1、2008年山東省大學生電子設計競賽G題智能救援車設計者:李建克盛況楊國龍參賽學校:哈爾濱工業大學(威海指導教師:蔡春偉參賽隊伍編號:G甲3811目錄摘要 (3關鍵詞 (31.系統總體方案的設計確定 (41.1 設計題目 (41.2 模塊方案比較與論證 (52. 系統硬件設計 (112.1 電源部分 (112.2紅外避障電路 (112.3 紅外尋跡電路 (122.4 金屬探測電路 (132.5 顯示電路 (132.6 聲光報警電路 (143 系統軟件實現 (143.1 主程序流程圖 (144 系統功能測試 (164.1測試儀器與設備 (164.2 功能測試 (165 結論 (176 參考文獻 (

2、17摘要:本智能救援小車是經玩具車的改裝,使用89C52單片機作為控制核心,加以避障、尋跡、電機驅動、聲光報警、電磁鐵驅動等模塊組成。系統由AT89C52通過IO口控制小車的前進后退以及轉向。避障使用紅外驅動電路,探測距離為15cm,尋跡由光電對管完成,金屬接近開關用來檢測鐵片,同時小車具有聲光報警和LCD顯示功能。關鍵詞:AT89C52 智能電動車直流電機光電傳感器金屬接近開關紅外避障PWM調速Abstract:The Smart rescue car is modified from a toy car,with AT89C52 MCU as its core, including the

3、 Modules of avoiding obstacles, looking for tracks, motor-driving and sound light alarm, magnet driving. This car is controlled by AT89C52 to go forward backward or turn. Obstacle avoidance module use DC infrared modulation to drive circuit, with a detection distance of 15cm track finding relies on

4、infrared. Metal sensor is used for finding metal plates. The car also has the function ofsound-light-alarm and LCD display.Keywords:AT89C52 Smart rescue car DC Motor Photoelectric sensor Infrared obstacle avoidance Metal sensor PWM speed regulation1.系統總體方案的設計確定1.1 設計題目設計制作一個智能小車,該小車能按照要求自動運行,通過一個建筑物

5、中曲折的道路,并完成規定的動作。設矩形建筑物有兩個門A、B,門寬24厘米,建筑物的墻壁是10厘米高(或與小車高度相同、2厘米厚的矮墻,建筑物內無引導軌跡(見圖示。 墻壁 圖示1 基本要求(1要求智能小車從A門進入并開始自動計時,從B門出來,在行進過程中,能自動選擇適當的路徑,避開墻壁,找到通路,三分鐘之內到達B門;(2到達B門,停5秒,小車自動計時并數字顯示AB段所用的時間,并聲光報警;2 發揮部分:(1自B門外,循弧形引導軌跡BC前進(引導軌跡為2厘米寬;(2途中檢測到鐵片D(鐵片D放置在軌跡BC前二分之一段上的任意位置時停車3秒,并聲光報警;(3要求小車拾起鐵片D,繼續沿引導軌跡前進;(4

6、到達C點;(5在C點處,放下鐵片D并停止前進。聲光顯示救援結束,并停止計時,分別顯示BD、DC段所用的時間。鐵片為直徑2厘米的圓形薄片。1.2 模塊方案比較與論證根據題目要求,本系統主要有單片機控制器模塊、紅外避障模塊、尋跡模塊、金屬探測器、電磁繼電器、液晶顯示電路模塊、直流電機及其驅動模塊、電源模塊、聲光報警等主要部分構成。系統總體結構設計及說明如下圖: 系統方框圖在AB段時,通過避障模塊檢測障礙物,并把信號傳送給單片機,單片機控制小車避開障礙物,走出建筑物,液晶顯示模塊實時顯示所用時間,單片機控制停車并開始倒計時。小車駛出B門后開始尋跡功能,尋跡模塊把檢測到的導軌信號傳送給單片機,單片機根

7、據接收的導軌信號改變小車行駛方向,使小車準確沿引導軌跡前進。小車前進過程中,當金屬傳感器檢測到鐵片D,單片機控制停車開始倒計時并且啟動聲光模塊作用。進而單片機發出指令,使電磁繼電器上電吸起鐵片,繼續沿引導軌跡前進,到達C點,顯示BD、DC段所用時間同時聲光報警,救援結束。為較好的實現各模塊的功能和彼此之間的配合銜接,我們對智能救援車的各個部分做了幾種方案并分別進行設計論證如下:方案一:采用美國ATMEL公司生產的低電壓,高性能的AT89C52單片機。片內含8k bytes的可反復檫除的只讀存儲器(PEROM可以反復擦除100次,和256bytes的隨機存取數據存儲器(RAM,片內置通用8位CP

8、U和Flash存儲單元,32個I/O口線,3個位定時器計數器,一個向量兩級中斷結構,片內振蕩器及時鐘電路。適用于許多較為復雜的控制應用場合。最重要的是該系列的單片機在實際工業生產和控制中應用十分廣泛。熟練使用該系列的單片機可以更加貼近實際,增加學生理論聯系實際的能力,對學生來說是大有裨益的。方案二:采用凌陽單片機SPCE061A精簡開發板。它具有在線調試功能。集成開發環境,不需外界任何仿真、調試器即可以完成在線編程、仿真、調試功能。它具有 64Kbyte的 16bit Flash和4KByte的16bit SRAM、32位I/O口、8路10位ADC 和2路10位DAC,以及麥克風(1路MIC音

9、頻輸入、喇叭接口(開發板配備喇叭。特別適合于設計和開發。我們綜合比較了以上兩種方案,認為凌陽單片機的SPCE061A精簡開發板雖然功能十分強大特別適合于搞電子設計,但價格偏貴,且實際生產應用較少。AT89C52單片機價格便宜,最小板系統也十分容易做出來,使用更加方便。綜合比較,我們最終選用方案一。對于小車的控制來說,電機的選擇顯得十分重要。按照題目的要求我們綜合考慮了以下幾種方案:方案一:采用步進電機作為驅動電機。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。但是步進電機的輸出力矩比較低,并且隨著轉速的升高而下降,因此車身上所帶的元器件重量就有嚴格的限制,加之其控制比較

10、復雜,經綜合比較考慮,我們放棄了此方案。方案二:采用12V的直流減速電機。直流減速電機轉動力矩比較大,體積小,重量輕,裝配簡單,使用很方便。由高速電動機提供原始動力,帶動變速(減速齒輪組,產生大扭力。但是在使用過程中我們發現,電機的驅動電壓12V對小車來說太高,只能用直流穩壓源驅動,普通干電池很難驅動。因此我們放棄了此方案。方案三:采用6V的直流減速電機。6V的直流減速電機,通過齒輪減速,產生大力矩帶動車輪。改變電機繞組兩端的電壓方向就可以改變電機的轉向,控制容易方便。且由于供電電壓較小,可以用普通干電池驅動,實際使用的效果很好。經過比較,我們選用了方案三。我們使用的小車的機械驅動方式為:左右

11、兩個電機依靠齒輪分別帶動車體兩邊的車輪轉動。車輪無法轉向,但電機可Array以正反轉,以實現小車的前進和后退。當需要左轉時,左電機反向帶動左邊車輪向后轉,右電機正轉帶動右邊車輪向前轉,這樣小車就可以實現左拐控制,通過PWM方法調節兩個電機轉速,可以很好的實現小車拐彎的幅度,包括坐標不變的90度和 180度轉彎。同理,當需要右轉時,右電機反向帶動右邊車輪向后轉,左電機正轉帶動左邊車輪向前轉,同樣通過PWM調速輕松實現對應的右拐控制。根據小車的機械驅動方式,我們提出的電機控制方案如下:方案一:利用分立元件構成電機驅動電路。 如下圖所示:9012是PNP型三極管,最大工作電流可達到500mA,最大耐

12、壓為 50V,放大倍數超過150倍,作為電流放大器件可滿足工作。8050要求最大集存器電流為0.5A,直流電增益:10 to 60,功耗:625 mW。工作原理為:當單片機89C52控制口P2.0輸出高電平時,9012截止,CS8050截止,電機停止運轉;當單片機89C52控制口P2.0輸出低電平時,9012導通,2SC8050導通,圖2 電機開始運轉。該電路的結構比較簡單,輸出功率足夠大,足以推動電機工作,并且電機工作時三極管性能非常穩定。但該方案中電機電樞電壓方向無法改變,不能實現電機反轉。而且單片機輸出信號部分和電機供電部分沒有完全隔離,電機在斷電時會產生巨大的反電動勢,經常導致單片機死

13、機或燒壞。方案二:利用L298N構成電機驅動電路。L298N是SGS公司的產品,內部包含4通道邏輯驅動電路,是一種二相和四相電機的專用驅動器,即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器,接收標準TTL邏輯電平信號,可驅動46V、2A以下的電機。其引腳排列如下圖所示。 OUT1、OUT2和OUT3、O UT4之間分別接2個電動機。IN1、IN2、IN3、IN4引腳從單片機接輸入控制電平,控制電機的正反轉,ENA,ENB接控制使能端,控制電機的停轉。L298的邏輯功能表如下所示: 對于電機的調速,我們采用PWM調速的方法。其原理就是開關管在一個周期內的導通時間為t,周期為T,則電機兩端的平均電壓U

14、=Vcc*(t/T=Vcc。其中,=t/T(占空比,Vcc是電源電壓。電機的轉速與電機兩端的電壓成比例,而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比,因此電機的速度與占空比成比例,占空比越大,電機轉得越快。在硬件電路的連接上,我們將單片機的P2.0P2.3口分別連接到298的IN1IN4上,通過改變P2.0P2.3口上的高低電平變化以控制小車的前進方向,通過改變P2.0P2.3口上的高低電平的占空比以控制電機的轉速。PWM配合橋式驅動電路L298N,實現直流電機調速,非常簡單,且調速范圍大。因此我們選用方案二。另外我們特別在直流電機的電樞兩端并聯一個磁片電容104,以穩定電機的電壓不致對單片機造成

15、干擾。實際的使用效果也不錯,省掉了通過光耦隔離TPL521實現單片機輸出信號與電機驅動信號隔離的環節,節約了成本。為了完成拾起鐵片的功能,我們采用電磁鐵還吸起鐵片。電磁鐵通過繼電器改裝來獲得。電磁式繼電器常見的工作電壓有+6、+12V及+24V,限于小車所帶電源,所以我們選用+6V的電磁式繼電器。且試驗中可以輕松吸住鐵片,效果良好。方案一:單片機引腳輸出高電平使三級管9013導通,繼電器吸合工作,以吸起鐵片。(9013的最大工作電流可達到 500mA,最大耐壓為 50V,放大倍數超過150倍,可滿足工作要求。上拉電阻的作用是通過增大基極電流,以增加驅動電磁鐵的電流。這種方案電路設計非常簡單,但

16、是它的缺點也是明顯的:1.電磁鐵斷電瞬間會產生很高的反電動勢,擊穿驅動電磁鐵工作的晶體管,并干擾其他電路的正常工作。2. 無法直觀顯示出電磁鐵的吸合釋放狀態。3.單片機的輸出信號與驅動信號缺乏必要的隔離,電磁鐵上電時三極管基極電流過大,容易導致單片機死機?；谝陨先秉c我們改進方案如下:方案二: 1. 我們在電磁鐵兩端并聯一個分流二極管來減少斷電后產生的反向電壓峰值,起續流作用。2. 將發光二極管通過電阻與電磁鐵并聯使用,以指示電磁鐵的帶電情況。3. 使用光耦合器件 TLP521。它的光接受端是光敏三極管,輸入端流經發光二極管的電流為1015mA,輸出端光敏三極管可提供約20mA的驅動電流。當輸

17、入為低電平時,輸入端的發光二極管不發光,輸出光敏三極管截止,輸出為低電平,9013無法導通。反之,輸入為高電平時,輸入端的發光二極管發光,輸出光敏三極管導通,輸出為高電平,9013導通使電磁鐵上電閉合。這種方式輸出電平由VCC 決定,易于實現電平的轉換;輸入/輸出端高度絕緣,抗干擾能力強。2. 系統硬件設計2.1 電源部分系統電源的設計在系統設計中顯得十分重要,它對單片機系統是否正常工作起著至關重要的作用。由于電機驅動和繼電器需要6V電壓供電,而單片機和其他模塊需要5V電壓供電,所以我們采用四節干電池串聯產生6V電壓供給直流電機和電磁繼電器。選擇7805穩壓管將直流6V電壓轉成5V輸出,供給單

18、片機和金屬接近開關、顯示電路、避障和尋跡等模塊使用。7805直流穩壓電路圖: 2.2紅外避障電路 LM567及其外圍芯片構成音頻檢頻器,其檢頻頻率f0由R4、C5決定。其中f0為檢頻頻率,當R4=10k,C5=222時,f0=41kHz。這一震蕩信號經V3擴流后驅動發光管,這樣處理后可以保證發光頻率與檢頻頻率嚴格一致使LM567的輸出僅與光強有關。為進一步探測距離,我們還設立了一級交流放大器,其增益約為240倍,雖然這大的放大倍數放大器的線性和穩定性會較差,但對于頻率檢測不會有太大影響。避障電路的輸出為TTL電平,探測距離為10cm,當探測到有障礙物時,輸出為低,并把這個信號給單片機,由單片機根據檢測到的信號控制小車的方向。2.3 紅外尋跡電路當小車駛出B門后,進入BC段有引導軌跡的區域,這時候尋跡模塊起引導作用。我們使用紅 外對管電路(見圖中方框,來檢測引導軌跡。當尋跡到有黑線時通過比較器LM339向單片機輸出一個低電平。反之,向單片機輸出高電平。我們在小車前方裝有六個紅外對管,每個紅外對管的電路如圖所示。這樣單片機根據接收到的信號控制小車的前進方向。2.4 金屬探測電路金屬探測模塊主要用于行駛軌跡中金屬片的探測?？紤]到金屬一般都是導體,根據電磁場理論可知,在受到變化的電磁場作用的任何導體,都會產生電渦流。因此,在本系統中采用電感式接近開關