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1、题目名称：智能车模型（C题）摘要：本智能车采用两片单片机控制，其中一片MCU主要控制小车行走，另一片控制LCD显示。采用三个电源，通过反射式红外发射接收器对黑色引导线自动寻路以及检测小车行驶的距离，同时通过金属探测器，计数行驶过程中探测到的金属，并用LCD实时显示金属个数还有时间、距离与速度。关键词： 电机控制 金属探测 轨迹、距离检测 LCD显示一、方案认证和比较11.1轨迹采样方法的比较和选择11.2 金属探测方法的比较和选择11.3 处理器的方案11.4 显示方案的决定11.5 电机的比较和选择2二、系统的设计22.1总体设计22.2 硬件系统设计32.2.1车动力系统：32.2.2 车
2、转弯系统32.2.3三电源供电系统：32.2.4金属探测报警系统32.2.5 寻轨系统42.2.6 测速系统，测路程，计时系统4三、系统调试5四、总结6参考文献：6附录7一、方案认证和比较1.1轨迹采样方法的比较和选择方案一：采用普通的发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，该方案在实际使用时，容易收到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。虽然可采取超高度发光二极管降低一定的干扰，但这又增加额外的功率损耗。方案二：脉冲调制的反射式红外发射接收器。由于采用带有交流信号的调制信号，则可大幅度减少外界干扰；另外，红外
3、发射接收管的最大工作电流取决于平均电流，如果采用占空比小的调制信号，在平均电流不变的情况下，瞬间电流很大（50100mA），则大大提高了信噪比。实验中，我们发现它对黑色物体的检测效果好，测试其反映速度约为5us，外围电路也很简单。能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性。1.2 金属探测方法的比较和选择方案一：采用磁铁控制的机械开关。磁铁原理如左图所示，将磁铁粘于杆的一端，杆另一端粘于开关，当有金属经过时，吸引磁铁向下，触动开关产生信号。接于开关金属片但是该方法精度不高，很不稳定，机械不好构造，无法满足要求。方案二：直接使用LGA12M-5N1金属探测器，有效距离5mm。效果稳定，符合需求。1.
4、3 处理器的方案因为需要用到的I/O口比较多，只用一片单片机I/O口会不够用，同时为了方便控制，我们采用了两个51单片机，分别控制LCD显示和控制小车动作。控制LCD显示的MCU有时间、路程、速度、金属检测模块，控制小车动作的MCU有黑线、金属检测、电机控制模块。1.4 显示方案的决定显示可采用LCD和LED两种方案。照顾到题目要求显示多个参数和为了简化电路和算法。我们决定采用，用户界面良好的LCD1602来实现显示。1.5 电机的比较和选择方案一：使用两个直流机。一个电机用来控制前轮的方向转动，后轮采用PWM控制电机前进速度。直流机的扭矩大，但是不好控制，且不易于立即停止。方案二：使用两个步
5、进机对后轮驱动。转弯时，只需控制一边的步进机的速度小于另一边的速度。采用两个步进机控制很方便，但是两个步进机与小车一起的机械结构不好构造。方案三：前轮直流机驱动，后轮步进机驱动。利用直流机的扭矩大的特性，控制转弯。利用步进机的精确步进来控制小车前进、加速、减速、前进。采用此方案符合要求。二、系统的设计2.1、总体设计本设计分为两个MCU共6个模块：前轮直流机驱动电路、后轮步进机驱动电路、轨迹探测模块、测距、测速及显示模块、金属探测模块。前轮舵机驱动电路用于转向控制；后轮步进机驱动电路用于速度控制；探测模块利用反射式红外发射接收器对黑色轨道进行寻迹；金属探测模块用于检测路过路径中探测黑线中和黑线
6、外的金属。控制显示部分的MCU： 控制小车的MCU：单片机测距测速计时模块LCD显示模块金属探测模块单片机前轮舵机转弯控制后轮二相励磁驱动电路轨迹探测模块金属探测模块2.2 硬件系统设计2.2.1车动力系统：驱动电路使用步进机进行驱动。实际电路图如下：所用到的步进机的型号是PM42L-048-SYMG ，工作电压2V24V，两相四线。2.2.2 车转弯系统前轮的转弯控制采用舵机转弯控制，舵机用调速控制芯片L298控制正反转。2.2.3三电源供电系统：为确保在行驶过程小车各部件均能正常工作且相互之间不收影响，我们使用了三组电源为不同模块提供工作电压。其中：其中一组12V电源为步进电机供电，另一组
7、6V电源为直流机供电，一组5V为控制电路供电。如此安排既满足了电机、电路的供电要求，也不会使电路系统因电压过大而烧坏，同时避免了各个系统之间的干扰。2.2.4金属探测报警系统金属探测系统采用FELING公司的LGA12M-5N1金属探测器。工作电压6V到36V，工作电流20-200mA，有效探测距离为5mm。我们采用P3.5，P3.6，P3.7作为金属探测器的接口，当出现低点平时为检测出金属。将其安装于车头，分中间和两侧安装。当检测到有金属时，输出至LED指示报警。2.2.5 寻轨系统将9个反射式红外接收器分布于小车头部，检测到黑线时，信号分别经过LM324比较电压，并把比较后得到的信号传送给
8、单片机的P0口检测，检测黑线输出为高电平，否则 为低电平。我们在车轮上加贴8条黑色贴纸。检测电路同上图中寻轨电路，用T1计数器计数。由于车轮周长为27cm。计数其每加1则轮子前进3.7cm。将T0定时器设定周期为0.05秒，20次即为一秒。每将T1的值乘以3.7cm即可得到路程值。每隔1s将路程值相减即可得到速度值。2.2.6 测速系统，测路程，计时系统车轮外示意图如图所示。当检测到黑线，T1计数器加12.3 软件系统显示部分MCU软件流程开始定时计算设置LCD初始化数据初始化显示按开始是否检测到金属是否计数到1S 处理金属个数、距离时间、速度、距离处理并显示YNYNYN开始初始化是否按下开始
9、键是否检测到黑线是否检测到金属属是否检测到尽头黑线处理金属处理、停止5秒停止NYNNNY控制部分MCU软件流程三、系统调试系统功能：该智能小车以宽度20mm，弧半径500mm黑色引导线为作为引导完成左行90，和右行90，并直行等功能。并实时检测并显示小车速度、行驶路程、行驶时间和检测到的金属数目和金属位置。在检测到铁片时能提示，会停车5秒并报警。并在引导线中间断开时仍能够在规定时间内完成整个路程。测试表 直道最大速度（cm/s）直道最小速度(cm/s)完成时间测量总路程（cm）轨道上金属数轨道外金属数金属总数球丢落次数金属1位置金属2位置金属3位置金属4位置金属5位置外金属6位置外1851:4
10、1224415021cm82cm149cm181cm120cm171cm2751:43227426020cm80cm149cm179cm120cm未测3851:40219415019cm80cm150cm180cm119cm170cm结果分析：最大速度与最小速度均能较好的符合要求。记录的完成时间，测量的路程均符合要求，很好的符合了行走的任务。轨道内的金属均能检测到，但轨道外的金属有一次为能检测到，主要原因是舵机拐弯时偏离金属片，正好没有检测到金属。其他次检测都符合要求。小车行走稳定，小球未曾丢落。该项符合要求。总体上我们得小车符合实验要求。性能表现良好。四、总结本系统以两个51单片机为核心控制
11、器，分别控制LCD显示信息，和小车动作。自动进行黑线寻轨，和金属检测。以我们测试的数据来看我们的系统架构设计合理，功能电路实现较好，系统性能优良、稳定，我们的小车较好地达到了题目要求的各项指标。参考文献：【1】 51单片机C语言应用程序设计实例精讲/戴佳 戴卫恒 编著电子工业出版社，2006.4【2】童诗白,华成英.模拟电子技术基础M.北京:高等教育出版社,2001.【3】MCS-51单片机应用开发实用子程序/ 边春元 王志强 编著人民邮电出版社，2005.9【6】8051单片机实践与应用/ 吴金戎 沈庆阳 郭庭吉编著清华大学出版社，2002.9【7】机器人设计与控制/美 丹尼斯.克拉克 科学
12、出版社，2004.附录控制MCU程序清单; 小车控制程序;-RTURN BIT P1.5 ;左转LTURN BIT P1.6 ;右转BEGAIN BIT P1.0 ;开始的按键STOP_KEY BIT P11MIDDLE BIT P0.4 ;中间探测器LEFT BIT P0.5 ;左边探测器RIGHT BIT P0.3 ;右边探测器 LLEFT BIT P0.6 ; 次左边探测器RRIGHT BIT P0.2 ; 次右边探测器LLLEFT BIT P0.7 ;最左边探测器RRRIGHT BIT P0.1 ;最右边探测器LLLLEFT BIT P3.1RRRRIGHT BIT P3.2METAL
13、1 BIT P3.5 ;金属探测1METAL2 BIT P3.6 ;金属探测2METAL3 BIT P3.7 ;金属探测3METAL4 BIT P3.4METAL5 BIT P3.3METAL_ALARM BIT P3.0ORG 00HJMP STARTSTART: CLR LLLLEFT CLR RRRRIGHT MOV P2,#00H MOV P0,#00H SETB P17 SETB STOP_KEY SETB LTURN SETB RTURNLOOP: JNB BEGAIN,FOR2 ;按钮按了没 JMP LOOPFOR2: CALL DELAY1 JNB BEGAIN,$ CALL DELAY1 JMP FOR3FOR3:FOR33:MOV R0,#00H ;开始时的速度FOR4: MOV A,R0 MOV DPTR,#TABLE MOVC A,A+DPTR JZ FOR33 CPL A MOV P2
