自动壁障寻光太阳能小车文档格式.docx
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各个模块设计要求在完成设计任务的情况下，要求电路简单、容易实现低功耗，节约资本，设计美观的原则。
各模块方案设计和方案选择如下：
2.1电源模块的选择
方案一：
利用五节干电池串联，直接对驱动模块供电，然后通过稳压芯片对整个控制系统供电；
在短时间内能够满足要求，价格便宜；
不能满足长时间供电、时间长供电不稳定、不易放置。
方案二：
利用铅蓄电池对系统供电，优点：
能够满足长时间供电，可重复利用；
电池体积过大，不易放置。
图1系统总流程图
方案三：
利用锂电池对系统供电，优点；
锂电池能够长时间供电，体积小，容易放置，可多次利用。
综合考虑选择方案三；
电源选好首先通过由LM317组成的可调三段集成稳压电路稳压成9V给直流电机供电，在通过LM7805稳压成5V后给整个控制系统供电，器件LM317起到中间转换作用。
具体电路图参见附录2。
2.2驱动模块的选择
2.2.1小车的选择
常用运动方式有轮式和履带驱动式两种，其选择依赖设计要求和测试环境。
方案一：
采用四轮；
特点是一个马达作为动力；
另一个马达转动导向轮来决定行驶方向。
优点是行驶速度快、方向和速度相互独立。
是转弯半径大、驱动轮易打滑、导向轮方向不易精确控制，价格贵。
采用履带式结构，优点可以在原地转动，在不平衡的路面上性能稳定，牵引力大。
缺点是速度慢、速度和方向不能单独控制摩擦力大，能力损耗大，机械机构复杂，价格贵。
采用两个大轮外加一个万向轮，优点：
可以达到较好机动性和控制性；
价格相对比较便宜是四轮车、履带式车价位的1/3甚至更第；
性价比高；
综上所述，选择方案三。
2.2.2驱动方案的论证：
电机调速方案的目的是实现电动机的正转、反转、调速。
电阻网络或数字电位器分压调整电动机的电压，优点：
电路简单操作方便；
电动机工作电流很大，分压不仅会降低效率，而且实现比较困难。
采用继电器开关控制，通过开关的切换调整车速；
优点是电路简单，不足是电路反应慢、控制精度低、机械结构易损害、寿命降低、可靠性差。
采用由L298芯片及电子原件组成驱动电路，然后通过单片机产生PWM信号，对电机进行控制；
通过调节PWM信号的占空比可以较好的实现电机的正转、反转、加速、减速。
综上所述，选择方案三；
方案三能够容易、准确控制小车的运行；
L298的资料参见附录3。
我们在利用L298时，为了节约单片机端口，把L298的两个使能端连接到5V电源上；
通过试验，效果与接单片机端口一样；
这样只需要控制L298的input1~input4来控制电机的正反转。
2.3最小系统模块
该模块要求在满足任务的情况下，要求容易控制、使用方便、节约资本。
基于此要求我们选择ATMega16最为最小系统。
具体的电路图参见附录4。
2.4小车寻光源模块
本模块要求当小车在行走的过程中，够能够实现追寻光源前进。
采用光敏三极管；
灵敏度高；
价格较贵。
采用光敏二极管；
易受自然光的影响
在自然光的条件下，可能不能正常工作，价格相对较贵。
采用光敏电阻；
体积小、可靠性高、灵敏度好、光谱特性好，易于采集信号，价格便宜；
易受自然光的影响。
在小车行走的过程中，为了避免自然光的干扰；
在每个光敏二极管套上用黑色胶带做成的桶形冒；
这样可以比较准确的检测各个方向的光强，便于用单片机控制；
完成小车追踪光源的任务。
光敏电阻的光谱特性及照度电阻特性如附录图6图7所示。
2.4.1小车追踪引导算法
小车追踪光源模拟图如图2所示，追踪光源原理图如图3，控制算法电路图如图4所示。
图2车追踪光源模拟图图3追踪光源原理图
图4小车寻光模拟图
光敏电阻阻值随光强的变化而变化，为了便于控制在每个光敏电阻上，套上用黑色胶带做成的桶行冒，每个光敏电阻检测固定区域即角度为a的扇形区域；
在测试过程中，a角大概为32º
；
在寻光过程中，追踪到光时如图2、3所示，阻值发生变化；
单片机检测变化信号；
并输出相应的信号来驱动电机；
从而改变小车行走路线；
光敏电阻所接受的光强也紧接发生变化；
从而形成一个如图4所示的闭环控制。
2.5太阳能电池板跟踪光源并给蓄电池充电模块
该模块设计要求太阳能电池板能时时跟踪光源，同时给蓄电池充电并显示充电状态。
2.5.1驱动电机模块
要求当单片机送出信号是，电机能及时检测到，并能够带动带动太阳电池板旋转；
基于此我们提出一下方案。
使用陀机转动带动电池板的转动；
反映迅速，精度高；
难以控制、格昂贵。
采用直流减速电机；
速度较快；
扭力较大，负载能力强；
操作负杂，不易控制；
采用步进电机；
操作简单，转角易控制，价格便宜，性价比高大概是舵机价位的1/10；
综上所述在满足设计任务的前提下，选择步进电机。
由于部进电机本身的转速较慢，且额定电压为5V；
我们选择直接与单片机端口相接；
在选择太阳能电池板和蓄电池，在满足要求的要求下；
电池板重量轻、面积小；
蓄电池重量轻，容易放置；
基于上述要求我们两块11*13CM太阳能电池板；
在自然光条件下输出4V左右的电压；
通过两块板串联可以满足对6V蓄电池充电。
2.5.2小车停止检测模块
在寻光的基础上，小车前部另接一光敏电阻；
通过调节滑动变阻器，输出电压值与比较器相比；
调节当离光源约20cm时输出低电平，送到单片机，控制小车运行。
2.6红外避障模块
该模块主要是实现在前方有障碍物的情况下，小车能自动绕过障碍物继续前进，设计要求尽量简单可靠。
采用超声波测距避障。
超声波传感器的原理是首先它发射一束超声
波；
超声波碰到障碍物后反射回来，由接受头接受；
单片机记录改过程的时间T,通过公式S=340/2*T，计算出距离；
送给单片机处理加以避障；
数据准确，能精确避障；
不易操作，易受周围环境的影响。
方案二：
采用摄像头的方法。
把摄像头采集的图像经过处理送给单片机，以识别障碍物；
准确，处理速度快；
操作复杂，成本高。
采用红外发射接受一体探头模块，通过设置检测距离；
当检测到
障碍物物时，模块的输出电平发生跳变，由高电平变为低电平；
然后把信号送给单片机进行相应的处理；
使用方便，操作简单；
较大不易放置。
具体实物图见附录；
具体避障路线如图5所示，
理论分析与计算如下：
计算小车转角方法：
在小车行驶速度设为V；
绕过障碍物时间为T；
运行轨迹近似为半圆；
半圆周长设为L；
图5红外避障路线图图6避障流程图
则L=3.14*R
（1）式；
多次试验，避障时间大概为4S，小车速度大概为4.25cm/s；
L=V*T
（2）式；
两式求得R;
tana=R/0.2;
则角度a=arctanR/0.2
软件流程图如图6所示，具体实物图模块参见附录。
2.7显示模块
设计要求显示清晰，易于观察，节约资本；
安任务要求，提出以下方案
采用L2864液晶显示；
屏幕大，与周围环境对比度大，易于观察；
面积大，不易安装，价格贵；
采用Nokia5110;
端口少，操作简单，能显示图形、动画；
显示内容较小，与周围环境对比度弱，不易观察；
采用LCD1602；
显示清晰，与周围环境对比度强，容易放置，节约资本；
不能多行显示；
综上所述，采用方案三，LCD1602外形尺寸参见附录。
3设计实现
3.1太阳能板追光和引导理论分析与计算；
追光功能实现：
太阳能板由7个光电传感器组成和分布见实物图，中间的光电传感器检测光距，并提供两边光电传感器进行夹角计算的基准值。
当太阳能板指向光源时，两边的夹角应该是相等的，同时在中间多布置两对光电传感器以达到提高测量精确性的目的。
追光过程：
根据所设计太阳能板光电传感器的分布，在t时刻检测小车中轴线与太阳板与光源直线距离的夹角
，其中必然有如下数学关系：
其中：
K--比例系数（可以根据具体场地环境通过调节相关电位器）
S—是小车追光调整车行路线所行进的弧形路线
通过调整左右车轮电机的PWM，来实现小车的小弧度转角行进见图7。
追光和避障过程：
当小车前端传感器检测到信号时，可以判定前方有障碍物，设定一定的距离，进行小弧度转角使小车一定的转角
绕过前方障碍物，当旁边有障碍物时可以使
减小，以实现穿过障碍物的功能，见图8。
引导原理实现：
中间的光电传感器同时可以检测光距，指引小车不断地趋向于光源，由于我们采用的双核（两个AVR控制），所以此路信号被分成两路，提供给两个AVR单片机以实现追光和引导功能。
图7追光过程图8追光和避障过程
根据追光引导原理提出以下算法；
每个光敏电阻限定检测范围即角度a，当光敏电阻检测到光时输出信号；
用ATMega16自带的A/D采集各个光敏电阻的电压并转化为数字量；
用软件件编程实现求采集到的各个数字量的平均值，用平均值与各个光敏二极管值相比较；
当两者相差较大时，说明，该方向的光敏的阻值较小；
通过分析只该方向的光强较强；
阳能电池板的转向；
date是实际测的临界值，当各个光敏电阻的差值大于△date时，说明此敏电阻对着光源，否则不对准。
然后通过单片机来控制部进电机的转动；
来实现太阳能电池板时时追踪光源。
流程图如图9所示：
小车追踪光源流程图太阳能电池板追踪光源流程图
图9太阳能电池板追踪光源流程图
3.2系统总体电路图
3.3系统总体工作流程图
4测试方法与仪器测试数据
4.1测试仪器表1测试仪器设备清单
序号
名称型号规格
数量
备注
1
万用表UT58C
无
2
灯泡100W
点亮温度很高
3
秒表
精度为1/100s
4
障碍物15CM*15CM
正方体
5
下载设备
6
PC机
4.2数据测试
小车避障模块测试；
小车离障碍物35CM，临界距离调为20CM数据如表2所示。
表2避障测试
4.3小车寻光测试数据（离光源170CM）
表3寻光测试
次数
时间
15‘24“
12‘20“
10‘64“
4.4太阳能电池板跟踪光源测试数据如表4
4.5所有模块在一起测试数据表5所示
4.6测试结果分析
从以上述实际测试表数据看出，完成设计任务；
5设计总结
图1
端口
Input1
Input2
Input3
Input4
转向
转速
输
入
1
0
正转
最大
反转
1
停止
零
L298N为SGS-THOMSONMicroelectronics所出产的双全桥步进电机专用驱动芯片（DualFull-BridgeDriver），内部包含4信道逻辑驱动电路，是一种二相和四相步进电机的专用驱动器，可同时驱动2个二相或1个四相步进电机，内含二个H-Bridge的高电压、大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑准位信号，可驱动46V、2A以下的步进电机，且可以直接透过电源来调节输出电压；
此芯片可直接由单片机的IO端口来提供模拟时序信号，
但在本驱动电路中用L298来提供时序信号，节省了单片机IO端口的使用。
L298N之接脚如图9所示，Pin1和Pin15可与电流侦测用电阻连接来控制负载的电路；
OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个步进电机；
input1~input4输入控制电位来控制电机的正反转；
Enable则控制电机停转；
L298的图如图所示。
图3L298封装图
图6频谱特性
图7照度电阻特性
图18液晶接口电路
图16LCD1602外形尺寸
图17写操作时序图
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