1、智能自動尋跡小車研究設計單片機控制 自動尋跡小車 摘要:本尋跡小車是以有機玻璃為車架,ATmage32L單片機為控制核心,加以直流電機、光電傳感器和電源電路以及其他電路構成。系統由mage32通過IO口控制小車的前進后退以及轉向。尋跡由RPR220型光電對管完成。 關鍵詞:ATmage32L 直流電機 光電傳感器 自動尋跡電動車 Abstract: The smart car is aluminum alloy for the chassis, ATmaga32L MCU as its core, including motor and servo, plus photoelectric se

2、nsors, as well as other flame sensor and power circuit. MCU controls the car turning back forward or running on the white line. RPR220 reflective photo sensor seeks the trace. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current

3、status. The system transmits information through DF module. The cars status will be transmitted to the Remote Console. OCMJ4X8C LCD display and 2 keys for start control Keywords: ATmaga32L MotorServoPhoto sensorElectrical fire engines一、系統設計1、設計要求 1自動尋跡小車從安全區域啟動。 2小車按指定路線運行,自動區分直線軌道和彎路軌道,在指定彎路處拐彎,實現靈

4、活前進、轉彎、倒退等功能,在軌道上劃出設定的地圖。 3小車完成指定運行任務后,自動返回出發起點,自動倒車,入庫。尋跡路線如圖1所示:2、小車循跡的原理 這里的循跡是指小車在黑色地板上循白線行走,通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法,即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點,在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光,當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射,反射光被裝在小車上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收,小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限,一般最大不應超過3cm。3、模塊方案比較與論

5、證 根據設計要求,本系統主要由控制器模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、直流電機及其驅動模塊、電壓比較模塊等模塊構成。 為較好的實現各模塊的功能,我們分別設計了幾種方案并分別進行了論證。3.1車體設計 方案1:購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅動電路。但是一般的說來,玩具電動車具有如下缺點:首先,這種玩具電動車由于裝配緊湊,使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次,這種電動車一般都是前輪轉向后輪驅動,不能適應該題目的方格地圖,不能方便迅速的實現原地保持坐標轉90度甚至180度的彎角。再次,玩具電動車的電機多為玩具直流電機,力矩小,空載轉速快,負載性能差,不易調速。而

6、且這種電動車一般都價格不菲。因此我們放棄了此方案。 方案2:自己制作電動車。經過反復考慮論證,我們制定了左右兩輪分別驅動,后萬向輪轉向的方案。即左右輪分別用兩個轉速和力矩基本完全相同的直流電機進行驅動,車體尾部裝一個萬向輪。這樣,當兩個直流電機轉向相反同時轉速相同時就可以實現電動車的原地旋轉,由此可以輕松的實現小車坐標不變的90度和180度的轉彎。 在安裝時我們保證兩個驅動電機同軸。當小車前進時,左右兩驅動輪與后萬向輪形成了三點結構。這種結構使得小車在前進時比較平穩,可以避免出現后輪過低而使左右兩驅動輪驅動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移,后萬向輪起支撐作用。 對于車架材料的選擇,我們經過

7、比較選擇了有機玻璃。用有機玻璃做的車架比塑料車架更加牢固,比鐵制小車更輕便,美觀。 綜上考慮,我們選擇了方案2。小車底盤如圖2所示: 圖2 車體底盤圖3.2控制器模塊 方案1:采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實現各種復雜的邏輯功能、規模大、密度高、體積小、穩定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式,提高了系統的處理速度,適合作為大規模控制系統的控制核心。但本系統不需要復雜的邏輯功能,對數據的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經濟的角度考慮我們放棄了此方案。 方案2:采用凌陽公司的16位單片機,它是16位控制器,具有體積小、驅動能力高、集成度高、易擴展

8、、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高,尤其適用于語音處理和識別等領域。但是當凌陽單片機應用語音處理和辨識時,由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務的速度和能力降低。 本系統主要是進行尋跡運行的檢測以及電機的控制。如果單純的使用凌陽單片機,在語音播報的同時小車的控制容易出現不穩定的情況。從系統的穩定性和編程的簡潔性考慮,我們放棄了單純使用凌陽單片機而考慮其它的方案。 方案3:采用Atmel公司的ATmaga32L單片機作為主控制器。ATmaga32L是一個低功耗,高性能的8位單片機,片內含32k空間的可反復擦些100,000次的Flash只讀存儲器,

9、具有2Kbytes的隨機存取數據存儲器RAM,32個IO口,2個8位可編程定時計數器,1個16位可編程定時計數器,四通道PWM,內置8路10 位ADC。且maga系列的單片機可以在線編程、調試,方便地實現程序的下載與整機的調試。 從方便使用的角度考慮,我們選擇了方案3。3.3電源模塊 由于本系統需要電池供電,我們考慮了如下集中方案為系統供電。 方案1: 采用10節1.5V干電池供電,電壓達到15V,經7812穩壓后給支流電機供電,然后將12V電壓再次降壓、穩壓后給單片機系統和其他芯片供電。但干電池電量有限,使用大量的干電池給系統調試帶來很大的不便,因此,我們放棄了這種方案。 方案2:采用3節4

10、.2V可充電式鋰電池串聯共12.6V給直流電機供電,經過7812的電壓變換后給支流電機供電,然后將12V電壓再次降壓、穩壓后給單片機系統和其他芯片供電。鋰電池的電量比較足,并且可以充電,重復利用,因此,這種方案比較可行。但鋰電池的價格過于昂貴,使用鋰電池會大大超出我們的預算,因此,我們放棄了這種方案。 方案3:采用12V蓄電池為直流電機供電,將12V電壓降壓、穩壓后給單片機系統和其他芯片供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以及穩定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大,在小型電動車上使用極為不方便,但由于我們的車體設計時留出了足夠的空間,并且蓄電池的價格比較低。因此我們選擇了此方案。 綜上考慮

11、,我們選擇了方案3。3.4穩壓模塊 方案1: 采用兩片7812將電壓穩壓至12V后給直流電機供電,然后采用一片7809將電壓穩定至9V,最后經7805將電壓穩至5V,給單片機系統和其他芯片供電,但7809和7805壓降過大,使7809和7805消耗的功率過大,導致7809和7805發熱量過大,因此,我們放棄了這種方案。 方案2:采用兩片7812將電壓穩壓至12V后給直流電機供電,然后采用2576將電壓穩至5V。2576的輸出電流最大可至3A,完全滿足系統要求。 綜上考慮,我們選擇了方案2。3.5尋跡傳感器模塊 方案1:用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環境光線的變化而變化。當

12、光線照射到白線上面時,光線發射強烈,光線照射到黑線上面時,光線發射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時,阻值會發生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平。 但是這種方案受光照影響很大,不能夠穩定的工作。因此我們考慮其他更加穩定的方案。 方案2:用紅外發射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發射管發出紅外線,當發出的紅外線照射到白色的平面后反射,若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平,若接收不到發射管發出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求,但是工作不夠穩定,且容易受外界光線的影響,因此我們放棄了這個方案。 方案

13、3:用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器,其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管,而接收器是一個高靈敏度,硅平面光電三極管。 RPR220采用DIP4封裝,其具有如下特點: 塑料透鏡可以提高靈敏度。 內置可見光過濾器能減小離散光的影響。 體積小,結構緊湊。 當發光二極管發出的光反射回來時,三極管導通輸出低電平。此光電對管調理電路簡單,工作性能穩定。 因此我們選擇了方案3。3.6電機模塊 本系統為智能電動車,對于電動車來說,其驅動輪的驅動電機的選擇就顯得十分重要。由于本實驗要實現對路徑的準確定位和精確測量,我們綜合考慮了一下兩種方案。 方案1:采用步進電機作為該系統的驅

14、動電機。由于其轉過的角度可以精確的定位,可以實現小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優點,步進電機的輸出力矩較低,隨轉速的升高而下降,且在較高轉速時會急劇下降,其轉速較低,不適用于小車等有一定速度要求的系統。經綜合比較考慮,我們放棄了此方案。 方案2:采用直流減速電機。直流減速電機轉動力矩大,體積小,重量輕,裝配簡單,使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力,帶動變速減速齒輪組,可以產生較大扭力。 我們所選用的直流電機減速比為1:74,減速后電機的轉速為100r/min。我們的車輪直徑為6cm,因此我們的小車的最大速度可以達到 V2r?v2*3.14*0.03*100/60

15、0.314m/s 能夠較好的滿足系統的要求,因此我們選擇了此方案。3.7電機驅動模塊 方案1:采用專用芯片L298N作為電機驅動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片,它相應頻率高,一片L298N可以分別控制兩個直流電機,而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅動,操作方便,穩定性好,性能優良。 方案2:對于直流電機用分立元件構成驅動電路。由分立元件構成電機驅動電路,結構簡單,價格低廉,在實際應用中應用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩定。 因此我們選用了方案1。4、最終方案 經過反復論證,我們最終確定了如下方案: 1車體用有機玻璃車架手工制作。 2采用ATmaga32L單片機作為

16、主控制器。 3用蓄電池經7812穩壓后為直流電機供電,將12V電壓經2576降壓、穩壓后為單片機系統和其他芯片供電。 4用RPR220型光電對管進行尋跡。 5L298N作為直流電機的驅動芯片。 系統的結構框圖如圖3所示: 圖3 系統結構框圖二、硬件實現及單元電路設計1、微控制器模塊的設計 采用Atmel公司的ATmaga32L單片機,不用燒寫器而只用串口或者并口就可以往單片機中下載程序。 我們在開發過程中使用開發版,方便程序的調試和整機的測試,待系統調試完成后,將單片機從開發板上取下,安裝在小車系統板的單片機座中,由于本次設計要求中,小車需要完成的任務比較簡單,因此我們只在小車系統板的單片機系

17、統中保留了晶振和復位電路,取消了JTAG編程口等冗余電路。2、光電對管電路的設計 我們設計并論證了兩種光電對管檢測及調理電路,電路原理圖分別如4和圖5所示: 圖4 光電對管檢測電路1 圖10所示電路中,R1起限流電阻的作用,當有光反射回來時,光電對管中的三極管導通,R2的上端變為高電平,此時VT1飽和導通,三極管集電極輸出低電平。 當沒有光反射回來時,光電對管中的三極管不導通,VT1截至,其集電極輸出高電平。 VT1在該電路中起到濾波整形的作用。 經試驗和示波器驗證,該電路工作性能一般,輸出還有雜散干擾波的成分。如果輸出加施密特觸發器就可以實現良好的輸出波形。 但是這種電路用電量比較大,給此種

18、傳感器調理電路供電的電池壓降較快。究其原因,是因為光敏三極管和三極管VT1導通時的導通電流較大。 因此我們考慮用比較器的方案。 圖5 光電對管檢測電路2 在圖3中,可調電阻R3可以調節比較器的門限電壓,經示波器觀察,輸出波形相當規則,可以直接夠單片機查詢使用。 而且經試驗驗證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與調理電路。3、尋跡光電對管的安裝 考慮到設計要求,本次設計僅用7對光電傳感器就能完成設計要求,中間四對傳感器用來校正小車的尋跡路線,保證小車運行的直線性。兩側的傳感器用來檢測小車過線,可以實現小車的轉彎和小車走過的方格的計數。當車體中間通過白線時,小車在相應的坐標方向上加一計數。車輪處的傳感器記錄小車的運行速度和里程數。傳感器的安裝位置如圖6所示。圖6 傳感器安裝示意圖4、電機驅動電路的設計 我們采用電機驅動芯片L298N作為電機驅動,驅動電路的設計如圖7所示: 圖7 L298電機驅動電路 L298N的5、7、10、12四個引腳接到單片機上,通過對單片機的編程就可以實現兩個直流電機的PWM調速以及正反轉等功能。三、軟件實現3.1主程序流程圖 我們所設計的軟件的主程序流程圖如圖8所示:圖8