智能小车设计_电子设计大赛报告(编辑修改稿)

智能小车设计_电子设计大赛报告(编辑修改稿)内容摘要：

L298N 可接受标准 TTL 逻辑电平信号， VSS 可接 4． 5～ 7 V电压。 4脚 VS接电源电压， VS电压范围 VIH为＋ 2． 5～ 46 V。 输出电流可达 2． 5 A，可驱动电感性负载。 1 脚和 15 脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。 L298 可驱动 2个电动机， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之间可分别接电动机， 5， 7， 10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。 EnA， EnB 接控制使能 端，控制电机的停转。 L298N 逻辑功能控制表如图 3所示，外形及封装如图 4所示： ENA IN1 IN2 运转状态 0 停止 1 1 0 正转 1 0 1 反转 1 1 1 刹停 1 1 0 停止 图 3 L298N功能 In3， In4 的逻辑控制表与上表相同。 由上表可知 EnA为低电平时，输入电平对电机控制不起作用，当 EnA 为高电平，输入电平为一高一低，电机正或反转。 同为低电平电机停止，同为高电平电机刹停。 7 图 3 L298N实物图 循迹模块设计 循迹是指小车在白色地板上循黑线行走通常采取的方法是红外探测法 ,红外探测法即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点 ,在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光 ,当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射反射光被装在小车上的接收管接收 ,如果遇到黑线则红外光被吸收小车上的接收管接收不到红外光 ,单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线 ,从而实现小车的循迹功能。 红外探测器探测距离有限一般最大不应超过 3cm。 循迹功能如图所示： 避障测距模块设计 超声波模块是用来测距并且避障用的， 当检测到距离障碍物很近时，就给主程序一个信号，提示要转弯了，而转弯的角度则通过不断的测距来实现，当距离稳定后则不再偏转。 我们没有选用现有的超声波测距模块，而是自己根据超声波的原理，利用超声波探头和一些外围电路而搭建起超声波模块。 超声波测距的原理如下： 8 首先超声波传感器向空气中发射声脉冲 , 声波遇到被测物体反射回来 , 若可以测出第一个回波达到的时间与发射脉冲间的时间差 t,利用 ,即可算得传感器与反射点间的距离 s , 测量距离 ,若 sh 时 ,则 d ≈ s。 系统中有三个超声波模块，其中每个都有接收探头与发射探头，这两个模块分别位于小车的左、右处，来进行测距以达到避障的效果。 对于放射探头，我们选用的是发射频率为 40KHz 的一种，该类型现在应用较普遍，电路也比较简单，只需给发射端 40KHz 的脉冲， 发射探头即不断的往外发送超声波。 对于接收探头，因为接收的超声波信号很微弱而且考虑到干扰的因素，接收端有放大电路与滤波电路。 当接收到超声波时， IO口即为高电平。 若此 IO支持外部中断，则可在 MCU 中引发中断。 在我们的系统中，三个超声波模块接收端都有外部中断功能的 IO口来确定是否检测到超声波。 因此通过计算测的距离障碍物的距离然后就可以判断是否转弯。 测速模块设计 测速模块的功能是完成当前小车速度信息采集，并输出标准脉冲信号，供单片机处理，运算出小车实时速度。 我们使用的是光电传感器，光电式传感 器是以光电器件作为转换元件的传感器。 光电式传感器的工作原理是 :首先将被测量的变化转换成光信号的 9 变化，然后通过光电器件转换成电信号。 光电式传感器一般由辐射源、光学通路和光电器件三部分组成。 被测量通过对辐射源或光学通路的影响，将被测信息调制到光波上，通常改变光波的强度、相位、空间分布和频谱分布等，光电器件将光信号转化为电信号。 电信号经后续电路的解调分离出被测信息，从而实现对被测量的测量。 LCD 显示模块设计 采用市面上容易购买 1602LCD，由单片机的总线模式连接。 为节约电源电量并且不影响 LCD 的功 能， LCD 的背光用单片机进行控制，使 LCD 的背光在小车行驶的过程中不亮，因为我们不必看其显示；在其它我们需要看显示的内容的时候 LCD 背光亮。 4 软件设计 软件调试平台 Keil for C51 是美国 Keil Software 公司出品的 C 语言软 件开发系统，与汇编相比， C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势，因而易学易用。 Keil C51 软件提供丰富的库函数和功能强大的集成开发调试工具，全Windows 界面。 另外重要的一点，只要看一下编译后生成的汇编代码，就能体会到Keil for C51 生成的目标代码效率非常之高，多数语句生成的汇编代码很紧凑， 10 容易理解。 在开发大型软件时更能体现高级语言的优势。 下面详细介绍 Keil for C51 开发系统各部分功能和使用。 C51 开发中除必要的硬件外，同样离不开软件，我们写的源程序要变为 C51 可以执 行的机器码有两种方法，一种是手工汇编，另一种是机器汇编，目前已极少使用手工汇编的方法了。 随着 C51 开发技术的不断发展，从普遍使用汇编语言到逐渐使用高级语言开发，单片机的开发软件也在不断发展， Keil 软件 除了致力于单片机的编程开发平台外，还针对 目前最流行 C51 开发 项目出品了 Keil for 51软件 平台以及支持在线调试的串口烧写。 从近年来各仿真机厂商纷纷宣布全面支持 Keil 即可看出。 Keil 提供了包括 C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案，通过一个集成开发环境（ uVision2）将这些部份组合在一起。 如图 41 所示 图 41 Keil for 51 开发平台截图 KEIL for C51 编译平台对 51 单片机的器件选型设置。 如图 42 所示。 11 图 42 MCU 选型设置 系统软件设计 循迹程序流程图 若小车偏左的时候，车轮将向右偏转；若小车偏右，车轮将向左偏转； 为了识别大小弯道我们用一个长的循迹模块和一个短的循迹模块配合使用，这样更能避免小车冲出跑道， 若没有 偏移，小车将继续向前；若小车完全偏离黑色轨迹，小车 后边的循迹传感器会自动让它停车。 后边的循迹模块主要完成终点线的检测。 开 始读 取 传 感 器 的 值车 体 是 否 偏 离 黑 线否纠 正 位 置是前 进巡 线 是 否 完 成否显 示 时 间 速 度是 12 避障程序流程图 我们的作品用 2 个传感器实现蔽障， 前后 两个用来判断前方是否有障碍物。 左右靠前的位置有两个传感器，探测距离比较近，防止左右碰壁。 左边车身中间位置有一个传感器，此传感器探测距离比较远，用来判断左边是否是出口。 上边还加一个超声波避障传感器，来配合红外避障。 软件设计时当前面传感器检测到障碍物，左边车身中间的传感 器也检测到障碍物时则向左转，否则向右转，当完成了 4次转弯，即进入第三条直到，只需检测左边这个传感器，当无障碍物时，向右转，然后直走，直到前面两个传感器检测到障碍物时，向右转，然后进入正常检测，最终完成蔽障。 开 始前 方 是 否 有 障 碍 物左边有障碍物右边有障碍物否是右 转 左 转 5 系统调试 系统计算与分析 电机驱动参数计算与分析 ⑴ 电气时间常数：电枢电流从零开始达到稳定值的 %时所经历的时间。 测定电气时间常数时，电动机应处于堵转 状态并施加阶跃性质的驱动电压。 电气时间常数工程上常常利用电枢绕组的电阻Ｒａ和电感Ｌａ求出： Ｔｅ＝Ｌａ /Ｒａ ⑵ 机械时间常数：电动机从启动到转速达到空载转速的 %时所经历的时间。 测定机 械时间常数时，电动机应处于空载运行状态并施加阶跃性质的阶跃电压。 机械时间常数工程上常常利用电动机转子的转动惯量Ｊ和电枢电阻 Ｒａ 以及电动机反电动势系数 Ｋ e、 转矩系数Ｋｔ求出： Ｔｍ＝Ｊ * Ｒａ／Ｋｅ * Ｋｔ 13 ⑶ 转速：电动机旋转的速度，工程单位为 r/min，即转每分，在国际单位制中为 rad/s，即弧每秒。 ⑷ 工作电流：在单个电机正常工作或停止的工作电流 100MA，四个电机同时工作时总电流 570MA。 ⑸ 直流电机参数表： 超声波测距模块计算 ⑴ 参数： 使用电压： DC5V 静态 电流：小于 2mA 感应角度：不大于 15度 探测距离： 2cm450cm 距离计算公式： d=(s*)/2 cm D 为检测距离 S 为超声波回来的时间 ，环境温度不同声速也不相同 ⑵ 使用方法： 控制口发一个 10US 以上的高电平 ,就可以在接收口等待高电平输出 .一有输出就可以开定时器计时 ,当此口变为低电平时就可以读定时器的值 ,此时就为此次测距的时间 , 可算出距离 .如此不断的周期测 ,就可以达到移动测量的效果。 14 测速模块计算 用红外对管传感器进行测速，经实际测得轮子圆周为 ，电机的码盘为 20个孔，在一定时间测得通过圆孔的个数然后再乘以。 d=（ C*） *2 （ cm/s） C为每 500ms 内的计数值 （ ）和码盘圆孔的个数（ 20个）的比值 测试工具： 仪器名称 用途 电脑 调试 及下载程序 数字万用表 测量各种电路工作情况 直流稳压电源 提供系统工作电压 测试过程 由于智能小车属于移动性高精度实时控制领域，因此各模块必须具有精度高、传感器综合控制、智能控制等性能要。