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7.2.3简易智能电动车（E题）.doc

发布时间：2022-06-13 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：2.92M 资料格式：doc 举报 版权申诉
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    4.1 测试仪器………………………………………………………………………………………x
    4.2指标测试………………………………………………………………………………………x
    4.3 结论……………………………………………………………………………………………x
    系统的软件设计采用汇编语言，对单片机进行编程实现各项功能。
    为了确定系统与题目要求的符合程度，我们对系统中的关键部分进行了实际的测试。
    4.1 测试仪器
    表4.1.1 测试使用的仪器设备
    4.2 指标测试
    系统实现的功能有：
    ①自动寻迹行驶；
    ②金属检测同时发出声光显示；
    ③ C点停车5s并发出声光显示；
    ④躲避障碍物；
    ⑤追踪光源；
    ⑥交替显示金属数量及其距离，时间，路程；
    ⑦小车进库。
    4.3 结论
    7.2.3 简易智能电动车（E 题）设计与总结报告示例 （以下是一个实际的简易智能电动车（E 题）设计与总结报告） 简易智能电动车（E 题） 摘要：本设计采用两块单片机（AT89C51 和 AT89C2051）作为智能小车的检测和控制核心，实现小 车识别路线、判断并自动躲避障碍、选择正确的行进路线、寻找光源等功能。引导方式采用反射 式光电传感器感知与地面颜色有较大差别的导引线，障碍判断采用超声波传感器。驱动电机采用 直流电机，电机控制方式为单向 PWM 控制。电机控制核心采用 AT89C2051 单片机，控制系统与电 路用光电耦合器完全隔离以避免干扰。控制上采用分时复用技术对系统进行优化。 关键词：智能控制 光电检测 PWM 脉宽调制 电动车 Simple Intelligentized Electric Motors Automobile Abstract ：Based on two microcontrollers, AT89C51 and AT89C2051, the model car can race intelligently by detecting black lines on the ground. Reflecting-infrared sensors, are applied to detect black lines, and metal-detecting sensors are to detect metals. By introducing PWM to the system, we are able to control motor revolving speed dynamically and precisely. Key word: intelligently control, reflecting-infrared sensors, PWM, electric motors automobile （注意：以上内容在实际论文中为一页） 目 录 1. 系统方案选择和论证…………………………………………………………………………x 1.1 题目要求…………………………………………………………………………………x 1.1.1 基本要求………………………………………………………………………………x 65
    1.1.2 发挥部分………………………………………………………………………………x 1.1.3 说明……………………………………………………………………………………x 1.2 系统基本方案………………………………………………………………………………x 1.2.1 各模块方案选择和论证………………………………………………………………x 1.2.2 系统各模块的最终方案…………………………………………………………………x 2 系统的硬件设计与实现………………………………………………………………………x 2.1 系统硬件的基本组成部分……………………………………………………………………x 2.2 主要单元电路的设计………………………………………………………………………x 2.2.1 检测部分的单元电路设计……………………………………………………………x 2.2.2 智能控制部分的单元电路设计…………………………………………………………x 3 系统的软件设计……………………………………………………………………………x 3.1 检测光电传感器子程序………………………………………………………………………x 3.2 寻轨迹子程序………………………………………………………………………………x 3.3 金属探测子程序………………………………………………………………………………x 3.4 绕障碍物子程序………………………………………………………………………………x 3.5 超声波收发子程序……………………………………………………………………………x 3.6 寻光源子程序………………………………………………………………………………x 3.7 金属块探测子程序……………………………………………………………………………x 3.8 其他子程序……………………………………………………………………………………x 3.9 系统主程序流程图……………………………………………………………………………x 4 系统测试…………………………………………………………………………………………x 4.1 测试仪器………………………………………………………………………………………x 4.2 指标测试………………………………………………………………………………………x 4.2.1 光电检测部分测试…………………………………………………………………………x 4.2.2 前轮驱动电路……………………………………………………………………………x 4.2.3 金属传感器测试…………………………………………………………………………x 4.2.4 金属片与起跑线的距离测试………………………………………………………………x 4.2.5 小车入库测试……………………………………………………………………………x 66
    4.2.6 系统实现的功能……………………………………………………………………………x 4.3 结论……………………………………………………………………………………………x 5 总结………………………………………………………………………………………………x 参考文献……………………………………………………………………………………………x 附录…………………………………………………………………………………………………x 附录 1：元器件清单 附录 2：系统电路图 附录 3：程序清单 附录 4：系统使用说明 注意 1：目录中的页码根据实际论文的页码编写，此处全部用 x 表示。 注意 2：以上部分在实际论文中为一页。 1. 系统方案选择和论证 1.1 设计要求 （注：设计要求与第 1 章 1.3.7 节内容相同，本书为节省篇幅，略） 1.2 系统基本方案 根据题目要求，系统可以划分为控制部分和信号检测部分。其中信号检测部分包括：金属探 测模块，障碍物探测模块，路程测量模块，路面检测模块，光源探测模块。控制部分包括：电机 驱动模块，显示模块，控制器模块，计时模块，状态和标志模块十个基本模块，模块框图如图 1.2.1 所示。为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证。 67
    图 1.2.1 小车的基本模块方框图 1.2.2 各模块方案选择和论证 1.控制器模块 根据题目要求，控制器主要用于各个传感器信号的接收和辨认、控制小车的电机的动作、控 制显示车速与运行的时间以及小车在停车时发出的声光信号等。对于控制器的选择有以下两种方 案。 方案一：采用 FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。FPGA 可以实现各种复杂的逻辑 功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可 应用 EDA 软件仿真，调试，易于进行功能扩展。FPGA 采用并行的输入输出方式，提高了系统的处 理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。由检测模块输出的信号并行输入 FPGA，FPGA 通过 程序设计控制小车做出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA 的高速处理 的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物 硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。 方案二：采用 ATMEL 公司的 AT89C51 和 AT89C2051 作为系统控制器的双 CPU 方案。单片机算 术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其 功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。基于以上分析拟定方案 二，小车单片机控制的方框图如图 1.2.2 所示。在本设计中，我们采用了两片单片机分开对 9 个 单元模块进行监测和控制，这样减轻了单个 CUP 的负担，提高了系统的工作效率，同时，通过 CPU 之间的分阶段地互相控制，减少了外围设备。由 AT89C2051 控制电机的前转后转等功能，同时监 测由路面检测模块、障碍物探测模块和光源探测模块的感应信号。AT89C51 负责监测金属探测模块 和路程测量模块，同时实现车速的显示，计时和控制小车的状态标志等功能。 68
    （2） 金属探测模块 图 1.2.2 单片机控制的方框图 金属探测模块主要用于跑道中金属块的探测。考虑到金属一般都是导体，根据电磁场理论可 知，在受到时变电磁场作用的任何导体中，都会产生电涡流。因此，在本系统中采用电涡流式传 感器实现对金属块的检测。电涡流式金属传感器是建立在磁场的理论基础上而工作的。电涡流传 感器的探测部分是由空心线圈构成的，当线圈有振荡电流通过时，空心线圈产生一个交变的磁场 H1，当有金属导体进入线圈的磁场范围时，金属导体内部便产生感应电流，即，涡流 I2，该涡流又 产生一个新的感应磁场 H2，H2 和 H1 的方向相反，它会削弱原磁场 H1，从而使线圈的阻抗、Q 值和 L 的值发生改变。我们要将这种变化转化为电流或电压的变化。相应的，就有三种测量电路：① Q 值测量电路；② 阻抗测量电路；③ 电感测量电路。在本设计中我们采用谐振法，也就是电感测 量电路。它是将线圈的电感 L 随外作用变化转化为电压或电流变化。所谓谐振法通常是将线圈电 感 L 与固定电容 C 并联组成谐振回路。 由物理学可知，其谐振频率为： 谐振回路的阻抗为： f 0  1 2 LC Z 0  j  2 1   L LC 当传感器的电感 L 变化时，频率 f0 和 Z0 都随之变化，因此可以通过测量频率和阻抗来测量电 感 L 值的变化量，这就有调幅和调频法之分。在本设计中采用调幅法。 69
    调幅法：调幅电路如图。图中，电感 L 和电容 C1 和 C2 接成电容三点式振荡器。LC 回路的输 出电压为 u  ZI 0 0  I 0 j  2 1   L LC 由此可见，当传感器 L 变化时，回路输出电压 u 也随之变化，该电压就反映了外作用。 当没有被测物体时，先使 LC 回路谐振，谐振频率为 f 0  1 2 LC 此时阻抗值最大，输出电压为最大。当被测物体与线圈的接近时，导体产生的感应磁场使线 圈的电感变化 L，从而引起 LC 回路失谐，振幅下降，输出电压 u 变小。 u  ZI 0 0  I 0 j L   （ 2 1  L   （ L ） CL ） 图 1.2.3 为金属传感器的方框图，由于 LC 回路输出的是正弦波，我们在后面接入了整形比较 电路，使单片机可根据 LC 回路的输出电压的变化进行金属块有无的逻辑判断。 （3）障碍物探测模块 图 1.2.3 金属传感器方框图 障碍物探测模块是用来判断小车前方是否有障碍物并确定小车与障碍物之间的距离。为了确 保小车在行驶过程中避免撞到障碍物，系统需要利用测距传感器检测出障碍物与小车之间的距离， 使小车做出正确的动作，避免与障碍物相碰。对于测距传感器的选择有以下几种方案。 方案一：采用激光传感器检测距离，利用光的反射原理进行距离的测量， 激光传感器方框图 如图 1.2.4 所示。激光具有方向性强、亮度高、单色性好、传输速度快（C=3×108m/s）等优点， 因此激光传感器具有抗干扰性强，测量精度高，反应速度快等特点。但由于激光是以光速传播 的，距离与时间的关系满足：2S=C×T1，在本系统中障碍物离小车的距离最大不超过 2m，所以 T1≤4/C=1.33×10-8s，而单片机的机器时钟为晶体振荡器的十二分之一（一般单片机采用 12MHz 70
    或 6MHz 的晶振），远大于 T1，因此需要添加外部的发射电路才能适合单片机接收，同时，由于 激光传感器的制作比较精细使其价格过高。如图 1.2.4 所示，单片机控制信号在延时后控制激光 发射器发射激光束，同时开始计时，当接收器将接收的信号反馈给单片机时停止计时。通过时 间差和光速的特点计算路程。 图 1.2.4 激光传感器方框图 方案二：采用超声波传感器测距离。由于超声波的波长短，超声波射线可以和光线一样，能 够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的定律。即超声波射线从一种物质表面反射时， 入射角等于反射角。且超声波具有较好的指向性，频率越高，指向性越强。声波在空气中传播的 速度约为 345m/s，根据公式：2S=V×T2（S≤2m），可知 T2≤1.16×10-2s，这在单片机的机器周期 内，易于逻辑判断。基于以上分析，拟订方案二。应用单片机发射和接收超声波传感器信号的方 框图如图 1.2.5 所示。 图 1.2.5 应用单片机发射和接收超声波传感器信号的方框图 单片机发出 40kHz 的脉冲信号，通过驱动电路由超声波的发射器发射出去，连续发十个， 同时定时器开始计时，如果接收器在发完十个脉冲后未接收到反馈信号，则判断无障碍物，延 时后单片机再发十个脉冲信号；如果接收器收到反馈信号，则判断有障碍物，并通知单片机停 止计时。通过时间差计算距离。设超声波在空气中的传播速度为 344m/s，则根据计时器记录的时 间 t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s =344t/2。 在本设计中，采用高灵敏度、高可靠性、高稳定性、耐高、低温度、耐湿度、耐冲击、发射 71
    频率为 40kHz 的超声波传感器判断障碍物的距离。在本设计中只要绕过 C 点前的障碍物即可，因 此只需要一对超声波传感器 400ST(329)。 （4）距离测量模块 路程测量模块用来测量小车从启动到任意时刻所走的路程。根据题目要求，需要显示金属片 与起跑线之间的距离，考虑到小车在行驶过程中，车轮旋转一圈所行走的距离就是车轮的周长， 因此只要在某时间间隔内测量出车轮的圈数，依照 S=n×C（其中 S 为路程，C 为车轮的周长，n 为圈数），就可得出路程值。受鼠标的工作原理启发，采用透射式光电传感器。由于透射式光电传 感器是沟槽结构，可以将其置于车轮固定轴上，再在车轮上安装鼠标中的编码器滚轴，让其恰好 通过沟槽，车轮转动时，透射式光电传感器会产生一个个脉冲。通过对脉冲计数，实现对圈数的 测量。该方案也适合用于精度较高的场合。 （5）路面轨迹检测模块 路面检测模块实现小车跟随黑色轨道行驶，在行驶的途中不能超出轨道。考虑到轨道是一条 黑线，周围铺设了白纸，可以利用传感器辨认路面黑白两种不同状态。对传感器的选择有以下方 案。 方案一：采用热探测器。热探测器是利用所接收到的红外辐射后，会引起温度的变化，温度 的变化引起电信号输出，且输出的电信号与温度的变化成比例，当红外线被黑线吸收是、时，温 度会减小，电压变低，而红外线没有被吸收时，电压不变，单片机可以根据电压的变化来判断路 面的状态。由于温度变化是因为吸收热辐射能量引起的，与吸收红外辐射的波长没有关系，即对 红外辐射吸收没有波长的选择，因此受外界环境的影响比较大。 方案二；采用光电探测器。光电探测器接收红外辐射后，由于红外光子直接把材料的束缚态 电子激发成传导电子，由此引起电信号输出，信号大小与所吸收的光子数成比例。且这些红外光 子的能量的大小（即红外光还必须满足一定的波长范围），必须满足一定的要求，才能激发束缚电 子，起激发作用。光电探测器吸收的光子必须满足一定的波长，否则不能被吸收，所以受外界影 响比较小，抗干比较强。 基于以上分析，拟定方案二。并考虑使用两个光电传感器或者使用三个光电传感器两种方案。表 1.2.2 为使用三个传感器时的状态真值表，从表中可以看出，中间的传感器起到预判的作用，在小 车轻微偏离时，可以调整车轮小幅度偏转，一旦小车速度过快，严重偏离轨道时，调整小车大幅 度偏转，小车的稳定度和速度得到了保证。使用两个传感器时，只有严重偏离的状态，因此在检 72
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