电动车遥控系统.doc
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1、编号 本科生毕业设计简易电动车遥控系统设计The Design of Simple Electric Car Remote Control System学 生 姓 名刘清鑫专 业电子信息工程学 号040411510指 导 教 师杨宏伟学 院电子信息工程学院2008年 6 月 摘 要本系统以AT89C51单片机作为小车的检测和控制中心,利用红外传感器、金属传感器和超声波传感器实现测距及避障功能。通过单片机的智能控制技术实现对小车的自动控制。本设计的主要特色是优化的软件算法,智能化的自动控制,使小车定位更加精确。并且采用金属探测,音乐报警增强听觉效果。本系统通过综合运用光、机、电技术,基本完成了设
2、计要求,发挥部分达到设计要求。关键词:智能 单片机 传感器AbstractThe system takes AT89C51 monolithic integrated circuit as the cars examination and control center ,and uses infrared sensor, the metal sensor and the ultrasonic sensor to realize the function of range finder and evading bonds .The cars automatic control is realiz
3、ed through intelligent control technology of MCU.This designs main characteristic is the optimized software algorithm, the intellectualized automatic contro to make the localization more precise.Moreover metal detector and music warning enhances the sense of hearing effect.This system completed the
4、design requirements basically through the synthesis utilization of light, machine and the electricity technology, and then the display part has achieved the design requirements.Keywords: Intelligent MCU Sensor目 录第一章前 言11.1课题研究意义11.2课题研究背景11.3发展趋势和方向11.4研究中存在的问题2第二章设计要求与原理分析42.1 设计要求与原理分析42.2 机械系统分析4
5、2.3传感器设置与布局分析4第三章方案论证与系统原理框图63.1 传感器的选型与工作方式选取63.2总控电路的选型9第四章硬件电路设计与参数计算144.1红外与光电探测器的驱动电路设计与参数计算144.2金属探测装置的设计与参数计算154.3超声测距装置的设计与参数计算164.4主轴电机与步进电机驱动电路设计与参数计算174.5显示、键盘、声光告示与单片机电路设计及参数计算184.6遥控接收模块的硬件电路设计与参数计算19第五章单片机软件设计215.1行走控制程序流程215.2超声测距程序流程215.3 显示程序流程图225.4 定时器PWM输出23第六章应用实例分析前景展256.1步进电机2
6、56.2左右转向灯256.3车速显示256.4时间显示256.5超声波与红外避障系统266.6金属探测报警器266.7单片机遥控发射接收系统26第七章测试数据与实验结论277.1测试数据277.2 实验结论及存在问题分析28致 谢30参考文献31第一章 前 言1.1课题研究意义随着电子技术的发展,自动控制已经不再是一个新鲜的话题,无人驾驶的小汽车也必将进入实用阶段,本系统模拟未来智能小车,利用微型计算机技术实现小车的自动避障。微型计算机是计算机技术与大规模集成电路发展相结合的产物。在计算机领域中,它是发展最快,应用最广的一个分支,以其独特的结构和优点,深受广大用户欢迎和重视,发展极为迅速,应用
7、极为广泛。它的应用已渗透到国民经济和人民生活的各个领域,并发挥出很大的效益。1.2课题研究背景 随着科技的进步,人类的视野越来越开阔,对未知世界进行探索的愿望越来越强烈。迄今为止,人们己经开始了对月亮、火星等宇宙星体的探索,也开始对地下埋藏的,乃至海底沉寂的历史古迹、文化遗产、地理地貌的研究。另外,现代战争的复杂程度越来越高,反恐斗争的难度也越来越大,需要人们能够及时准确地完成各种侦察或作战任务。不过,面对各种复杂的环境,如宇宙星体日夜温度变化剧烈、地形高低起伏明显、战场情况的突发性和多变性等,由于生理原因,人们常常束手无策。鉴于此,电动车的自动遥控技术得到广泛研究。而其控制核心单片机技术的发
8、展更是日新月异。如今单片机已经经历了4位单片机,8位低档单片机,8位高档单片机,16位单片机。现在正向高性能、高速度、高集成度、大容量、多功能、低功耗、加强I/O能力及结构兼容的32位和双CPU方向发展。本文就是运用了单片机技术控制简易电动车运行过程。系统中根据命令来控制电动小汽车的启动、停止、返回,并且能自动避开障碍物,前行或后退,并且可以利用光电检测器检测路上的障碍物,控制电动小汽车行使状态,并自动记录往返距离,在整个行程中如果遇到正前方的障碍物将倒退一段距离后拐弯后正向前行。1.3发展趋势和方向智能电动小汽车是微型行走机器人的一种,它在各种复杂地形上都具有较高的机动性,可以进入人类无法进
9、入或生存的环境,适用于国防及民用等多个领域,在反恐斗争中也可以发挥很大作用。这种车辆的主要应用领域包括以下几个方面:(1)军事侦察环境探测可以探测各种人类无法进入或适应的环境,完成规模战争和反恐作战中的侦察任务。在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备,通过无线电或光缆操纵,完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务。从在洞穴或房屋中进行搜寻,到边界巡逻监视,都有微型智能车辆的身影。(2)高度机动独立作战善于具有在复杂地形中的高机动能力,它能快速完成侦察、警戒、追击等多种作战任务。在战时,可在车上装备机枪、榴弹发射器、导弹发射架等武器装备,使之具备强大的攻击
10、杀伤力。曾有专家预测,未来战争将是在人的控制下智能无人化机器直接交锋的战争(3)探测危险排除险情在战场上或工程中,常常会遇到各种各样的意外。这时,智能化微型车辆就会发挥很好的作用。美国军方曾广泛使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找地雷和销毁地雷。民用方面,可以探测化学泄漏物质,可以进行地铁灭火,以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。(4)安全检测受损评估 在工程建设领域,可对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测之外,还可应用于码头、桥墩等被撞后的受损程度探测评估。在制造领域,可用于工业管道中机械损伤,裂纹等缺陷的探寻,对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。这种特殊机器人技
11、术集机械、电子、新材料、传感器、计算机、智能控制与网络通信等多门科学于一体,对这种车辆的研究,将为未来地面战争、反恐事业和民用工业的发展提供技术上的有力支持。1.4研究中存在的问题在本设计中,智能小车的检测和控制核心是采用单片机控制系统。路面黑色引导线检测使用光电开关,通过对汽车运行位置检测,校正行车路线,实现小车的自动调向;障碍物检测采用红外传感器,小车行驶的速度和路程的测量利用霍尔传感器,并通过软件编程实现自动小车在不同路段行驶速度的自动变化;小车准确入库停车的光强度检测采用光敏电阻;小车行驶时间,路程和路面金属板块数用LED数码管显示。基于这些性能可靠的硬件设备,配以一套独特的计算程序,
12、小车准确驶入车库,完成预定任务。本系统先以双电源开始调试,发现所有的开关器件很难稳定地给单片机送正确值,只有当更换新电池或小车刚刚启动时才会很准确,经过思考,这都是开关元件消耗电量很大的原因,一旦电池电量不足其工作将会很难进行,于是本系统将所有开关器件划成一个部分,由一块电池专门供电。 在前轮PWM驱动转向电路运行中,本系统发现,电机只给一个转向力,但保持长期转向时,电机的转动由于受到强行制动而处于一种相对静止的状态,导致PWM驱动电路产生大量的热量,本系统既利用软件使其尽量减少长期单向转动状态,又在硬件上,在PWM驱动板上涂上了一层散热胶,即使发热,也不会烧坏PWM驱动电路。 在安装上避障用
13、光电开关之后,它与其它所有开关元件共用同一电源,在运行时发现三个用于寻迹用的开关元件不能全部正常工作了,据分析,避障用光电开关由于探测距离远,功率大,很可能影响其他元件改用单一电源供电后,小车就能正常工作。在所有电源开启后,系统即进入6秒钟倒计时状态,6秒钟倒计时完毕之后,有时后轮电机不能正常启动。经分析,这是属于正常情况,因为其启动需要克服很大的惯性,而其电源又不能在瞬间提供很大的电流,所以就没有动静。此时,关掉单片机电源,再重新打开后即可进入正常状态去正常运行。本设计在硬件上,使用了多种传感装置,实现对小车的准确定位和探测,充分利用了CPU的强大功能,在软件的配合下,实现了题目的要求。第二
14、章 设计要求与原理分析2.1 设计要求与原理分析本系统基本要求如下:(1)电动车启动和停止为遥控方式,声、光、磁、电、波等不限,遥控电路不得采用成品需要自己设计制作。(2)电动车一旦启动,由程序完成各种行走方式。例如:正8反8行走,其他方式自定。(3)其他功能:如前方有障碍的避让,或退时有障碍的识别等,自行决定增加与否。根据设计要求,认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题,并且输入量属于低速开关量,对于低速开关量复杂程序控制应用单片机技术比较合适,初步计划使用MCU作为核心器件来完成本设计。2.2 机械系统分析在题目中要求电动小汽车正8反8行走,在考虑场地大小的情况,因此选用最小回转半径小于
15、0.8m的电动小汽车,考虑到能精确控制电动小汽车的转弯半径,市售的电动小汽车的前轮转弯司服机构多数为开关量控制(要么不转弯、要么以最小半径转弯)在此初步考虑要对前轮转弯司服结构进行改造。2.3传感器设置与布局分析通过对题目的分析得出如下几大需要检测的物理量:(1)障碍物位置;(2)地面金属的位置;(3)小车行走速度。对于这几大物理量分别使用:(a)红外探测器;(b)金属探测器;(c)光电编码盘。另外对时间的检测可由单片机自身时钟得到,对金属片的检测可由单片机的延时功能得到,对小汽车运行路程的检测采用“光电编码盘”和“红外探测器”。在传感器的布局上(如图2-1示)拟采用以下方案:a) 前左侧红外
16、探测器、前右侧红外探测器、后左侧红外探测器、后右侧红外探测器,为电动小汽车规避障碍物提供近距位置参数。b) 超声波探测器测远距离物体,与红外线探测器构成避障系统。c) 光电编码盘探测器,为小汽车提供运行路程信息、行走时间记录。d) 中央金属探测器,为小汽车寻找“金属”提供开关量信息。后左侧红外探测器前右侧红外探测器后右侧红外探测器前左侧红外探测器正前红外探测器正前超声测距探测器中央金属探测器20cm光电探测器空间光学滤波器步进电机简易光电被动雷达示意图图2-1传感布局图第三章 方案论证与系统原理框图3.1 传感器的选型与工作方式选取3.1.1红外探测器的选型与工作方式1)红外探测器的选型红外探
17、测器以其发射功率大、抗干扰能力强而在工业生产中有着广泛的应用,红外探测器按其工作模式可大致分为主动式与被动式,主动式红外探测器自带红外光源,通过对光源的遮挡、反射、折射等光学手段可以完成对被探测物体位置的判别。被动式红外探测器本身没有光源,通过接受被探测物体的特征光谱辐射来测量被探测物的位置、温度或进行红外成像。在本体中要利用红外探测器检测黑白两种不同的灰度和障碍物的距离,显然选用主动式红外传感器比较合适,系统的造价可以降低可靠性可以提高。红外发光管红外接收管分立元件型透射遮挡型反射型图3-1主动式红外探测器的形式主动式红外传感器又可分为分立元件型、透射遮挡型和反射型(如图3-1示),分立元件
18、型发光管与接收管相互独立,用户在使用时可以根据需要灵活的设定发光管与接受管的位置,并可利用棱镜、透镜等完成特殊的目的,缺点是装置麻烦。透射遮挡型和反射型通过塑料模具将发光管与接收管封装在一起,非常方便用户使用,在本设计中“码盘红外探测器”使用透射遮挡型而对黑白灰度和障碍物的检测使用反射型。2)主动式红外探测器的工作方式选取主动式红外探测器常用的驱动方式可分为直流直接驱动方式和交流调制方式,直流直接驱动方式装置简单但检测距离和抗干扰能力都比较差;交流调制方式由于可以采用交流耦合方式,解决了放大器的直流漂移问题从而可以大大提高检测的距离,同时由于环境光产生的干扰多数情况是信号的直流或低频分量可以由
19、滤波器加以隔绝,因此交流调试方式抗干扰能力也比较强,缺点是系统相对复杂。在本设计中对障碍物的检测受到环境光(特别是200W白炽光源)的干扰比较大,因此选用抗干扰能力较强的交流调制工作方式;而对黑白灰度的检测由于在车的底部干扰相对较弱,为简化设计选用直流直接驱动方式。3.1.2超声探测器的选型与工作方式1)超声探测器的选型超声探测技术主要用于中程测距、结构探伤等领域,超声波换能器是其核心部件,换能器按其工作介质可分为气相、液相和固相换能器;按其发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器;按其工作频率又可分为38KHz、40KHz等不同等级。按题目要求选用气相、窄波束、40KHz的超声波换能器。2)用
20、超声波探测器测距的工作方式的选取直接耦合信号被测物反射信号图3-2强度法示意图图3-3反射时间法示意图T1T2当利用超声波探测器测距时常用二种方法强度法和反射时间法,强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离,被测物越远其反射信号越弱,根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近,但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除,在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效其原理如图3-2示,由于直接耦合信号的影响强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图3-3示,对于距离较
21、短和要求不高的场合可认为空气中的声速为常数,通过测量回波时间T利用公式其中,S为被测距离,V为空气中声速,T为回波时间(),可以计算出路程,这种方法不受声波强度的影响,直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服,因此这种方法非常适合较远距离的测距,如果对声速进行温度修订,其精度还可进一步提高,本设计中选用此方法。3.1.3 金属探测器的选型金属物体的非接触探测常用的方法有两种,对于铁、钴、镍等磁性金属常使用磁场传感器如霍尔器件,而对一般的金属材料通常利用磁路敞开的线圈来进行检测,当金属材料靠近磁路敞开的线圈时,线圈的电感量和Q值都会改变,通过测量线圈这两个参量的变化就可以知道金属材料
22、的位置,电感量的测量一般是将线圈接入到LC振荡器中,用测量频率的方法来间接的测量电感量,但由于电感量的变化不会很大加上LC振荡器的频率稳定度比较低,事实上这种方法并不理想。线圈的Q值测量比较麻烦,但很多情况并不需要精确的知道Q值,只需知道Q是否改变就可以了,比较成熟的方案是将线圈接成阻尼可调的振荡器,并调节阻尼电阻使线路刚刚起振,由于绝大多数金属接近线圈时都会使线圈的Q值降低从而使线路停振,这样通过检测线路是否振荡就可以知道金属是否靠近。本设计中选用此方法。3.1.4 光电探测器的选型光电探测器一般特制可见光光谱范围的光电探测器,包括光电导探测器、光伏型探测器、倍增管等,本设计中可见光源是20
23、0W功率的白炽灯,功率较强,因此不必选用适合微光照探测的光电倍增管,同时光源光强相对比较分散选用热释电探测器(如碳斗)也不合适,光电导探测器温度、线性和稳定性不好,一般用于特殊光谱范围的测量同样不适合本设计,综合考虑以上因素光伏型探测器以其价廉、驱动电路简单而成为本设计的首选。光伏型探测器又可分为光电二极管、PIN探测器、光电三极管和雪崩光电管(APD),光电二极管量子效率较低,光点三极管漏电流较大,APD驱动电路复杂造价较高都不适合,因此选用硅材料(可见光光谱范围)的PIN探测器。可见光光电探测器抗干扰能力较差,非常容易受到环境光的干扰,同时由于本设计中光源未经调制,因此仅靠电子线路自身的设
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