坦克小车报告.docx
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坦克小车报告
坦克打靶
摘要：
本设计制作了一款具有智能判断功能的小车，在寻迹功能（按路面的黑色轨道行驶）的基础上，探测周围环境的光源并进行激光打靶，发声发光。
整个设计以单片机AT89C51为主控制器，外辅直流电机驱动模块、步进电机驱动模块、红外对管寻迹模块、激光打靶模块、声光报警等模块组成。
作品以两直流电动机为主驱动，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元AT89C51单片机，处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。
直流电机驱动电路采用高电压，高电流，四通道驱动集成芯片L298N，由PWM控制技术控制坦克小车正反转；由ULN2003A芯片驱动步进电机360度带动炮台旋转；其中黑带检测采用红外线接收二极管ST188完成，光源探测用光电三极管3DU33检测并经过比较器送高低电平到单片机；通过它们的共同合作，使电动小车做到探测、循迹、打靶等基本功能。
关键词：
AT89S52；PWM；循迹；激光打靶
1引言
随着科技的不断进步，人们对代步工具的要求已经越来越高，这就催生了汽车工业的迅速发展，关于智慧小车的研究也就越来越受人关注，有很好的发展前景。
它不仅能在汽车工业中得以应用，使汽车的各项性能更加优越，便于人们的交通。
它在生活的各个方面也都有非常重大的作用。
如发生矿难或者火灾这些灾难时，一些地方救援人员因各种人为或自然因素无法到达，就可以使用智能小车进入这些危险地带进行探测取样或营救，一方面取得了想要的结果，达到了救援的任务；另一方面也可以避免更多的人员在救援过程中发生意外，减少更多人员的损伤，节省更多的资源。
可见其研究意义很重要。
本设计就提供了一种结构简单，较容易实现，具有高度的智能化、人性化，并且能够可靠实现寻迹、金属探测、蔽障等功能的智能小车。
2.系统方案论述
采用AT89S52做单片机控制器，由PWM控制技术控制L298N驱动两个直流电动机带动车体的轮子正反转，通过各类传感器件来采集各类信息，送入主控单元AT89S52单片机，处理数据后完成相应动作，以达到自身控制。
由ULN2003A芯片驱动步进电机360度带动车体的炮台旋转；其中黑带检测采用红外线接收二极管ST188完成，光源探测用6个光电三极管3DU33检测并经过比较器送高低电平到单片机，当激光管下的光电三极管探测到光源其他没有探测到光源时打靶。
图1-1系统总体框图
3.系统硬件设计
3.1电动机驱动模块
电动机的驱动模块主要由L298N构成。
该芯片是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片的主要特点是:
工作电压高，最高工作电压可达46V;输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器、线圈等感性负载；采用标准TTL逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作；有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
由于电机为感性元件，所以要加上二极管对电流续流。
本模块主要通过直流电动机的正转和停止实现电动车的前进或左右的方向选择。
对于电动机驱动电路采用晶体管组成的PWM电路。
通过控制占空比来调节电压的大小。
电路连接图如图3-1所示。
图3-1电机驱动模块
3.2声光报警模块
该模块的设计要求在电动车检测光源和打靶时发出声光信号。
在发生方面，考虑到体积和功耗的因素，使用蜂鸣器代替普通的扬声器；在发光方面，考虑到电路的简易程度、功耗和电源的因素，系统采用发光二极管显示。
蜂鸣器和反光二极管均采用低电平驱动。
电路连接图如图3-2所示。
图3-2声光报警模块电路图
3.3红外对管寻迹模块
3.3.1.红外对管传感器
寻迹模块的传感器采用的是高发射功率红外电二极管和高灵敏度光电晶体管组成的红外对管ST188构成的电路。
检测距离可调整的范围在4—13mm，采用的是非接触式的检测方法。
在小车的前面距地面一定距离安装红外对管传感器，小车在行驶在白色地面上时，红外发射管发射红外信号，经过白色地面反射后被接收管接受，一旦接收到信号，红外对管的输出端将输出低电平。
当传感器检测到黑线时，红外发射管发射出红外信号，红外信号被黑色吸收，将输出高电平。
将传感器检测到的输出信号送入到LM324比较器，将计较的输出信号送入到I/O口，判断小车轨迹的位置，来控制转动。
ST188的结构如下：
图3-3.ST188结构
如上图所示，ST188的发射器LED是由图示所示的白色圆框表示，接收器三极管是由黑色圆框表示。
如图二极管发射出红外信号经过探测物反射回三极管。
检测的白线和黑线的反射率不同，反射回来的光强也不同，从而直接影响光电对管的输出值，通过这一原理来检测检测轨迹。
3.3.2.红外对管的位置安装
为了准确控制小车的轨迹跟踪，提高控制精度以及实现设计的要求。
我们在采用五个传感的设计方法。
其布局如下:
图3-4.传感器的布局
如上图所示，中间两个传感器正好对准小车的检测基准线。
在行驶的过程中用于维持轨道的一直跟踪，一直对准黑色轨道。
其余左右两个传感器用于实现小车偏离轨道时的纠正，当检测基准偏离大于2cm就声光报警。
同时，在本设计中，四传感器还用于检测炮击点的位置，当全部为高电平是，即为炮击点。
用主机板来固定传感，使传感的距离距地面1cm左右，在传感的测距范围之内。
3.3.3.寻迹模块电路及原理
该模块实现电动车跟随黑线轨道行驶，在行驶的途中不能超出轨道。
由于电动车不可能始终保持一定的方向，必然会偏离黑色轨道，从而导致电动车冲出轨道。
为了使电动车在偏离轨道之后能够调整方向，重新回到轨道上，系统需要将路面的状态及时的以电信号的形式反馈到控制部分，控制部分控制前轮驱动电动机反转或正转，使电动车重新回到轨道上。
在本设计中采用红外对射管ST188辨认路面黑白这两种不同的状态。
由于红外光子直接把材料的束缚态电子激发成传导电子，因此引起电信号输出，信号大小与所吸收的光子数成比例，而且在一定的波长范围内，这些红外光子的能量才能激发束缚电子，所以受外界影响小，抗干扰性能好。
当电动车往左偏出轨道时，左边的光电传感器被黑色纸带遮蔽，输出高电平，单片机接收到该信号，控制电动机右转，使电动车往右偏回轨道，传感器回到白纸区输出为低电平，电动车直线前进。
电动车右偏时的状态与左偏状态相反。
本设计中采用4个红外对管，安装在车体前端。
其电路连接图如图3-3所示。
图3-5红外对管寻迹模块
3.4射击台驱动模块
采用ULN2003驱动步进电机控制射击台转动方向，ULN2003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5所示。
图3-6步进电机驱动模块
3.5寻光源模块
当有光照时，光敏三极管3DU33电流变大，相应地加载到比较器两端的电压会变大，这个电压和3脚的固定电压同时送入比较器进行比较输出，此时8脚会输出一个高电压，LED亮。
当无光照时，光敏三极管3DU33电流变小，比较器两端的电压会变小，此时8脚会输出一个低电压，LED灭。
比较器7脚送入单片机进行分析就可知道光敏三极管3DU33是否检测到光源。
图3-7光源检测模块
为了使小车能精确地判断光源位置，将6个光源检测模块安装在小车上，其中前端3个、左侧右侧和车尾各1个，并且各个模块都用黑色纸卷成的圆筒套住，这样只有当光源正对着某个模块的检测单元时，光源发出的光线才能进入圆筒照射到光敏三极管上，此模块的状态为高电平，而其余的检测模块都为低电平。
将这几个检测电路输出的状态同时送入单片机进行判断，就可以知道哪个方向上有光源，这时单片机再驱动步进电机角度转移直到和激光管平行下的检测模块输出为高电平此时激光管即可进行激光打靶。
3.6射击模块
当ST188检测到“炮击点”黑色短线时立即启动光源检测模块进行光源扫描，当激光管平行下的检测模块输出为高电平时，由软件控制使单片机P0.6输出高电平，此时坦克自动实现炮击光靶并报警。
在此系统中采用的是用一个9013驱动激光管发出激光打靶，详细电路图如图5所示。
由51单片机的P0.6引脚控制此模块，当检测到炮击点时，P0.6输出高电平，三极管导通，驱动激光管工作，激光管发出激光，进行射击。
图3-10激光打靶模块
4系统软件设计
4.1主程序设计
图4-1主程序流程图
主程序是对整个系统各个模块的整体逻辑控制，其流程图如图4-1所示。
CPU上电就对整个系统进行初始化以及输出的参数设定。
首先需要判断所在轨道的位置，若不处于直行状态，系统自动调整至初始行驶状态为直行。
进入轨道循迹，同时判断轨道上是否存炮击点，若有做出声光报警，小车停下寻光源，实现激光打靶。
4.2循迹程序设计
ST188
1
2
3
4
命令
电平
状态
0
1
1
0
直行
0
0
1
1
左转
0
1
1
1
1
1
0
0
右转
1
1
1
0
1
1
1
1
直流电机停机
0
0
0
0
4.3寻光源程序设计
图4-3循迹流程图
5.测试结果及分析
5.1测试方法
将小车放于起跑线，开启电源开关，开始前行，观察遇到炮击点时发光二极管的变化，以及蜂鸣器是否发出声音。
5.2测试条件
按照题目给定的尺寸，在实验室自做场地，测试。
5.3测试结果分析
经过实际的测试，小车能够可靠实现循迹和激光打靶的功能，各个功能模块运转正常，小车运行平稳，基本符合要求，但由于没有使用算法，造成小车在直线部分的行走不是很稳定，我们会进一步修改程序，加入高级的算法，使小车的运行更加稳定，同时我们也会进一步加上避障的功能。
6.心得体会
当我们把所有模块都焊接完成后发现小车不能正常行驶，于是开始排查问题。
用单片机的输入给循迹的I/O口进行模拟输入，用示波器检测单片机的输出给电机的I/O口，输出方波的占空比确实是能够跟随循迹输入口的变化而改变的，这样我了解了程序是没有问题的，问题就是在电机驱动部分了，测电机驱动的输出一直为恒定的。
后来查资料，终于发现了问题的所在，写入的12KHz的方波超过了光耦TLP521的上限，TLP521已经不能够正常工作实现它的隔离效果了。
另外在进行寻迹测试时发现电机转速过快，很快就冲出跑道了，经过分析，发现电机在是6V工作的，而我们用12V给它们供电，也就是说电机重载了，于是用2K的电位器进行分压，最后问题也得到了解决。
不能只要求理论上掌握，所有的知识都应该实际验证一下，只有实际验证，才能知道会出现什么问题，会犯哪些错误，其实最好把所有的问题都遇一遍，这样在以后遇到相似的情况时才能一下找到问题的关键，这就是经验的重要性了。
还有我觉得以前我们没个组进行分工时总是分的太死板，比如，A负责软件，B负责硬件，其实这很不科学，因为这样各干各的，很有可能最后软硬件对不上，也有可能，做硬件的人遇到问题，而写软件的人却帮不上忙，应该大家都精通软硬件，这样当对方遇到问题时，我们才能互相帮忙找解决的方法。
参考文献
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[5]陈永真全国大学生电子设计竞赛试题精解选[M].电子工业出版社
[6]黄继昌传感器工作原理及应用实例[M].北京人民邮电出版社.1998.
附录：
硬件接线总图
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