電子設(shè)計(jì)大賽報(bào)告模板

1、簡(jiǎn)易智能小汽車隊(duì)長(zhǎng)：黃洋 隊(duì)員：尹志軍 梁榮新賽前輔導(dǎo)老師：臧春華文稿整理輔導(dǎo)老師：摘要設(shè)計(jì)分為5個(gè)模塊：前輪PWM驅(qū)動(dòng)電路、后輪PWM驅(qū)動(dòng)電路、軌跡探測(cè)模塊、障礙物探測(cè)模塊、光源探測(cè)模塊。前輪PWM驅(qū)動(dòng)電路用于轉(zhuǎn)向控制；后輪PWM驅(qū)動(dòng)電路用于方向和速度控制；探測(cè)模塊利用三個(gè)光感元件，對(duì)黑色軌道進(jìn)行尋跡；障礙物探測(cè)模塊用于對(duì)兩個(gè)障礙物進(jìn)行探測(cè)；光源探測(cè)模塊利用三個(gè)光敏電阻制成，用于尋光并確定光源角度，以期獲得較為精確的轉(zhuǎn)向值。繞障方案利用障礙物較低這個(gè)重要條件，在C點(diǎn)出發(fā)后，先利用光敏電阻獲得光源的方向是本設(shè)計(jì)的一大特色。一、方案論證與比較1軌跡探測(cè)模塊設(shè)計(jì)與比較方案一、使用簡(jiǎn)易光電傳感器結(jié)合

2、外圍電路探測(cè)。由于所采用光電傳感器實(shí)際效果并不理想，對(duì)行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測(cè)幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因?yàn)?該部件造成整個(gè)系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二、利用兩只光電開關(guān)。分別置于軌道的兩側(cè)，根據(jù)其接受到白線的先后來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，但測(cè)試表明，如果兩只光電開關(guān)之間的距離很小，則約束了速度,如果著重于小車速度的提升，則隨著車速的提升，則勢(shì)必要求兩只光電開關(guān)之間的距離加大，從而使得小車的行駛路線脫離軌道幅度較大，小車將無法快速完成準(zhǔn)確的導(dǎo)向從而有可能導(dǎo)致尋跡失敗。方案三、用三只光電開關(guān)。一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)

3、小車脫離軌道時(shí)，即當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測(cè)到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛?，F(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，雖然小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺（因?yàn)樗?gòu)小車的內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定了光電開光之間的距離到達(dá)不了精確計(jì)算值1厘米），但只要控制好行駛速度就可保證車身基本上接近于沿靠軌道行駛。綜合考慮到尋跡準(zhǔn)確性和行駛速度的要求，采用方案三。2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)比較方案一、采用外接ROM進(jìn)行存儲(chǔ)。采用外接ROM進(jìn)行存儲(chǔ)是保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的慣用方法，其特點(diǎn)是在單片機(jī)斷電之后仍然能保存住數(shù)據(jù)，但無疑將增大軟硬開銷和時(shí)間開銷。方案二、直接用單片機(jī)內(nèi)部的RAM進(jìn)

4、行存儲(chǔ)。雖然不能在斷電后保存數(shù)據(jù)，但可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)按鍵顯示相應(yīng)值。而且本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)不大，采用RAM可以減少IO接口的使用，便利IO接口分配，故此方案具有成本低、易實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)，更符合實(shí)際需求。鑒于方案二的以上優(yōu)點(diǎn)，綜合比較，本方案采用方案二。3障礙探測(cè)模塊方案分析與比較考慮到在測(cè)障過程中小車車速及反應(yīng)調(diào)向速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物40CM的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣在順利繞過障礙物的同時(shí)還為下一步駛?cè)胲噹?kù)尋找到最佳的位置和方向。否則，如果范圍太大，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤；范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實(shí)現(xiàn)理想定向方案。方案一、采用一只紅外傳感器置于小車中央。一只

5、紅外傳感器小車中央安裝簡(jiǎn)易，也可以檢測(cè)到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會(huì)與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。方案二、采用二只紅外傳感器分置于小車兩邊。二只紅外傳感器分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進(jìn)方向平行，對(duì)小車與障礙物相對(duì)距離和方位能作出較為準(zhǔn)確的判別和及時(shí)反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外傳感器用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三、采用一只紅外傳感器置于小車右側(cè)并與小車前進(jìn)方向呈一固定角度。基于對(duì)C點(diǎn)后行車地圖中光源及障礙物尺寸、位置的分析，我們采用了從C點(diǎn)出發(fā)即獲得光源對(duì)行車方向的控制，在向光源行駛的過程之中檢查障礙物

6、并做出相應(yīng)的反應(yīng)，這樣不僅只使用一只紅外傳感器就實(shí)現(xiàn)了避障，而且避免因小車自然轉(zhuǎn)彎而導(dǎo)致的盲目方向控制，同時(shí)為后面以最簡(jiǎn)單直接的路線和在最短時(shí)間內(nèi)駛?cè)胲噹?kù)創(chuàng)造了機(jī)會(huì)。智能小車應(yīng)以準(zhǔn)確、智能見優(yōu)，采用方案三。4尋找光源方案分析與比較方案一、采用多只方向性較強(qiáng)的光敏二極管作光源定位器。若干定位器在水平面上按不同角度展開，在尋找光源時(shí)根據(jù)每個(gè)定位器接收到的光線強(qiáng)弱（有無）得出實(shí)時(shí)車庫(kù)方位。該方案若采用方向性較強(qiáng)的光敏二極管作為光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是難以檢測(cè)到光源的方向。方案二、采用一個(gè)光源定位器。用深色不透光材料與光敏電阻制成的光源定位器有較理想的定向測(cè)試效果，2.5米之外就可以確

7、定電源的方向。當(dāng)小車?yán)@過障礙物之后，通過不停地旋轉(zhuǎn)使定位器獲得最大光線照射以確定光源方向，這種方案有一定的可行性，但尋找光源的過程必定帶來不必要的大量時(shí)間開銷，且尋找過程盲目性太大，不利于控制，又增加了一個(gè)電機(jī)，增大的電源方案選擇或安裝的難度。方案三、利用多只光源定位器。在方案二所得數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合光敏電阻的敏感性，只用三到五只光敏電阻就可以達(dá)到目的，只是因其對(duì)光非常敏感，所以必需為每只光敏電阻加上黑色隔離板。雖然制作有一定難度，但其能見長(zhǎng)度和相對(duì)簡(jiǎn)明的控制措施顯示了很大的優(yōu)越性。綜合考慮以上方案，方案三更具準(zhǔn)確性和獨(dú)創(chuàng)性，故我們采用方案三。5距離檢測(cè)方案比較方案一、通過測(cè)試得出小車平均速度

8、v，在行駛過程中將行駛時(shí)間與其乘積tv作為駛過的距離。但該方案受電池電量、路面介質(zhì)等因素的影響，在大多數(shù)情況下均暴露出誤差較大的缺點(diǎn)。故不予采用。方案二、在后輪內(nèi)側(cè)勻距貼上m個(gè)磁鋼，車廂內(nèi)裝上霍爾開關(guān)。對(duì)輪子轉(zhuǎn)速進(jìn)行測(cè)量，由于低速下輪子與地面接觸良好，設(shè)輪周長(zhǎng)為c，可以用霍爾開關(guān)輸出脈沖數(shù)n乘以c/m得出行駛距離。只要磁鋼在后輪上的位置足夠精確，霍爾開關(guān)固定牢靠，就可以獲得較好的測(cè)試效果。但車子顛簸時(shí)，穩(wěn)定性較差。方案三、在齒輪箱中安裝透射式光電開關(guān)，測(cè)出變速齒輪的每秒轉(zhuǎn)速，用變速比和車輪周長(zhǎng)計(jì)算出線速度，積分求行駛距離。但在齒輪箱中使用光電開關(guān)，要求有足夠的安裝位置，不能影響傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)

9、作。其優(yōu)點(diǎn)是工作穩(wěn)定。綜合以上方案優(yōu)劣和小車的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本系統(tǒng)采用了方案二。6剎車機(jī)構(gòu)功能方案比較方案一、自然減速式。當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出停止信號(hào)時(shí)停止給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，小車在無動(dòng)力狀態(tài)因阻力而自然變?yōu)殪o止。由于慣性，小車全速行駛時(shí)需1.8秒后才能停止，因車輪滑行造成的誤差較大。無法實(shí)現(xiàn)精確制動(dòng)的目標(biāo)。方案二、反轉(zhuǎn)式。當(dāng)小車需要停車時(shí)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)以反轉(zhuǎn)信號(hào)，利用輪胎與跑道的摩擦力抵消慣性效應(yīng)。由于車速是漸減的，反向驅(qū)動(dòng)信號(hào)長(zhǎng)度也要漸減，否則小車可能反向行駛。使用此方案后全速剎車反應(yīng)時(shí)間減少為0.5s。本系統(tǒng)中采用方案二。7.金屬探測(cè)方案比較方案一、使用探測(cè)線圈和探測(cè)儀構(gòu)成的金屬探測(cè)器。此類金屬探測(cè)器利用探測(cè)

10、線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在接近金屬材料時(shí)產(chǎn)生微弱變化這一原理，將變化信號(hào)放大處理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測(cè)金屬的目的。由于該探測(cè)器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在短期內(nèi)不可能完成制作，為節(jié)省時(shí)間，我們放棄了該方案。方案二、使用電感式接近開關(guān)代替金屬探測(cè)器。電感式接近開關(guān)本身就是理想的傳感器。當(dāng)金屬物體接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能無接觸，無壓力、無火花、迅速作出反應(yīng)。用它作為本次小車的金屬傳感器，簡(jiǎn)單易行、準(zhǔn)確且抗干擾性能優(yōu)越。本系統(tǒng)中采用方案二。二、硬件設(shè)計(jì)1總體設(shè)計(jì)1.1設(shè)計(jì)模塊圖如圖1示：1.2 根據(jù)圖1，本設(shè)計(jì)需要器件清單見表1。單片機(jī)（52）前輪轉(zhuǎn)彎PWM控制后輪速度控制三只光電開關(guān)尋跡模塊紅外傳感器測(cè)距探障模塊五只光敏尋找

11、光源模塊特色鍵盤與顯示模塊整流模塊電源分壓聲光顯示 探測(cè)金屬片模塊圖1元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量接近開關(guān)1只電位器若干二極發(fā)光管若干光電開關(guān)5只單片機(jī)最小系統(tǒng)板一塊12M晶振只霍爾開關(guān)1只光電二極管若干51系列89C52芯片一塊玩具電動(dòng)小車1輛集成電路芯片若干電阻，電容若干蜂鳴器一個(gè)表12原理分析和說明2.1鍵盤顯示模塊說明見圖2該設(shè)計(jì)使得原本需要14個(gè)IO接口的鍵盤顯示少用了9個(gè)單片機(jī)IO接口,雖然該設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在本實(shí)驗(yàn)中沒有完全體現(xiàn)出來,但若在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中應(yīng)用此方案,在對(duì)引腳需要較大的產(chǎn)品中其優(yōu)點(diǎn)將體現(xiàn)得淋漓盡致。.8 8 8 8 8 8164138P1.2DP1.0P1.3P1.4P1.1

12、ABCEDATA位選P1.2P1.0P1.3P1.1E7F269845310圖22.2元件安裝方位圖。（ 圖4 ）前后尋跡光電開關(guān)金屬探測(cè)器測(cè)障光電開關(guān)轉(zhuǎn)向燈車體中心光敏電阻蜂鳴器跳絢霓虹燈圖42.3光敏電阻分布位置圖。（圖5）在各光敏電阻間用隔板隔開如此擺放可以很好的解決探測(cè)光源方位的難題，從而正確控制小車的轉(zhuǎn)向當(dāng)小車行駛方向朝向光源時(shí)，中間電阻阻值為低，當(dāng)小車偏移光源方向時(shí)，由于光敏電阻間擋板的遮攔作用，兩側(cè)的電阻定有一側(cè)為低，此時(shí)可根據(jù)不同的情況作出轉(zhuǎn)向調(diào)整，且通過測(cè)試，小車尋找光源的路徑準(zhǔn)確，合理。2.4小車動(dòng)力系統(tǒng)：為達(dá)到滿意的控速性能，動(dòng)力系統(tǒng)中的驅(qū)動(dòng)電路使用了自制的PWM模塊并配

13、以組合門電路加以保護(hù)。在行駛過程中有可能變熱的部分電路也涂上了低熔點(diǎn)膠給予保護(hù)，有效的保證了整套系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。2.5車頂狀態(tài)彩燈：直接由單片機(jī)控制的車頂狀態(tài)彩燈簡(jiǎn)單易行，卻使得小車更加人性化。圖52.6 四電源供電系統(tǒng)： 為確保在行駛過程小車各部件均能正常工作且相互之間不收影響，我們使用了四組電源為不同模塊提供工作電壓。其中：三組9V電源分別為測(cè)距光電開關(guān)供電，經(jīng)整流穩(wěn)壓后單獨(dú)為單片機(jī)最小系統(tǒng)及其附屬部件供電，及為霍爾開關(guān)、尋跡光電開關(guān)供電，一組6V電源為電機(jī)供電。如此安排滿足了多次測(cè)試大量用電的需求。2.7 結(jié)合實(shí)際的傳感器采集方式安排：鑒于小車使用的傳感器較多，不可能也沒必要讓所有的傳

14、感器都采用中斷方式，由于霍爾傳感器和金屬探測(cè)器應(yīng)用于實(shí)時(shí)檢測(cè)，我們安排它們工作在中斷方式下，讓應(yīng)用于分時(shí)檢測(cè)的其他傳感器工作在查詢方式下。這樣不僅貼合實(shí)際，更有效地節(jié)省了單片機(jī)的引腳空間。2.8 獨(dú)具自動(dòng)返回跑道能力的尋跡方式：小車的尋跡模塊采用三只光電開關(guān)。一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)檢測(cè)不到黑線且外側(cè)兩傳感器任一只檢測(cè)到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測(cè)到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛。這種尋跡方式的獨(dú)到之處在于，當(dāng)小車因車速過快而使所有傳感器脫離軌道時(shí)小車能根據(jù)最近一次轉(zhuǎn)彎記錄自動(dòng)判別正確的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而自動(dòng)返回軌道。三、軟件設(shè)計(jì)1

15、軟件設(shè)計(jì)特色說明1.1 不同占空比脈沖驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以往方案都是用事先定義好的0、1脈沖置于ROM中以查表獲得脈沖的方法，但是這種辦法不但不方便于操作，還占用了ROM單元，在使用上不具優(yōu)越性。而本次方案在軟件設(shè)置上，每個(gè)全脈沖都由40個(gè)10ms脈沖組成，前面全都是1，后面都是0，高脈沖，即1的個(gè)數(shù)由RAM中5AH單元中擺放的數(shù)值來決定，所有脈沖均通過計(jì)數(shù)器中斷來控制，中斷每10ms 詢查一下5BH單元，當(dāng)5BH中數(shù)小于5AH中數(shù)時(shí)，脈沖置1，否則置0，每次5BH中數(shù)值加1，加到40就清0。這樣就減少了許多ROM空間的使用，減少了軟件延時(shí)控制的麻煩，通過設(shè)置5AH單元中的數(shù)來設(shè)置檔，即我們

16、有40個(gè)檔可調(diào)。1.2 越障程序的設(shè)計(jì)特色之處在于，本設(shè)計(jì)充分利用了障礙物高度為6cm且光源高20cm這個(gè)重要條件，在從C點(diǎn)出發(fā)之初就尋找光源，以通過查詢?nèi)齻€(gè)光敏電阻的阻值變化來確定車身與光源的方位，在無其它參照物的情況下通過光源來確定小車的運(yùn)動(dòng)方向控制。在這個(gè)過程中首先不斷追蹤光源的方位，鎖定光源后立即檢測(cè)前方是否有障礙物，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)即刻放棄追蹤光源而左轉(zhuǎn)躲避，直至不再探測(cè)到障礙物又重新追蹤光源，如此循環(huán)，就可達(dá)到安全迅速地進(jìn)入車庫(kù)的目的。在一開始就將探測(cè)障礙物與尋找光源同時(shí)進(jìn)行，經(jīng)計(jì)算和實(shí)驗(yàn)論證，本方案能大幅度提高避障和尋光源的速度，降低尋找路線的盲目性。1.3 主程序分段無論是在網(wǎng)

17、上還是在一些參考資料上，許多軟件大多的運(yùn)行控制都是由一個(gè)主程序的循環(huán)來進(jìn)行的，但本軟件在主程序上也采取了分段的方式。在主程序間根據(jù)不同的功能區(qū)間來進(jìn)行跳轉(zhuǎn)，很明確很直觀地將主程序進(jìn)行了功能分段，為子程序的設(shè)計(jì)、程序的控制提供了很大方便，同時(shí)增強(qiáng)的程序的可讀性。1.4 時(shí)鐘控制所有倒計(jì)時(shí)，計(jì)時(shí)都通過計(jì)時(shí)器1中斷控制，根據(jù)RAM單元中相應(yīng)的控制位選擇不同的工作。在計(jì)時(shí)器計(jì)到90秒時(shí)，顯示時(shí)鐘，停車，并跳轉(zhuǎn)到HOME程序段，以確定用戶按鍵從而顯示不同的數(shù)值供查詢使用。1.5 軟件降溫在長(zhǎng)轉(zhuǎn)彎過程中通過設(shè)置前端轉(zhuǎn)向電機(jī)間隙停轉(zhuǎn)以達(dá)到降溫的目的。1.6 轉(zhuǎn)彎加速由于本設(shè)計(jì)前后電機(jī)采用同一電源供電，在前輪

18、轉(zhuǎn)向時(shí)，后輪速度將有所降低，此時(shí)即通過軟件表象加速來彌補(bǔ)其電流的降低，從而提高了小車在彎道的行駛速度。1.7 進(jìn)彎道前減速行駛分別采用不同的速度來控制直道與彎道的行駛，可以使得在直道區(qū)盡可能加速，以節(jié)省時(shí)間；在彎道區(qū)減速，有更多的時(shí)間來尋軌，避免脫離軌道，也使得小車以比較直的方向進(jìn)入C點(diǎn)以后區(qū)域2總體流程圖初始化靜6秒，倒計(jì)時(shí)，跳轉(zhuǎn)另一主程序查找尋跡開關(guān)是否要轉(zhuǎn)彎有雷區(qū)標(biāo)志嗎轉(zhuǎn)到位否調(diào)快調(diào)低速關(guān)光電和小嗽叭差不多C點(diǎn)過了嗎停車，軟延0.2秒顯示中點(diǎn)距和雷數(shù)并保存中點(diǎn)距和長(zhǎng)度置標(biāo)志，保存時(shí)間，關(guān)時(shí)鐘2，調(diào)用倒計(jì)時(shí)模塊，查詢標(biāo)志，完成后跳轉(zhuǎn)，置標(biāo)志位，前行。前方有障礙物嗎YYYNNNNNYY剛過雷

19、區(qū)嗎有雷區(qū)標(biāo)志嗎YN向光源越進(jìn)繞障到車庫(kù)了嗎？Y停車并接受查詢（key+led）Y 四、調(diào)試 由于本次實(shí)驗(yàn)需要捍接的器件較多，各器件對(duì)于電源電流的需要極大，我們先以雙電源開始調(diào)試，發(fā)現(xiàn)所有的開關(guān)器件很難穩(wěn)定地給單片機(jī)送正確值，只有當(dāng)更換新電池或小車剛剛啟動(dòng)時(shí)才會(huì)很準(zhǔn)確，經(jīng)過思考，這都是開關(guān)元件消耗電量很大的原因，一旦電池電量不足其工作將會(huì)萎靡不振，于是我們將所有開關(guān)器件劃成一個(gè)部分，由一塊電池專門供電。 在前輪PWM驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電路運(yùn)行中，我們發(fā)現(xiàn)，電機(jī)只給一個(gè)轉(zhuǎn)向力，但保持長(zhǎng)期轉(zhuǎn)向時(shí)，電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)由于受到強(qiáng)行制動(dòng)而處于一種相對(duì)靜止的狀態(tài)，導(dǎo)致PWM驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生大量的熱量，我們既利用軟件使其盡量減少

20、長(zhǎng)期單向轉(zhuǎn)動(dòng)狀態(tài)，又在硬件上，在PWM驅(qū)動(dòng)板上涂上了一層散熱膠，即使發(fā)熱，也不會(huì)燒壞PWM驅(qū)動(dòng)電路。 在安裝上避障用光電開關(guān)之后，其與其它所有開關(guān)元件共用同一電源，在運(yùn)行時(shí)發(fā)現(xiàn)三個(gè)用于尋跡用的開關(guān)元件不能全部正常工作了，據(jù)分析，避障用光電開關(guān)由于探測(cè)距離遠(yuǎn)，功率大，很可能影響其他元件改用單一電源供電后，小車正常工作。 在所有電源開啟后，系統(tǒng)即進(jìn)入6秒鐘倒計(jì)時(shí)狀態(tài)，6秒鐘倒計(jì)時(shí)完畢之后，有時(shí)后輪電機(jī)不能正常啟動(dòng)。經(jīng)分析，這是屬于正常情況，因?yàn)槠鋯?dòng)需要克服很大的慣性，而其電源又不能在瞬間提供很大的電流，所以就沒有動(dòng)靜。此時(shí)，關(guān)掉單片機(jī)電源，再重新打開后即可進(jìn)入正常狀態(tài)去正常運(yùn)行。五、測(cè)試數(shù)據(jù)速度測(cè)試：（m/s）次數(shù) 路面狀況平紙板水泥地面有