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競(jìng)速小車 1 無(wú)線遙控 循跡小車 設(shè)計(jì)方案 1 方案設(shè)計(jì)與論證 本次競(jìng)賽要求制作的小車能夠循黑線前進(jìn)并且達(dá)到競(jìng)速的目的,而且要顯示走過(guò)的時(shí)間和速度。并且有按鍵起車與聲光語(yǔ)言提示。根據(jù)題目的要求,我們組設(shè)計(jì)了以下幾種方案并對(duì)各方案進(jìn)行了論證與分析。 機(jī)驅(qū)動(dòng)部分論證與分析 方案 1:采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓,從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速,而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻較小,但電流很大;分壓不僅會(huì)降低效率,而且很難實(shí)現(xiàn)。 方案 2:采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn) 行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,機(jī)械 結(jié)構(gòu)易損壞,壽命較短,可靠性不高。 方案 3:采用達(dá)林頓管 單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的狀態(tài),精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。 方案 4:采用 控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)和后退,并且如果再利用上 可以實(shí)現(xiàn)整車的加速與減速,精確小車的速度。 基于上述理論分析,擬選擇方案 4。 感器探測(cè)部分論證與分析 方案 1:用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟 隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí),光線發(fā)射強(qiáng)烈,光線照射到黑線上面時(shí),光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí),阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。 但是這種方案受光照影響很大,不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。 方案 2:用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線,當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射,若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平,若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平 。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求,但是工作不夠穩(wěn)定,且容易受外界光線的影響,因此我們放棄了這個(gè)方案。 方案 3:用 光電對(duì)管。 發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管,而接收器是一個(gè)高靈敏度,硅平面光電三極管。 簡(jiǎn)單實(shí)用,特別適合我們這次的制作。 基于上述理由我們選擇了方案 3。 競(jìng)速小車 2 機(jī)部分論證與分析 方案一:采用直流電機(jī) 直流電機(jī)速度快,價(jià)格便宜,通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)改變速度,驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單,調(diào)速范圍廣,調(diào)速特性平滑。但其轉(zhuǎn)距小,帶有大負(fù)載時(shí)很容易堵 轉(zhuǎn);而且由于其速度較快,不易控制,精確度低,不適合應(yīng)用在本題。 方案二:采用步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機(jī)構(gòu),通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量,通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度,其精確度高,但控制相對(duì)較繁瑣。 方案三:采用減速電機(jī) 減速電機(jī)也是通過(guò)控制電流來(lái)改變速度的,而且其內(nèi)部有減速齒輪箱,轉(zhuǎn)距大,而且易控制,速度較步進(jìn)電機(jī)快。通過(guò)分析題目要求,減速電機(jī)可以達(dá)到題目要求的精度,而且價(jià)格適中,控制簡(jiǎn)單。 綜上所述,我們決定采用方案 3 減速電機(jī)。 示部分論證與分析 方案 1:使用數(shù)碼管顯示。 數(shù)碼管顯示具有亮度高,色彩選擇多的優(yōu)點(diǎn),但是數(shù)碼管占用 I/O 資源多,控制復(fù)雜,功耗較大,顯示信息量較少且單一。 方案 2:使用 1602液晶屏顯示。 液晶顯示驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單,易于控制,功耗小,且顯示信息量大,可以直觀地觀測(cè)到小車的位置及速度信息。 基于上述理論分析,我們決定選擇方案 2。 源部分論證與分析 方案 1:采用 2節(jié) 過(guò)7805的電壓變換后給支流電機(jī)供電,給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。 但由于電壓不太夠,價(jià)格昂貴, 因此,我們放棄了 。 方案 2:采用 :9 12壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。 但 蓄電池的體積過(guò)于龐大,使用極為不方便 。 方案 3: 采用 3 節(jié) 池供電,電壓達(dá)到 11v,經(jīng) 7805穩(wěn)壓后給支流電機(jī)供電,給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。 但價(jià)錢還是太貴。 基于上述理論,我們選擇方案 2。 制單元部分論證與分析 方案 1:采用純數(shù)字電路 該方案外部檢測(cè)采用光電轉(zhuǎn)換,系統(tǒng)控制部分采用數(shù)字電路譯碼對(duì)小車電動(dòng)機(jī)兩競(jìng)速小車 3 端電壓調(diào)整,來(lái)控制小車的運(yùn)行。時(shí)間和行程用加 法器進(jìn)行計(jì)數(shù)。此系統(tǒng)的設(shè)計(jì)將會(huì)使電路過(guò)于復(fù)雜,調(diào)試時(shí)需要改變硬件電路,機(jī)動(dòng)性差。 方案 2:用單片機(jī)控制 用光電檢測(cè)不同的信號(hào),并經(jīng)單片機(jī)對(duì)其處理,傳送給 其控制電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。通過(guò)單片機(jī)內(nèi)部定數(shù)器 /計(jì)數(shù)器進(jìn)行定時(shí)、計(jì)數(shù),在用單片機(jī)串行輸入 /輸出口進(jìn)行顯示控制。此方案電路成熟、工作穩(wěn)定、容易實(shí)現(xiàn)控制。 為能更好的實(shí)現(xiàn)題目的各種設(shè)計(jì)要求,所以我們選用第二種方案。用單片機(jī)進(jìn)行控制。其工作框圖如下: 單片機(jī)控制工作圖 2 原理分析與硬件電路圖 統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 基 于上述各方案的論證與分析,我們確定了最終方案。整個(gè)系統(tǒng)采用 11統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖 1所示。 開(kāi)始 光電檢測(cè) 9車正反轉(zhuǎn) 顯示路程 顯示速度 競(jìng)速小車 4 系統(tǒng)總體框 片機(jī)資源分配 由如下功能部件組成, 8位微處理器、 128 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、 8位并行 I/1個(gè)全雙工的串行口,具有四種工作方式??捎脕?lái)進(jìn)行串行通訊,擴(kuò)展并行 I/至與多個(gè)單片機(jī)相 連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng),、片內(nèi)有 2個(gè) 16 位的定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器, 具有四種工作方式。具有 5個(gè)中斷源, 2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)及特殊功能寄存器。它們都是通過(guò)片內(nèi)單一總線連接而成,其基本結(jié)構(gòu)依舊是 上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。為了合理調(diào)用單片機(jī)的資源 ,如圖 2 小系統(tǒng)板 液晶顯示模塊 循跡模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 兩個(gè)左輪 兩個(gè)右輪 車體 競(jìng)速小車 5 I N T 1 / P 3 . 31 3T 0 / P 3 . 41 41 5T 1 / P 3 . 51 6W R / P 3 . 6P 2 . 7P 2 . 6P 2 . 5P 2 . 42 82 72 62 5R D / P 3 . 71 7X T A L 21 81 9X T A L 12 0V S . 3P 2 . 2P 2 . 1P 2 . 02 42 32 22 1P 1 . 01P 1 . 123P 1 . 24P 1 . 3V C . 0P 0 . 1P 0 . 24 03 93 83 7R S D / P 3 . 01 01 1T X D / P 3 . 11 2I N T 0 / P 3 . 2P 0 . 7E A A L E / P R O G P S E N 3 23 13 02 9P 1 . 45P 1 . 567P 1 . 68P 1 . 7P 0 . 3P 0 . 4P 0 . 5P 0 . 63 63 53 43 3s c e D B 61 3D B 71 41 5L E D +1 6L E D 08D B 1D B 29D B 31 01 1D B 41 2D B 5 器1234電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 控 制 端尋跡檢測(cè)光電對(duì)管測(cè)速光電對(duì)管圖 2單片機(jī)資源分配圖 機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 我們主要采 用 動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)電路如圖 個(gè)電動(dòng)機(jī), 實(shí)驗(yàn)裝置我們選用驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流減速電動(dòng)機(jī)。 5, 7, 10, 12 腳接輸入控制電平,控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 2, 3, 13, 14 四個(gè)腳連接直流減速電機(jī)。 6, 11 腳接 號(hào)(即 制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。四組光耦對(duì)輸入、輸出電信號(hào)起隔離作用。 8腳接地。表 2298N 功能邏輯真值表圖。 , 11腳。 腳。 7腳。 0腳。 2腳。 表 2298驅(qū)動(dòng)電路真值表 正 轉(zhuǎn) 反 轉(zhuǎn) 競(jìng)速小車 6 (或 0) 停止 (或 0), 止 由表 2, 電機(jī)停止 工作; , 電機(jī)正 轉(zhuǎn) 或反轉(zhuǎn)。 圖 2298管腳排列如下: 競(jìng)速小車 7 跡探測(cè)模塊 小車循跡原理是小車在貼有黑膠帶的白色路面上行駛時(shí),由于黑線和白線對(duì)光線的反射系數(shù)不同,可根據(jù)接受的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷黑線,我們采用了比較普 遍的檢測(cè)方法 紅外檢測(cè)法。 紅外探測(cè)法,即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射特點(diǎn)。在小車行駛過(guò)程中不斷的向地面發(fā)射紅外光,當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫反射,反射光被裝在小車上的接收管接收;如果遇到黑線則紅外光被吸收,則小車的接收管接收不到信號(hào),在通過(guò) 而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)。 市場(chǎng)上有很多紅外傳感器,在這里我們選用了 裝,其具有如下特點(diǎn): 構(gòu) 緊湊。 競(jìng)速小車 8 電路圖如下: 壓電路的設(shè)計(jì) 為了給整個(gè)控制系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓,在此選擇了 7805 穩(wěn)壓管作為該電路的核心芯片。該穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)如圖 示。 競(jìng)速小車 9 圖 穩(wěn)壓電源電路圖 7805 穩(wěn)壓管 有一系列固定的電壓輸出,應(yīng)用非常的廣泛,每種類型由于內(nèi)部電流限制,以及過(guò)熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù),使它基本上不會(huì)損壞,如果能夠提供足夠的散熱片,他們就能夠提供大于 輸出電流,雖然是按照固定電壓值來(lái)設(shè)計(jì)的,但是當(dāng)接入適當(dāng)?shù)耐獠科骷螅湍塬@得各種不同的電 壓和電流。 3 軟件設(shè)計(jì)與流程 程序框圖 此部分是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件,起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。控制方法有很多,大部分都采用單片機(jī)控制。由于 51 單片機(jī)具有價(jià)格低廉是使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn),這里選擇了 為控制核心部件,其程序控制方框圖如圖所示。 競(jìng)速小車 10 圖 系統(tǒng)的程序流程圖 小車進(jìn)入循跡模式后,即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī) I/O 口,一旦檢測(cè)到某個(gè) I/序就進(jìn)入判斷程序,把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小 車的狀態(tài) 。 程序 #10; 11; 12; 15; 16; 17; 13; 14; 20; 22; 21; 23; 是否在彎道? 開(kāi)始 延時(shí) 3s 提速行駛 N Y 檢 測(cè)右傳感器? 電機(jī)反轉(zhuǎn) 小車左轉(zhuǎn) 黑線 遮蔽 檢測(cè)左轉(zhuǎn)傳感器?器? 白線 遮蔽 電機(jī)反轉(zhuǎn) 小車右轉(zhuǎn) 黑線 遮蔽 白線 遮蔽 競(jìng)速小車 11 24; 27; 25; 26; 32; 33; 33; 34; = cm/s; /顯示最高速度 = cm/ s;/顯示瞬時(shí)速度和行駛時(shí)間 j,n,m=0; x=0,a=0,k=0,l=0,a=0,t=0,; z) / 延時(shí)函數(shù) x,y; x=z;x0;y=110;y0; /液晶寫(xiě)命令 ; P0=); ; ); ; /液晶寫(xiě)數(shù)據(jù) ; P0=); ; ); ; /液晶初始化 ; ; 競(jìng)速小車 12 ; a; , /顯示最大速度 , /顯示瞬時(shí)速度 ; /關(guān)閉定時(shí)器 1 ); 1)&(1)&(1)&(1)&(1) /停止 2,t); / 顯示行駛時(shí)間 3/(2*t); /計(jì)算速度 a a; 競(jìng)速小車 17 , /顯示最大速度 , /顯示瞬時(shí)速度 ; /關(guān)閉定時(shí)器 1 65536256; 65536256; /重裝初值 m+; if(m=20) m=0; t+; ; ; 4 制作安裝調(diào)試 路設(shè)計(jì)與制作 我們根據(jù)實(shí)際需要,手工將循跡模塊,控制模塊,驅(qū)動(dòng)模塊制作出來(lái),并通過(guò)銅柱,螺母等將其固定在洞洞板上 競(jìng)速小車 18 車的檢測(cè)與調(diào)試 在檢測(cè)過(guò)程中,我們?cè)O(shè)計(jì)的小車有沖出跑道的情況,而無(wú)法正常循黑線前進(jìn),我們分析可能的原因是: 一個(gè) 間的距離安裝的不合理,導(dǎo)致小車有探測(cè)的不靈敏,而沖出跑道; 2。程序需要優(yōu)化; 檢測(cè)裝置不夠靈敏,這種情況下,我們選擇了降低電壓,減少車速 。 表 2調(diào)試情況 小車運(yùn)行次數(shù) 成功循跡次數(shù) 1 1 2 1 3 2 4 2 5 3 6 4 5 總結(jié) 首先感謝學(xué)校電子設(shè)計(jì)大賽給我們這樣一次珍貴的鍛煉機(jī)會(huì),在這 20 多天的時(shí)間里,我們?nèi)齻€(gè)人同心協(xié)力,分工合作,共同完成了智能循跡小車的項(xiàng)目。在制作過(guò)程中遇到了很多困難與挫折,我們也一度灰心喪氣,但是我們都一步步挺了過(guò)來(lái),克服了一個(gè)又一個(gè)的困難,最終完成了制作。 在這一次的大賽中,我們獲益匪淺。其中不僅僅包括知識(shí)上的,也包括意志與精神上的。剛開(kāi)始的我們?cè)谥谱餍≤嚪矫娴闹R(shí)幾乎可以說(shuō)是零,在制作過(guò) 程中,由于缺乏經(jīng)驗(yàn)和忽略細(xì)節(jié)問(wèn)題,我們?cè)谡{(diào)試的時(shí)候經(jīng)常碰到很多奇怪的問(wèn)題,但是我們通過(guò)耐心的調(diào)試,或者上網(wǎng)查閱資料,直到弄懂為止;遇到分歧,我們就在一塊討論,共同研究。參加此次培訓(xùn)對(duì)我們來(lái)說(shuō)是一次寶貴經(jīng)歷,也是人生的一筆精神財(cái)富。當(dāng)然由于知識(shí)能力與水平有限,我們也有做的不好與不完善的地方,懇請(qǐng)老師批評(píng)指正,希望下次我們能夠做的更好。 6 參考文獻(xiàn) 1全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽組委會(huì) (
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