智能小車設(shè)計報告

光電系統(tǒng)課程設(shè)計報告——設(shè)計題目:光電智能小車指導(dǎo)教師:班級:設(shè)計者姓名:學(xué)號:同組者姓名:設(shè)計者聯(lián)系電話: -0-目錄一.摘要(2)二.方案設(shè)計與論證(2)1.技術(shù)指標(biāo)(2)2.基本原理(3)3.方案論證(3)三.硬件電路設(shè)計(6)單片機最小系統(tǒng)設(shè)計(6)電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(8)光電探測輸入模塊設(shè)計(8)輸出電機驅(qū)動模塊設(shè)計(9)四.軟件設(shè)計(11)編程思想及流程圖(11)主要程序設(shè)計(13)五.測試結(jié)果及結(jié)論分析(14)測試報告(14)2.結(jié)論(14)六.心得體會(15)七.參考文獻(xiàn)(15)八.附錄(15)器件清單(16)程序清單(16)原理圖(21)PCB一.摘要C8051F31016C8051F310的設(shè)計。從硬件設(shè)計到軟件程序控制來實現(xiàn)設(shè)計題目要求。本次設(shè)計采用C8051F310st168L298N未做其它功能拓展。本文介紹了設(shè)計思想的方案論證,硬件設(shè)計和軟件設(shè)計過程,以及最終測試和結(jié)果分析,從各方面剖析本次設(shè)計過程。二.方案設(shè)計與論證1.技術(shù)指標(biāo)本次設(shè)計題目是:光電智能小車以單片機為核心,設(shè)計光電智能小車,小車沿彎曲跑道來回運行,到達(dá)終點時能方向行駛,具體要求如下:1、選用51系列單片機24CM,10×25CM色矩形。3、通過光電方法控制小車運動方向45V選作:可顯示行駛路程和行駛時間小車跑道示意圖如下:基本原理3檢測模塊利用光電探測器對指定路線進(jìn)行檢測,光電發(fā)射管發(fā)生的光由光電接收管接收,對于白紙和黑線,光的反射率不同,則光電接收管接收到的光功率大小就單片機進(jìn)行處理。C8051F310C8051F31016/定時器陣列(PCA)輸出給驅(qū)動模塊。L298N做相應(yīng)運動。3行控制并輸出相應(yīng)信號,即可實現(xiàn)整個系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。方案論證⑴檢測系統(tǒng)的方案選擇方案一:基于反射式紅外傳感器的檢測模塊基于反射式紅外傳感器的模擬光電傳感器陣列,利用傳感器對白色和黑色反射率大小的不同,通過對各個傳感器輸出值的組合能夠基本確定智能小車的位置,從而對小車的位置和行駛方向進(jìn)行控制。c-eLM39374LS14單片機控制。電路原理圖如下圖:這種方法具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,但隨著精度要求的呃提高會使得處理時徑進(jìn)行識別,降低了對環(huán)境的適應(yīng)能力,影響了智能小車的速度和穩(wěn)定性,而且具有一定的電路規(guī)模,不便電路設(shè)計。方案二:基于CMOS傳感器的檢測模塊CMOSA/DCMOS色引導(dǎo)線。CMOS要求較高,且成本也較其它方式要高。方案三:基于st168器件的檢測模塊St168觸檢測方式。該器件即是基于反射式紅外傳感器的集成和改進(jìn)。其光電特性如下表:st1681.4~2.0V;3.8~4.2Vst168確定統(tǒng)一的電壓判決門限。綜合考慮,本次設(shè)計選擇st168器件作為檢測模塊輸入。⑵檢測放大器的方案選擇方案一:采用普通單級放大電路普通單級放大電路結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)試方便,價格低廉,但是在系統(tǒng)運用上海有很多不足,如抗干擾能力差,共模抑制比低等。這會使得單片機的輸入信號不夠穩(wěn)定,很有可能導(dǎo)致控制時的誤判。方案二:采用差動放大電路選擇幼優(yōu)質(zhì)的元件構(gòu)成比例放大的差動電路,可以提高一定的精度,但是仍舊不能完成某些要求。在本次設(shè)計中,需要將光電檢測器的輸入電平信號放大并濾除干擾,并要求對共模干擾信號有很強的抑制能力。這種情況下采用差動放大電路,必須設(shè)法減小溫度漂移,但是實際運用中,共模抑制比較高時往往會使放大器的輸出飽和;而為獲得單片機能識別的電平又無法抑制共模干擾。方案三:電壓比較電路Ur,UiUi>UrUiUrUrUrUr比較器鑒別準(zhǔn)確,反應(yīng)靈敏,動作迅速,抗干擾能力強,并且具有一定的保護(hù)措施。為了實現(xiàn)上述要求可以采用以下方法改善放大器性能:①選用集成電壓比較器②可以在集成運放的兩個輸入斷并聯(lián)二極管,以提高響應(yīng)速度。③盡可能使輸入信號接近理想情況,使它在閾值附近的變化接近理想階躍且幅度足夠大簡單電壓比較器靈敏度高,但抗干擾能力差,運行也不夠穩(wěn)定。st168LM339AN入信號處理后輸出給單片機進(jìn)行控制。⑶驅(qū)動方式的方案選擇方案一:靜止可控整流器,簡稱V-M系統(tǒng)V-M產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。方案二:脈沖寬度調(diào)制,H型雙極性可逆PWM變換器PWM電機配合,系統(tǒng)就可以獲得很寬的頻帶,響應(yīng)速度快,抗干擾能力強。而且主電路損耗小,裝置效率高。H型雙極式PWM變換器有如下優(yōu)點:(1)電流一定連續(xù);(2)可使電動機在四象限中運行;(3)電機停止時有微振電流,能消除靜摩擦死區(qū);(4)低速時,每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬,有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通;(5)低速平穩(wěn)性好,調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。其電路原理圖如下圖所示:PWM路規(guī)模較大,設(shè)計過程不簡便。方案三:驅(qū)動芯片L298N調(diào)速L298NST1546V;3A,2A;25WH2特點:1、具有信號指示;2、轉(zhuǎn)速可調(diào);3、抗干擾能力強;4、具有過電壓和過電流保護(hù);5、可單獨控制兩臺直流電機;6、PWM脈寬平滑調(diào)速7、可實現(xiàn)正反轉(zhuǎn);8、采用光電隔離。L298N三.硬件電路設(shè)計單片機最小系統(tǒng)設(shè)計C8051F310單片機芯片上集成了很多功能:805114,WTD1280字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM;16KBFLASH存儲器,可在系統(tǒng)編程;10ADC29/25I/O5VUART、SMBusSPI4個通用16位計數(shù)器/定時器;16/定時器陣列(PCA),5/PCA內(nèi)部可編程振蕩器:24.5Hz,UART外部振蕩器:晶體、RC、C、或外部時鐘;32LQFPC8051F310ROM/EPROMRAM,可以供此系統(tǒng)的程序使用,不需C8051F310接口模塊。3個部分整體電路圖如下:復(fù)位電路:C8051F310來實現(xiàn)的;本設(shè)計選擇的是用按鍵手動復(fù)位,KEY1C2CKRST時鐘電路:C8051F310SiliconLabs2(C2)FLASH信號(C2CK)C2(C2D)在器件和宿主機之間傳達(dá)信息。RC(R2C6)C2CK程序載入電路:5*2Header7行控制,4C2DC2D電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計5V,但是C8051F3102.7V~3.6V3.3V5V3.3VSPX1117--800mA(LDO)電容實現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換功能。SPX11171.1V。當(dāng)輸出電流減少時,靜態(tài)電流隨負(fù)載變化,并提高效率。SPX11171.5V,1.8V,2.5V,2.85V,3.0V,3.3V的輸出電壓。SPX11173:SOT-223,TO-252,TO-22026310uF由SPX1117構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換模塊如下圖所示:本次設(shè)計使用兩個插口的電壓插座,5VVinVout3.3V,3.3VC8051F310正常的工作電壓。光電探測輸入模塊設(shè)計st1681*8Header6st1684cm,故在小車的前端4.5cm~5cm測器始終探測到黑線,會使得運行更加穩(wěn)定。6st168口進(jìn)行連接,故沒有在電路圖中畫出st168FL、FM、FR、BL、BM、BRI/O端口進(jìn)行邏輯控制。LM339AN的輸入信號進(jìn)行比較。st1681.4~2V3.8~4.2V左680Ω1kΩ5V3.1V8.2kΩ的電阻作為上拉電阻穩(wěn)定輸出。經(jīng)電壓比較器處理后,輸出標(biāo)準(zhǔn)的高電平或低電平信號,送入單片機進(jìn)行處理。光電探測輸入模塊電路如下圖:IC0.1uF4.輸出電機驅(qū)動模塊設(shè)計經(jīng)過前面的方案論證,選擇L298N芯片作為驅(qū)動芯片驅(qū)動兩個電機,實現(xiàn)車輪的速度調(diào)節(jié)和正反轉(zhuǎn)。在將單片機的控制信號輸入給驅(qū)動芯片之前添加一個緩沖器SN74HCT373N,可以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。L298N2個電機,OUT1、OUT2OUT3、OUT42個電動機。5、7、10、12腳接輸入控制電平,控制電機的正反轉(zhuǎn),;ENA,ENBL298N1PWMPWMI/OIN1IN2M1IN1,IN2M1IN3IN4M2PWMIN2IN4FLM1IN1輸PWMM2(IN3PWMFR,IN1PWM,IN3PWMFLFRIN1IN3IN2IN4PWMBLBR整個輸出電機驅(qū)動模塊如下圖所示:0.1uF四.軟件設(shè)計編程思想及流程圖2FLFRP0.2P0.42BLBRP2.2P2.4線時輸入高電平,探測到白底時輸入低電平。16/定時器陣列(PCA)的輸出P1.2~P1.5PWML298N調(diào)速轉(zhuǎn)向。程序主要分為前行程序和倒行程序兩個大模塊,每個大模塊又分為直行程序,左轉(zhuǎn)程序和右轉(zhuǎn)程序三個小模塊。上電時首先直接執(zhí)行前行的直行程序,再對光電探測器輸入信號進(jìn)行判斷,然后根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的子程序。前行程序模塊:P0.2P0.4P0.2P0.4P0.2P0.4程序。每個子程序執(zhí)行完后都跳轉(zhuǎn)到程序開頭進(jìn)行判斷。倒行程序模塊:P2.2P2.4P2.2P2.4P2.2P2.4程序。每個子程序執(zhí)行完后都跳轉(zhuǎn)到程序開頭進(jìn)行判斷。P1.2~P1.516/定時器陣列(PCA)PCA0CPH0~PCA0CPH3L298NIN1~IN4。IN1IN2IN4PCA0CPHx的賦值約FFh:PCA0CPH0PCA0CPH2,PCA0CPH1PCA0CPH3前行左轉(zhuǎn)子程序:PCA0CPH0;PCA0CPH2增大,PCA0CPH1PCA0CPH3前行右轉(zhuǎn)子程序:PCA0CPH0;PCA0CPH2減小,PCA0CPH1PCA0CPH3倒行時的三個子程序類似,PCA0CPH0PCA0CPH2PCA0CPH1PCA0CPH3P1.3P1.5PWM號占空比,實現(xiàn)倒行的直行,左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)模塊的功能。程序流程圖如下:白黑白主要程序設(shè)計主要的編程思想在前面已經(jīng)做了很詳細(xì)的論述,在此將前行程序的判斷語句,前行程序的直行子程序,以及倒行程序的左轉(zhuǎn)子程序三個部分作為例子,說明詳細(xì)的程序設(shè)計過程。前行程序判斷語句:OB_LEFT1:JBP0.2,OBRIGHT11//11SJMPOB_RIGHT1//11OBRIGHT11:JBP0.4,BACKSTART//若右1為高(壓線),則雙探頭壓線,到達(dá)終點,//跳轉(zhuǎn)到倒行程序LJMPTURN_LEFT1//左1已壓線,右1未壓線,則進(jìn)入左轉(zhuǎn)程序OB_RIGHT1:JBP0.4,TURNRT1//11,LJMPANJIAN0//TURNRT1:LCALLANJIAN2//調(diào)用右轉(zhuǎn)程序前行程序的直行子程序:ANJIAN0:MOVA,#00HMOVPCA0CPH0,A//1MOVA,#00HMOVPCA0CPH2,A//11MOVA,#0FFH//其他端口為零占空比的低電平MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1//執(zhí)行結(jié)束后跳轉(zhuǎn)到判斷語句倒行程序的左轉(zhuǎn)子程序:ANJIAN5:MOVA,#60H//22MOVPCA0CPH3,AMOVA,#00H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFH//MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2//執(zhí)行結(jié)束后跳轉(zhuǎn)到判斷語句3相應(yīng)模塊也可以按照類似的思想進(jìn)行編程,最終由整個編程思想將每個小模塊按正確的邏輯“連接:起來,即可實現(xiàn)整個程序的設(shè)計。1.測試報告測試方法:數(shù)字萬用表主要用于測試分立元件的電阻值,電容大小,以及二極管的截止/導(dǎo)通狀態(tài)和某些關(guān)鍵點的電壓值。信號發(fā)生器用于模擬光電探測器的信號輸入給單片機進(jìn)行控制,觀察輸出電機驅(qū)動模塊是否運行正常。示波器用于觀察輸出電機驅(qū)動模塊的驅(qū)動信號是否正常,并可以測量光電探測器的輸入高電平和低電平的電壓值,以及測試電壓比較器的閾值電壓值,作好整體的調(diào)試。直流穩(wěn)壓源為測試期間的各個部分供電。測試數(shù)據(jù)和結(jié)果:5V,5.2V3V61.4~2V3.8~4.2V較為穩(wěn)定。測試驅(qū)動模塊時,使探測器在白紙和黑線上不斷變化,產(chǎn)生相應(yīng)信號,用示波器IN1、IN2、IN3、IN4暢穩(wěn)定。2.結(jié)論C8051F310st168L298N本次光電智能小車的設(shè)計采用兩個驅(qū)動輪+一個隨動輪運行,光電探測器探測4cm10cm×25cm30s,由于直接利用了車輪的正反轉(zhuǎn),在反向行駛時不需調(diào)頭或者轉(zhuǎn)彎,直接逆向行駛,所以一個來回所需要的時間約為1min。運行過程中,車身平穩(wěn),且轉(zhuǎn)彎靈活,整個運行過程非常穩(wěn)定且為發(fā)生任何錯誤。不足之處在于較大角度的轉(zhuǎn)彎處,小車運行得不夠靈活,轉(zhuǎn)彎速度較慢,時間較長。六.心得體會本次光電系統(tǒng)課程設(shè)計使我受益匪淺。陸陸續(xù)續(xù)快一個學(xué)期的過程中我通過課程設(shè)計的各個步驟學(xué)到了很多東西。在確定了本次課設(shè)的題目后,首先查閱了很多資料,對硬件電路設(shè)計的原理有小組成員選擇了性能穩(wěn)定,成本低廉,簡單可靠的方案來實現(xiàn)此次系統(tǒng)的設(shè)計。在畫電路原理圖的時候,器件相關(guān)參數(shù)的確定并不能像理論上計算得出就可以的,需要去做測試實驗才能確定其參數(shù),這讓我知道了理論與現(xiàn)實操作還是有很大差別的,不能PCBPCBPCB同占空比的方波,此方法編程復(fù)雜繁瑣,容易出現(xiàn)邏輯錯誤,最終決定用可以編程的計數(shù)器/定時器陣列(PCA計過程,使程序非常簡潔明了。最終的焊接和調(diào)試過程,小組成員齊心協(xié)力,一步一步地調(diào)試好每個模塊,最終完成了整個系統(tǒng)的設(shè)計。本次課設(shè)小組成員分工合作,雖然遇到了各種困難,但都一一克服了,使得我們最終共同完成了整個光電系統(tǒng)的設(shè)計。七.參考文獻(xiàn)胡乾斌.單片微型計算機原理及應(yīng)用[M].華中科技大學(xué)出版社,2006.江志紅.51單片機技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)案例精選[M].清華大學(xué)出版社,2008.潘琢金.C8051F310/1/2/3/4/58/16KBISPFLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[Z][D].,2004.八.附錄原理圖(P21)PCB(P22)器件清單程序清單$includeORG0000HLJMPORGMAIN:SETBP1.6SETBP1.7LCALLInit_DeviceSTART:LCALLANJIAN0//設(shè)置電機正轉(zhuǎn)OB_LEFT1:JBP0.2,OBRIGHT11//11SJMPOB_RIGHT1//左1探頭未壓線,繼續(xù)判斷右1探頭OBRIGHT11:JBP0.4,BACKSTART//1點,跳轉(zhuǎn)到倒行程序LJMPTURN_LEFT1//左1已壓線,右1未壓線,則進(jìn)入左轉(zhuǎn)程序OB_RIGHT1:JBP0.4,TURNRT1//11,LJMPANJIAN0//若也未壓線,則返回起始保持直行,且繼續(xù)探測TURNRT1:LCALLANJIAN2//調(diào)用右轉(zhuǎn)程序ANJIAN0:MOVA,#00HMOVPCA0CPH0,A//接左1輪MOVA,#00H//11MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1ANJIAN2:MOVA,#00HMOVPCA0CPH0,A//11MOVA,#60H//11MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1TURN_LEFT1:LCALLANJIAN3ANJIAN3:MOVA,#60H//11MOVPCA0CPH0,AMOVA,#00H//11MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1BACKSTART:LCALLANJIAN1//電機反轉(zhuǎn)OB_LEFT2:JBP2.2,OBRIGHT21//22SJMPOB_RIGHT2//左2探頭未壓線,繼續(xù)判斷右2探頭OBRIGHT21:JBP2.4,START//2跳轉(zhuǎn)到前行程序LJMPTURN_LEFT2//左2已壓線,右2未壓線,則進(jìn)入左轉(zhuǎn)程序OB_RIGHT2:JBP2.4,TURNRT2//11,LJMPANJIAN1//若也未壓線,則返回起始保持直行,且繼續(xù)探測TURNRT2:LCALLANJIAN4//調(diào)用右轉(zhuǎn)程序ANJIAN1:MOVA,#00H//接左2輪MOVPCA0CPH3,AMOVA,#00H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2ANJIAN4:MOVA,#00H//22PCA0CPH3,AMOVA,#60H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2TURN_LEFT2:LCALLANJIAN5//調(diào)用左轉(zhuǎn)程序ANJIAN5:MOVA,#60H//22MOVPCA0CPH3,AMOVA,#00H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2;------------------------------------;-GeneratedInitializationFile--;------------------------------------;Peripheralspecificinitializationfunctions,;CalledfromtheInit_DevicelabelPCA_Init:movPCA0CN,#040hanlPCA0MD,#0BFhmovPCA0MD,#002hmovPCA0CPM0,#042hmovPCA0CPM1,#042hmovPCA0CPM2,#042hmovPCA0CPM3,#042hmovPCA0CPH0,#0FFhmovPCA0CPH1,#0FFhmovPCA0CPH2,#0FFhmovPCA0CPH3,#0FFhretPort_IO_Init:;P0.0-Skipped,Open-Drain,Digital;P0.1-Skipped,Open-Drain,Digital;P0.2-Skipped,Open-D