智能小车实验报告.docx
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智能小车实验报告
智能小车实验报告
智能小车实验报告
摘要
为了实现智能小车按照题目要求运动，从指定位置进入规定区域，并寻找到障碍物，驶向障碍物，将障碍物推出规定区域，并实时显示障碍物的位置。
本实验系统分为两个小系统，控制端与运动端。
控制端以单片机C8051F020作为控制核心，运动端采用DSP2812作为控制核心。
并以无线模块实现控制端与运动端之间的交流，以实现智能小车按照题目要求运动，并将信息实时反馈给控制端，显示出来；对于关键的小车运动执行元件，经过充分比较、论证，最终选用了步进电机，能够准确定位并且具有瞬间启动和急速停止的优越特性。
电机的驱动是以L298N为芯片的驱动模块；小车的电源模块采用16V的锂电池供电；通过红外对管TCRT5000判断黑线为循迹，实现了小车在规定区域上行驶并将信息实时反馈给控制端等功能；并且小车的控制端显示部分选用LCD12864液晶屏来显示所需的参数。
最后的实验表明，系统完全达到了设计要求，不但完成了所有基本和发挥部分的要求，并增加了路程显示、全程时间显示等创新功能。
关键词：
C8051F020单片机、DSP2812、L298N、红外对管TCRT5000、循迹、LCD12864液晶屏
一、系统方案
1.1总体方案设计
本实验需要智能小车在规定的120cm*120cm区域内。
从起点位置出发，检测障碍物所在位置并实施清除动作。
在重力感应传感器控制下实现智能小车的前进，后退，左转，右转等操作，控制智能小车行驶到障碍物位置，并且停留至少3秒钟，给出声或光的信号。
然后将障碍物推出规定区域。
为了完成实验要求，控制端在单片机控制下，显示模块，重力传感器模块、无线通信模块的协同配合，共同完成控制端的工作。
运动端以DSP2812为核心，超声波模块、红外避障模块、驱动控制模块、循迹模块和电源模块的统一调配下，让小车符合条件的行驶、通信、并清除障碍物，完成整个实验。
根据实验要求，我们设计的总体方案为控制端以SiliconLaboratories公司生产的单片机C8051F020为控制核心，运动端以TI公司新推出的功能强大的32位定点的DSP2812为核心，采用步进电机和LM298芯片控制小车运动，用锂电池提供16V电压，用TCRT5000保证小车能在规定的区域内正常行驶，并以超声和红外共同确定障碍物位置，并在远程控制端通过重力传感器控制小车的前进、后退、左转、右转等功能，将障碍物推出指定区域。
并用无线通信实现远程控制端和运动端之间的交流。
1.2总体方案比较
方案一：
以C8051F020单片机作为控制端核心，DSP2812作为运动端的核心，并通过超声波测定障碍物的位置，用TCRT5000防止智能小车冲出区域，用步进电机精确定位小车行驶的距离，并以无线来使控制端和运动端通信。
以此来实现将障碍物推出规定区域。
方案二：
以C8051F020单片机为控制端和运动端的核心，用TCRT5000来保证小车在规定区域正常行驶。
使用无线来实现控制端和运动端的交流，使用超声模块来检测障碍物，并将障碍物推出区域。
由于DSP2812具有强大数据处理能力和高运行速度，十分符合实验中的对于步进电机以及坐标控制。
所以我们采用第二个方案。
1.3各个部分模块方案比较与论证
（1）控制端核心控制器模块
控制端的控制器是实验中的控制核心部分，它用来控制智能小车的前进后退等动作，又要显示相关信息。
所以，一个合理的控制中心必不可少的。
方案一：
采用SiliconLaboratories公司的C8051F020单片机对电动小车进行控制。
C8051F020单片机的功能比较强大。
片内含CIP－51的CPU内核，它的指令系统与MCS－51完全兼容。
其中的C8051F020单片机含有64kB片内Flash程序存储器，4352B的RAM、8个I／O端口共64根I／O口线、一个12位A／D转换器和一个8位A／D转换器以及一个双12位D／A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉／比较模块的可编程计数／定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。
C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2．7～3．6V（端口I/O,RST和JTAG引脚的耐压为5V）。
与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，同时其可靠性和速度也有了很大提高。
而且价格适中，各种功能也易于实现控制。
方案二：
采用STC公司的STC89C52RC。
其价格便宜，应用广泛，但是功能单一，需要添加多个附加的模块，实现较为复杂；运行速度一般，抗干扰能力不是很强。
通过对以上两种方案的比较，我们选择了方案一，方案一采用的C8051F020单片机功能强大，价格适中，应用方便，是个合理的选择
（2）运动端核心控制器的选择
方案一：
采用C8051F020单片机，该微处理器具体情况同上。
方案二：
采用DSP2812微处理器。
DSP2812是TI公司新推出的功能强大的TMS320F2812的32位定点DSP，是TMS320LF2407A的升级版本，最大的特点是速度比TMS320LF2407A有了质的飞跃，从最高40M跃升到TMS320F2812的150M，处理数据位数也从16位定点跃升到32位定点。
最大的亮点是其拥有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD数据采集，使其对电机控制得心应手。
DSP2812微处理器具有强大的分析、计算和可视化功能，利用DSP2812提供的数十个专业工具箱，可以方便、灵活地实现对自动控制、信号处理、通信系统等的算法分析和仿真。
通过比较，我们需要强大的计算能力与速度，故而选择第二种方案，采用DSP2812微处理器作为运动端的核心。
（3）车体的选择
车体是实验最基础的部分，涉及到小车能否稳定快速的按照预定轨迹行驶并实现超车。
选择好车体尤为重要。
方案一：
采用三轮小车
用两独立电机分别带动两车轮，再加一个万向轮，机械加工简单，成本低，但该小车不适合爬坡、倒退行驶。
方案二：
采用履带式小车
履带式玩具电动小车的车体、车架和电机都是现成的，在上面架一块板子就可以放下电路板，各种传感器的安装也较方便；其次，所购买的电动小车是由两直流电机控制的。
电机一个控制左轮，另一个控制右轮，这小车的前样可以很好地实现进、后退、原地转弯等各种运动。
根据实验要求，我们选择方案二，履带式小车稳定快速且装卸方便。
（2）电源模块
方案一：
铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉，携带不方便，也不便于在车上安装。
方案二：
16V锂电池组供电，虽然它的持续供电时间不是很长时，但优点是体积小重量轻，电压也稳定得多。
便于安装于车上且携带方便。
经过比较，我们选择方案二，16V电源经7812模块转化可以输出12V电压供给直流电机，其他模块可用7805转换成5V后再供电。
（3）驱动模块
电机模块选择是整个方案设计的关键，根据题目的要求，这需要对小车的精确控制，所以要产生不同的方波来驱动直流电机使小车精确行驶。
方案一：
采用内部集成H桥式芯片L298驱动电路。
方案二：
采用分立元件的H桥驱动电路。
由于采用内部集成H桥式芯片每一组PWM波用来控制一个电机的速度，而另外两个I/O口可以控制电机的正反转，控制比较简单，电路也很简单，一个芯片内包含有8个功率管，这样简化了电路的复杂性，所以采用方案一。
（4）运动控制模块
在运动过程中，控制好小车在规定的区域内运功是小车完成任何题目要求的基础。
为此，系统将对小车行驶线路控制、信息传递进行有效的控制。
线路控制：
在规定区域上，智能小车利用步进电机，准确控制行走的距离。
利用超声寻到障碍物冰将其推出规定区域，并将信息反馈给控制端。
在不同的阶段，小车执行不同的程序。
系统最终采取步进电机的精确计数以及DSP2812精确快速的计算能力以保证小车正常行驶。
信息传递：
使用无线模块来进行控制端和运动端之间的交流，确定小车和障碍物的坐标位置，并在控制端显示器显示出来。
（5）显示模块
方案一：
采用使用起来比较方便的LCD1602液晶显示屏。
屏幕较小、便于放置，采用的而是并行接口，但是显示简单。
方案二：
采用LCD12864显示屏，12864显示屏的尺寸大，亮度高，可以支持汉字的显示，显示效果好、显示的信息多。
通过对以上方案的比较，我们采用方案二。
因为LCD12864能同时多行显示，而且亮度好，符合实验要求。
（6）寻物模块
智能小车需要在规定区域确定障碍物的位置，故而需要寻物模块寻找障碍物。
方案一：
使用超声模块，超声波可以探射到很广的范围，虽然反应比较慢，但总体效果不错，调试也很简单。
方案二：
使用红外模块，红外的探测更加精准，反应速度也较快，但它容易受到白色地面的干扰。
通过比较，我们采用了方案一。
因为超声模块探测范围广，干扰容易控制。
1.4结构框图
根据上面的分析论证，我们设计的系统的总体结构框图如图所示。
二、理论分析与计算
2.1信号检测与控制
小车从规定区域启动后，在入口探测障碍物的位置，并将坐标传给控制端，自动行驶至障碍物前，将障碍物推出区域，并以是否遇到黑线来判断障碍物是否出了规定区域。
本实验小车使用DSP2812作为运动端控制核心，控制步进电机的运动，超声采集的信号，由无线通信端将信息反馈给控制端，再由单片机将需要显示的数据传输给显示屏进行显示。
2.2控制端和运动端之间的通信方法
本实验需要控制端和运动端相互配合工作才能实现，所以必须要有通信设备使两车可以实现交流，我们两车之间通信使用nRF24L01单片无线收发器，它可以发射和接收无线信息，从而实现两者之间的交流，显示障碍物坐标。
2.3节能
本实验选取16V环保锂电池作为供电电源，各模块都使用5V电压供电，电流消耗较小，12864LED显示屏处于低耗能的背光模式，符合当今社会绿色节能环保的理念。
三、电路与程序设计
3.1电路设计
3.1.1电机驱动模块
驱动的核心部件是LM298，它通过DSP2812的指令直接控制步进电机转速，从而来使小车行驶。
在LM298应用中，我们要注意各引脚的分辨。
驱动图如图1所示：
图1驱动模块电路
3.1.2循迹模块
智能小车的循迹共有4路，通过TCRT5000是否接受到红外反射光来改变电压大小，从而使DSP发出指令，使小车停止前进，确定退出。
循迹电路图如图2所示：
图2循迹模块电路
焊接电路时，可用一个电位器来代替四个电位器，这样即省材料，也使电路板更加精巧。
甚至还能将除TCRT5000以外的部件全部安放到车体板上面。
TCRT5000工作原理：
TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管.当发射管的红外信号经反射被接收管接收后,接收管的电阻会发生变化。
3.1.3电源模块
电源主要是将12V电压降为5V，输给小车的各部分模块。
电源图如图3所示：
图3电源模块电路
电源最好需由两组并联而成，以免7805过载而烧坏。
J2与外电源12V相连，需要两个引脚，5V引脚与GND引脚都需要多个，以满足对各模块的供电需求。
3.1.4无线模块
实验要求两辆小车相互交替超车领跑，所以无线通信设备必不可少，nRF24L01是一款工作在2.4~2.5GHz，世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。
无线收发器包括:
频率发生器、增强型SchockBurstTM、模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。
输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。
3.1.5显示模块
显示模块电路图如图4所示：
图4显示模块电路
本模块功能是显示屏可以用来显示小车在行驶过程中的时间，遇到黑线的次数，汉字解释，以及偏转情况。
3.2程序设计
对于系统软件的设计，控制器方面我们是在Keil编程环境中，利用C语言对程序进行编辑下载。
利用C8051F020单片机对无线和显示器进行控制。
运动端我们采用CCS编译环境，利用C语言对程序进行编辑。
通过对PWM的输出控制来实现对小车行走轨迹进行闭环控制，采用比例调节算法。
在程序的调试过程中，为了实现程序的可读性和可靠性，我们采用模块化处理的方式，将各个阶段的程序用子程序的形式进行处理运算，使程序一目了然并尽量减少程序出错的概率，从而使小车能更好的完成任务。
系统软件流程图如图6所示。
图6流程图
四、系统测试及结果分析
4.1测试仪器
数字万用表、秒表
4.2测试方法及结果
各模块可以单独检查是否好用，因为各模块向单片机和DSP2812发送的数据都是数字信号，在对各模块进行检测的时候，可以用万用表对输出信号进行检测，观测是否输出相应的电压变化即检测出各模块的工作状态。
在小车调试完成后我们对小车的整体完成情况进行了测试，测试结果如表一所示：
表一小车测试状况表
测试次数
检测障碍物情况
推出障碍物情况
实时显示障碍物坐标情况
控制端控制小车运动情况
1
正常
正常
正常
反应稍慢
2
正常
稍有偏差
有偏差
正常
3
正常
正常
正常
正常
根据表中数据可以看出小车能较好的完成题目要求。
五、结束语
经过这几天的努力我们顺利完成了题目要求的任务。
在这期间我们遇到的最大的困难是程序的调试。
由于对程序多任务的方法还不能很好的掌握，在调试小车的时候出现过很多问题，但经过不断地观察和调试，最终解决了这些问题。
经过这几天的努力，我们不仅学到了很多知识，也得到了很好的锻炼，一方面是整个系统设计的方法，统筹兼顾的考虑各个模块的实现，而且更重要的不管做什么事，当遇到问题时，一定要保持清醒的头脑，认真观察，仔细分析，努力寻找解决问题的方案，不要着急，要有足够的信心。
另一方面是提高我们的团队合作精神和意识，以及进取的精神，三个臭皮匠，赛过诸葛亮。
几个人的思路放在一起很容易碰撞出灵感的火花的，一般总比一个人独立想办法解决问题要来得轻松。
除此之外，我们要更加注重细节，我们做设计时要考虑的各方面，实现方案的相关因素，包括理论论证、具体的分块功能测试、硬件是否易购买及价格等等都需要考虑，最终选择较优的方案。
同时我们也认识到了细节的重要性，不论是在硬件的焊制中，还是软件的调试中，都可能“牵一发而动全身”，影响到其他部分，所以我们很注重细节的处理。
参考文献：
鲍可进.C8051F单片机原理及应用【M】.北京：
中国电力出版社，2006.
王丁，沈永良，李海燕.机电一体化系统设计【M】.北京：
中国电力出版社，2009.
谭浩强.C程序设计【M】.北京：
清华大学出版社，2005.
附录：
1、总体电路图：
总体电路图
2、实验程序
升级会员 