智能小車實驗報告

1、智能小車實驗報告摘要為了實現(xiàn)智能小車按照題目要求運(yùn)動，從指定位置進(jìn)入規(guī)定區(qū)域，并尋找到障礙 物，駛向障礙物，將障礙物推出規(guī)定區(qū)域，并實時顯示障礙物的位置。本實驗系統(tǒng)分 為兩個小系統(tǒng)，控制端與運(yùn)動端?？刂贫艘詥纹瑱C(jī)C8051F020作為控制核心，運(yùn)動端 采用DSP2812作為控制核心。并以無線模塊實現(xiàn)控制端與運(yùn)動端之間的交流，以實現(xiàn) 智能小車按照題目要求運(yùn)動，并將信息實時反饋給控制端，顯示出來；對于關(guān)鍵的小 車運(yùn)動執(zhí)行元件，經(jīng)過充分比較、論證，最終選用了步進(jìn)電機(jī)，能夠準(zhǔn)確定位并且具 有瞬間啟動和急速停止的優(yōu)越特性。電機(jī)的驅(qū)動是以L298N為芯片的驅(qū)動模塊；小車 的電源模塊采用16V的鋰電池供電；

2、通過紅外對管TCRT5000判斷黑線為循跡，實現(xiàn) 了小車在規(guī)定區(qū)域上行駛并將信息實時反饋給控制端等功能；并且小車的控制端顯示 部分選用LCD12864液晶屏來顯示所需的參數(shù)。最后的實驗表明，系統(tǒng)完全達(dá)到了設(shè) 計要求，不但完成了所有基本和發(fā)揮部分的要求，并增加了路程顯示、全程時間顯示 等創(chuàng)新功能。關(guān)鍵詞:C8051F020 單片機(jī)、DSP2812、L298N、紅外對管 TCRT5000、循跡、LCD12864 液晶屏一、系統(tǒng)方案11總體方案設(shè)計本實驗需要智能小車在規(guī)定的120cm*120cm區(qū)域內(nèi)。從起點(diǎn)位置出發(fā)，檢測障 礙物所在位置并實施清除動作。在重力感應(yīng)傳感器控制下實現(xiàn)智能小車的前進(jìn)，后退

3、, 左轉(zhuǎn)，右轉(zhuǎn)等操作，控制智能小車行駛到障礙物位置，并且停留至少3秒鐘，給出聲 或光的信號。然后將障礙物推出規(guī)定區(qū)域.為了完成實驗要求，控制端在單片機(jī)控制下, 顯示模塊，重力傳感器模塊、無線通信模塊的協(xié)同配合，共同完成控制端的工作。運(yùn) 動端以DSP2812為核心，超聲波模塊、紅外避障模塊、驅(qū)動控制模塊、循跡模塊和電 源模塊的統(tǒng)一調(diào)配下，讓小車符合條件的行駛、通信、并清除障礙物完成整個實驗。根據(jù)實驗要求，我們設(shè)計的總體方案為控制端以Silicon Laboratories公司生 產(chǎn)的單片機(jī)C8051F020為控制核心，運(yùn)動端以TI公司新推出的功能強(qiáng)大的32位定點(diǎn) 的DSP2812為核心，采用步進(jìn)

4、電機(jī)和LM298芯片控制小車運(yùn)動，用鋰電池提供16V電 壓，用TCRT5000保證小車能在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)正常行駛，并以超聲和紅外共同確定障 礙物位置，并在遠(yuǎn)程控制端通過重力傳感器控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)等功 能，將障礙物推出指定區(qū)域。并用無線通信實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制端和運(yùn)動端之間的交流。1.2總體方案比較方案一：以C8051F020單片機(jī)作為控制端核心，DSP2812作為運(yùn)動端的核心，并通 過超聲波測定障礙物的位置，用TCRT5000防止智能小車沖出區(qū)域，用步進(jìn)電機(jī)精確定 位小車行駛的距離，并以無線來使控制端和運(yùn)動端通信。以此來實現(xiàn)將障礙物推出規(guī) 定區(qū)域。方案二：以C8051F020單片機(jī)為控制

5、端和運(yùn)動端的核心，用TCRT5000來保證小 車在規(guī)定區(qū)域正常行駛。使用無線來實現(xiàn)控制端和運(yùn)動端的交流，使用超聲模塊來檢 測障礙物，并將障礙物推出區(qū)域.由于DSP2812具有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和高運(yùn)行速度，十分符合實驗中的對于步 進(jìn)電機(jī)以及坐標(biāo)控制。所以我們采用第二個方案。1。3各個部分模塊方案比較與論證控制端核心控制器模塊控制端的控制器是實驗中的控制核心部分，它用來控制智能小車的前進(jìn)后退等動 作，又要顯示相關(guān)信息.所以，一個合理的控制中心必不可少的。方案一:采用Silicon Laboratories公司的C8051F020單片機(jī)對電動小車進(jìn)行控 制。C8051F020單片機(jī)的功能比較強(qiáng)大。片

6、內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核，它的指令系統(tǒng) 與MCS-51完全兼容.其中的C8051F020單片機(jī)含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲器， 4352B的RAM、8個I/O端口共64根I/O 口線、一個12位A/D轉(zhuǎn)換器和一個8位 A/D轉(zhuǎn)換器以及一個雙12位D/A轉(zhuǎn)換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個 捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)/定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感 器等部分.C8051F020單片機(jī)支持雙時鐘，其工作電壓范圍為2. 73. 6V(端口 I/O,RST 和JTAG引腳的耐壓為5V).與以前的51系列單片機(jī)相比，C8051F020增添了許多功 能，同時其可靠性和

7、速度也有了很大提高。而且價格適中，各種功能也易于實現(xiàn)控制.方案二：采用STC公司的STC89C52RC。其價格便宜，應(yīng)用廣泛，但是功能單一， 需要添加多個附加的模塊，實現(xiàn)較為復(fù)雜；運(yùn)行速度一般，抗干擾能力不是很強(qiáng)。通過對以上兩種方案的比較，我們選擇了方案一，方案一采用的C8051F020單片 機(jī)功能強(qiáng)大，價格適中，應(yīng)用方便，是個合理的選擇（2）運(yùn)動端核心控制器的選擇方案一：采用C8051F020單片機(jī)，該微處理器具體情況同上。方案二：采用DSP2812微處理器。DSP2812是TI公司新推出的功能強(qiáng)大的 TMS320F2812的32位定點(diǎn)DSP，是TMS320LF2407A的升級版本，最大的特

8、點(diǎn)是速度比 TMS320LF2407A有了質(zhì)的飛躍，從最高40M躍升到TMS320F2812的150M,處理數(shù)據(jù)位 數(shù)也從16位定點(diǎn)躍升到32位定點(diǎn)。最大的亮點(diǎn)是其擁有EVA、EVB事件管理器和配 套的12位16通道的AD數(shù)據(jù)采集，使其對電機(jī)控制得心應(yīng)手。DSP2812微處理器具有 強(qiáng)大的分析、計算和可視化功能，利用DSP2812提供的數(shù)十個專業(yè)工具箱，可以方便、 靈活地實現(xiàn)對自動控制、信號處理、通信系統(tǒng)等的算法分析和仿真。通過比較,我們需要強(qiáng)大的計算能力與速度，故而選擇第二種方案，采用DSP2812 微處理器作為運(yùn)動端的核心。（3）車體的選擇車體是實驗最基礎(chǔ)的部分，涉及到小車能否穩(wěn)定快速的按

9、照預(yù)定軌跡行駛并實現(xiàn) 超車。選擇好車體尤為重要。方案一：采用三輪小車用兩獨(dú)立電機(jī)分別帶動兩車輪，再加一個萬向輪，機(jī)械加工簡單，成本低，但該小 車不適合爬坡、倒退行駛.方案二：采用履帶式小車履帶式玩具電動小車的車體、車架和電機(jī)都是現(xiàn)成的，在上面架一塊板子就可以 放下電路板，各種傳感器的安裝也較方便；其次，所購買的電動小車是由兩直流電機(jī)控 制的。電機(jī)一個控制左輪，另一個控制右輪，這小車的前樣可以很好地實現(xiàn)進(jìn)、后退、 原地轉(zhuǎn)彎等各種運(yùn)動.根據(jù)實驗要求，我們選擇方案二，履帶式小車穩(wěn)定快速且裝卸方便.（2）電源模塊方案一：鉛酸電池供電，優(yōu)點(diǎn)電流大，缺點(diǎn)重量太沉，攜帶不方便，也不便于在 車上安裝。方案二：

10、16V鋰電池組供電，雖然它的持續(xù)供電時間不是很長時，但優(yōu)點(diǎn)是體積 小重量輕，電壓也穩(wěn)定得多.便于安裝于車上且攜帶方便.經(jīng)過比較，我們選擇方案二，16V電源經(jīng)7812模塊轉(zhuǎn)化可以輸出12V電壓供給直 流電機(jī)，其他模塊可用7805轉(zhuǎn)換成5V后再供電。（3 ）驅(qū)動模塊電機(jī)模塊選擇是整個方案設(shè)計的關(guān)鍵，根據(jù)題目的要求，這需要對小車的精確控 制，所以要產(chǎn)生不同的方波來驅(qū)動直流電機(jī)使小車精確行駛.方案一：采用內(nèi)部集成H橋式芯片L298驅(qū)動電路.方案二：采用分立元件的H橋驅(qū)動電路。由于采用內(nèi)部集成H橋式芯片每一組PWM波用來控制一個電機(jī)的速度，而另外兩 個I/O 口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡單，電路也

11、很簡單，一個芯片內(nèi)包含有8 個功率管，這樣簡化了電路的復(fù)雜性，所以采用方案一。（4）運(yùn)動控制模塊在運(yùn)動過程中，控制好小車在規(guī)定的區(qū)域內(nèi)運(yùn)功是小車完成任何題目要求的基礎(chǔ).為此，系統(tǒng)將對小車行駛線路控制、信息傳遞進(jìn)行有效的控制.線路控制：在規(guī)定區(qū)域上，智能小車?yán)貌竭M(jìn)電機(jī)，準(zhǔn)確控制行走的距離.利用 超聲尋到障礙物冰將其推出規(guī)定區(qū)域，并將信息反饋給控制端。在不同的階段，小車 執(zhí)行不同的程序.系統(tǒng)最終采取步進(jìn)電機(jī)的精確計數(shù)以及DSP2812精確快速的計算能 力以保證小車正常行駛。信息傳遞：使用無線模塊來進(jìn)行控制端和運(yùn)動端之間的交流，確定小車和障礙物 的坐標(biāo)位置，并在控制端顯示器顯示出來。顯示模塊方案一

12、：采用使用起來比較方便的LCD1602液晶顯示屏。屏幕較小、便于放置， 米用的而是并行接口，但是顯示簡單。方案二:采用LCD12864顯示屏，12864顯示屏的尺寸大，亮度高，可以支持漢字的 顯示，顯示效果好、顯示的信息多。通過對以上方案的比較，我們采用方案二。因為LCD12864能同時多行顯示，而且 亮度好，符合實驗要求.尋物模塊智能小車需要在規(guī)定區(qū)域確定障礙物的位置，故而需要尋物模塊尋找障礙物.方案一：使用超聲模塊，超聲波可以探射到很廣的范圍，雖然反應(yīng)比較慢，但總 體效果不錯，調(diào)試也很簡單。方案二：使用紅外模塊，紅外的探測更加精準(zhǔn)，反應(yīng)速度也較快，但它容易受到 白色地面的干擾。通過比較，我

13、們采用了方案一。因為超聲模塊探測范圍廣，干擾容易控制。1.4結(jié)構(gòu)框圖根據(jù)上面的分析論證，我們設(shè)計的系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖所示。二、理論分析與計算2。1信號檢測與控制小車從規(guī)定區(qū)域啟動后，在入口探測障礙物的位置，并將坐標(biāo)傳給控制端，自動 行駛至障礙物前，將障礙物推出區(qū)域，并以是否遇到黑線來判斷障礙物是否出了規(guī)定 區(qū)域。本實驗小車使用DSP2812作為運(yùn)動端控制核心，控制步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動，超聲采 集的信號，由無線通信端將信息反饋給控制端，再由單片機(jī)將需要顯示的數(shù)據(jù)傳輸給 顯示屏進(jìn)行顯示。2.2控制端和運(yùn)動端之間的通信方法本實驗需要控制端和運(yùn)動端相互配合工作才能實現(xiàn)，所以必須要有通信設(shè)備使兩 車可以實

14、現(xiàn)交流，我們兩車之間通信使用nRF24L01單片無線收發(fā)器，它可以發(fā)射和 接收無線信息，從而實現(xiàn)兩者之間的交流，顯示障礙物坐標(biāo).2。3節(jié)能本實驗選取16V環(huán)保鋰電池作為供電電源,各模塊都使用5V電壓供電，電流消耗 較小，12864LED顯示屏處于低耗能的背光模式，符合當(dāng)今社會綠色節(jié)能環(huán)保的理念.三、電路與程序設(shè)計3。1電路設(shè)計3.1.1電機(jī)驅(qū)動模塊驅(qū)動的核心部件是LM298,它通過DSP2812的指令直接控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速，從而來 使小車行駛。在LM298應(yīng)用中，我們要注意各引腳的分辨。驅(qū)動圖如圖1所示：圖1驅(qū)動模塊電路3。1.2循跡模塊智能小車的循跡共有4路，通過TCRT5000是否接受到紅外

15、反射光來改變電壓大小, 從而使DSP發(fā)出指令，使小車停止前進(jìn)，確定退出。循跡電路圖如圖2所示：VCCTCRT5000圖2循跡模塊電路焊接電路時,可用一個電位器來代替四個電位器，這樣即省材料，也使電路板更加 精巧。甚至還能將除TCRT5000以外的部件全部安放到車體板上面。TCRT5000工作原理:TCRT5000具有一個紅外發(fā)射管和一個紅外接收管。當(dāng)發(fā)射管的紅 外信號經(jīng)反射被接收管接收后，接收管的電阻會發(fā)生變化。3。1。3電源模塊電源主要是將12V電壓降為5V,輸給小車的各部分模塊。電源圖如圖3所示：U4 LM?S05la：. VEE q-irjs m.MjrwlM m4了MQi.Nee*E3

16、s & r-:sr?.t.*iw 了S0.C.1.1-.1.LL5/RES圖3電源模塊電路電源最好需由兩組并聯(lián)而成，以免7805過載而燒壞.J2與外電源12V相連，需要 兩個引腳，5V引腳與GND引腳都需要多個，以滿足對各模塊的供電需求。3.1.4無線模塊實驗要求兩輛小車相互交替超車領(lǐng)跑，所以無線通信設(shè)備必不可少,nRF24L01是 一款工作在2。42。5GHz,世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片.無線收發(fā)器包 括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurstTM、模式控制器、功率放大器、晶體振蕩器、 調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進(jìn)行設(shè)置。3.1.5顯示模塊顯

17、示模塊電路圖如圖4所示：F XOP JL. 3rZU -ZU rp 1=圖4顯示模塊電路本模塊功能是顯示屏可以用來顯示小車在行駛過程中的時間，遇到黑線的次數(shù)， 漢字解釋，以及偏轉(zhuǎn)情況.3.2程序設(shè)計對于系統(tǒng)軟件的設(shè)計，控制器方面我們是在Keil編程環(huán)境中，利用C語言對程 序進(jìn)行編輯下載。利用C8051F020單片機(jī)對無線和顯示器進(jìn)行控制。運(yùn)動端我們采用 CCS編譯環(huán)境，利用C語言對程序進(jìn)行編輯。通過對PWM的輸出控制來實現(xiàn)對小車 行走軌跡進(jìn)行閉環(huán)控制，采用比例調(diào)節(jié)算法。在程序的調(diào)試過程中，為了實現(xiàn)程序的可讀性和可靠性，我們采用模塊化處理的方 式，將各個階段的程序用子程序的形式進(jìn)行處理運(yùn)算，使程

18、序一目了然并盡量減少程 序出錯的概率，從而使小車能更好的完成任務(wù)。系統(tǒng)軟件流程圖如圖6所示。無線控制兩車同時啟動快速聲紙用i井快速直線前進(jìn)圖6 流程圖四、系統(tǒng)測試及結(jié)果分析4.1測試儀器數(shù)字萬用表、秒表4.2測試方法及結(jié)果各模塊可以單獨(dú)檢查是否好用，因為各模塊向單片機(jī)和DSP2812發(fā)送的數(shù)據(jù)都是 數(shù)字信號，在對各模塊進(jìn)行檢測的時候，可以用萬用表對輸出信號進(jìn)行檢測，觀測是否 輸出相應(yīng)的電壓變化即檢測出各模塊的工作狀態(tài).在小車調(diào)試完成后我們對小車的整體完成情況進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表一所示: 表一小車測試狀況表測試次數(shù)檢測障礙物情 況推出障礙物情 況實時顯示障礙 物坐標(biāo)情況控制端控制小 車運(yùn)動情況1正常正常正常反應(yīng)稍慢2正常稍有偏差有偏差正常3正常正常正常正常根據(jù)表中數(shù)據(jù)可以看出小車能較好的完成題目要求。五、結(jié)束語經(jīng)過