小車課程設(shè)計報告

1、<p><b>　　項目五 小車設(shè)計</b></p><p>　　摘 要 本文設(shè)計的小車，是以C8051F120單片機(jī)核心板為控制芯片的簡易智能小車，利用各種傳感器采集數(shù)據(jù)，采用L298N芯片作為直流電機(jī)驅(qū)動。可以通過往返跑道和智能跑道。小車在行駛過程中不僅能顯示運行狀態(tài)和行駛速度、測量黑線之間的距離、自動報警功能，而且還能尋跡行駛、探測鐵片、躲避障礙物、尋找光源等功能。采用

2、PWM脈寬調(diào)制電機(jī)控制小車的行駛速度。整個系統(tǒng)在設(shè)計中注意低功耗處理和力求高性價比等細(xì)節(jié)，電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高，無論在結(jié)構(gòu)和技術(shù)上都具有較好的科學(xué)性。</p><p>　　關(guān)鍵詞 C8051F120 PWM調(diào)速 避障 L298N</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1 系統(tǒng)方案- 2 -<

3、;/p><p>　　1.1 電機(jī)驅(qū)動論證與選擇- 2 -</p><p>　　1.2顯示模塊- 2 -</p><p>　　1.3傳感器的選擇- 3 -</p><p>　　1.4 控制系統(tǒng)論證與選擇- 3 -</p><p>　　2系統(tǒng)理論分析與計算- 3 -</p><p>　　2.1

4、各個電路的分析- 3 -</p><p>　　2.1.1霍爾傳感器測速的分析- 3 -</p><p>　　2.1.2光源探測器的分析- 4 -</p><p>　　2.2電路的計算- 4 -</p><p>　　2.2.1霍爾傳感器測速的計算- 4 -</p><p>　　3電路與程序設(shè)計- 4 -<

5、;/p><p>　　3.1電路的設(shè)計- 4 -</p><p>　　3.1.1系統(tǒng)總體框圖- 4 -</p><p>　　3.1.2電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)框圖與電路原理圖- 5 -</p><p>　　3.1.3顯示模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖- 6 -</p><p>　　3.1.4電源- 7 -</p>

6、<p>　　3.1.5 探測模塊電路- 7 -</p><p>　　3.2程序的設(shè)計- 9 -</p><p>　　3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路- 9 -</p><p>　　3.2.2程序流程圖- 9 -</p><p>　　3.2.3 LN298子程序- 11 -</p><p>　　3.

7、2.4傳感器子程序- 12 -</p><p>　　4測試方案與測試結(jié)果- 13 -</p><p>　　4.1測試方案- 13 -</p><p>　　4.2測試條件與儀器- 13 -</p><p>　　4.3測試結(jié)果及分析- 13 -</p><p>　　4.3.1小車結(jié)果的基本調(diào)試- 14 -<

8、;/p><p>　　4.3.2自動往返賽道調(diào)試與分析- 14 -</p><p>　　4.3.3 簡易智能賽道調(diào)試- 14 -</p><p>　　4.3.4測試分析與結(jié)論- 15 -</p><p><b>　　總結(jié)- 15 -</b></p><p><b>　　致謝- 16

9、-</b></p><p>　　附錄1 原理圖- 17 -</p><p>　　附錄2 源程序- 18 -</p><p><b>　　1 系統(tǒng)方案</b></p><p>　　本系統(tǒng)主要由系統(tǒng)控制模塊、傳感模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊和電源模塊組成，下面分別論證這幾個模塊的選擇。其各個模塊分部如下圖所示

10、。</p><p>　　圖1.1 車身模塊分部圖</p><p>　　1.1 電機(jī)驅(qū)動論證與選擇</p><p>　　方案一：采用分立元件（三極管或MOS管）接成H橋電路來實現(xiàn)電機(jī)驅(qū)動。這樣雖然價格低。但穩(wěn)定性不高、體積大，安裝起來也比較麻煩。</p><p>　　方案二： L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片采用

11、15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá)3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W?？梢圆捎肞WM脈寬平滑調(diào)試。</p><p>　　綜合以上兩種選擇，選擇方案二。</p><p><b>　　1.2顯示模塊</b></p><p>　　方案一：用LED顯示，優(yōu)點亮度高、成本低。但不能顯示漢字，顯示

12、內(nèi)容較少。</p><p>　　方案二：用LCD1602顯示，小巧、成本較低。能顯示漢字，但顯示內(nèi)容較少。觀看不方便。</p><p>　　方案三：用LCD12864顯示，成本較高，但顯示量大。人站著也能很容易觀察到放在行駛的小車上的液晶顯示內(nèi)容。</p><p>　　綜合以上三種方案，選擇方案三。</p><p><b>　　1.

13、3傳感器的選擇</b></p><p>　?。?）尋跡和黑線探測用小車底座自帶的尋跡電路，根據(jù)實際情況小車的底座離地面的距離更近，更利于有效地檢測地面信息。</p><p>　　（2）尋找光源采用指向性光敏電阻作為光源定位器。</p><p>　?。?）壁障用紅外電路對障礙物進(jìn)行探測。</p><p>　?。?）鐵片的檢測利用金屬

14、傳感器對鐵片檢測。 </p><p>　?。?）采用自制霍爾傳感器來測量行駛速度</p><p>　　1.4 控制系統(tǒng)論證與選擇</p><p>　　方案一：采用ATMEL 公司的AT89C51。51單片機(jī)價格便宜，應(yīng)用廣泛，但是功能單一，引腳過少。如果系統(tǒng)需要增加語音播報功能，還需外接語音芯片，實現(xiàn)較為復(fù)雜；另外51 單片機(jī)需要仿真器來實現(xiàn)軟硬件調(diào)試，較為煩瑣。&

15、lt;/p><p>　　方案二：采用Silicon Lab公司的C8051F120。C8051F120是完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU。具有64個數(shù)字I/O引腳，高速性能流水結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核；12位、100ksps的ADC、而我們使用的是C8051F120核心板。</p><p>　　由于這次設(shè)計中需要單片機(jī)的引腳比較多，AT89S51單片機(jī)的引腳過少，幾乎不能完成此次

16、設(shè)計要求。C8051F120有84個可以外接引腳，功能強(qiáng)大?？刂破饋肀容^方便。綜合考慮我們決定選擇C8051F120核心板</p><p>　　2系統(tǒng)理論分析與計算</p><p>　　2.1各個電路的分析</p><p>　　2.1.1霍爾傳感器測速的分析</p><p>　　我們在小車的前輪上挨著車身這邊放上一塊磁鐵并用熱熔膠粘做。用霍爾

17、傳感器焊在靠近磁鐵的這邊。當(dāng)小車在行駛時。沒轉(zhuǎn)一圈就能給霍爾傳感器一個信號。以用來計算單位時間內(nèi)小車行駛速度。</p><p>　　2.1.2光源探測器的分析</p><p>　　我們在小車的前面安裝了三個指向性較好的光敏電阻。根據(jù)左、中、右的光敏電阻探測值來判斷光源的方向，進(jìn)行相應(yīng)地電機(jī)驅(qū)動。</p><p><b>　　2.2電路的計算</b&g

18、t;</p><p>　　2.2.1霍爾傳感器測速的計算</p><p>　　小車的輪子轉(zhuǎn)一圈大概是12cm，轉(zhuǎn)的圈數(shù)位n</p><p><b>　　行駛總距離為 </b></p><p><b>　　L=0.12×N</b></p><p><b>　

19、　平均速度為</b></p><p>　　Ls=(0.12×NP)/S</p><p><b>　　3電路與程序設(shè)計</b></p><p><b>　　3.1電路的設(shè)計</b></p><p>　　3.1.1系統(tǒng)總體框圖</p><p>　　總體系統(tǒng)方

20、框圖如圖3.1所示：</p><p>　　圖3.1 自動往返部分方框圖</p><p>　　圖3.2 簡易智能部分方框圖</p><p>　　3.1.2電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)框圖與電路原理圖</p><p>　　1、電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖3.3電機(jī)子系統(tǒng)框圖</p><p>　　

21、2、電機(jī)驅(qū)動子系統(tǒng)電路</p><p>　　我們采用的是廠家已經(jīng)模塊化生產(chǎn)的LN298的電路。</p><p>　　圖3.4 LN298電機(jī)驅(qū)動電路</p><p>　　3.1.3顯示模塊子系統(tǒng)框圖與電路原理圖</p><p>　　1、顯示模塊子系統(tǒng)框圖</p><p>　　圖3.5顯示模塊系統(tǒng)框圖</p>

22、<p>　　2、顯示模塊子系統(tǒng)電路</p><p>　　本電路接法可以通過P47調(diào)節(jié)背光模式。</p><p>　　圖3.6 LCD12864顯示電路</p><p><b>　　3.1.4電源</b></p><p>　　考慮到實際問題，我們在電路中接了兩個電源輸入端，分別可為12V和15V~20V對整

23、個系統(tǒng)供電。最后輸出為5V，對整個系統(tǒng)供電。</p><p><b>　　圖3.7 電源電路</b></p><p>　　3.1.5 探測模塊電路</p><p>　　該小車電路有很多信息是需要用各種探測器來實現(xiàn)：</p><p>　　尋跡探測器是用小車底座自帶的，測距是用超聲波探測器來實現(xiàn)，鐵片的探測用的是金屬探測器，

24、接電源后在由單片機(jī)對其采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析后進(jìn)行相應(yīng)的輸出控制。如圖2.3 直接使用的探測器</p><p>　　圖3.8 三種直接可用的探測器</p><p>　　自己組裝的探測器 如圖2.4 </p><p>　　光源探測使用光敏電阻，用些黑膠布裹做光敏電阻周圍以提高指向性。還經(jīng)過LM339把信號放大后傳給單片機(jī)。并加上發(fā)光二極管來起提示做用。我們使用三個探

25、測器更好地探測光源的方向。</p><p>　　障礙物探測使用紅外探測器。紅外探測信號經(jīng)過LM339把信號放大后傳給單片機(jī)。用四個紅外探測器，以更精確的定位障礙物的位置。</p><p>　　速度探測使用霍爾傳感器。在車輪上粘上磁鐵，把霍爾傳感器放靠近車輪的地方。每轉(zhuǎn)一圈進(jìn)行計數(shù)加1，來累計算小車的行駛速度。</p><p>　　圖3.9 組裝的探測器</p&

26、gt;<p>　　如圖1.1和圖1.2所示，整體電路由C8051F120單片機(jī)、LCD12864液晶、電機(jī)驅(qū)動模塊、各種探測模塊和電源部分等電路組成，而報警電路使用蜂鳴器。</p><p><b>　　3.2程序的設(shè)計</b></p><p>　　軟件實現(xiàn)的功能如下：①探測障礙物、光源的位置和距離；②給步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)脈沖；③尋跡；④蜂鳴報警；⑤顯示鐵片數(shù)量

27、、時間、路程；⑥匯總。</p><p>　　3.2.1程序功能描述與設(shè)計思路</p><p><b>　　1程序功能描述</b></p><p><b>　　1）鍵盤實現(xiàn)功能</b></p><p>　　題目要求小車要在兩條跑道上行駛。所以我們用了兩個獨立按鍵。分別用來切換小車的行駛模式。</

28、p><p><b>　　2）顯示部分</b></p><p>　　顯示車速、鐵片數(shù)量、和行駛完路段的時間等。</p><p><b>　　2程序思路</b></p><p>　　本系統(tǒng)采用PWM脈寬調(diào)制控制電機(jī)。小車的行駛方向、速度按照各種傳感器的探測得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后進(jìn)行處理。</p>

29、<p>　　3.2.2程序流程圖</p><p>　　圖3.10自動往返程序流程圖</p><p>　　圖3.11 簡易智能程序流程圖</p><p>　　3.2.3 LN298子程序</p><p>　　使用直流/步進(jìn)兩用驅(qū)動器。分別為M1和M2。引腳A，B可用于輸入PWM脈寬調(diào)制信號對電機(jī)進(jìn)行調(diào)速控制。（如果無須調(diào)速可將兩引腳

30、接5V，使電機(jī)工作在最高速狀態(tài)，既將短接帽短接）實現(xiàn)電機(jī)正反轉(zhuǎn)就更容易了，輸入信號端IN1接高電平輸入端IN2接低電平，電機(jī)M1正轉(zhuǎn)。（如果信號端IN1接低電平， IN2接高電平，電機(jī)M1反轉(zhuǎn)。）控制另一臺電機(jī)是同樣的方式，輸入信號端IN3接高電平，輸入端IN4接低電平，電機(jī)M2正轉(zhuǎn)。（反之則反轉(zhuǎn)），PWM信號端A控制M1調(diào)速，PWM信號端B控制M2調(diào)速。</p><p>　　其控制方式參考了表：</p&g

31、t;<p>　　表3.1 L298N電機(jī)驅(qū)動控制 </p><p>　　3.2.4傳感器子程序</p><p>　　霍爾傳感器每靠近一次輪胎上的磁鐵，就會產(chǎn)生一個信號，通過LM339把信號放大后。單片機(jī)會進(jìn)行一次計數(shù)。</p><p>　　超聲波（正前方）與紅外（左右）結(jié)合避障。并用超聲波發(fā)射信號與接收信號來定位障礙物和測量障礙物距離。紅外接收則使探

32、測范圍更廣，判斷更準(zhǔn)確。其初步流程如圖3.3所示</p><p>　　圖3.3 避障程序流程圖</p><p>　　尋光源程序：在三個光敏電阻周圍在加了膠布后（留個洞）已經(jīng)具有了指向性。如果只有右邊的檢測光源，則只驅(qū)動左邊的電機(jī)；左邊則相反。最終要能調(diào)整成三個光敏都能感應(yīng)到光源。四個電機(jī)一起驅(qū)動，直到探測車身離光源只有10CM停止驅(qū)動。</p><p>　　4測試方

33、案與測試結(jié)果</p><p><b>　　4.1測試方案</b></p><p><b>　　1、硬件測試</b></p><p>　　硬件采用部分調(diào)試法，每焊起一個模塊的元件，就進(jìn)行測試。這樣可以降低調(diào)試的難度、并且可以節(jié)約時間、可以更急時的對電路進(jìn)行調(diào)整。</p><p><b>　　

34、2、軟件仿真調(diào)測試</b></p><p>　　用Proteus接成各個模塊的電路，先測試各個子程序的。并在測試中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)試，到后面總體調(diào)試。</p><p><b>　　3、硬件軟件聯(lián)調(diào)</b></p><p>　　主要可以用來調(diào)試小車倒車的時間長短、行駛的速度、尋跡的靈敏度和光敏二級管尋找光源的方向。</p>

35、<p>　　4.2測試條件與儀器</p><p>　　測試條件：檢查多次，仿真電路和硬件電路與系統(tǒng)原理圖完全相同，并且進(jìn)行初步檢查：電路無虛焊、短路等不正常情況。</p><p>　　測試儀器：模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬用表，指針式萬用表。跑道光源等。</p><p>　　4.3測試結(jié)果及分析</p><p>　　4.3.1小車

36、結(jié)果的基本調(diào)試</p><p>　　首先要要讓小車正常通電； 系統(tǒng)能對電機(jī)進(jìn)行PWM控制，能尋跡行駛。</p><p>　　分析：測試過程中可能由于黑線過細(xì)，小車在快速行駛過程中沒能感應(yīng)到黑線。調(diào)節(jié)靈敏度后能百分之九十五的感應(yīng)到細(xì)黑線，屬于正常范圍 。</p><p>　　4.3.2自動往返賽道調(diào)試與分析 </p><p>　　分析：前面由于

37、尋跡電路過于靈敏、一條黑線能感應(yīng)到兩至三次。調(diào)節(jié)延遲時間后只感應(yīng)一次了。第二輪測試時：又發(fā)現(xiàn)再限速去減速過小，沒能達(dá)到題目要求。通過PWM再次調(diào)試。第三輪測試中已經(jīng)很接近題目要求但小車沒越過第四跟線就已經(jīng)開始加速。而且不能自動往返。經(jīng)過一系列的程序調(diào)整后；在第四輪的測試中小車已經(jīng)能根據(jù)題目要求行駛在自動往返的賽道上。后面我們在這基礎(chǔ)上讓小車盡最快的速度跑完賽道，小車往返時間控制在了42s~50s。</p><p>

38、;　　4.3.3 簡易智能賽道調(diào)試</p><p>　　4.3.4測試分析與結(jié)論</p><p>　　尋跡模塊在跑第一個賽道已經(jīng)沒了問題，可以不用調(diào)試。而在前面幾次調(diào)試中，行駛了幾次后發(fā)生了金屬探頭接觸不良的情況。在第二輪測試中，在躲避障礙物時經(jīng)常性德亂跑，經(jīng)過我們分析，可能是小車行駛的速度過快，也有可能程序?qū)懙南到y(tǒng)對感應(yīng)信號過于靈敏。導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常的對驅(qū)動進(jìn)行控制。調(diào)整小車速度后有所轉(zhuǎn)

39、好。后面我們又對程序進(jìn)行了調(diào)整， 后幾次避障能正常運行。第三輪測試時候，由于光源只是個100W的白熾燈,所以有時候感應(yīng)不是特別遠(yuǎn)。再增強(qiáng)了光敏電阻的指向性后又進(jìn)行了程序調(diào)整。在第四輪測試中尋找光源已經(jīng)基本正常。第五輪測試小車的穩(wěn)定性。綜上數(shù)束，本設(shè)計到達(dá)設(shè)計要求。</p><p><b>　　總結(jié)</b></p><p>　　在本次設(shè)計的過程中，我們遇到了各種困難和許

40、多沒有預(yù)想到的情況，但我們通過團(tuán)隊協(xié)作和努力，最終克服了困難、解決問題。由于我們的水平有限和時間緊張等因素，我們在電路的設(shè)計上海存在許多值得改進(jìn)的地方。經(jīng)過此次產(chǎn)品的設(shè)計與制作，我們也深刻的體會到：實踐是；理論運用最好的檢察官，懂得了共同協(xié)作和團(tuán)隊的重要性，提高了我們電路分析、解決好各種電路問題的能力。同時也認(rèn)識到很多不足之處，在很多方面還可以有很大地進(jìn)步空間。在下次的產(chǎn)品設(shè)計時我們會吸取這次的教訓(xùn)，盡量的避免同樣的問題出現(xiàn)。

41、 </p><p><b>　　致謝</b></p><p>　　在作品完成之際，我們要特別感謝指導(dǎo)老師的熱情關(guān)懷和悉心指導(dǎo)。在我們作品制作過程中，老師給了我們很多耐心的指導(dǎo)和啟發(fā)，不僅讓我學(xué)到了專業(yè)知識，還讓我學(xué)到了很多做人的道理 。特別是他們廣博的學(xué)識、深厚的學(xué)術(shù)素養(yǎng)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神和一絲不茍的工作作風(fēng)是我們終身受益，在此表示真誠地感謝。</p>

42、<p>　　在此還特別感謝給我們提供這次學(xué)習(xí)機(jī)會的院系領(lǐng)導(dǎo)，是你們讓我們有了學(xué)習(xí)更多知識的機(jī)會。</p><p>　　最后，向在百忙中抽出時間對我們作品評審并提出寶貴意見的各位領(lǐng)導(dǎo)老師表示衷心地感謝！</p><p><b>　　附錄1 原理圖</b></p><p><b>　　附錄2 源程序</b><