EasyARM1138單片機為核心的智能小車的基本原理與實現(xiàn)方案

2011全國大學生電子設計競賽論文（山東賽區(qū)）題目:智能小車智能小車摘要：本設計給出了以EasyARM1138單片機為核心的智能小車的基本原理與實現(xiàn)方案。該系統(tǒng)采用模塊化的設計方案，運用光電編碼器、超聲波傳感器、無線收發(fā)器件組成不同的檢測電路，實現(xiàn)小車在行駛中軌跡、躲避前面的小車、測量車速等問題檢測，從而實現(xiàn)自動控制電動小車躲避前面小車，快慢速行駛，自動超車，并可以自動轉(zhuǎn)彎和實現(xiàn)交替領(lǐng)跑功能。該智能小車具有很好的識別與檢測的能力，具有定位精確、運行穩(wěn)定可靠的特點。并且該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景，在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設計與實際相結(jié)合，現(xiàn)實意義很強。關(guān)鍵詞：EasyARM1138單片機；光電編碼器；PWM調(diào)速；電動小車；超聲波PAGE7設計要求甲車和乙車分別從自制跑道起點標志線開始，在行車道各正常行駛一圈。隨后甲、乙兩車如上位置同時起動，乙車通過超車標志線后在超車區(qū)內(nèi)實現(xiàn)超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現(xiàn)乙車超過甲車。甲、乙兩車繼續(xù)行駛第二圈，要求甲車通過超車標志線后要實現(xiàn)超車功能，并先于乙車到達終點標志線，即第二圈完成甲車超過乙車，實現(xiàn)了交替領(lǐng)跑。甲、乙兩車繼續(xù)行駛第三圈和第四圈，并交替領(lǐng)跑。完成上述功能后，重新設定甲車起始位置（在離起點標志線前進方向40cm范圍內(nèi)任意設定），實現(xiàn)甲、乙兩車四圈交替領(lǐng)跑功能。方案論證與設計小車控制模塊方案一：采用通用的51單片機作為主控制器。51單片機通用靈活、價格低廉、使用方便，但此單片機字長有限，數(shù)據(jù)處理能力很弱，處理速度較慢，資源不夠豐富，需要擴展較多的外圍電路，降低了系統(tǒng)的可靠性，增加了制作的費用，難以滿足本設計要求。方案二：EasyARM1138人機界面擴展板是專門為廣州致遠電子有限公司開發(fā)的EasyARM1138開發(fā)板量身定制的一款人機界面的擴展板。該擴展板方案使用了基于ST7920控制器的中文圖形128×64的LCD和4×4矩陣鍵盤，豐富的人機界面完全能夠滿足用戶的要求。此方案給用戶提供了完整的硬件設計原理圖，PCB圖，軟件調(diào)試例程，LCD模擬SPI軟件包，鍵盤管理芯片ZLG7289模擬SPI軟件包。用戶在選用了這個方案后，將會大大縮減產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品設計的可靠性。綜合比較以上兩個方案，本系統(tǒng)選擇方案二。傳感器測距模塊方案一：探測障礙的最簡單的方法是使用超聲波傳感器，它是利用向目標發(fā)射超聲波脈沖，計算其往返時間來判定距離的。具體工作原理：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收，然后將這個信號放大后送入單片機。該方法被廣泛應用于移動機器人的研究上。其優(yōu)點是價格便宜，易于使用，且在幾米以內(nèi)能給出精確的測量。方案二：視覺傳感器在CW系統(tǒng)中使用得非常廣泛。其優(yōu)點是尺寸小，價格合理，在一定的寬度和視覺域內(nèi)可以測量定多個目標，并且可以利用測量的圖像根據(jù)外形和大小對目標進行分類。但是算法復雜，處理速度慢。綜合以上方案，采用方案一。電機驅(qū)動模塊方案一：采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片，L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。方案二：對于直流電機用分離元件構(gòu)成驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應用中很廣泛，但在應用中不夠穩(wěn)定。方案三：采用達林頓管組成的H型PWM電路，用單片機控制達林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，可精確調(diào)整電動機的轉(zhuǎn)速。這種電路工作在飽和截止模式下，一般用起來不大經(jīng)濟，且難于控制。由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，要求精度較高，所以選擇方案一。原理分析與硬件電路圖原理分析根據(jù)賽題任務的要求，我們在現(xiàn)有玩具電動車的基礎(chǔ)上，加裝光電編碼器、超聲波傳感器、電機驅(qū)動芯片L298N及nRF24L01無線收發(fā)器件，實現(xiàn)對電動車的速度、位置、運行狀況的實時測量和兩車之間的順利通訊，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車的智能控制?；谶@些要求，我們設計并制作了基于EasyARM1138單片機為核心的智能小車系統(tǒng)。針對小車在行駛過程中的不同要求，采用模塊化設計方案，進行了各部分電路的設計。圖2-1原理總體設計圖單元電路設計電機驅(qū)動模塊圖2-2電機驅(qū)動電路圖L298N介紹和電路原理L298N是專門用來驅(qū)動電機的芯片，內(nèi)部集成了一個H橋電路和保護電路。連接時第1、29、30腳必須通過10K電阻接地，第8腳必須接地。11、12、18或27任意接一組電源就可以。驅(qū)動步進電機的L298N相線一定要接對,否則電機肯定不轉(zhuǎn)其他沒說明的引腳不用管。在連接和測試時不要用手碰芯片的任何引腳，否則輸不出信號。一旦過流保護被啟動，芯片必須重新上電后才可恢復正常工作。如果用手去碰第1、29、30引腳則過流保護立即啟動。接收模塊圖2-3接收信號電路圖該電路通過光電感應跑道邊界對小車的運行情況進行實時測量，并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機處理，然后由單片機根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實現(xiàn)對電動車方向的控制。軟件設計與流程軟件設計軟件部分采用模塊化程序設計的方法，由主控制程序、電機驅(qū)動模塊的子程序、接收模塊的子程序、光電編碼器模塊的子程序等組成。該軟件是基于調(diào)控PWM波占空比來調(diào)節(jié)車速和運動方向的，通過無線電收發(fā)使兩車彼此聯(lián)系并及時反饋信息從而達到協(xié)調(diào)運行。最主要是應用超聲波測距來確定小車自身所處的車位。程序流程圖圖2-4主程序流程圖圖2-5超車模塊流程圖系統(tǒng)測試與誤差分析測試環(huán)境地點：實驗室時間：2011年9月4日溫度：25℃測試儀器多功能數(shù)字萬用表、數(shù)字示波器、EasyARM1138單片機、秒表、計算機測試方法先讓甲乙兩車分別在長度已知的跑道上各跑一圈，用秒表記錄兩車所用的時間，最后通過路程時間的關(guān)系推算出速度從而和軟件中設置的速度作比較，根據(jù)實際速度來改寫軟件的設置而達到理想值。第二圈、第三圈乃至后幾圈都同上述方法一樣，分別記錄多組超車速度、到達終點的時間，同軟件設置的速度值時間值作比較，最終使小車運行更快更省時。軟件模塊測試：采用自下而上的調(diào)試方式，先進行模塊測試程序的調(diào)試，待全部通過之后將所有的軟件程序串接起來并結(jié)合硬件電路進行整體調(diào)試。測試結(jié)果表4-1兩車平均速度統(tǒng)計表次數(shù)甲實際跑一圈的平均速度甲理論跑一圈的平均速度誤差乙實際跑一圈的平均速度乙理論跑一圈的平均速度誤差10.19m/s0.18m/s0.01m/s0.20m/s0.18m/s0.02m/s20.20m/s0.18m/s0.02m/s0.21m/s0.18m/s0.03m/s30.21m/s0.18m/s0.03m/s0.19m/s0.18m/s0.01m/s表4-2兩車超車速度統(tǒng)計表次數(shù)甲超乙時實際速度甲超乙時理論速度誤差乙超甲時實際速度乙超甲時理論速度誤差10.20m/s0.21m/s0.01m/s0.22m/s0.21m/s0.01m/s20.22m/s0.21m/s0.01m/s0.20m/s0.21m/s0.21m/s30.19m/s0.21m/s0.02m/s0.19m/s0.21m/s0.02m/s表4-3兩車所用時間統(tǒng)計表次數(shù)甲完成任務的實際時間甲完成任務的理論時間誤差乙完成任務的實際時間乙完成任務的理論時間誤差1162s160s2s164s160s4s2164s160s4s162s160s2s3163s160s3s163s160s3s誤差分析因為控制器的時間是通過內(nèi)部定時器定時實現(xiàn)的，所以精度高，顯示時間準，其與秒表實測值之間的微小誤差是由測量誤差所引起的。另外，小車采用直流電機，不能短時間急轉(zhuǎn)和大弧度轉(zhuǎn)彎，所以導致速度控制不夠精確和穩(wěn)定，這也極大的造成了誤差。再加上跑道是用兩塊細木工板拼接而成，所以地面的摩擦力也對小車的速度造成了影響從而導致了誤差。最后就是在數(shù)據(jù)的處理時，由于人工的測量與計算，肯定存在著誤差，從而導致了與理論值的偏差?？偨Y(jié)從測試結(jié)果來看，本系統(tǒng)實現(xiàn)了題目基本部分以及發(fā)揮部分的要求，PWM技術(shù)能夠極大地提高電動機的驅(qū)動效率，通過接收模塊解決了小車嚴格按照軌跡(黑線)運行的問題，超聲波傳感器能夠精確測量小車與障礙物之間的距離。從運行情況看，采用本方案設計制作的智能小車，系統(tǒng)可靠性較高，運行穩(wěn)定，定位準確，達到了設計要求。由于單片機留有空閑的I/O口，因此可以進一步對系統(tǒng)的功能進行擴展，比如加入自動循跡的功能進一步完善等，將使得系統(tǒng)更趨于智能化、人性化的特點。參考文獻[1]陳炳和.計算機控制系統(tǒng)基礎(chǔ).北京：北京航天航空大