电子设计竞赛小车类所有传感器选择方案设计与论证材料

电子设计竞赛小车类所有传感器选择方案设计与论证材料（完整版，电子设计竞赛必备）【1.电机驱动电路】方案一：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。这个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。方案二：采用集成电路驱动芯片L298，L298内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，可驱动46v,2A以下电机,1和15脚可单独引出接电流采样电阻器,形成电流传感信号，同时通过单片机控制产生PWM波，精确控制电机转速。这种电路驱动能力强，可以简单地实现转速和方向的控制，稳定性高。方案三：采用互补硅功率达林顿管TIP142T实现电机的驱动,采用该方法电路连接比较简单，稳定性好，成本低廉，但不足之处是由于使用分立元件，安装和调试相对麻烦基于上述理论分析，本系统采用方案二作为电机驱动电路。电机驱动电路如图2-2所示。图2-2电机驱动电路【2.路面黑线检测电路】方案一：采用可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射－－接收电路。这种方案的缺点在于环境光会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。方案二：采用脉冲调制反射式红外发射――接受器。考虑到环境光干扰主要是直流分量和民用光源的低频分量，如果采用较高频率的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外，红外发射管的最大工作电流取决于平均电流，如果使用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬时电流可以很大（50mA—100mA）这样也大大提高了信噪比。通过比较两种方案，本系统的黑线探测模块采用方案二。红外发射管如图2-3a所示，红外接收管电路如图2-3b所示。图2-3a红外发射管电路图2-3b红外接受电路管【3.速度检测模块】方案一：使用霍尔集成片。该器件内部由三片霍尔金属板组成，当磁钢正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁钢，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的计数进行车速检测。此方案的优点是霍尔传感器响应速度快，结构简单，但精度不够高。方案二：采用U型光电开关。当光电开关导通时产生高电平，反之则产生低电平，通过对脉冲的计数获得速度信息，实现对速度的检测。U型光电开关的最大优点是测量精度高，简单方便，而且成本也很低。为了提高精度，我们采用方案二。里程检测和控制方法对于小车路程的测试，本系统采用U型光电开关和码盘。码盘固定于小车后轮上，将U型光电开关架于码盘之上，当码盘随着车轮转动时，光电开关就会不断地发生导通和截止。若光电开关导通则产生高电平，反之则产生低电平。这样在光电开关的输出端就会得到脉冲，然后用单片机定时器进行定时，每当定时器溢出时，就检测一下脉冲的个数，最后通过转换得到小车的里程。码盘形状如图2-4-1所示。图2-4-1码盘【4.语音模块】图2-5语音电路本设计采用在小车减速和加速时产生语音提示，因此决定使用ISD2560语音芯片来实现此功能。ISD2560具有抗断点，音质好，使用方便，无须专用的开发系统等优点。录音时间为60S，能重复录放10万次。芯片采用多电平模拟量存储技术，省去了A/D,D/A转换器。每个采样值直接存储在片内单个EEPROM单元中，因此能够非常真实，自然地再现语音，音乐，音调和效果声，避免了一段固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和“金属声“。ISD2560集成度较高，内部包括前置放大器，内部时钟，定时器，采样时钟，滤波器，自动增益控制，逻辑控制，模拟收发器，解码器等。ISD2560控制电平和TTL电平兼容，接口简单，使用方便。芯片的内部原理框图和引脚排布如图2-5所示。图2-5ISD2560内部原理框图ISD2560的地址空间的分配如表2-5所示表2-52560地址空间分配表【5.稳压电路】本系统采用+7.5V电池供电，由于芯片正常工作的电压为+5V,所以采用稳压电路得到所需电压值。稳压电路如图2-6所示。图2-6稳压电路【6.电机模块】采用步进电机采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机并不能象普通的直流电机，交流电机在常规下使用。它必须由双环形脉冲信号、功率驱动电路等组成控制系统方可使用。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。因此决定放弃此方案。采用直流电机采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作。综合以上考虑，我选择使用直流减速电机作为自动往返电动小车的驱动电机。【7.电源管理】采用单电源供电所有器件采用12V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它芯片供电。这样供电比较简单，但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。因此我们放弃此方案。采用双电源供电采用双电源供电方式。将电动机驱动电源与单片机以及周边电路电源完全隔离。这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。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，故采用12V蓄电池为L298N电机驱动芯片供给电源电压。L298N接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。因此采用单一电源（4节AA电池）为单片机、Vss端和传感器供电。这样供电比较简单采用4.8V可充电动力电池组。动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。基于以上分析,小车系统选用蓄电池和AA电池的双电源供电方式。方案一：用4节1.5V干电池或6v充电电池，此方案供电简单，且重量轻。方案二：用7v的手机电池，由于设计中用到6v与5v电源，若用7V则造成电路复杂。基于上述考虑，选择方案一。【8.计时模块】对于定时器，由于我们选用的单片机内部已经有定时器了，使用单片机内部的定时器已经可以实现系统的总计时和倒计时功能，而且可以简化系统硬件，虽然定时时间没有专用的计时芯片精确，但误差也不会很大。故我们采用单片机内部的定时器作为计时模块。【9.显示模块】采用LED数码管LED显示具有硬件电路结构简单、价格便宜、调试方便、软件实现相对容易等优点，但占用单片机IO口太多，而且显示的信息不多。由于我们计划要显示小车运行时间、速度、路程等内容。LED数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。采用LCD液晶显示采用LCD液晶显示。用自带中文字符库的液晶显示模块，显示方便美观，而且人机交互界面也很友好。采用串口通讯的显示方式，可以大大节省单片机的IO口。LCD液晶具有功耗低、显示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等而得到广泛应用，因此我们选择此方案。通过以上方案论述我们选择方案二，显示小车运行时各个测量参数的任务。显示存储信息和全程时间部分的方案比较方案一：用普通的数码管来实现显示功能。这种方法简单易行，并且适合于硬件操作，但是数码管消耗电流特别大，对电源的容量要求很高，而且不能显示汉字因而难以适应电池供电系统的节能运行要求。方案二：使用液晶显示板来完成显示的功能。液晶显示板的操作需要一定的难度和技巧，而且很容易损坏，所以其硬件需要谨慎使用，但是它解决了数码管存在的各种问题，如消耗电能特别小、能显示多行汉字等。经验证比较，方案二不但能节省电能，而且能实现普通数码管无法实现的汉字显示功能。采用方案二。【10.速度控制】我们对两个方案进行了比较：方案一：采用D/A变换电路将数字量转换成控制电机电压的模拟量。再利用电平的高低达到调速的目的。原理框图如图1所示。本方案达到了利用CPU输出的数字量精确控制模拟量的目的。但愿电路比较复杂，成本较高。方案二：采用脉宽调制方式（PWM）从I/O口输出不同占空比的脉冲，经滤波后获得不同甘共苦高低电平控制电机。本方案可以达到对速度的控制要求，且控制简单易实现。通过比较明显方案二最单洁清晰、容易实现、速度快、精度高。从系统指标要求来看，对速度要求较高，低速与高速之间差别较大，且准确度要求高，各个速度之间的切换也要求简单、迅速。采用方案二可利用单片机运行速度快的特点进行速度的快速调整，且方案二速度准确度高、级数多容易达到系统指标要求，所以我们选用方案二作为控制部分具体实施的方案【11.数据存储比较】方案一、采用外接ROM进行存储。采用外接ROM进行存储是保存实验数据的惯用方法，其特点是在单片机断电之后仍然能保存住数据，但无疑将增大软硬开销和时间开销。方案二、直接用单片机内部的RAM进行存储。虽然不能在断电后保存数据，但可以在实验结束后根据按键显示相应值。而且本实验的数据存储不大，采用RAM可以减少IO接口的使用，便利IO接口分配，故此方案具有成本低、易实现的优点，更符合实际需求。鉴于方案二的以上优点，综合比较，本方案采用方案二。【12.障碍探测模块方案分析与比较】考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物的同时还为下一步驶入车库寻找到最佳的位置和方向。否则，如果范围太大，则可能产生障碍物的判断失误；范围过小又很容易造成车身撞上障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。方案一、采用一只红外传感器置于小车中央。一只红外传感器小车中央安装简易，也可以检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。方案二、采用二只红外传感器分置于小车两边。二只红外传感器分别置于小车的前端两侧，方向与小车前进方向平行，对小车与障碍物相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。但此方案过于依赖硬件、成本较高、缺乏创造性，而且置于小车左方的红外传感器用到的几率很小，所以最终未采用。方案三、采用一只红外传感器置于小车右侧并与小车前进方向呈一固定角度。基于对C点后行车地图中光源及障碍物尺寸、位置的分析，我们采用了从C点出发即获得光源对行车方向的控制，在向光源行驶的过程之中检查障碍物并做出相应的反应，这样不仅只使用一只红外传感器就实现了避障，而且避免因小车自然转弯而导致的盲目方向控制，同时为后面以最简单直接的路线和在最短时间内驶入车库创造了机会。智能小车应以准确、智能见优，采用方案三。【13.寻找光源方案分析与比较】方案一、采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器。若干定位器在水平面上按不同角度展开，在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出实时车库方位。该方案若采用方向性较强的光敏二极管作为光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是难以检测到光源的方向。方案二、采用一个光源定位器。用深色不透光材料与光敏电阻制成的光源定位器有较理想的定向测试效果，2.5米之外就可以确定电源的方向。当小车绕过障碍物之后，通过不停地旋转使定位器获得最大光线照射以确定光源方向，这种方案有一定的可行性，但寻找光源的过程必定带来不必要的大量时间开销，且寻找过程盲目性太大，不利于控制，又增加了一个电机，增大的电源方案选择或安装的难度。方案三、利用多只光源定位器。在方案二所得数据的基础上，结合光敏电阻的敏感性，只用三到五只光敏电阻就可以达到