智能小车技术报告定稿.docx
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智能小车技术报告定稿
(智能搬运小车)
设
计
报
告
目录
第一章摘要4
第二章智能小车整体设计5
2.1主控芯片的选择5
2.2蔽障方案的选取5
2.3黑白检测方案的选择6
第三章智能小车硬件设计7
3.1机械部分7
3.2电路部分7
3.2.1系统主控8
3.2.2电源部分8
3.2.3时钟模块9
3.2.4测路程模块9
3.2.5金属检测搬运模块10
3.2.6超声波蔽障模块11
3.2.7电机驱动模块12
3.2.8趋光模块13
第四章智能小车的软件设计14
4.1系统的初始化软件15
4.2避黑线部分控制软件16
4.3中断部分控制软件17
4.4其它软件设计18
第五章设计总结19
第六章参考文献20
附件:
作品展示21
第一章摘要
智能搬运小车以微控制STC12C5A60S2作为核心控制单元,电机驱动芯片选用了L293,采用红外传感器,实现了小车对黑白色的区分。
同时,采用PWM脉宽调制技术控制小车的速度;利用光电开关检测车轮的转角从而精确的控制小车的转向;系统还具备金属检测电路,实现对铁块的寻找和识别,并利用电磁感应产生的磁场来搬运和释放铁块;利用光敏电阻检测光线强弱,判断小车相对光源的位置,在光线的引导下小车自动入库;在小车搬运铁块的整个过程中,小车是利用超声波模块实现蔽障功能的。
此外,系统采用DS1302记录小车的运行时间。
关键词:
智能搬运小车外传感器PWM脉宽调制金属检测光敏电阻超声波蔽障
第二章智能小车整体设计
智能小车系统主要包括以下模块:
STC12C5A60S2单片机、驱动电机、金属检测搬运模块、红外检测模块、趋光模块和超声波蔽障模块。
整体结构框图如图2.1所示。
图2.1智能搬运小车系统功能模块图
2.1主控芯片的选择
方案一:
采用数字信号处理芯片,集成度高、执行速度快,能高效的对小车进行控制。
但是,其工作较复杂,性价比较高。
方案二:
采用STC12C5A60S2单片机来作为系统的主控制器,执行起来较方便而且成本较低,技术较熟练。
故采用方案二。
2.2蔽障方案的选取
方案一:
传统的蔽障方案是使用“线型检测阵列”的红外传感器,这种方案实现简单,稳定性高,但容易受外界光线干扰,使得检测不够精确,很到程度上限制了小车的行动能力。
方案二:
利用超声波收发器来实现蔽障功能,不仅能提高检测的范围,而且检测精度也有了很大的提高。
超声波模块发出超声波遇到障碍物并返回,通过记录超声波的收发时间差计算出小车离障碍物的距离从而判断障碍物的具体位置,在控制器的作用下控制小车的运动,实现蔽障功能。
综合考虑,采用方案二来实现小车蔽障功能更加优越。
2.3黑白检测方案的选择
方案一:
采用发光二极管发光和光敏电阻接收的原理来进行黑白的分辨,虽然原理简单,但是容易受到外界环境的干扰,让小车产生误动作。
方案二:
采用集成的红外光对管,集成度好,而且精度较高,控制电路简单,抗干扰能力相对较强。
故选用方案二。
第三章智能小车硬件设计
3.1机械部分
采用由北京百纳信达科技有限公司开的智能小车底板,整车的尺寸是19cm*15cm*6cm(长*宽*高),典型的工作电压为7.5v/9v,车前装有万向轮来调整车的转向,车位是采用7B500型直流微型减速电动机,作为整车的驱动。
图3.1为小车底板电路图。
图3.1底板电路图
3.2电路部分
图3.2是单片机周围硬件模块设计框图:
图3.2单片机及周围硬件模块
3.2.1系统主控
系统主要由STC12C5A60S2单片机、驱动电机、金属检测搬运模块、红外检测模块、光源检测模块和超声波蔽障模块组成。
STC12C5A60S2单片机的工作频率在0~35MHz,同时片上还集成了许多标准模块,包括7路外部中断I/O口、同步串行通信口SPI、1个10位8通道A/D转换模块(转换速度可达250K/s)、UART串口、串口2、PCA、2路脉宽调制模块、4个16位定时器;片内拥有1280byteRAM。
这些资源能够满足完成智能搬运小车所需要的所有的条件。
3.2.2电源部分
采用双电源给系统供电,即电机驱动采用9V电源,主控芯片和传感器部分采用5V电源分开供电,增强了系统的抗干扰能力,提高了小车运行的可靠性能。
3.2.3时钟模块
为了对小车的运行进行计时和运行时间的设定,选用了DS1302时钟芯片,该芯片是一款高性能、低功耗、带RAM的实时时钟电路的芯片,可以对年、月、日、周日、时、分、秒进行计时,具有闰年补偿功能,工作电压为2.5V~5.5V的常用芯片。
采用三线接口与CPU进行同步通信,并可采用突发方式一次传送多个字节的时钟信号或RAM数据。
DS1302内部有一个31×8的用于临时性存放数据的RAM寄存器。
采用32.768MH的外部晶振。
其电路图如下:
图3.2DS1302控制电路
3.2.4测路程模块
采用对射式光电开关测量运动路程,对射式光电开关的工作原理是:
通过发射器发出的光线直接进入接收器,当被检测物体经过发射器和接收器之前阻断光线时,光电开关就产生开关信号。
对射式光电开关的特点在于:
可辨别不透明的反光物体,有效距离大,不易受干扰,高灵敏度,高解析,高亮度,低功耗,响应时间快,使用寿命长。
利用对射式光电开关记录码盘转过的角度,从而精确地计算出小车运动的路程。
电路如图3.3。
图3.3光电对管检测电路
3.2.5金属检测搬运模块
为了实现小车对铁块的识别功能,利用线圈在通交流电时,在线圈外部产生磁场的特性,当线圈遇到金属块时,金属块中会产生涡流形成组抗性磁场,影响线圈中的电流大小,再运用电位器取电压,通过电压比较器产生外部中断,MCU则接受中断调节电机的转速和小车的转向。
因此采用自制的金属检测探头,即由若干扎铜线绕制而成的椭圆形线圈,装在小车车头来实现对金属的探测。
在探测到铁片后应精确地找到铁片的位置并将铁片搬走,考虑到要对铁片灵活的搬运和释放,自制了一种金属搬运探头,即在磁棒上面绕制若干线圈,当确定铁块的位置后,立即给线圈接通直流电,磁棒正下方产生磁场,在磁场的作用下将铁块搬走。
图3.4为金属检测电路图。
图3.4金属检测电路
3.2.6超声波蔽障模块
相对传统的采用光电对管来蔽障的原理,超声波蔽障收外界干扰少,精度也可达到一定的要求。
本小车采用的是T/R-40-12开放型超声波传感器,在本设计中我们让它的工作频率达到40KHz。
从超声波传感器的工作特性和灵敏度特性可知,在40KHz的工作频率范围下它有最大的声压级和最高的灵敏度。
图3.5为超声波传感器的内部结构。
超声波的产生和发射是采用非门放大的原理,图3.6为超声波发射图。
超声波的接收是基于CX20106A的集成电路对接受探头的信号进行放大、滤波,其总的放大增益80db。
图3.5超声波内部结构
图3.6超声波发射电路
CX20106A的引脚注释:
1脚:
超声信号输入端,该脚的输入阻抗约为40K。
2脚:
该脚与地之间连RC串联网络,它们是负反馈串联网络的一个组成部分,改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
其典型的参数R=4.7Ω,C=1uF。
3脚:
该脚与地之间连检波电容,电容量为平均值检波,瞬间相应灵敏度地;若容量小,则为峰值检波,瞬间相应灵敏度高,但检波输出的脉冲改变大,易造成误动作。
5脚:
该脚与电源间接入一个电阻,用以设置带通滤波器的中心频率F0,阻值越大,中心频率越大。
6脚:
该脚与地之间接一个电容,标准值为330uF,如果该电容值取得太大,会使探测距离变短。
7脚:
遥控命令输出端,它是集电极开路输出方式,因此必须接一个上拉电阻到电源端。
8脚:
电源正极,4.5~5V。
3.2.7电机驱动模块
电机驱动模块是控制系统的重要组成部分,本次设计采用的驱动芯片是L293。
集成度高、体积小、抗干扰能力强、有较大的电流驱动能力。
图3.7为其驱动原理图。
图3.7L293驱动电机原理图
3.2.8趋光模块
设计要求小车要在射灯的指引下自动入库,因此我们采用两个光敏电阻串联的的结构,利用光敏电阻在不同光照强度条件下分得电压大小不同的特性,对电压进行周期采样,再经过A/D转换,从而判断出小车与光源的相对位置,在主控芯片的控制下实现小车自动入库。
第四章智能小车的软件设计
在程序设计过程中主要包括以下几个重要的环节:
电机驱动代码、金属检测代码、红外光电对管检测代码、时钟模块代码。
软件控制流程图如下:
4.1系统的初始化软件
根据智能小车的功能设计要求,单片机上电后要进行一些默认操作,即初始化过程。
初始化内容包括PWM控制初始化,实现上电后使其工作在脉宽调制状态;时钟芯片初始化,实现定时控制;I/O口初始化,实现各种输入输出管脚的配置;初始化AD转换接口,配置A/D接收管脚并将接收寄存器清零。
程序清单1:
软件初始化程序
sbitRPWM=P1^4;//PWM0输出,控制左轮
sbitLPWM=P1^3;//PWM1输出,控制右轮
sbitIN0=P2^0;
sbitIN1=P2^1;
sbitIN2=P2^2;
sbitIN3=P2^3;
sbitsw=P3^5;//吸铁
sbitbeep=P3^6;//蜂鸣器
sbitbutton=P3^7;
sbitcycl0=P0^4;//寻铁线圈
sbitcycl1=P0^5;
sbitcycl2=P0^6;
sbitBS=P0^7;//辨色
sbitSR=P3^3;//外中断1
sbitSL=P3^2;//外中断0
sbitLF=P0^0;//红外对管
sbitLB=P0^1;
sbitRB=P0^2;
sbitRF=P0^3;
sbitres=P2^7;//7979复位
voidinit_pwm()//PWM初始化
{
CMOD=0;
CL=0;
CH=0;
CCAPM0=0x42,CCAPM1=0x42;//8位PWM,无pca中断
CCAP0L=CCAP0H=0;
CCAP1L=CCAP0H=0;
CR=1;
}
voidinit_adc()//AD转换初始化
{
P1ASF=0x02;//选P1.1作为模拟输入
ADC_RES=0;//adc转换结果结存器清零
ADC_CONTR=0xe1;//70个时钟周期转换一次
}
voidinit_ds1302()//初始化ds1302
{
Clock_Write_Time(second_address,0x00);
Clock_Write_Time(minute_address,0x00);
}
voidinit_io()//IO口初始化,将其配置为强上拉模式
{
P0M1=0;P0M0=0;
P1M1=0x02;P1M0=0xe9;
P2M1=0;P2M0=0x3f;
P3M1=0;P3M0=0x20;
}
4.2避黑线部分控制软件
小车在运动过程中,若小车四个角上某个红外探头检测到黑线,则通过调用小车方向调整程序调整小车的运动方向。
程序清单2:
方向调整程序
voidtiao()//方向调整使小车运动方向与黑线垂直
{
if(LF)//左前方碰到黑线
{
turn_left_ahead();while(!
RF);
slow_down();
}
elseif(RF)//右前方碰到黑线
{
turn_right_ahead();while(!
LF);//右轮停
slow_down();
}
elseif(LB)//左后方碰到黑线
{
turn_right_back();while(!
RB);
slow_down();
}
else//右后方碰到黑线
{
turn_left_back();while(!
LB);
slow_down();
}
delayms(300);
}
voidtiaozheng()//方向调整
{
tiao();
if(fangxiang)
turn_back(0x50,0x50);
elsego_ahead(0x50,0x50);
delayms(400);slow_down();delayms(200);
if(fangxiang)
turn_back(0x50,0x50);
elsego_ahead(0x50,0x50);
while(!
(LF||RF||LB||RB));
tiao();
delayms(300);
}
4.3中断部分控制软件
将两对射式光电开关分别接单片机的外部中断0和外部中断1,车轮每经过一个码盘小孔,触发相应的中断引脚,每中断一次则计数一次,从而精确的计算出小车两轮子运动的路程;定时器1中断,用于周期扫描运行时间,并调用数码管显示程序来显示当前的运动时间。
程序清单3:
相关中断
voidex0()interrupt0//外部中断0,计算左轮的运动路程
{
L_count++;
L_distance=(unsignedint)(3.7*L_count);
}
voidex1()interrupt2//外部中断1,计算右轮的运动路程
{
R_count++;
R_distance=(unsignedint)(3.7*R_count);
}
voidt1()interrupt3//定时器1中断,周期扫描时间,并调用数码管显示程序
{
desplay_time();
TH1=TL1=0;
write7279(DECODE1+4,temp);
}
4.4其它软件设计
软件设计部分还包括寻找铁片控制,超声波蔽障部分控制,趋光控制等,这几部分主要由硬件完成,限于篇幅原因,这里不逐一列出。
第五章设计总结
对我们而言,设计的重点在于小车在不冲出黑线的前提下能够准确的寻找到并且将铁片搬运回来,然而这也正是本次设计的难点。
为此,我们在硬件设计上,尽可能的扩大对铁片的检测范围,然而车头的两个椭圆形线圈恰到好处的做到了这点。
在软件设计上,我们采用在放置铁片的直线上来回扫描的方式,直到检测到铁片为止。
这种在硬件和软件上面巧妙的设计使小车能够很容易的探测到铁片。
在对车速的控制方面,我们巧妙的借用单片机STC12C5A60S2自带的两路PWM输出功能,让其工作在脉宽调制模式下,通过软件设置占空比来控制小车的运动速度。
这样在控制可靠的前提下既使硬件资源利用充分,又简化了软件的设计。
软件的设计上,我们采用了传统的编程软件keil3,充分利用了C语言的可移植性和灵活性,使得程序的编写和调试更加方便和灵活。
第6章参考文献
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[6]杨振江、杜铁军、李群,流行单片机实用子程序及应用实例[M],西安:
西安电子科技大学出版社,2002
[7]吴守箴,臧英杰编著.电气传动的脉宽调制控制技术(第一版).上海,机械工业出版社2005
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