电子设计制作自选赛设计报告双轨移动平台.doc
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1、2011年“杰创杯”电子设计制作自选赛设计报告题 目 双轨移动平台 英文题目 The dual mobile platform 学 校 九江学院 作 者 指导教师 组 别 本科组 2011年 5月30日双轨移动平台(江西省2011年大学生电子设计自选赛第五题)摘要 :本设计采用两块单片机STC89S52作为智能小车上的检测、控制核心和轨道上的6只红色led灯控制实现小车能在规定时候释放乒乓球,以备生产流水线作业,实现各种零部件加工、装配。采用红外前沿技术进行洞口探测并另增光线探测LED模块,更能有效校准小车停驶位置和时间点。本设计所用元器件基本为耗能小、性价比高的普通分立元件,所用耗材均为人们
2、日常生活中废置不用的材料,更节能。小车采用履带传送式车,驱动电机采用直流电机,电机控制方式为单向PWM控制,性能稳定,易控制,并用单片机编程,运用精确的模数转换技术加上控制系统与电路用光电耦合器完全隔离以避免干扰,让小车有效而方便地完成任务!关键词:智能小车PWM 洞口探测 光线探测 性价比 节能The dual mobile platformAbstractThis design USES the two single-chip microcomputer AT89C51 as smart cars for inspection and control core and orbit red
3、leds only 6 is controlled in regulation time to release car production line, for table tennis realization of different parts processing operations, and assembly. Using infrared frontier technique to detect the hole and another increase light detection more effectively LED module, car offend position
4、 and time calibration point. This design USES components basic for small energy, high ratio of ordinary division components used for people, all materials in daily life without materials, Nick more energy-saving. Car using crawler transmit type car, drive motor adopts dc motor and motor control mode
5、 for one-way PWM control, stable performance, easy to control, and SCM programming, using precise module conversion technology plus control system with the circuit using photoelectricity couplers complete isolation to avoid interference, make effective and convenient car to accomplish the task! Key
6、words:Smart cars PWM hole detection light detection ratio energy saving 目 录摘要 :- 2 -Abstract- 2 -目 录- 3 -1.1设计要求- 4 -1.2系统基本方案- 6 -1.2.1各模块方案选择和论证- 7 -1.2.2系统各模块的最终方案- 14 -1.2.3系统基本框图- 14 -2.系统的硬件设计与实现- 15 -2.1系统硬件的基本组成部分- 15 -2.2 主要单元电路的设计- 16 -2.2.1轨道上89C52控制模块- 16 -2.2.2红外探测洞孔模块:反射式红外光电传感器- 16 -2
7、.2.3光敏探测LED模块:光电传感器- 17 -2.2.4小车上89C52控制模块- 18 -2.2.5数码管计时模块- 19 -2.2.6电机驱动:PWM脉宽调制方式控制- 20 -2.2.7舵机释放乒乓球模块- 21 -3.软件设计- 24 -4.系统测试- 27 -4.1 测试仪器- 27 -4.2 指标测试- 28 -4.2.1测试方法- 28 -4.2.2测试数据及测试结果分析:- 28 -4.2.3.系统任务完成情况- 28 -4.3结论- 29 -5.总结- 29 -参考文献- 30 -附录- 31 -附录一:主要元器件清单- 31 -附录二:程序- 31 -1.导轨上89C5
8、2流水灯程序- 31 -1 Main.c- 31 -2.车上89C52程序- 34 -1 Main.c- 34 -2 Device.c- 40 -3 Display.c- 41 -4 Motor.c- 41 -5 Device.h- 41 -6 Motor.h- 42 -附录三: PCB印制板图- 43 -1 1.系统方案选择和论证1.1设计要求设计背景和目的:在加工制造业,工业机器人被广泛应用于生产流水线作业,实现各种零部件加工、装配过程。本设计以一个简单的机器人作业过程综合考察参赛选手对制造工艺流程管理及自动配给、装配技术的理解,并着重考察运动控制方面的能力。1、任务设计一小车,使小车能将
9、车上的乒乓球精准的放到导轨的孔洞里。轨道的结构:中间有六个孔洞(右侧第一个洞口为出发校准口,比赛开始前参赛队员需将小车上的放置孔与之对齐),洞之间的中心距为20cm,洞的直径最大为6cm;小车模型横跨在导轨上,并且小车上部是一个放小球的漏斗,如下图。(导轨自己制作)图1.1.1 导轨平台2、基本要求 图1.1.2每个洞口接相对应的指示灯,保证在led灯亮的时候乒乓球掉入洞内,其它视为无效。(按照功能板上LED输出的标志,把六个指示灯接好,每个洞口放置一个LED等,如上图所示) 比赛过程:洞孔上方红色指示灯依次亮起熄灭,同一时间只有一盏灯亮,并且从右第一个至左,且灯保持开的状态是2S,2S之后灯
10、熄灭,等待5S之后下一盏灯亮起,且保持2S。小车初始位置在移动平台最右端。(1)小车在洞孔上方,开始信号后,孔洞上的灯点亮;小车在2秒内将乒乓球放入孔洞;(20分)(2)小车运行到下一位置并将球放入第二个洞里;不能连续向同一孔洞放入2个球;(10分)(3)小车能从右侧第2个孔洞运行到最左侧,并能将其余4个球全部放到相应孔洞;(20分)3、发挥部分比赛过程:洞孔上方红色指示灯依次亮起熄灭,同一时间只有一盏灯亮,并且从左第一个至右,且灯保持开的状态是1S,1S之后灯熄灭,等待2S之后下一盏灯亮起,且保持1S。小车初始位置放置在移动平台最右端。(1)小车从右侧启动3秒后,最左侧的指示灯亮;小车能在4
11、秒内从最右侧运行到最左侧,并将球准确放到最左侧的孔洞里;(20分)(2)小车运行到左侧第二个洞上方并将球放入;不能连续向同一孔洞放入2个球;(5分)(3) 然后小车能依次从左侧运行到右侧,将其余4个球放到相应孔洞;(20分)(4)其他;(5分)4、说明1.比赛开始前所有参赛队伍需将小车放置于竞赛台面最右侧,并且保证乒乓球放置孔与右边第一个孔对齐,作为初始起点。(裁判员检查如发现偏差明显靠左视为蓄意抢跑,取消成绩)。2.裁判下令比赛开始后,所有比赛平台将开始进行时间计时并开始循环执行预定任务并在数码管上显示当前计时。此时参赛队员应启动小车开始比赛,10S内未启动队伍视为自动弃权。3.成功放入小球
12、或放置任务失败之后,参赛队员方可重新往运动中的小车装载一个小球,继续比赛。(禁止该过程中参赛队员身体接触小车,如发生参赛队员强行手动调整小车位置情况,取消资格)注意:乒乓球在平台左侧可取,建议两名队员配合进行装载(必须在小球放入孔内或者小球放入孔内失败之后队员才可拿取乒乓球)1.2系统基本方案根据题目要求,系统可以划分为控制部分和信号检测部分。其中信号检测部分包括:洞口探测模块、光源探测模块。控制部分包括:计时模块、电机驱动模块、数码管显示模块、乒乓球释放模块。模块框图如图1.2.0所示。为实现各模块的功能,分别作了几种不同的设计方案并进行了论证。图1.2.01.2.1各模块方案选择和论证1.
13、控制器模块根据题目要求,控制器主要用于各个传感器信号的接收和辨认、控制小车的电机的动作与运行的时间以及小车在停车时发出的声光信号等。对于控制器的选择有以下两种方案。方案一:采用FPGA。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能,规模大,密度高,它将所有器件集成在一块芯片上,减小了体积,提高了稳定性,并且可应用EDA软件仿真,调试,易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式,提高了系统的处理速度,适合作为大规模实时系统的控制核心。由检测模块输出的信号并行输入FPGA,FPGA通过程序设计控制小车做出相应的动作,但由于本设计对数据处理的速度要求不高,FPGA的高速处理的优势得不到充分体现,并且由于
14、其集成度高,使其成本偏高,同时由于芯片的引脚较多,实物硬件电路板布线复杂,加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二:采用两片STC公司的STC89C52作为系统控制器的双CPU方案。单片机算术运算功能强,软件编程灵活、自由度大,可用软件编程实现各种算法和逻辑控制,并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点,使其在各个领域应用广泛。基于以上分析拟定方案二。在本设计中,我们采用了两片单片机分开对8个单元模块进行监测和控制,这样减轻了单个Cpu的负担,提高了系统的工作效率,同时,通过CPU之间的分阶段地互相控制,减少了外围设备。表1.2.1.1 89C52主要功能特性 标准MCS-51内核和指令
15、系统 片内8kROM(可扩充64kB外部存储器) 32个双向I/O口 256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器) 3个16位可编程定时/计数器 时钟频率3.5-12/24/33MHz 向上或向下定时计数器 改进型快速编程脉冲算法 6个中断源 5.0V工作电压 全双工串行通信口 布尔处理器帧错误侦测 4层优先级中断结构自动地址识别 兼容TTL和CMOS逻辑电平 空闲和掉电节省模式 PDIP(40)和PLCC(44)封装形式2.洞口探测模块设计与比较方案一:用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光敏电阻位于洞口上方时,由于受光线照射,阻值减小,当光
16、敏电阻远离洞口时阻值增大,因此光敏电阻在与不在洞口上方阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大,且在与不在洞口上方,关照虽有变化却不是很大,不能够稳定的工作。方案二:红外探测法,即利用红外线遇到障碍物会反射回来红外接收管可以接受到,在小车行驶过程中不断红外发射管发出红外线,当发出的红外线射入洞口时,没有反射,红外输出低电平,若红外接收管没有在洞口上方则可以接收到经轨道地板反射回的光线则输出高电平。本系统正是利用了红外的此种特性。单片机就是通过接收到的高低电平为依据来确定洞孔的位置。经测试,此种方法简单可靠。经反复对比后,采用方案二3.光源探测
17、模块方案一:采用多个普通三极管。当光敏电阻的阻值发生变化时,三极管Q1基极的电压发生变化再通过放大器对变化的微小信号进行放大,然后控制三极管Q3的导通与截止从而使输出点GY的电压呈现高低变化,如图所示1.2.1.1。使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。图1.2.1.1方案二:电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小,例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较,在UiUr和Ui体积紧凑,便于安装; 输出力矩大,稳定性好; 控制简单,便于和数字系统接口; 正是因为舵机有很多优点,所以,现在不仅仅应用
18、在航模运动中,已经扩展到各种机电产品中来,在机器人控制中应用也越来越广泛。图1.2.1.3 乒乓球释放装置示意图1.2.2系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证,决定了系统各模块的最终方案如下:(1) 控制模块:采用2片STC89C52双CPU控制(2) 洞口探测模块:采用红外线传感器(3) 光源探测部分模块:采用比较器(4) 控制电机模块:采用双直流电机(5) 电机驱动模块:采用PWM调制方式控制电机(6) 计时模块:采用STC89C52内置的定时器/计数器(7) 显示模块:采用数码管(8) 乒乓球释放模块:采用舵机控制释放装置1.2.3系统基本框图系统的基本框图如图1.2.3.1所示。单片
19、机89C52主要用于控制6个LED流水灯显示效果,并通过数码管对流水灯亮灭的时间进行状态监测。单片机89C52主要用于控制小车电机和处理与小车动作有关的传感信号,实现了小车速度控制、光源探测、乒乓球释放及数码管显示的功能。两单片机之间通过光电转换互相通信,将分别独立的两套系统有机的综合为一体,其工作过程如下:基础部分:刚开始小车放置于竞赛台面最右侧,并且保证乒乓球放置孔与右边第一个孔对齐,作为初始起点。小车通电后系统开始工作,小车上数码管开始正常计时并显示,同时导轨上数码管开始计时1-2-1-2-3-4-5-1-2-1-2-3-4-5-1-2-1-2-3-4-5-1-2-1-2-3-4-5-1
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