论文-智能小车系统的设计与制作 (2)

毕业设计论文智能小车系统的设计与制作专业应用电子技术答辩日期2011年1月目录一、方案论证与比较1（一）单片机系统1（二）电机驱动系统1（三）循迹系统2（四）测速系统3（五）无线通讯系统3二、系统的具体设计与实现4（一）STC12C5A60S2单片机6（二）黑带检测系统的设计5（三）电动机PWM驱动模块的电路设计与实现6（四）路程检测系统的设计与里程的计算6（五）电源与显示模块的设计8三、系统的软件设计8（一）小车的主程序9（二）无线接收数据设计10四、总结13参考文献14智能小车系统的设计与制作摘要该智能小车系统以STC12C5A60S2单片机为主芯片，采用两路对射CST150作为测速元件，恒压恒流桥式驱动芯片L298N作为小车驱动芯片，控制电机的工作状态来实现小车方向的控制，采用8路反射式光电TCRT5000识别黑线标记完成循迹功能，使小车能按预定的轨道稳定地行驶，能正确的识别路径、速度和路程，系统具备无线通信功能，小车能够实时的将运行的速度、里程等信息发送给上位机系统,具有一定的抗干扰功能。关键词STC12C5A60S2单片机；循迹；反射式光电；上位机系统轮式机器人主要应用于建筑领域,用于在不平整路面的情况下,可以完成建筑物质的搬运，也可应用于汽车领域,可使汽车能在极其恶劣的路面上行驶，它已经在航天，医疗，工业控制、物流等各个领域的关键设备。智能小车也是轮式机器人的一种，它是以一种以汽车电子为背景，以模式识别，传感技术，电子，电气，计算机，机械等多学科的科技创意性设计，此设计实现了小车的无人驾驶，通过对路面的检测，由单片机来判断控制其小车的反应情况，使其变得智能化，实现自动的前进、转弯、停止功能。一、方案论证与比较（一）单片机系统方案一AT89C51单片机AT89C51是一种带4K字节闪存可编程可擦除只读存储器（FPEROMFLASHPROGRAMMABLEANDERASABLEREADONLYMEMORY）的低电压、高性能CMOS8位微处理器，但运算速度较低，功能比较单一。方案二STC12C5A60S2单片机STC12C5A60S2单片机是一款高速、超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码兼容传统8051，但速度812倍，内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速，10位A/D转换（250K/S，即25万次/秒），针对电机控制，抗干扰能力强。经过综合考虑，鉴于抗干扰能力和PWM调速功能，选择方案二。（二）电机驱动系统方案一半导体H桥电路使用MOS管搭建H桥，高位电路要用P沟道管，低位要用N沟道管，应用H桥的关键是四个电路开闭状态的准确，一旦在电源和地之间出现通道，毫无疑问会立刻产生短路，让你的晶体管变成一枚小炸弹。半导体晶体管本身有导通电阻，在通过大电流时会明显发热，如果没有散热措施会很容易烧毁，这样会限制电路功率的增加。方案二L298H桥集成电路L298内置两个H桥，每个桥提供1A的额定工作电流，和最大3A的峰值电流。L298芯片是一种高压、大电流双全桥式驱动器，其设计是为接受标准TTL逻辑电平信号和驱动电感负载的，例如继电器、圆筒形线圈、直流电动机和步进电动机具有两抑制输入来使器件不受输入信号影响采用专用芯片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，它相应频率比较高，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。根据以上综合比较，选择L298N会使电机控制轻松自如,小车还需要用PWM控制速度,故选择方案二。（三）循迹系统方案一光敏二级管采用光敏二极管循迹，在小车前面装上参数一致的光敏二极管或者光敏电阻，在通过A/D转换电路转换成数字量送入单片机，单片机在对读入的几路数据进行存储，比较，然后发出命令对外围进行操作，能够对不同强度的光采集以及比较，操作灵活，但是硬件部分很复杂。方案二采集8路反射式光电TCRT5000TCRT5000型反射红外对管组成的路径识别传感器模块，检测距离和灵敏度均能达到系统要求，TCRT5000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发光二极管，而接收器是一个高灵敏度的硅平面光电三极管，该器件采用DIP4封装，内置的塑料透镜可以提高灵敏度，内置的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压，该光电对管调理电路简单，工作性能稳定,可靠。根据以上综合比较，8路的反射式光电测的角度更广，识别更精确，所以选择方案二。（四）测速系统方案一霍尔传感器A3144采用型号为A3144的霍尔芯片作为小车的测速模块核心，它的体积小，价格合理，可用于测速，但需要和普通的磁钢片配合工作，它需固定在车轮主轴上，主轴是固定不动的，磁片也不易安装。方案二反射式传感器PSI315采用反射式传感器是利用对不同颜色的光的反射情况不同，其中白色几乎全部反射，黑色几乎全部吸收的原理，可以自行设计一黑白的条码码盘对发光管发射出的光进行反射，接收管接收码盘反射的光信号强弱不同，通过比较电路将信号进行处理得到所需要的标准输出波形。但是码盘之间间距很小，光会扩散。方案三折射式光电传感器ST150采用折射式光电传感器是利用光电编码盘固定在电机的旋转轴外，在其上方安装着单光束折射式传感器，由于编码盘的旋转，当编码盘扇叶进入凹槽遮挡着发光二极管时，光敏三极管没接受光，输出为零，当编码盘扇叶通过光电传感器时，光敏三极管接收光在ST150电路中输出为VCC。根据以上综合比较，选择方案三。（五）通讯系统方案一RS232通讯RS232通讯又叫串口通讯方式，是指计算机通过RS国际标准协议用串口连接线和单台设备（控制器）进行通讯的方式，通讯距离一般为13米左右，常有的通讯速率是9600BPS，传输距离短，抗干扰能力差。方案二RS485通讯RS485通讯串行总线接口标准以差分平衡方式传输信号，具有很强的抗共模干扰能力，允许一对双绞线上一个发送器驱动多个负载设备，RS485通讯是一种半双工通讯，发送和接收共用同一个物理信道，因此要求应答的单机必须在侦听到总机上呼叫信号已经发送完毕，并且没有其他单机发出应答信号的情况下，才能应答。方案三KL_NRF24L01通讯最高工作速率2MBPS，高效GFSK调制，抗干扰能力强，特别适合共轭控制场合,有126频道，满足多点通信和跳频通信需要。内置24GHZ天线，体积小巧，低功耗19V36V工作，待机模式下状态22UA,掉电模式下900NA，可直接接各种单片机使用，软件编程非常方便。通过以上比较，根据题目要求，选择方案三。二、系统的具体设计与实现本系统由单片机作为小车的控制核心，通讯系统，循迹系统，测速系统，电源，驱动系统，液晶显示几部分组成。单片机最小系统框图如图1所示。STC12C5A60S2单片机最小系统通讯系统指示灯液晶显示驱动系统电源测速系统循迹系统图1单片机最小系统框图（一）STC12C5A60S2单片机STC12C5A60S2单片机具有超强的抗干扰能力，速度快，1个时钟/机器周期，有两路的PWM,可用低晶振，大幅降低EMI，并且支持掉电唤醒管脚。具有超低的功耗，在掉电模式下，外部中断唤醒功耗0GI_UCTXDPTRSBUFTX_COM_BUFFERGI_UCTXDPTR/取下一字节/构建发送/VOIDMAKESENDFRAMEUCHARCMDUNIONUNSIGNEDINTALLUNSIGNEDCHARB2UITEMPUCHARSUMTX_COM_BUFFER00X55TX_COM_BUFFER10XAA/帧头TX_COM_BUFFER2CMD/帧长TX_COM_BUFFER3TIMETX_COM_BUFFER4LPULSEUITEMPALLDISTANCETX_COM_BUFFER5UITEMPB0TX_COM_BUFFER6UITEMPB1TX_COM_BUFFER70SUMTX_COM_BUFFER2TX_COM_BUFFER3TX_COM_BUFFER4TX_COM_BUFFER5TX_COM_BUFFER6TX_COM_BUFFER7TX_COM_BUFFER8SUM/校验和GC_UCTXDCNT9/发送字节计数GI_UCTXDPTR0/发送指针SBUFTX_COM_BUFFER0/启动发送四、总结经过两个月来的设计与制作，我的智能小车在完成设计要求的前提下，充分考虑到了外观、成本等问题，在性能和价格之间作了比较好的平衡。在设计过程中，我们考虑到了每一个I/O口的合理分配问题，使得我们设计出来的电路模块和主电路板之间衔接到位，最大程度地使用了资源。另外，我们的车体底盘经过充分的论证和严格的设计，兼顾了美观、廉价、稳固、可靠等方面的因素，使其具有较高的稳定性和推广意义。整个智能小车车系统由2个人合作设计，也让我们增强了团队协作的能力。设计是一个团队性的工作，如果某一个人能力很强，而其他人不行，这个团队可能做不出来很好的东西，但是团队各成员分别有一定的技术功底，精诚合作，一定能完成一个好的作品。团队要合作，要民主，同时也需要有一个核心，关键时候需要做出决定,。智能小车系统采用STC12C5A60S2单片机为主芯片，采用脉宽调速系统对电机进行调速，L298N双H桥集成电路做电机驱动，8路反射式光电TCRT5000作为小车循迹，通讯采用KL_NRF24L01通讯模块，采用ST7920汉字液晶显示屏，测速采用折射式光电传感器对码盘进行测速，采用双电源供电，避免了电机对控制系统主芯片的干扰。在测试中通讯的发送和接收都要一定的时间，如果连续发送，单片机会反应不过来，导致通信失败。此小车的测速在直线行走时是符合精准的，测量值AX为47CM，小车显示真值AO为49CM，绝对误差为2CM，相对误差达到42，误差小于5，不足之处是在与小车在弯到时车轮后退也算入了里程中，这样对于实际的里程来说误差相对就大了，这一点有待进一步改进。而速度是每秒计数清零的，所以误差也可以达到5以内的标准。参考文献1刘瑞新主编单片机原理及应用教程M机械工业出版社，2003723672杜树春编汇编语言混合编程实例详解M北京航空航天大学出版社，2006645873赵亮,侯国锐编著单片机C语言编程与实例M人民邮电出版社，200341564孙育才,孙华芳，王荣兴编著单片机原理及其应用M电子工业出版社，200612995何道清传感器与传感器技术M科学出版社,2004471446黄继昌等编著传感器工作原理及应用实例M人民邮电出版社，199822797谢自美主编电子线路设计实验测试M华中科技大学出版社，2000726608梅丽凤单片机原理及接口技术M北京清华大学出版社，200535409黄智伟全国大学生电子设计竞赛系统设计M北京航天航空大学出版社，20072214210沙占友，孟志强，王彦朋单片机外围电路设计M北京电子工业出版社，20064313411DAVIDCOOK机器人制作提高篇M北京航空航天大学出版社，200512167附录附录1L298驱动模块附录2循迹模块附录3智能小车系统的设计与制作实物图致谢历时三个月的毕业设计已经告一段落。经过自己不断的搜索努力以及余老师的耐心指导和热情帮助，本设计已经基本完成。在这段时间里，余老师严谨的治学态度和热忱