智能循迹小车设计报告_(4)1

1智能循迹小车项目设计报告组别：第四组成员：刘彪匡善华陈叶芳唐慧峰班级：智能电子092系别：电气工程系指导老师：刘彤时间：2011年4月22日2概要本寻迹小车是以万能板为车架，AT89S51单片机为控制核心，将各传感器的信号传至单片机分析处理，从而控制L298N电机驱动，控制小车，速度由单片机提供的PWM波控制。利用红外传感器检测黑线，红外对管来实现循迹功能。接近式开关传感器检测薄铁片，集成红外线传感器即光电开关进行避障。整个系统的电路结构简单，可靠性能高。根据小车各部分功能，模块化硬件电路，并调试电路。将调试成功的各个模块逐个地“融合”成整体，再进行软件编程调试，直到完成。关键词：AT89S51直流电机红外对管传感器寻迹小车L298N电机驱动一、循迹小车的系统的要求和总体方案设计1.1设计要求1.1.1基本要求利用单片机实验板，并制作一定的外围电路，编写程序设计制作一个智能循迹壁障的小车，具体要求如下：（1）具有启动、停止功能；（2）能够完成前进、后退、左转、右转单独动作和复合动作；（3）能按照规定路线循迹行驶；1.1.2发挥要求利用超声波或红外等方式实现避障功能1.2智能循迹小车的工作原理我们知道小车的循迹原理是根据实现电位的高低来实现对前进方向的控制的。在这里我们设定了白色和黑色的通道界面来行驶，而根据我们所学的知识通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，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，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。通过查资料我们知道红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。1.2.1恒压恒流桥式驱动芯片L298N驱动电机原理L298N驱动芯片是由SGS公司的产品，比较常见的15脚Multiwatt封装，内部有4通道逻辑驱动电路。它的内部结构如图1。从内部结构图可知，用三极管组成H型平衡桥，驱动功率大，驱动能力强。同时H型PWM电路工作在晶体管的饱和状态与截止状态，具有非常高的效率。上图看出该驱动芯片有两路H型PWM电路，用PWM控制直流电机调速的基本原理，现在来看电路的具体实现。In1为高电平，In2为低电平，EnA为高电平时，U1、U4输出为高电平，U2、U3输出为低电平。在OUT1、OUT2接上电机后，T1、T4管导通，T2、T3管截止，电机向一个方向转。In1为低电平，In2为高电平，EnA仍旧为高电平，T1、T4管截止，T2、T3管导通，电机向相反方向转。In1、In2同时为高电平或低电平，T1与T3同时导通或截止，T2与T4也是同时导通与截止，但与前者相反，也就是OUT1与OUT2电压相同。电机会快速停转。如果EnA端为低电平，整个H型PWM电路关闭。电机当然也就不会转。1.3模块方案比较与论证根据设计要求，本系统主要由主控模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块、电压比较模块等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。1.3.1小车车体选择由于项目设计资金和资源的有限性。我们为了节约成本，决定应用原有的带四个电机的小车。1.3.2主控制器模块方案一：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案二：采用Atmel公司的AT89S51单片机作为主控制器。AT89S51是一个低功耗，高性能CMOS8位单片机，片内含4kBytesISP(In-systemprogrammable)的可反复擦写1000次的Flash只读程序存储器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术制造，兼容标准MCS-51指令系统及80C51引脚结构，芯片内集成了通用8位中央处理器和ISPFlash存储单元，功能强大的微型计算机的AT89S51可为许多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。AT89S51具有如下特点：40个引脚，4kBytesFlash片内程序存储器，128bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级2层中断嵌套中断，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。由于stc12c5a60s2单片机的资源已经可以满足设计需要，且51单片机价格上有优势。从方便实用不浪费资源的角度考虑，我们选择了方案二。1.3.3电源模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。此模块借用网络资料。方案一：采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给直流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案二：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算，因此，我们放弃了这种方案。方案三：采用1块充电锂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。充电电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然充电电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且充电电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。综上考虑，我们选择了方案三。1.3.4稳压模块方案一：采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用一片7809将电压稳定至9V，最后经7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电，但7809和7805压降过大，使7809和7805消耗的功率过大，导致7809和7805发热量过大，因此，我们放弃了这种方案。方案二：采用一片2576芯片和电池相结合的方式，将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用2576芯片将电压稳至5V，给单片机系统供电。2576的输出电流最大可至1.5A，完全满足系统要求。综上考虑，我们选择了方案二。1.3.5寻迹传感器模块方案一：采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大，易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。方案二：采用两只st188红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。方案三：采用三只st188红外对管，一只置于轨道中间，两只置于轨道外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。现场实测表明，小车在寻迹过程中有一定的左右摇摆不定，虽然可以正确的循迹但其成本与稳定性都次于第二种方案。通过比较，我们选取第二种方案来实现循迹。其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。1.3.6电机驱动模块方案一：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案二：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。因此，我们选用了方案一。1.2小车总体设计的最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案：（1）车体用原有的小车（2）采用AT89S51单片机作为主控制器。（3）采用直流电池为直流电机供电，将12V电压经2576降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。（4）用st188型光电对管进行寻迹。（5）L298N作为直流电机的驱动芯片。系统的结构框图如图3所示：图3系统结构框AT89S51最小系统主控芯片电压比较器L298N直流电机电源模块光电对管组循迹或壁障二、小车硬件实现及模块电路的设计2.1、主控制器模块的设计采用Atmel公司的AT89S51单片机，不用烧写器而只用串口或者并口下载线就可以往单片机中下载程序。我们在开发过程中使用开发版，方便程序的调试和整机的测试，待系统调试完成后，将单片机从开发板安装在小车底座板上方便及时调试。积木式连接还方便拆卸以便于其他项目的开发与调试。单片机最小系统图单片机最小系统的应用2.2.1、时钟电路系统的时钟电路设计是采用的内部方式，即利用芯片内部的振荡电路。AT89单片机内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器一起构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容C1和C2构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。对外接电容的值虽然没有严格的要求，但电容的大小会影响震荡器频率的高低、震荡器的稳定性、起振的快速性和温度的稳定性。因此，此系统电路的晶体振荡器的值为12MHz，电容应尽可能的选择陶瓷电容，电容值约为22μF。更好地保证震荡器稳定和可靠地工作。2.2．2、复位电路复位是由外部的复位电路来实现的。片内复位电路是复位引脚RST通过一个斯密特触发器与复位电路相连，斯密特触发器用来抑制噪声，它的输出在每个机器周期的S5P2，由复位电路采样一次。复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式，此电路系统采用的是上电与按钮复位电路，如图所示。当时钟频率选用6MHz时，C取22μF，Rs约为200Ω，Rk约为1K。2.2寻迹传感器模块传感用st188型光电对管，st188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，硅平面光电三极管当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平，电路如图2[1]可调电阻RS1/2可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接给单片机查询使用。图4光电对管检测电路1图5光电对管检测电路2而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调节电路。2.3、寻光模块采用光敏二极管作为光源探测模块的传感器，由于光敏二极管感光后，内阻有较大的变化，通过一定的电路转化为电压的变化。采用LM358比较器对5个二极管的输出电压进行比较，光敏二极管引起的电压变化送到比较器的反相端与基准信号进行比较，将结果输入到单片机执行判断。基于LM358的寻光电压比较电路：LM358的二号管脚为基准电压输入端，将需要进行比较的电压输入到三号管脚，如果比基电压的值大，则一号管脚输出为高电平，反之为低电平。2.4、电机驱动模块2.4.1电机驱动电路的设计驱动模块采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，驱动电路的设计如图L298