资源描述
2013 年黑龙江科技大学 电子设计大赛报告 题目：竞速小车 学院名称 电气与信息工程学院 参赛学生 姜春东 邵晓轶 冯兴荣 指导老师 郭静华 2013 年 6 月 目录 目录 引言 1 1 方案设计与论证 .1 1.1 电机驱动部分论证与分析 1 1.2 传感器探测部分论证与分析 2 1.3 电机部分论证与分析 2 1.4 显示部分论证与分析 2 1.5 电源部分论证与分析 3 1.6 控制单元部分论证与分析 3 2 原理分析与硬件电路图 .4 2.1 系统总体设计 4 2.2 车体部分设计 4 2.3 电机驱动模块 5 2.4 循迹探测模块 7 2.5 稳压电路的设计 9 3 软件设计与流程 .9 3.1 主程序框图 9 3.2 源程序 10 4 制作安装调试 .15 4.1 电路设计与制作 15 4.2 小车的检测与调试 16 5 总结 .16 6 参考文献 .16 7 附录 .17 7.1 元器件列表 17 竞速小车 1 摘要：本设计以一片单片机 STC89C52 作为核心来控制自动循迹小车，采用 四个减速电机，加以控制芯片 L298N 和单片机联合控制小车的前进与后退。路 面的黑带检测使用 RPR220 红外传感器，经过 LM339 处理后，传送给 STC89C52 对输入的信号进行处理，通过一个液晶显示器以动态显示的形式显示小车走过 的路程和速度。可实现遥控小车的开始和结束。 关键词：STC89C52 L298N RPR220 1602 LM339 引言 报告是以小车的总体设计为主要线索，包括小车的设计分析及发案论证、 小车的软件设计、小车的硬件设计、以及总体的设计流程。共分为五部分。其 中第一部分主要是对小车总体设计及各个设计方案进行了论证，第二部分是对 小车硬件部分的设计做了详细的介绍，第三部分重点叙述了软件的设计及流程 和各种相关的算法，第四部分介绍了我小车设计的开发流程，第五部分叙述了 我在设计过程中遇到的问题和解决方法，并对本次的设计活动做了总结报告和 在本次活动中的心得。 1 方案设计与论证 本次竞赛要求制作的小车能够循黑线前进并且达到竞速的目的，而且要显 示走过的时间和速度。并且有按键起车与声光语言提示。根据题目的要求，我 们组设计了以下几种方案并对各方案进行了论证与分析。 1.1 电机驱动部分论证与分析 方案 1：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的 目的。但是电阻络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵。更主要 的问题在于一般电动机的电阻较小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且 很难实现。 方案 2：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车 的速度进行调整。方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢， 机械 结构易损坏，寿命较短，可靠性不高。 方案 3：采用达林顿管 TIP4 组成的 PWM 电路。用单片机控制达林顿管使之 工作在占空比可调的状态，精确调整电机转速。 方案 4：采用 L298N 来控制电机的正转和反转来实现小车的前进和后退，并 且如果再利用上 PWM，就可以实现整车的加速与减速，精确小车的速度。 基于上述理论分析，拟选择方案 4。 竞速小车 2 1.2 传感器探测部分论证与分析 方案 1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境 光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑 线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明 显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。 但是这种方案受 光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。 方案 2：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射 管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接 收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光 线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满 足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个 方案。 方案 3：用 RPR220 型光电对管。RPR220 是一种一体化反射型光电探测器， 其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光 电三极管。 简单实用，特别适合我们这次的制作。 基于上述理由我们选择了方案 3。 1.3 电机部分论证与分析 方案一：采用直流电机 直流电机速度快，价格便宜，通过调节电流来改变速度，驱动电路简单， 调速范围广，调速特性平滑。但其转距小，带有大负载时很容易堵转；而且由 于其速度较快，不易控制，精确度低，不适合应用在本题。 方案二：采用步进电机 步进电机是一种能将电脉冲转化为角位移的机构，通过控制脉冲个数来控 制角位移量，通过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速度，其精确度高， 但控制相对较繁琐。 方案三：采用减速电机 减速电机也是通过控制电流来改变速度的，而且其内部有减速齿轮箱，转 距大，而且易控制，速度较步进电机快。通过分析题目要求，减速电机可以达 到题目要求的精度，而且价格适中，控制简单。 综上所述，我们决定采用方案 3减速电机。 1.4 显示部分论证与分析 方案 1：使用数码管显示。 数码管显示具有亮度高，色彩选择多的优点，但是数码管占用 I/O 资源多， 控制复杂，功耗较大，显示信息量较少且单一。 方案 2：使用 1602 液晶屏显示。 液晶显示驱动简单，易于控制，功耗小，且显示信息量大，可以直观地观 测到小车的位置及速度信息。 竞速小车 3 基于上述理论分析，我们决定选择方案 2。 1.5 电源部分论证与分析 方案 1：采用 2 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 8.6V 给直流电机供电，经 过 7805 的电压变换后给支流电机供电，给单片机系统和其他芯片供电。但由于 电压不太够，价格昂贵，因此，我们放弃了。 方案 2：采用:9V 蓄电池为直流电机供电，将 12V 电压降压、稳压后给单片 机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出 性能。但蓄电池的体积过于庞大，使用极为不方便。 方案 3： 采用 3 节 3.7V 锂电池供电，电压达到 11v，经 7805 稳压后给支 流电机供电，给单片机系统和其他芯片供电。但价钱还是太贵。 基于上述理论，我们选择方案 2。 1.6 控制单元部分论证与分析 方案 1：采用纯数字电路 该方案外部检测采用光电转换，系统控制部分采用数字电路译码对小车电动机 两端电压调整，来控制小车的运行。时间和行程用加法器进行计数。此系统的 设计将会使电路过于复杂，调试时需要改变硬件电路，机动性差。 方案 2：用单片机控制 用光电检测不同的信号，并经单片机对其处理，传送给 L298 信号，使其控制电 机的正转和反转。通过单片机内部定数器/计数器进行定时、计数，在用单片机 串行输入/输出口进行显示控制。此方案电路成熟、工作稳定、容易实现控制。 为能更好的实现题目的各种设计要求，所以我们选用第二种方案。用单片机进 行控制。其工作框图如下： 单片机控制工作图 开始 光电检测 STC 89C52 小车正反转 显示路程 显示速度 竞速小车 4 2 原理分析与硬件电路图 2.1 系统总体设计 基于上述各方案的论证与分析，我们确定了最终方案。整个系统采用 11V 锂电池供电。系统的总体结构框图如图 1 所示。 STC89C52 最小系统板 液晶显示 模块 循迹模块 电机驱动模块 两个左轮 两个右轮 车体 系统总体框 2.2 单片机资源分配 STC89C52 单片机是把那些作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺 寸有限的集成电路芯片上。它由如下功能部件组成，8 位微处理器、128 字节数 据存储器、8k 程序存储器、p1、p2、p3、p4 四个 8 位并行 I/O 口、1 个全双工 的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行 I/O 口，甚至 与多个单片机相连构成多机系统， 、片内有 2 个 16 位的定时器/计数器， 具有 四种工作方式。具有 5 个中断源，2 级中断优先权及特殊功能寄存器。它们都 是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是 CPU 加上外围芯片的传统结 构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。为 了合理调用单片机的资源,如图 2-2 是单片机资源分配图。 竞速小车 5 I N T 1 / P 3 . 3 1 3 T 0 / P 3 . 4 1 4 1 5 T 1 / P 3 . 5 1 6 W R / P 3 . 6 P 2 . 7 P 2 . 6 P 2 . 5 P 2 . 4 2 8 2 7 2 6 2 5 R D / P 3 . 7 1 7 X T A L 2 1 8 1 9 X T A L 1 2 0 V S S P 2 . 3 P 2 . 2 P 2 . 1 P 2 . 0 2 4 2 3 2 2 2 1 P 1 . 0 1 P 1 . 1 2 3 P 1 . 2 4 P 1 . 3 V C C P 0 . 0 P 0 . 1 P 0 . 2 4 0 3 9 3 8 3 7 R S T 9 R X D / P 3 . 0 1 0 1 1 T X D / P 3 . 1 1 2 I N T 0 / P 3 . 2 P 0 . 7 E A A L E / P R O G P S E N 3 2 3 1 3 0 2 9 P 1 . 4 5 P 1 . 5 6 7 P 1 . 6 8 P 1 . 7 P 0 . 3 P 0 . 4 P 0 . 5 P 0 . 6 3 6 3 5 3 4 3 3 S T C 8 9 C 5 2 V s s 1 V c c 2 3 V e e 4 R S D B 6 1 3 D B 7 1 4 1 5 L E D + 1 6 L E D - R / W 5 E 6 7 D B 0 8 D B 1 D B 2 9 D B 3 1 0 1 1 D B 4 1 2 D B 5 L C D 1 6 0 2 蜂鸣器 1 2 3 4 电机驱动控制端 寻 迹 检 测 光 电 对 管 测 速 光 电 对 管 图 2-2 单片机资源分配图 2.3 电机驱动模块 我们主要采用 L298 驱动两台直流电机电路如图-3 所示，。L298 可驱动 2 个电动机，OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4 之间可分别接电动机，本实验装置我们 选用驱动两台直流减速电动机。5，7，10，12 脚接输入控制电平，控制电机的 正反转。2，3，13，14 四个脚连接直流减速电机。6，11 脚接 PWM 信号（即 EnA，E nB接控制使能端）控制电机的停转。四组光耦对输入、输出电信号起隔离 作用。8 脚接地。表 2-3 是 L298N 功能逻辑真值表图。 Ven 为 6，11 脚。IN1=IN3，IN2=IN4. IN1 为 5 脚。 IN2 为 7 脚。 IN3 为 10 脚。 IN4 为 12 脚。 表 2-3 L298 驱动电路真值表 IN1=1 IN2=0 正转ENA=ENB=1 IN1=0 IN2=1 反转 竞速小车 6 IN1=IN2=1(或 0) 停止ENA=ENB=0 IN1=1(或 0)，IN1=IN2 停止 由表 2-3 可知同为低电平时，电机停止工作；ENA 和 ENB 同为高电平时， 电机正转或反转。 L298 驱动两台直流电机电路 图 2-3 L298 管脚排列如下： 竞速小车 7 2.4 循迹探测模块 小车循迹原理是小车在贴有黑胶带的白色路面上行驶时，由于黑线和白线 对光线的反射系数不同，可根据接受的反射光的强弱来判断黑线，我们采用了 比较普遍的检测方法红外检测法。 红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射特点。 在小车行驶过程中不断的向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫 反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则 小车的接收管接收不到信号，在通过 LM339 作比较器采集高低电平，从而实现 信号的检测。 市场上有很多红外传感器，在这里我们选用了 RPR220。 RPR220 采用 DIP4 封装，其具有如下特点： 1.塑料透镜可以提高灵敏度。 2.内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 3.体积小，结构紧凑。 RPR220 参数如下： 竞速小车 8 电路图如下： 2.5 稳压电路的设计 为了给整个控制系统提供一个稳定的电压，在此选择了 7805 稳压管作为该 电路的核心芯片。该稳压电路的设计如图 3.3.5 所示。 竞速小车 9 图 3.3.5 稳压电源电路图 7805 稳压管有一系列固定的电压输出，应用非常的广泛，每种类型由于内 部电流限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏，如果 能够提供足够的散热片，他们就能够提供大于 1.5A 的输出电流，虽然是按照固 定电压值来设计的，但是当接入适当的外部器件后，就能获得各种不同的电压 和电流。 3 软件设计与流程 3.1 主程序框图 此部分是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有运行状态的作用。 控制方法有很多，大部分都采用单片机控制。由于 51 单片机具有价格低廉是使 用简单的特点，这里选择了 STC89C52 作为控制核心部件，其程序控制方框图如 图所示。 竞速小车 10 是否在弯道？ 开始 延时 3s 提速行驶 N Y 检测右传感器？ 电机反转 小车左转 黑线 遮蔽 检测左转传感器？ 器？ 白线 遮蔽 电机反转 小车右转 黑线 遮蔽 白线 遮蔽 图 3.3.1 系统的程序流程图 小车进入循迹模式后，即开始不停地扫描与探测器连接的单片机 I/O 口， 一旦检测到某个 I/O 口有信号变化，程序就进入判断程序，把相应的信号发送 给电动机从而纠正小车的状态。 3.2 源程序 #include sbit IN1=P10; sbit IN2=P11; sbit IN3=P12; sbit IN4=P15; sbit ENA=P16; sbit ENB=P17; sbit hong=P13; sbit feng=P14; sbit ce1=P20; sbit ce3=P22; sbit ce2=P21; sbit ce4=P23; 竞速小车 11 sbit ce5=P24; sbit lcden=P27; sbit lcdrs=P25; sbit wr=P26; sbit ce6=P32; sbit ce7=P33; sbit p1=P33; sbit p2=P34; unsigned char code table=“Vmax: cm/s“; /显示最高速度 unsigned char code table1=“Va: cm/sT: s“;/显示瞬时速度和行驶时 间 unsigned char num,j,n,m=0; unsigned int x=0,a=0,k=0,l=0,lu1=0,lu2,Va=0,t=0,Vm=0; void delay(unsigned int z) / 延时函数 unsigned int x,y; for(x=z;x0;x-) for(y=110;y0;y-); void write_com(unsigned char com) /液晶写命令 lcdrs=0; P0=com; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0; void write_data(unsigned char date) /液晶写数据 lcdrs=1; P0=date; delay(5); lcden=1; delay(5); lcden=0; void init() /液晶初始化 wr=0; lcden=0; write_com(0x38); 竞速小车 12 write_com(0x0c); write_com(0x06); write_com(0x80+0x00); for(num=0;numVm) 竞速小车 17 Vm=Va; display(5,Vm); /显示最大速度 display(3,Va); /显示瞬时速度 TR1=0; /关闭定时器 1 void time1() interrupt 3 using 1 TH1=(65536-50000)/256; TL1=(65536-50000)%256; /重装初值 m+; if(m=20) m=0; t+; void time2() interrupt 4 lu1+; void time3() interrupt 0 lu2+; 4 制作安装调试 4.1 电路设计与制作 我们根据实际需要，手工将循迹模块，控制模块，驱动模块制作出来，并 通过铜柱，螺母等将其固定在洞洞板上 竞速小车 18 4.2 小车的检测与调试 在检测过程中，我们设计的小车有冲出跑道的情况，而无法正常循黑线前 进，我们分析可能的原因是：1.路探测，每一个 RPR220 之间的距离安装的不合 理，导致小车有探测的不灵敏，而冲出跑道；2。程序需要优化；3.车速太快， 而检测装置不够灵敏，这种情况下，我们选择了降低电压，减少车速。 表 2 调试情况 小车运行次数 成功循迹次数 1 1 2 1 3 2 4 2 5 3 6 4 5 总结 首先感谢学校电子设计大赛给我们这样一次珍贵的锻炼机会，在这 20 多天 的时间里，我们三个人同心协力，分工合作，共同完成了智能循迹小车的项目。 在制作过程中遇到了很多困难与挫折，我们也一度灰心丧气，但是我们都一步 步挺了过来，克服了一个又一个的困难，最终完成了制作。 在这一次的大赛中，我们获益匪浅。其中不仅仅包括知识上的，也包括意 志与精神上的。刚开始的我们在制作小车方面的知识几乎可以说是零，在制作 过程中，由于缺乏经验和忽略细节问题，我们在调试的时候经常碰到很多奇怪 的问题，但是我们通过耐心的调试，或者上网查阅资料，直到弄懂为止；遇到 分歧，我们就在一块讨论，共同研究。参加此次培训对我们来说是一次宝贵经 历，也是人生的一笔精神财富。当然由于知识能力与水平有限，我们也有做的 不好与不完善的地方，恳请老师批评指正，希望下次我们能够做的更好。 6 参考文献 1全国大学生电子设计竞赛组委会.全国大学生电子设计竞赛获奖作品精选 （19941999）M.北京：北京理工大学出版社,2003 年第 1 版. 2王晓明. 电动机的单片机控制. 学术期刊，2002； 3王东锋，王会良，董冠强. 单片机 C 语言应用 100 例M. 电子工业出版 社。2009.3； 4郭天祥 十天学会单片机和 C 语言编程视频教程 竞速小车 19 7 附录 7.1 元器件列表 序号 元器件名称 1 车模 2 RPR220 型光电管 3 7805 稳压管 4 STC89C52 单片机 5 电位器 6 各种阻值的电阻 7 杜邦线 跳线 8 铜柱 螺母 9 各种型号的电容器 10 LM339 11 减速电机 12 L298N 13 发光二极管 14 液晶显示器 15 电瓶 16 红外接收头 17 光电门
展开阅读全文