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標(biāo)題: 基于51單片機(jī)循跡智能小車設(shè)計(jì)論文(Word格式文檔下載) [打印本頁]

作者: kingnesay 時(shí)間: 2018-5-6 17:34
標(biāo)題: 基于51單片機(jī)循跡智能小車設(shè)計(jì)論文(Word格式文檔下載)
摘要
本次設(shè)計(jì)的簡易智能電動(dòng)車采用簡單的人工智能技術(shù)，使用AT89C52作為小車的檢測和控制核心。根據(jù)題目設(shè)定的行進(jìn)及具體要求，分別采用紅外傳感器進(jìn)行尋跡行駛、黑帶采集及變速行駛，采用霍爾元件對小車行駛過程中的速度進(jìn)行測量，并在終點(diǎn)進(jìn)行行駛路程的測量，采用直流減速電機(jī)對小車實(shí)行較精確定位，由LCD顯示出各項(xiàng)功能知識。由數(shù)碼管進(jìn)行行駛時(shí)間顯示，由蜂鳴器及LED構(gòu)成聲光提示電路。最后，小車的運(yùn)行過程中的各種自動(dòng)化過程由單片機(jī)通過編程實(shí)現(xiàn)。

一、方案比較
1．軌跡探測模塊設(shè)計(jì)與比較
方案一：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(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)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(wěn)定的工作。
方案二：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(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)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(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。
單片機(jī)就是通過接收到的高低電平為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。對于發(fā)射和接收紅外線的紅外探頭，可以自己制作或直接采用集成式紅外探頭。
經(jīng)測試，此種方法簡單可靠。
經(jīng)反復(fù)對比后，采用方案二。
1、       控制電機(jī)方案比較
方案一：利用步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定長步進(jìn)性能方便的實(shí)現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準(zhǔn)確的測量速度、路程以及時(shí)間，簡化編程和硬件連接的工作量。但是步進(jìn)電機(jī)在與機(jī)械配合的小車改裝上難度極大，非短時(shí)間所能完成。該方案實(shí)現(xiàn)較困難。
方案二：用玩具小車上自帶的雙直流電機(jī)，只需對后輪電機(jī)進(jìn)行簡單改造，加上一個(gè)齒輪減速裝置即可，兩電機(jī)分別負(fù)責(zé)小汽車的驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向的功能，依據(jù)外圍紅外反射傳感器所采集到的信息可以補(bǔ)足直流電機(jī)定位不準(zhǔn)的缺點(diǎn)，同時(shí)紅外反射傳感器的使用還能實(shí)現(xiàn)比較準(zhǔn)確的尋跡行駛，用較好的控制算法及特色硬件來提高小車的整體性能，可具有很高的性能/價(jià)格比。
經(jīng)比較驗(yàn)證，顯然方案一的機(jī)械結(jié)構(gòu)也短時(shí)間內(nèi)難以滿足題目的要求，而方案二本身是與小車相兼容的，性能也比較好，采用方案二。
2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)方案的比較
方案一：采用傳統(tǒng)的功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。
方案二：采用繼電器對       電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。
方案三：采用專用芯片L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。且由L298N結(jié)合單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對小車速度的精確控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
因此決定采用L298N控制直流電機(jī)。
4、顯示存儲(chǔ)信息和全程時(shí)間部分的方案比較
方案一：用普通的數(shù)碼管來實(shí)現(xiàn)顯示功能。這種方法簡單易行，并且適合于硬件操作，但是數(shù)碼管消耗電流特別大，對電源的容量要求很高，而且不能顯示漢字因而難以適應(yīng)電池供電系統(tǒng)的節(jié)能運(yùn)行要求。
方案二：使用液晶顯示板來完成顯示的功能。液晶顯示板的操作需要一定的難度和技巧，而且很容易損壞，所以其硬件需要謹(jǐn)慎使用，但是它解決了數(shù)碼管存在的各種問題，如消耗電能特別小、能顯示多行漢字等。
經(jīng)驗(yàn)證比較，方案二不但能節(jié)省電能，而且能實(shí)現(xiàn)普通數(shù)碼管無法實(shí)現(xiàn)的漢字顯示功能。采用方案二。
5、動(dòng)態(tài)平衡點(diǎn)檢測的方案比較
方案一：采用“液體擺”式慣性器件
  　  液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有導(dǎo)電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖2所示。當(dāng)殼體水平時(shí)，電極插入導(dǎo)電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時(shí)，電極之間會(huì)形成離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個(gè)電阻RI和RIII。若液體擺水平時(shí)，則RI ＝RIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜時(shí)，電極間的導(dǎo)電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖3所示，左邊電極浸入深度小，則導(dǎo)電液減少，導(dǎo)電的離子數(shù)減少，電阻RI增大，相對極則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的離子數(shù)增加，而使電阻RIII 減少，即RI＞RIII。反之，若傾斜方向相反，則RI＜RIII。在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引起應(yīng)變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實(shí)用中除此類型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時(shí)氣泡會(huì)運(yùn)動(dòng)使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”。但由于小車在行駛中振動(dòng)較使得小車在未到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)由于振動(dòng)的原因使上面所述的RI ＝RIII，從而是的小車檢測到假平衡點(diǎn)而發(fā)生誤操作，因此這種方案不可取。我們決定采用方案二
方案二：采用三個(gè)集成光電耦合器件，利用小車爬坡時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的弧度，使三個(gè)光電管在任意時(shí)刻至少有一或兩個(gè)導(dǎo)通，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)平衡的控制。
方案三：
像尋跡電路那樣采用紅外對管，將3個(gè)紅外對管排成一排，在做一個(gè)裝有紅外發(fā)射管的單擺，在水平狀況下，使發(fā)射管正對于中間的接收管，當(dāng)小車爬坡時(shí)，單擺與接收管不再垂直，而產(chǎn)生一定傾角，中間的接收管不再接收，基于這種原理，理論上是可行的，但是由于紅外對管受可見光的影響很大，測試結(jié)果與理論相差甚遠(yuǎn)。
綜上所述，我們采用方案二
二、系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)與論證
對于本系統(tǒng)來說，要實(shí)現(xiàn)的基本目的是能夠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)使小車分別完成在水平和傾斜兩種狀態(tài)下的從A至B停5秒后再從B退向A端，并分別顯示前進(jìn)和倒退的時(shí)間完成以上任務(wù)后，又要使得小車在兩分鐘內(nèi)從有配重物體的蹺蹺板的起始端前進(jìn)到達(dá)板平衡位置處停留5秒以上，并以聲光提示，并顯示所用時(shí)間，且配重物體可在板上任意調(diào)節(jié)。基于以上要求并結(jié)合我們所掌握的資料，我們共設(shè)計(jì)了以下幾種方案。

方案一：題目的要求決定了小車在任何時(shí)候都必須“直來直往”,即要求小車是直向行駛的，可以通過做一個(gè)絕對標(biāo)準(zhǔn)的蹺蹺板和采用一個(gè)性能極其優(yōu)良的電動(dòng)車，使小車在任何時(shí)候僅依靠其物理結(jié)構(gòu)保證在板上是直向行駛的，但受客觀條件的限制，這種方案很難能夠真正的實(shí)現(xiàn)。
方案二：采用智能控制方法，使小車在非直線行駛時(shí)自動(dòng)的校正行駛方向，以保證小車在總體上的行駛是直向行駛的，基于此原理我們決定采用尋跡行駛的方案，即在車前下方加上垂直于地面的紅外對管，使之正對于板上的一條黑色軌跡線利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)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(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。就是通過單片機(jī)接收到的高低電平為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。
關(guān)于平衡點(diǎn)的檢測，要用到傾角傳感器，這里我們總結(jié)了兩種方案
方案一：采用“液體擺”式慣性器件
  　  液體擺的結(jié)構(gòu)原理是在玻璃殼體內(nèi)裝有導(dǎo)電液，并有三根鉑電極和外部相連接，三根電極相互平行且間距相等，如圖2所示。當(dāng)殼體水平時(shí)，電極插入導(dǎo)電液的深度相同。如果在兩根電極之間加上幅值相等的交流電壓時(shí)，電極之間會(huì)形成離子電流，兩根電極之間的液體相當(dāng)于兩個(gè)電阻RI和RIII。若液體擺水平時(shí)，則RI ＝RIII。當(dāng)玻璃殼體傾斜時(shí)，電極間的導(dǎo)電液不相等，三根電極浸入液體的深度也發(fā)生變化，但中間電極浸入深度基本保持不變。如圖3所示，左邊電極浸入深度小，則導(dǎo)電液減少，導(dǎo)電的離子數(shù)減少，電阻RI增大，相對極則導(dǎo)電液增加，導(dǎo)電的離子數(shù)增加，而使電阻RIII 減少，即RI＞RIII。反之，若傾斜方向相反，則RI＜RIII。在液體擺的應(yīng)用中也有根據(jù)液體位置變化引起應(yīng)變片的變化，從而引起輸出電信號變化而感知傾角的變化。在實(shí)用中除此類型外，還有在電解質(zhì)溶液中留下一氣泡，當(dāng)裝置傾斜時(shí)氣泡會(huì)運(yùn)動(dòng)使電容發(fā)生變化而感應(yīng)出傾角的“液體擺”。但由于小車在行駛中振動(dòng)較使得小車在未到達(dá)平衡點(diǎn)時(shí)由于振動(dòng)的原因使上面所述的RI ＝RIII，從而是的小車檢測到假平衡點(diǎn)而發(fā)生誤操作，因此這種方案不可取。我們決定采用方案二采用三個(gè)集成光電耦合器件，利用小車爬坡時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的弧度，使三個(gè)光電管在任意時(shí)刻至少有一或兩個(gè)導(dǎo)通，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)平衡的控制。
采用三個(gè)集成光電耦合器件，利用小車爬坡時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的弧度，使三個(gè)光電管在任意時(shí)刻至少有一或兩個(gè)導(dǎo)通，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)平衡的控制采用三個(gè)集成光電耦合器件，利用小車爬坡時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的弧度，使三個(gè)光電管在任意時(shí)刻至少有一或兩個(gè)導(dǎo)通，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)平衡的控制
三、系統(tǒng)組成、原理和電路圖
系統(tǒng)總體組成框圖如下所示

本系統(tǒng)采用AT89S52作為核心控制部件，通過對小車前下端的左中右三對紅外對管組成的尋跡帶你路電路所采集的信號進(jìn)行分析使小車在行駛偏離正常軌道時(shí)及時(shí)進(jìn)行分析校正，以保證其直向行駛；用單片機(jī)控制電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)前后兩個(gè)電機(jī)是后輪做勻速行駛，前輪作為左右轉(zhuǎn)向輪；在后輪上加裝磁鐵，車聲固定霍爾元件使得車輪沒轉(zhuǎn)過一周磁鐵正好正對霍爾元件，使得有霍爾元件組成的地暖露電路輸出高電平，通過單片機(jī)對霍爾元件輸出電平的變化進(jìn)行計(jì)數(shù)操作，由此便可得出車速和行程的數(shù)據(jù)；類似于小車尋跡的方式，當(dāng)小車的三對紅外對管都沒有檢測到黑帶時(shí)，說明此時(shí)小車運(yùn)行到了蹺蹺板的兩端，單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的停止操作，并執(zhí)行相應(yīng)的時(shí)間等數(shù)據(jù)的顯示操作。
尋跡電路如圖3.0.2所示
                        圖3.0.2
當(dāng)小車的三個(gè)管子都處于黑帶上時(shí)，即小車直向行駛時(shí)，三個(gè)發(fā)射管發(fā)射的紅外線被黑線所吸收，接收管并沒有接收到紅外線，此時(shí)處于截至狀態(tài)，此時(shí)運(yùn)放的U+>U-，UO>0,，即輸出為高電平此時(shí)INT1為高電平，單片機(jī)不響應(yīng)中斷，當(dāng)某一個(gè)或兩個(gè)管子處于黑線外部時(shí)，即小車走偏時(shí)，對應(yīng)的接收管導(dǎo)通其對應(yīng)的運(yùn)放的U+<U-,所以Uo<0，即輸出為低電平，INT1端此時(shí)為低電平，單片機(jī)執(zhí)行此中斷，并進(jìn)一步判斷導(dǎo)通的接收管，以確定向那個(gè)方向轉(zhuǎn)向。
電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路如圖3.0.3所示
L298N是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。且由L298N結(jié)合單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)對小車速度的精確控制。，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。只需在5
7或10、12輸入端加上高低反向電平，4、9端接通電源，9端接+5V電壓，4端視電機(jī)所需功率加適當(dāng)?shù)碾妷旱氃?-40V之間選擇，再在2、3或13、14輸出端接上電機(jī)，再在相應(yīng)的6或11使能端加脈沖電壓，調(diào)節(jié)次脈沖電壓的占空比通過單片機(jī)便可便可對其實(shí)較行精準(zhǔn)控制
本小車后輪由于使用的是直流減速電機(jī)，，其勻速行駛就可滿足此設(shè)計(jì)要求因此
通過單片機(jī)的I/O口線在5、7端加上相反的電平，在6端加上高或低電平，編程操作便可對其進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)停止和正反轉(zhuǎn)的操作，前輪轉(zhuǎn)向電機(jī)與此類似。
                     圖3.0.3
   圖3.0.4
圖3.0.4為由霍爾元件、三極管及電阻組成的測速電路，AH44E位數(shù)字集成霍爾元件輸出為數(shù)字信號，輸出信號無需濾波整形，只需對其進(jìn)行一級放大即可，因此其外圍電路相當(dāng)簡單，當(dāng)有磁鐵靠近霍爾元件時(shí)（注意磁鐵極性），霍爾元件的3端輸出的信號經(jīng)三極管放大后輸出為高電平，拿掉磁鐵即恢復(fù)為低電平，因此可將磁鐵固定于車輪上，將測速電路放置于車上的適當(dāng)位置使得車輪每轉(zhuǎn)過一周測速電路輸出一個(gè)高電平，可將其輸出端接至單片機(jī)的T0或T1口，對其進(jìn)行計(jì)數(shù)操作，將其讀出再進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換即可得到車速或行程
平衡點(diǎn)的檢測裝置如圖3.0.5所示
圖3.0.5
圖中A,B,C分別為光電對管，采用三個(gè)集成光電耦合器件，利用小車爬坡時(shí)系統(tǒng)產(chǎn)生一定的弧度，使三個(gè)光電管在任意時(shí)刻至少有一或兩個(gè)導(dǎo)通，利用軟件編程實(shí)現(xiàn)對整個(gè)系統(tǒng)平衡的控制。

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