基于C8051F005小車行駛自動控制

ID:229453 · 發(fā)表于 2017-8-31 10:14

摘要

本系統(tǒng)采用單片機(jī)C8051F005作為核心器件對小汽車行駛的自動控制。控制過程是利用反射型光電傳感器識別路面黑線信息，保證小車能夠有效的尋跡和停止。采用角度傳感器測量坡度，通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的處理，完成電動小汽車在蹺蹺板處于任何角度時的速度及方向控制。利用PWM （脈寬調(diào)制）技術(shù)控制直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速，時間用數(shù)碼管顯示。本設(shè)計(jì)共使用五支反射型光電傳感器，其中利用四支控制車輪的轉(zhuǎn)向，一支控制前進(jìn)、停止。整個系統(tǒng)較好的實(shí)現(xiàn)了題目的要求，達(dá)到了較高的性能指標(biāo)。

一、方案的論證與選擇

根據(jù)題目的基本要求，分別對系統(tǒng)各模塊進(jìn)行論證。

1、單片機(jī)的選擇

方案一：采用傳統(tǒng)的89C51芯片作為小車的控制中心。51單片機(jī)具有價(jià)格低廉使用簡單等特點(diǎn)，但其運(yùn)算速度較低。功能比較單一，內(nèi)部資源比較少，在對小車進(jìn)行控制時必須外擴(kuò)芯片，且本系統(tǒng)需要A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊但89C51中沒有，需要外加，控制過程相對比較繁瑣。

方案二：采用單片機(jī)C8051F005作為控制中心。C8051F系列單片機(jī)的指令系統(tǒng)與傳統(tǒng)的80C51單片機(jī)完全兼容，且單片機(jī)C8051F005具有豐富的內(nèi)部資源，并且包含12位精度的A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，方便了模擬、數(shù)字信號的轉(zhuǎn)換，不需要再外加A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊，并且由于采用流水線技術(shù)，比標(biāo)準(zhǔn)51系列單片機(jī)快約12倍，除此之外C8051F系列單片機(jī)還具有操作簡單，在線下載易于調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，完全適合于對小車的控制。尤其是其具有豐富的中斷源為接收傳感器的信息提供了很大的方便。

基于上述分析，所以選擇方案二。

2、電動機(jī)驅(qū)動調(diào)速模塊的選擇

方案一：采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動源，此種方案可以輕松地達(dá)到調(diào)速的目的，但是在原有的小車結(jié)構(gòu)上找到合適的步進(jìn)電機(jī)比較困難，同時也加大了系統(tǒng)的復(fù)雜程度，更提高了硬件改造的困難程度，而且步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格也比較高。

方案二：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。PWM電路由四個大功率晶體管組成H橋電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀態(tài)，通過調(diào)整輸入控制脈沖的占空比，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于管子只工作在飽和和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高。H型電路使實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制簡化，且電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。

基于上述分析，擬采用方案二。

3、路面黑線探測模塊的選擇

探測路面黑線的工作原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否到達(dá)黑線

方案一：不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射—接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境干擾；但如果直接用直流電壓對管子進(jìn)行供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在10mA左右，仍然容易受到干擾。

方案二：采用電光開關(guān)（E3F-DS0C4），此電光開關(guān)默認(rèn)為低電平，當(dāng)檢測到黑線時會輸出高電平給單片機(jī)，從而產(chǎn)生中斷。此電路有助于降低輸入阻抗且硬件電路簡單易于軟件控制，還可以有效將光電檢測結(jié)果送入單片機(jī)處理。

基于上述考慮，擬采用方案二。

4、顯示選擇

方案一：采用靜態(tài)驅(qū)動法。輸出一次顯示數(shù)據(jù)后，所有數(shù)碼管可以一直保持顯示，只需要改變顯示內(nèi)容時才重新發(fā)送一次顯示數(shù)據(jù)，但實(shí)時性差，不宜采用。

方案二：采用動態(tài)驅(qū)動法原理。每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當(dāng)每只數(shù)碼管顯示的時間間隔小于1/16S時人眼感覺不到閃爍，看到的是每只數(shù)碼管常亮。

以上兩種方案綜合考慮，采用方案二。

5、電源的選擇

方案一：雙電源供電。用兩個電源分別給控制系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)供電將兩個系統(tǒng)完全隔離，利用光電耦合傳輸信號，這樣做雖然可以將電動機(jī)驅(qū)動所造成的干擾大大降低但操作復(fù)雜不如單電源方便靈活。

方案二：采用單一電源（6節(jié)AA電池）供電方案，并在單片機(jī)與電機(jī)驅(qū)動電路間采用了光電耦合器進(jìn)行連接，這樣既能簡化電路，提高了電源的可靠性，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

基于上述分析，擬采用方案二。
二、系統(tǒng)框圖及工作原理

圖2-1給出了系統(tǒng)組成框圖，數(shù)據(jù)采集通過反射型光電傳感器完成對黑線的檢測，并以電信號脈沖的形式送入單片機(jī)的中斷源，五支反射型光電傳感器依圖由上至下順序分別與單片機(jī)的P1.6、P1.7、P0.2、P1.5、P1.4相接，單片機(jī)對送來的信號進(jìn)行分析、處理，角度傳感器將采集的信息通過A/D模塊進(jìn)行采集，經(jīng)處理后發(fā)出指令對小車實(shí)施控制，使電動車在行駛中速度得以調(diào)整。另外，單片機(jī)通過內(nèi)部時鐘對行駛時間進(jìn)行記錄并顯示。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

1、電機(jī)驅(qū)動電路模塊

電動機(jī)PWM驅(qū)動模塊的電路見附圖2。本電路采用的是基于PWM 原理的H型驅(qū)動電路。該電路采用TIP122和TIP127大功率達(dá)林頓管，以保證電動機(jī)啟動瞬間的電流要求。

電路工作過程：當(dāng)40106的1腳為高電平，5腳為低電平時，Q1、Q4管截止，電動機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)40106的1腳為低電平，5腳為高電平時，Q2、Q3管截止，Q1、Q4管導(dǎo)通，電動機(jī)反轉(zhuǎn)。

控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為5V電源，因此若達(dá)林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身的壓降，加到電動機(jī)兩端的電壓就只有4V左右，減弱了電動機(jī)的驅(qū)動力。基于上述考慮，我們運(yùn)用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動機(jī)的驅(qū)動部分隔離開來，這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動電流得到了大大的增強(qiáng)。

至于40106的1腳與5腳這對控制電壓，我們采用了200KHz的周期信號控制，通過對其占空比的調(diào)整，對車速進(jìn)行調(diào)整。最小脈沖為0.2ms，可以滿足車速調(diào)整的精度要求。同時，可以通過40106的1腳與5腳的切換來控制電動機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。

2、傳感器模塊

2.1 反射型光電傳感器

光電傳感器在受到可見光照射后即產(chǎn)生光電效應(yīng)，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。它除能測量光強(qiáng)之外，還能利用光線的透射、遮擋、反射、干涉等測量多種物理量，如尺寸、位移、速度、溫度等，因而是一種應(yīng)用極廣泛的重要敏感器件。本系統(tǒng)采用了反射型光電傳感器，利用黑色尋跡線對光反射很弱，使傳感器輸出低電平傳給單片機(jī)。單片機(jī)輸出相應(yīng)的指令從而控制小車的轉(zhuǎn)向。本設(shè)計(jì)共使用五支反射型光電傳感器，前左、前右傳感器安裝在兩前輪中間位置并分別與單片機(jī)P1.6、P1.7口相接，控制小車前輪的轉(zhuǎn)向，后左、后右傳感器安裝在兩后輪中央，與P1.5、P1.4口相連，控制小車的前進(jìn)、后退，中傳感器安裝在車體中間一側(cè)位置并與單片機(jī)P2.0口連接，用于檢測橫向黑線，控制小車的行駛、停止。當(dāng)傳感器檢測到信號后，傳給單片機(jī)產(chǎn)生中斷，并發(fā)出相應(yīng)指令調(diào)速。保證小車能夠有效的尋跡和停止。

2.2 角度傳感器

角度傳感器經(jīng)常用于系統(tǒng)的水平測量，從工作原理上可分為“固體擺”式、“液體擺”式、“氣體擺”三種傾角傳感器，本系統(tǒng)采用的是固體擺式角度傳感器AME-B001，其輸出為模擬量，轉(zhuǎn)角范圍是0～360度，輸出電壓范圍是0.5～4.5V ，平衡位置電壓約為1.7V。此傳感器具有磁鋼位置未對準(zhǔn)自動補(bǔ)償；故障檢測功能；非接觸位置檢測功能，是滿足苛刻環(huán)境應(yīng)用需求的理想選擇三個優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)坡度的不同，單片機(jī)通過A/D模塊采集到不同的電壓，再根據(jù)電壓值的不同控制小車上下坡的速度，從而防止小車上坡時因?yàn)樗俣刃《荒芘郎霞跋缕聲r因?yàn)樗俣冗^大而沖下蹺蹺板，保證了小車在上下坡時的正常行駛。小車在蹺蹺板上行駛受重力G、支持力N、電機(jī)的拉力F拉和與行駛方向相反的摩擦力f，蹺蹺板與地面夾角為θ。受力情況分析如下圖所示。

圖2 小車受力分析

若使小車在蹺蹺板上保持勻速行駛，則應(yīng)受力平衡，故水平方向應(yīng)滿足：

經(jīng)受力分析可知：f=Ug； N=Gcosθ.經(jīng)推倒可得出拉力與θ的關(guān)系為：

根據(jù)拉力與電機(jī)扭力的關(guān)系：F拉= X%*F扭即可得出傾角θ與電機(jī)扭力的關(guān)系：

.

3、顯示電路模塊

動態(tài)驅(qū)動法對數(shù)碼管的筆畫端與公共端都加有驅(qū)動電路。將數(shù)碼管的筆畫端連接在一起，驅(qū)動電路將顯示字形碼（段碼）同時加在每只數(shù)碼管上。各個數(shù)碼管的公共端分別使用驅(qū)動器件驅(qū)動。任意一個時刻只有一只數(shù)碼管的公共端被驅(qū)動（位碼），故只有該數(shù)碼管能顯示。其他數(shù)碼管由于公共端未被驅(qū)動，即使筆畫端加有段碼驅(qū)動也不會顯示。位驅(qū)動電路不停地輪流驅(qū)動每一只數(shù)碼管，段驅(qū)動同時輸出被驅(qū)動的數(shù)碼管的段碼，這樣每只數(shù)碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當(dāng)每只數(shù)碼管顯示的時間間隔小于1/16S時人眼感覺不到閃動，看到的是每只數(shù)碼管常亮。電路原理圖見附圖3 所示。

4、電源電路模塊

本設(shè)計(jì)采用單電源供電，具體電路見附圖4所示。

四、系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

采用兩根跳線通過三次切換,實(shí)現(xiàn)題目要求的功能。

基本要求1、2程序流程圖

由于基本要求部分的實(shí)現(xiàn)功能基本相似，只是蹺蹺板的狀態(tài)不同，故基本部分采用一個流程圖，見附圖6。

先將蹺蹺板固定在水平狀態(tài)，電動車從起始端A位置出發(fā)，行駛蹺蹺板的全程（全程的含義：電動車從起始端A出發(fā)至車頭到達(dá)蹺蹺板頂端B位置）。停止5秒后，電動車再從蹺蹺板的B端倒退回至蹺蹺板的起始端A，電動車能分別顯示前進(jìn)和倒退所用的時間。前進(jìn)行駛在1分鐘內(nèi)、倒退行駛在1.5分鐘內(nèi)完成。

蹺蹺板處在圖1所示的狀態(tài)下（配重物體位置不限制），電動車從起始端A出發(fā)，行駛蹺蹺板的全程。停止5秒后，電動車再從蹺蹺板的B端倒退回至蹺蹺板的起始端A，電動車能分別顯示前進(jìn)和倒退所用的時間。前進(jìn)行駛在1.5分鐘內(nèi)、倒退行駛在2分鐘內(nèi)完成。流程圖見附圖6。