自動追光自動避障電動小車

目錄摘要 31引言 32方案設(shè)計與論證 32.1總體方案描述 32.2微處理器模塊的比較與論證 42.3電機的比較與論證 42.4追光模塊的比較與論證 52.5避障模塊的比較與論證 52.6自動停止模塊的比較與論證 53系統(tǒng)硬件、軟件的實現(xiàn) 63.1硬件實現(xiàn) 63.1.1微處理器電路 63.1.2電機驅(qū)動電路 63.1.3追光模塊電路 73.1.4超聲波避障電路 73.1.5電源保護模塊電路 83.2軟件實現(xiàn) 83.2.1流程圖 84系統(tǒng)測試 104.1主要測試用的儀器 104.2測試結(jié)果 114.2.1追光模塊測試 114.2.2避障模塊測試 114.2.3太陽能電池板追光測試 114.2.4自動停止模塊測試 124.2.5基本部分測試 124.2.6發(fā)揮部分測試 125總結(jié) 13參考文獻 14附錄 15附錄1電路圖： 15附錄2主程序： 16摘要本設(shè)計基于MSP430F149單片機為控制器，設(shè)計實現(xiàn)了一個帶有自動尋光、自動避障、自動追光太陽能充電系統(tǒng)的電動小車。本系統(tǒng)包含控制器、步進電機及驅(qū)動、小車尋光、超聲波避障、太陽能板充電以及太陽能板自動追光等模塊。該電動小車能夠在場地內(nèi)自動尋找光源前進并能夠檢測前方多個障礙物并能繞道前行;車上太陽能板能夠自動追光始終對準光源并給電池充電，且有LED顯示充電狀態(tài):小車能在規(guī)定的時間內(nèi)跑完全程并能自行停止。整個系統(tǒng)實現(xiàn)了全部功能要求，運行穩(wěn)定。關(guān)鍵詞：MSP430F149；超聲波傳感器；太陽能電池板；電動小車1引言隨著汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，汽車產(chǎn)業(yè)目前已經(jīng)進入調(diào)整期，目前，全球石油資源緊缺，且油價不斷上漲，沖擊了各個行業(yè)，尤其是汽車產(chǎn)業(yè)，同時人類面對著全球變暖、水平面上升等世界性問題。因此未來的汽車將走向電動汽車的時代，而太陽能是目前作為最清潔的能源，對人類來說無疑是一種新型的能源。本設(shè)計便是針對太陽能供電小車的研究，其中的主要難點在于追光與避障功能的實現(xiàn)，而本設(shè)計已經(jīng)完美的完成了這兩點，并且充分利用綠色資源，實現(xiàn)了小車的智能化。2方案設(shè)計與論證2.1總體方案描述使用100W的白熾燈作為電源，通過太陽能電池板收集電能，然后通過升壓電路給蓄電池充電，再由蓄電池給電動小車供電。小車在啟動以后，使用光敏三極管尋找光源，發(fā)現(xiàn)光源后，由單片機MSP430F149控制，驅(qū)動電動小車沿著光源方向運動。在沿光源運動的道路上，放置3個障礙物，電動小車前端使用超聲波傳感器，超聲波傳感器發(fā)現(xiàn)障礙物后，將信號傳給單片機MSP430F149，驅(qū)動電動小車能夠自動避開，然后繼續(xù)沿光源方向運動，同時太能能板始終正對著光源。運動到一定距離以后，利用太陽能電池板距離光源遠近不同所產(chǎn)生的電壓不同，利用此原理實現(xiàn)對電動小車的自動停車。圖2.1系統(tǒng)框圖2.2微處理器模塊的比較與論證方案一：51系列單片機，是8位單片機，體積小，低功耗，控制能力強，擴展靈活，使用方便。但是其運行速度很慢，（因為是CISC（集中指令）結(jié)構(gòu)，而且芯片為了抗干擾采用了12分頻的方法）、所有的I/0口都是準雙向口，I/0口的驅(qū)動能力弱。方案二：MSP430F149單片機，是16位單片機，處理能力強，超低功耗，并且運算速度快。相比較之下選擇方案二。2.3電機的比較與論證方案一：采用直流電機。直流電機具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力強，能承受頻繁的沖擊負載，可實現(xiàn)頻繁的無極快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿足生產(chǎn)自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運行要求。方案二：采用步進電機。步進電機是將電脈沖信號轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機的轉(zhuǎn)速、啟停的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。因此，步進電機具有快速啟停能力，如果負荷不超過步進電機所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能立即使步進電機啟動或反轉(zhuǎn)，而且步進電機的轉(zhuǎn)換精度高，驅(qū)動電路簡單，非常適合定位控制系統(tǒng)。相比較之下選擇方案二。2.4追光模塊的比較與論證方案一：使用光敏電阻檢測光源，反應靈敏度一般，檢測距離范圍有限，其受外部影響較大，檢測信號易出現(xiàn)誤差，故放棄使用此方案。方案二：使用光電三極管自制追光傳感器。此方案價格低廉，可靠性良好，且便于安裝在小車上。經(jīng)過試驗得知反應靈敏，能滿足此系統(tǒng)的要求，所以我們選擇方案二。2.5避障模塊的比較與論證方案一:利用超聲波傳感器進行檢測，它具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點，超聲波傳感器主要采用直接反射式的檢測模式。位于傳感器前面的被檢測物通過將發(fā)射的聲波部分地發(fā)射回傳感器的接收器，從而使傳感器檢測到被測物。方案二：使用紅外傳感器，它是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離遠、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，發(fā)出的紅外線照射到黑色的平面后紅外線被吸收。若紅外接收管能接收到反射回的紅外線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到紅外線則檢測出黑線繼而輸出高電平。由于測試中使用的是白熾燈，產(chǎn)生的光中，紅外光占有比例較大，如使用紅外傳感器，會有較大的干擾。所以考慮到設(shè)計中對障礙物中尺寸和顏色上的要求以及使用的方便性、穩(wěn)定性和檢測具體的可調(diào)性，選擇方案一。2.6自動停止模塊的比較與論證方案一：將太陽能電池板經(jīng)吸收太陽能后產(chǎn)生的電壓值傳輸?shù)絾纹瑱C中，若電壓值達到一定值則判定小車已經(jīng)距離光源足夠近，單片機發(fā)出停車指令。這種方法是根據(jù)太陽能電池板發(fā)電電壓與其與光源距離成反比這一結(jié)論，進而利用太陽能電池板產(chǎn)生的電壓值來判斷與光源的距離。方案二：采用熱敏電阻，本設(shè)計采用的光源是白熾燈，白熾燈是在照明的時候能夠產(chǎn)生大量的熱量，我們可以利用該特性，采用熱敏電阻制作一個停車模塊。熱敏電阻的阻值能夠隨著周圍熱的不同而改變。然后通過比較器控制小車靠近光源時自動停車。相比較之下，方案一更易操作，所以選擇方案一。3系統(tǒng)硬件、軟件的實現(xiàn)3.1硬件實現(xiàn)3.1.1微處理器電路本設(shè)計采用的MSP430F169的最小系統(tǒng)電路如圖3-1所示。圖3.1微控制器電路圖3.1.2電機驅(qū)動電路L298N是ST公司生產(chǎn)的芯片。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V，并且可以驅(qū)動兩個二相電機，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機的I/O口提供信號，而且電路簡單，使用比較方便。圖3.2電機驅(qū)動電路圖3.1.3追光模塊電路本設(shè)計是采用光敏三極管來進行追光，電動小車上一共安裝有三路光敏三極管，若中間的光敏三極管感應到光，則向前直行。當邊路的光敏三極管感應到光，便會向那個方向轉(zhuǎn)彎，使其向著光源直行。圖3.3光敏三極管電路圖3.1.4超聲波避障電路超聲波傳感器有發(fā)送器和接收器，它是利用壓電效應的原理將電能和超聲波相互轉(zhuǎn)化。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法，首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物的距離。超聲波傳感器具有測量一定的測量范圍，一般從幾厘米到幾米不等。本設(shè)計通過設(shè)定一定的距離來進行避障。圖3.4超聲波模塊電路圖3.1.5電源保護模塊電路一般的蓄電池具有過電流保護，所以本系統(tǒng)設(shè)計為短接保護和反接保護。一般情況下給蓄電池充電電壓必須大于蓄電池電壓，否則可能造成放電現(xiàn)象。所以在對蓄電池充電時經(jīng)升壓模塊升壓到12V對其進行充電，并帶有指示燈顯示其充電狀態(tài)，以達到安全充電的目的。圖3.5電路保護模塊電路圖3.2軟件實現(xiàn)3.2.1流程圖設(shè)計主程序流程圖如下：圖3.5主程序流程圖其中，追光程序流程圖如下：圖3.6追光程序流程圖避障程序流程圖如下：圖3.7避障程序流程圖調(diào)整太陽能電池板程序流程圖如下：圖3.8調(diào)整太陽能電池板程序流程圖4系統(tǒng)測試4.1主要測試用的儀器至此我們已近完成了硬件各功能的調(diào)試與軟件的編寫，為了驗證本設(shè)計能否按要求完成規(guī)定操作，在此做了以下測試。首先分別測試各模塊：追光模塊、避障模塊、太陽能電池板追光、自動停止模塊。最后再測試整體功能是否能夠在規(guī)定的時間內(nèi)按要求完成所有動作。其中需要使用到的工具與儀器如下：表4.1測試儀器序號名稱數(shù)量備注1白熾燈1100W以下2障礙物515cm*15cm*15cm3秒表1記錄時間4米尺1測量場地大小4.2測試結(jié)果4.2.1追光模塊測試分別將光源放在小車的左側(cè)、前方和右側(cè)。測試小車的追光情況，測試結(jié)果如下表：表4.2追光模塊測試結(jié)果序號光源位置能否正確追光1左側(cè)能2前方能3右側(cè)能結(jié)論：小車能夠?qū)崿F(xiàn)追光，比較穩(wěn)定。4.2.2避障模塊測試將障礙物隨機選擇位置放置在小車與光源之間，測試小車的避障情況，并記錄時間，測試結(jié)果如下表：表4.3避障模塊測試結(jié)果場地大小障礙物個數(shù)能否正常避障所用時間1.5m*1.5m3能18s3能23s3能19s2m*2m5能28s5能16s5能21s結(jié)論：小車能夠?qū)崿F(xiàn)避障，比較穩(wěn)定。4.2.3太陽能電池板追光測試將光源分別放置在小車的左側(cè)、右側(cè)、前方和背后，測試太陽能電池板對準光源的情況，測試結(jié)果如下：表4.4太陽能電池板追光測試結(jié)果場地大小光源位置能否追光1.5m*1.5m左側(cè)能前方能右側(cè)能2m*2m背后能結(jié)論：太陽能電池板能夠完成追光，并且比較穩(wěn)定。4.2.4自動停止模塊測試測試三次小車靠近光源后的自動停止情況，并測量停止時距離光源的距離，測試結(jié)果如下：表4.5自動停止模塊測試結(jié)果序號能否自動停止距離1能15cm2能23cm3能18cm結(jié)論：小車可以完全實現(xiàn)自動停止功能，比較穩(wěn)定。4.2.5基本部分測試場地大小為1.5m*1.5m，白熾燈距離地面25cm，小車距離白熾燈1.5m，在小車與光源之間隨機放置三個障礙物，測試小車從起始點直至最終停止的情況是否能夠滿足題目要求，并記錄時間。測試結(jié)果如下：表4.6基本部分測試結(jié)果序號追光是否正常避障是否正常太陽能板追光是否正常自動停止是否正常所用時間1是是是是42s2是是是是34s3是是是是56s結(jié)論：本設(shè)計能夠完全實現(xiàn)題目中基本部分的要求。4.2.6發(fā)揮部分測試場地大小為2m*2m，白熾燈距離地面25cm，小車背光行駛，在小車前進方向隨機放置五個障礙物，測試小車從駛離光源直至最終駛出場地的情況是否能夠滿足題目要求，并記錄時間。測試結(jié)果如下：表4.7發(fā)揮部分測試結(jié)果序號追光是否正常避障是否正常太陽能板追光是否正常所用時間1是是是31s2是是是24s3是是是28s結(jié)論：本設(shè)計能夠完全實現(xiàn)題目中發(fā)揮部分的要求。5總結(jié)我們在現(xiàn)有條件對小車的部分功能進行了測試，結(jié)果顯示小車較好地實現(xiàn)了題目的基本要求和發(fā)揮功能，性能較穩(wěn)定。我們在設(shè)計中我們也出現(xiàn)了許多問題，這也確實拖住了我們設(shè)計的腳步，不過我們還是將這些困難都克服了。這一周我們也學會了許多東西，這也使我們成長了許多。

參考文獻[1]趙建領(lǐng).51系列單片機開發(fā)寶典.北京：電子工業(yè)出版社，2007年.[2]余錫存，曹國華著.單片機原理與接口技術(shù)．西安：西安電子科技大學出版社，2003年.[3]田良，黃正謹.綜合電子設(shè)計與實踐.南京：東南大學出版社，2003年.[4]趙亮，侯國銳.單片機C語言編程與實例.北京：人民郵電出版社，2004年.[5]黃智偉，王彥.全國大學生電子設(shè)計競賽訓練教程．北京：電子工業(yè)出版社，2005年.

附錄附錄1電路圖：附錄2主程序：#include<msp430x14x.h>#include"define.h"http://公共定義#include"chushihua.c"http://初始化程序C文件#include"motor.c"http://電機驅(qū)動程序,追光程序c文件uintnum1;//超聲波寄存器數(shù)值uintnum2;uintnum3;uintflag3=1;uintflag2=1;voidcsb(void){star3();P6OUT=0XFF;switch(P3IN&0X80){case0x80:flag2=0;break;case0x00:flag2=1;break;}if((flag3==1)&&(flag2==0)){P6OUT=0X0f;motor_left();delay_ms(1);motor_go();}if((flag3==0)&&(flag2==1)){P6OUT=0Xf0;motor_right();delay_ms(1);motor_go();}//if((flag3==1)&&(flag2==1)){P6OUT=0X00;}//