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坦克打靶论文

2010全国大学生电子设计竞赛论文

（山东赛区）

题目:

坦克打靶

论文编号：

参赛学校：

参赛学生：

指导教师：

目录

摘要……………………………………………………………………………………1

一、方案论证…………………………………………………………………………1

二、理论计算…………………………………………………………………………3

三、软件设计…………………………………………………………………………5

四、系统测试与分析…………………………………………………………………5

五、总结………………………………………………………………………………6

参考文献……………………………………………………………………………6

附件…………………………………………………………………………………7

坦克打靶

摘要：

我们设计的坦克打靶系统以EASYARM1138单片机为控制核心，坦克车能够按照预先设置轨迹快速寻迹行进，并同时以光电方式瞄准光靶，实现激光打靶功能。

本系统通过配置在坦克模型上的红外光电传感器，采用红外传感技术对路面黑迹进行识别；在坦克运行过程中，红外传感器网完成对目标光源的扫描，将光信号转化成电信号，通过几何算法计算出目标光源立体几何坐标。

步进电机根据软件指令带动炮塔及其上的光笔瞄准目标光源从而实现坦克打靶。

关键字：

EASYARM1138单片机；寻迹；坦克打靶；目标识别与跟踪

一、方案论证与比较

1.1主控芯片的选择

方案一：

采用常用的89C51控制。

该单片机进入市场的时间较长、价格低廉、技术比较成熟、应用广泛。

但是89C51由于硬件资源有限，只能实现一些简单功能。

随着科技发展出现了功能更加强大，更加容易掌握的单片机。

方案二：

采用EasyARM1138，该单片机是基于ARMCortex™-M3处理器内核来设计的，是满足小存储、简化管脚数以及低功耗三方面要求的高性能、低成本的一款单片机。

最高达50MHz运行频率，1.25DMIPS/MHz计算能力。

尤其是，EasyARM1138的定时器具有PWM功能，可以直接配置为PWM模式用来控制电机，特别适合于本设计。

另外，完全支持C语言，可以用C语言代替较为麻烦的汇编语言。

结论：

综上述由于EasyARM1138的强大功能和丰富的板载资源，我们选择方案二。

1.2寻迹电机及炮台控制电机选择

方案一：

直流减速电机。

直流减速电动机有良好的起动特性，易平滑调速,承受过载能力高,功率可达95KW以上，能耗低,减速机效率高达95%以上，振动小。

方案二：

步进电机。

有较好的位置精度和运动的重复性，优秀的启停和反转效应，速度正比于脉冲频率，因而有较高的转速范围，缺点是控制不当容易产生共振，难以达到较高的速度。

方案三：

伺服电机。

良好的速度控制特性，在整个速度区内可实现平滑控制，几乎无振荡，减速效率可达90%以上，高精确位置控制，适用于无尘间、易爆环境，但是控制较复杂,驱动器参数需要现场调整PID参数整定,需要更多的连线，应用环境要求较高，价格也相对较高。

综合以上三种方案，直流电机可达到的速度高，减速效率高，振动小，运行平稳且价格较低，适合精确寻迹和高速度行进，因此寻迹运用的是直流减速电机；步进电机位置控制精确，具有很好的运动重复性，同时比起伺服电机控制更容易，价格相对较低，因此炮塔控制选择了步进电机BYJ-48。

1.3寻迹电机驱动选择

   方案一：

采用继电器开关对电机进行控制，可以实现电机的正转、反转以及调速，但继电器响应时间慢，使小车运动灵敏度降低，增加了避障的难度。

而且机械结构易磨损，可靠性不高，只适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机则十分麻烦而且极不经济。

   方案二：

采用达林顿管组成H型PWM电路。

用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态。

其优点是电路稳定性强而且可以精确调速，缺点是电路及控制较复杂。

方案三：

采用L298N驱动芯片组成驱动电路，可以通过控制中心输出的高低电平对电动机的方向进行控制，并且可以通过PWM波直接控制电动机的速度。

电路较为简单，容易实现，驱动能力和抗干扰能力强。

综合以上方案，我们最终选择了方案三。

1.4中心位置检测方案选择

方案一：

红外接收器检测中心线处的光源强度，实现光电转换，通过AD采样，检测电压的变化，软件算法实现光源立体坐标的检测。

此方案运用软硬结合的方法可以检测出光强的微小变化，硬件电路和算法都比较简单。

方案二：

硅光电池检测中心线处的光源强度，实现光电转换，通过电压比较器检测电压的微小变化。

处理过程基本由硬件完成，软件简单，调试过程复杂。

综合以上方案选择方案一。

1.5总体方案设计

本坦克打靶系统以EASYARM1138单片机为控制核心，实现坦克按照预先设置的轨迹寻迹快速行进，同时使用定时器计时，一旦行驶时间超过60秒立即停车并发出超时声光报警。

寻迹用L298N驱动两个直流减速电机实现坦克模型转向操作；红外光电传感器ST188检测小车是否偏离正常轨迹，要求小车偏离轨道的距离≤2cm，否则坦克自动给出声光报警。

检测4条黑短线的位置，并在黑短线位置处停车，旋转炮塔，检测光源的位置，步进电机带动旋转炮塔，炮台上固定的5组红外传感器把光源光照强度转化为电压信号，通过电压比较器LM393四路电压比较，找出光源的中心位置并瞄准，实现激光打靶，整个过程伴随声光提示。

总体系统功能框图如图1所示。

图1总体系统框图

二、理论分析与电路设计计算

2.1寻迹电路理论分析

寻迹电路采用的是5组ST188光电传感器作为检测器件，电路中所接的红外发射管不断向外发射红外光，当检测到黑线时，红外线被吸收，光电传感器的输出电压与平时相比大大降低。

所以把5个电压进行比较，找出电压最低的那个传感器所在的方向，然后不断调整坦克使其始终沿此方向行进。

具体电路图如图2所示。

2.2寻迹电机驱动电路

电机驱动采用L298N桥式驱动芯片驱动两个直流电机。

图2所示为桥式电路的具体原理图，Q1,Q4导通时，电流从左往右流过电机，经过Q4流回负极，此时电机正转；相反的Q3,Q4导通时，电机反转，从而控制电机的运转。

图2桥式驱动电路

L298N内部有两路桥式电路，可以控制两个电机同时工作，本方案中L298N用于驱动两个寻迹电机，OUT1和OUT2驱动电机B1，OUT3和OUT4驱动电机B2，直接通过单片机I/O输出控制L298N的输出，从而控制直流电机转动。

2组二极管起整流和稳压作用，在供电电压突变时对电机产生保护作用。

电机两端的并联电容，消除电机火花干扰其他线路，抑制电源的波动，泻放瞬间变化的能量，从而起到保护电机的作用。

图3直流电机驱动电路

2.3炮塔驱动模块

采用ULN2003驱动步进电机BYJ-48控制炮塔转动方向。

ULN2003是一个7路达林顿输出驱动芯片。

工作电压高，工作电流大，可以驱动大电流的步进电机。

步进电机最小转动角度为1.8度，位置控制精确，有良好的启停、反转效应，可以实现准确定位，详细电路图如图4所示。

图4步进电机驱动电路

2.4光源检测模块

采用7个红外接收器检测光源，其中三个安装在激光笔下面随炮塔转动（光笔正下方一个，稍偏左、右各一个），另外四个固定在车身上，前、左、右、后各一个，通过单片机内部的8通道10位AD进行多通道序列采样，检测到光照最强点，炮塔就按相应的方向旋转，进行粗调；通过软件比较光笔下的三组采样数据，进行细调，从而实现精确定位。

红外接收网的电路图如附图1所示。

在R1处施加3.3V电压。

由于1138单片机AD的最大输入电压为3V，故设置分压电阻R1（阻值2M

）降电压到3V以内。

使用AD的7个通道分别检测红外接收器电阻Rh1-Rh7上的电压。

为使Rh1-Rh7的电压变化显著，与Rh1-Rh7分别并联的电阻Rx1-Rx7的阻值取得适当大些，取910k

。

检测原理是当某个红外电阻接收光时电阻大幅度下降，则该电阻处的采样值就会减小，由此就能确定那个电阻附近的光照是最强的，见下面公式。

红外电阻的电压公式：

三、软件设计

系统软件主要分为两部分：

寻迹部分和光源检测部分。

寻迹部分：

通过ST188光电传感器进行检测，获得的信号经电压比较器把模拟信号转化为数字信号送到单片机PE0-PE3口，当PE0为低电平，PE1为高电平时，B1电机正转；PE2为低电平，PE3为高电平时，B2电机正转；相反状态则翻转，通过组合，实现小车全速前进、左小转、左大转、右小转、右大转的功能，从而实现坦克模型的寻迹功能，通过配置EasyARM1138内部的定时器2为双16位PWM模式，Timer2A/2B各自独立产生PWM波形控制一个寻迹电机。

为达到题目中的时间要求，在全速运行时，占空比调为100%。

程序框图如附图2所示。

光源检测部分：

光源强弱通过红外传感器检测，经EASYARM1138单片机内部的AD采样，把光源强度的微小变化采样到单片机内部，经过红外传感器3与4、5、6的数值比较，进行炮塔位置的粗调，在把3与0和2进行比较，进行细调。

程序框图如附图3所示。

四、系统测试与分析

4.1所用测量工具，如附表一所示。

4.2测试方法与结果

附表二：

寻迹部分测试；附表三：

光源检测准确度测试。

4.3数据分析

坦克系统寻迹部分测量数据与题目要求相差不大，轨道最大偏离误差小于2cm，整个运行过程时间小于40s。

实际运行中我们发现光点偏离光靶中心线较大，最大偏离可以达到10cm，离光源距离越远，所测到的偏差越大，说明光源检测部分的精度还有提高的余地。

为提高打靶精度，可以换用光强传感器tsl2561，检测光源灵敏度更高。

同时可改用舵机控制炮塔的转动，舵机是专门控制位置（角度）的电机，准确度可达到0.18度，效果将非常理想。

五、总结

本系统实现坦克模型寻迹和光源检测。

经过几天的努力，我们基本完成了题目要求。

并且经过多次测试和误差分析，各项指标都在题目要求的误差范围限度之内。

在制作过程中我们遇到了很多没有预料到的阻碍，例如如何在最短的时间内使炮塔转动到位并且尽可能地去除炮塔抖动现象以达到瞄准“快、准、稳”的目标就花费了我们很多心思，好在我们没有畏难，而是多角度地思考对策，软硬件双管齐下同时改进，尝试了多种方案后终于达到了相对最佳的解决办法。

做出的成品凝结了我们三个人的智慧和心血。

在此过程中我们的动手能力和创新能力得到了提高，团队协作精神和拼搏奉献精神得到了发扬，这将是我们宝贵的财富。

参考文献：

［1］童诗白华成英.模拟电子技术（第四版）.清华大学出版社,2006.

［2］阎石.数字电子技术（第五版）.清华大学出版社,2006.

［3］谭浩强.C程序设计（第三版）.清华大学出版社,2005.

［4］杭和平杨芳谢飞.单片机原理与应用.机械工业出版社,2008.

［5］杨刚.嵌入式系统开发实践教程.北京大学出版社,2009.

［6］周立功等.ARM嵌入式系统基础教程.北京航空航天大学出版社,2008.

附件：

附表一测量工具

测试仪器

型号

直流稳压电源

YB1732A3A

秒表

S23593J

直尺

万用表

UNI-T三位半

附表二寻迹时间及偏离轨道距离检测

1

2

3

4

5

最大偏离轨道的距离

1.8cm

1.9cm

2.0cm

1.8cm

1.8cm

全程运行时间

46s

53s

50s

57s

49s

附表三：

打靶准确度测试

1

2

3

4

5

第一条射击线处

8．4cm

9.2cm

10.0cm

8.7cm

9.7cm

偏离误差

16.8%

18.4%

20.0%

17.4%

19.4%

第二条射击线处

6.7cm

5.5cm

6.2cm

5.9cm

6.0cm

偏离误差

13.4%

11%

12.4%

11.8%

12%

第三条射击线处

4.2cm

3.5cm

4.1cm

3.9cm

5.0cm

偏离误差

8.4%

7%

8.2%

7.8%

10%

第四条射击线处

7.4cm

7.9cm

8.3cm

7.6cm

8.6cm

偏离误差

14.8%

15.8%

16.6%

15.2%

17.2%

附图1：

红外接收器网电路图

附图1红外接收器网电路图

附图2：

寻迹程序流程图

附图3：

光源检测程序流程图

附图2寻迹程序流程图

附图3光源检测程序流程图