(cè)車(chē)身離光源只有10CM停止驅(qū)動(dòng)。4測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果4.1測(cè)試方案1、硬件測(cè)試硬件采用部分調(diào)試法，每焊起一個(gè)模塊的元件，就進(jìn)行測(cè)試。這樣可以降低調(diào)試的難度、并且可以節(jié)約時(shí)間、可以更急時(shí)的對(duì)電路進(jìn)行調(diào)整。2、軟件仿真調(diào)測(cè)試用Proteus接成各個(gè)模塊的電路，先測(cè)試各個(gè)子程序的。并在測(cè)試中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，到后面總體調(diào)試。3、硬件軟件聯(lián)調(diào)主要可以用來(lái)調(diào)試小車(chē)倒車(chē)的時(shí)間長(zhǎng)短、行駛的速度、尋跡的靈敏度和光敏二級(jí)管尋找光源的方向。4.2測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且進(jìn)行初步檢查：電路無(wú)虛焊、短路等不正

16、常情況。測(cè)試儀器：模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，指針式萬(wàn)用表。跑道光源等。4.3測(cè)試結(jié)果及分析4.3.1小車(chē)結(jié)果的基本調(diào)試首先要要讓小車(chē)正常通電； 系統(tǒng)能對(duì)電機(jī)進(jìn)行PWM控制，能尋跡行駛。小車(chē)狀態(tài)通電是否正常電機(jī)運(yùn)行狀態(tài)能否感應(yīng)黑線調(diào)整全速時(shí)正常限速不能適度的靈敏度限速時(shí)正常全速能適度的靈敏度分析：測(cè)試過(guò)程中可能由于黑線過(guò)細(xì)，小車(chē)在快速行駛過(guò)程中沒(méi)能感應(yīng)到黑線。調(diào)節(jié)靈敏度后能百分之九十五的感應(yīng)到細(xì)黑線，屬于正常范圍 。4.3.2自動(dòng)往返賽道調(diào)試與分析 測(cè)試次數(shù)尋跡功能是否正常限速區(qū)去行駛速度能否往返調(diào)整12能（但過(guò)于靈敏）0.45 m /S不能調(diào)整尋跡指示燈靈敏度36能0.5 m /S不

17、能調(diào)整限速區(qū)的行駛速度79能0.28 m /S不能調(diào)整小車(chē)的倒車(chē)程序1014能0.25m/S能不斷地調(diào)整往返程序分析：前面由于尋跡電路過(guò)于靈敏、一條黑線能感應(yīng)到兩至三次。調(diào)節(jié)延遲時(shí)間后只感應(yīng)一次了。第二輪測(cè)試時(shí)：又發(fā)現(xiàn)再限速去減速過(guò)小，沒(méi)能達(dá)到題目要求。通過(guò)PWM再次調(diào)試。第三輪測(cè)試中已經(jīng)很接近題目要求但小車(chē)沒(méi)越過(guò)第四跟線就已經(jīng)開(kāi)始加速。而且不能自動(dòng)往返。經(jīng)過(guò)一系列的程序調(diào)整后；在第四輪的測(cè)試中小車(chē)已經(jīng)能根據(jù)題目要求行駛在自動(dòng)往返的賽道上。后面我們?cè)谶@基礎(chǔ)上讓小車(chē)盡最快的速度跑完賽道，小車(chē)往返時(shí)間控制在了42s50s。4.3.3 簡(jiǎn)易智能賽道調(diào)試測(cè)試次數(shù)能否探測(cè)鐵片能否躲避障能否尋找光源調(diào)整1

18、5前兩次能 后面不能了不能不能調(diào)整金屬探頭67能有時(shí)能能（經(jīng)常亂跑）調(diào)整程序跟紅外探頭816能能能（有時(shí)亂跑）調(diào)整光敏電阻/程序1720能能光源夠強(qiáng)就能把程序/光敏電阻靈敏度跳到最佳2134能能有一次不能 繼續(xù)調(diào)整程序4.3.4測(cè)試分析與結(jié)論尋跡模塊在跑第一個(gè)賽道已經(jīng)沒(méi)了問(wèn)題，可以不用調(diào)試。而在前面幾次調(diào)試中，行駛了幾次后發(fā)生了金屬探頭接觸不良的情況。在第二輪測(cè)試中，在躲避障礙物時(shí)經(jīng)常性德亂跑，經(jīng)過(guò)我們分析，可能是小車(chē)行駛的速度過(guò)快，也有可能程序?qū)懙南到y(tǒng)對(duì)感應(yīng)信號(hào)過(guò)于靈敏。導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常的對(duì)驅(qū)動(dòng)進(jìn)行控制。調(diào)整小車(chē)速度后有所轉(zhuǎn)好。后面我們又對(duì)程序進(jìn)行了調(diào)整， 后幾次避障能正常運(yùn)行。第三輪測(cè)試時(shí)候，由于光源只是個(gè)100W的白熾燈,所以有時(shí)候感應(yīng)不是特別遠(yuǎn)。再增強(qiáng)了光敏電阻的指向性后又進(jìn)行了程序調(diào)整。在第四輪測(cè)試中尋找光源已經(jīng)基本正常。第五輪測(cè)試小車(chē)的穩(wěn)定性。綜上數(shù)束，本設(shè)計(jì)到達(dá)設(shè)計(jì)要求?？偨Y(jié)在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，我們遇到了各種困難和許多沒(méi)有預(yù)想到的情況，但我們通過(guò)團(tuán)隊(duì)協(xié)作和努力，最終克服了困難、解決問(wèn)題。由于我們的水平有限和時(shí)間緊張等因素，我們?cè)陔娐返脑O(shè)計(jì)上海存在許多值得改進(jìn)的地方。經(jīng)過(guò)此次產(chǎn)品的設(shè)計(jì)與制作，我們也深刻的體會(huì)到：實(shí)踐是；理論運(yùn)用最好的檢察官，懂得了共同協(xié)作和團(tuán)隊(duì)的重要性，提高了我們電路分析、解決好各種電路問(wèn)題的能力。同時(shí)也認(rèn)