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1、北京化工大学北方学院毕业设计（论文）电磁感应智能小车的设计陈阳自动化专业 自控0905 学号090204111指导教师 赵燕摘 要该论文主要任务是通过电磁感应原理设计自动寻迹的智能小车。该设计通过传感器对线路进行检测，采集信号，再将检测线圈输出的感应电动势经过放大和必要的处理，最后提供给智能车的飞思卡尔单片机进行A/D转换采样，以获取赛道的位置。智能车单片机A/D输入端需要05V之间的单极性电压，因此采用以下方法进行采样： 将检测线圈输出的频率20KHZ，大约毫伏级的信号放大，放大倍数约为1000倍，然后进行幅度检波转换为直流电压，单片机对每路检测信号只采样一次就可以知道信号大小，巡回采集多路
2、电压进行比较，通过找到最大值实现赛道定位。与此同时，我们通过制作传感器来采集模拟信号，然后传给单片机，然后c语言编程来实现小车位置的判别以及控制小车采取相应动作。关键词：单片机 传感器 c语言Electromagnetic induction intelligent car designAbstract The paper main task is through the electromagnetic induction principle to design automatic tracing of smart car. This design through the sensor to
3、test the circuit, acquisition signals, then test coil output of the induced electromotive force through amplifier and the necessary processing, and finally to provide intelligent car freescale MCU A/D conversion sample, in order to get the position of the track. Smart car single chip A/D input need
4、single polarity between 0 5 v voltage, so the sample using the following methods: Will detect the coil output frequency of the 20 KHZ, about millivolt level of signal amplifier, about 1000 times magnification, and then to convert the amplitude detection of dc voltage, single chip microcomputer to ea
5、ch road detection signals sampling only one can know size, voltage comparison circuit to collect multiple . At the same time, we produced by the sensors to collect analog signal, and then to the microcontroller, and c language programming to realize the car position determination and control of the
6、car to take action accordingly. Key words: Microcontroller Sensor C language目 录绪 论1设计方案介绍1第1章 硬件方案介绍2第1.1节 路径识别模块2第1.2节 电机驱动模块4第1.3节 传感器放大模块6第2章 软件方案介绍8第2.1节 单片机介绍9第2.2节 控制器最小系统10第3章 系统控制软件设计13第3.1节 主程序设计13第3.2节 中断服务程序15第3.3节 控制程序设计18第4章 调试与检测20附 录21程序清单21致 谢26I绪 论随着科学技术的飞速发展，人们对生活的要求越来越高，特别是对交通工具的智
7、能方面的要求，除此之外，随着在企业中越来越追求工作效率和生产成本，迫切的要求以最低的成本生产出所需要的产品，在这种种的社会的条件下，人们越来越重视机器智能方面的研究，在众多的研究当中，交通工具的智能研究就是其中的一个热点问题，而智能小车的研究就是一个很好的代表。所谓的智能小车，就是集路面环境探测、卫星导航、自动行驶和有自己的决策能力等功能为一体的小车，它综合运用了计算机、通信、导航和自动化控制等技术。正因为智能小车的功能强大和比较实用，同时对智能小车的研究有很大的发展空间，所以智能小车的研究得到了国内外科学家的重点关注。智能小车的研究是一个很有意思的科研问题，得到了很多大学生的关注，他们在学校
8、期间学习很多与之相关的知识，同时做很多与之相关的实验。现在国内的很多电子设计大赛都有与智能小车相关的题目，在大赛中设计出来的这些小车能实现很多方面的功能，例如避障、循迹等。 本系统主要实现了智能小车的左转，右转，停止等功能，在一个交变磁场为引导信号道路中，根据电感线圈的路径识别模块，单片机得到采集到的信号，通过采集到的信号来改变输出的PWM波的占空比，从而使两个直流电机的转速不相同，来控制小车的运行方向。程序采用了C语言进行设计，主程序采用了循环模式的设计，子程序则为功能模块设计，由主程序进行调用。设计方案介绍本论文主要对智能小车软件系统进行了研究。整个硬件系统由路径检测系统和单片机最小系统组
9、成。论文首先对检测系统作了详细的分析，接着对单片机最小系统的各个组成部分作了详细的说明，同时在论文中对所用到的传感器，电机等阐述了其原理。系统整体设计基于单片机的控制，由单片机作为主控制器进行各部分的协调工作，在熟悉硬件的基础上编程实现软件功能。本系统先简单介绍智能小车系统的构成与特性，再详细讲述基于AT89S52单片机的智能小车系统的软件功能的设计与实现。第1章 硬件方案介绍整个硬件系统由路径检测系统和单片机最小系统组成，路径检测系统检测到磁场的变化情况，以信号的形式传送给单片机，单片机最小系统接收并处理检测系统传送过来的信号，把处理好的信号后采取PWM 调速法来改变直流电机的转速，从而控制
10、小车的行驶。小车识别硬件系统的整体结构如下图所示，图1.1 硬件系统结构路径检测系统是整个小车硬件系统的前端部分，是比较重要的一部分，不可缺少的。在整个系统中，路径检测部分能否准确的检测到磁场传感器传来的信号，对小车的行驶来说是很重要的。如果路径检测系统能够准确的检测到信号，并且及时的反馈给单片机系统，这样的话，单片机系统就能及时的处理所接收到的信号，同时将所处理好的信号传输给直流电机，从而控制小车避开前进方向。因而路径检测系统中传感器的选择是很重要的，传感器选择的好的话，会对设计的结果有很大的帮助。 第1.1节 路径识别模块用两个10mH的电感线圈置于车模头部作为确定小车位置的传感器，即双水
11、平线圈方案。使用两个线圈，分别装在小车前方两侧，顺着电流方向竖直放置线圈，此时线圈中的感应电动具有势分布简单，衰减快，远处对近处的干扰小的特点，所以非常适合作为采集信号的传感器。用一根导线产生20KHZ100mA的交变磁场，然后使小车沿着引导线信号的道路行走。根据电磁学，在导线中通入按正弦规律变化的电流，导线周围会产生变化的磁场，且磁场与电流的变化成一定的规律。如果在此磁场中置一由线圈组成的电感，则该电感上会产生感应电动势，且该感应电动势的大小和通过线圈回路的磁通量的变化率成正比。由于在导线周围不同位置，磁感应强度的大小和方向不同，所以不同位置上的电感产生的感应电动势也应该是不同。据此，则可以
12、确定电感的大致位置。靠近磁场的地方磁感应强度越高，远离磁场的地方磁感应强度越低。用两线圈采集到的感应电压对小车的位置做出判断。对于弧形导线若选用左侧线圈电压减去右侧线圈电压，若这个差为正值则说明小车已经偏离直线向左侧转弯，且这个值越大说明偏左越厉害；同理可得，若选用右侧线圈电压减去左侧线圈电压，若这个差为正值则说明小车已经偏离直线向右转弯，且这个值越大说明偏右越厉害。对于直导线，即左侧线圈电压和右侧线圈电压的值差不多，则小车沿着直线向前行走。不同的线圈轴线摆放方向，可以感应不同的磁场分量。在车模前上方水平方向固定两个相距L 的线圈，两个线圈的轴线为水平，高度为h ，为了讨论方便，我们在跑道上建
13、立如下的坐标系，假设沿着跑道前进的方向为z轴，垂直跑道往上为y轴，在跑道平面内垂直于跑道中心线为x轴。xyz轴满足右手方向。假设在车模前方安装两个水平的线圈。这两个线圈的间隔为L，线圈的高度为h，参见下图5所示。左边的线圈的坐标为（x,h,z），右边的线圈的位置(x-L,h,z)。由于磁场分布是以z轴为中心的同心圆，所以在计算磁场强度的时候我们仅仅考虑坐标(x,y)。由于线圈的轴线是水平的，所以感应电动势反映了磁场的水平分量。根据公式可以知道感应电动势大小。图1.2 感应线圈的布置方案令h=10cm, x(30,+30)cm，可以根据公式计算出感应电动势我们使用相距水平长度为L 的两个感应线圈
14、，并计算两个线圈感应电动势的差值：下面假设L = 30cm ，计算两个线圈电动势差值d E。当左边线圈的位置x = 30的时候，此时两个线圈的中心恰好处于跑道中央，感应电动势差值d E 为0。当线圈往左偏移， x (15,30) ，感应电动势差值小于零；反之，当线圈往右偏移， x (0,15) ，感应电动势大于零。因此在位移030cm 之间，电动势差值d E 与位移x 是一个单调函数。可以使用这个量对于小车转向进行负反馈控制，从而保证两个线圈的中心位置跟踪赛道的中心线。通过改变线圈高度h ,线圈之间距离L 可以调整位置检测范围以及感应电动势的大小。 第1.2节 电机驱动模块 一般来说控制器、功
15、率变换器和电机三个部分组成了电动小车的驱动系统。由于小车的驱动不但要求电机驱动系统具有很宽的调速范围和高可靠性的性能，还有就是电机的转速要受电源功率的影响，就要求驱动具有宽的高效率区。直流电机的控制比较简单，性能比较出众，而且直流电源也比较容易实现。所以本设计的驱动选用了两个直流电机,分别驱动两侧的小车履带,同时也使小车能够方便的达到转弯的目的。采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，加速能力强，采用由达林顿管组成的 H型桥式电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下，效率非常高，H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制，电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片，我选用了L298N。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用使用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。图1.3 H桥式驱动电路L298N内部集成了H桥式驱动电路，从而可以采用L298N电路来驱动电机。通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度
