光电系统设计报告

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1光电智能小车控制器1指导老师:吴裕斌武树斌班级光电0703姓名彭皓学号U2000713863同组人:徐云路鄢伟一谢恒电话158716928212目录一.技术指标……………………………………………………3二.基本原理……………………………………………………..3三.方案论证……………………………………………………..4四.硬件电路设计………………………………………………..7五.软件设计……………………………………………………….11六.心得体会……………………………………………………….12七.参考资料……………………………………………………….12附录3摘要8051单片机是一款高性能的8位单片机,他的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。本次课程设计是以单片机为控制核心,车根据传感器采集到的路况信息,控制转向执行器舵机和直流电机,相应地调整小车的行驶方向和速度,最终的目的是使智能小车快速稳定地沿着黑线跑完全程。整个系统的电路结构简单,可靠性能高。本文介绍了该系统的基本原理,硬件电路设计和软件设计,以及相应的技术指标。关键词8051单片机智能小车循迹光电探测器一.技术指标1.选用51系列单片机2.小车沿跑道行驶3.通过光电方法控制小车运动方向4.采用直流电源供电二.基本原理整个电路系统分为检测,控制,驱动三个模块。首先利用光电对管对路面信号进行检测,经过比较器处理之后,送给软件检测模块进行实时控制,输出相应信号给驱动芯片驱动电机转动,从而控制整个小车的运动。智能小车在华油黑线的白纸“路面”上行驶,由于黑线和白纸对光线的反射系数不同,可根据接收到的反射光强弱来判断“道路”---黑线。因此在该模块利用了简单,应用也比较普遍的检测方法---红外探测法。红外探测法,即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射兴致的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光,当红外光遇到白色地面时发生漫反射,反射光被装在小车上的接收管接受:如果遇到黑线则红外光被吸收,则小车上的接收管接收不到信号。智能小车寻迹系统框图4三.方案论证3.1供电电源关于电源部分,我们采用的是LM1117稳压芯片,它的输出电压为5V,并且具有限流和热保护功能,输出的负载电流可达800mA,基本上能够满足设计要求。3.2驱动部分采用C8051F310单片机作为小车的控制核心。我们把单片机的p0.0,p0.1,p0.4,p0.5端口划分出来,用于可编程计数阵列的8位脉冲宽度调制模式的信号输出。小车使用了两个微型直流电机,分别安装在小车的前后轮,位于后轮的电机是作为动力机,为小车的行驶提供动力;位于前轮的电机是用于控制小车的转向。方向电机控制情况如下:当电机正转,前轮左拐;电机反转,前轮右拐;电机不转,前轮方向不变。小车前进的速度由后电机驱动信号的占空比决定,小车前轮转向的角度由前电机的驱动时间决定。因为电机的驱动电流较大可达数百毫安,所以不能直接通过单片机来驱动。这里我们采用的是驱动芯片,即AE2501B直流电机驱动芯片,它的峰值电流1.50A,持续工作电流550mA,可以满足要求。它的内部电路是桥式驱动电路。它的电源电压范围:3—9V,可直接用电源的5V的电压给它供电。驱动芯片的功能表:InaINbVOaVOb电机1脚8脚6脚3脚HLHL正转LHLH反转LLOPENOPEN停止注1:输入同为高是禁止使用的状态注2:高于2.0V为高电平,低于0.8V为低电平3.3探测器的选择探测器的基本原理就是用红外发光二极管来发光,由红外光电三极管进行光信号的接收,进行的是反射式的探测,以避免可见光所带来的背景噪声。市场上用于红外探测法的器件较多,可以利用反射式传感器外接简单电路自制探头,也可以使用结构简单,工作性能可靠的集成式红外探头。经过比较,我们选择了ST168这个集成器件。ST168采用高发射功率红外光,电二极管和高灵敏度光电5晶体管组成,采用非接触式检测方式。ST168的检测距离很小,一般为8~15毫米,因为8毫米以下是它的检测盲区,而大于15毫米则很容易受干扰。故把传感器安装在距离检测物表面10毫米。下面为探测器检测电路图:ST168检测电路R1限制发射二极管的电流,发射管的电流和发射功率成正比,但受其极限输入正向电流50mA的影响,用R1=150的电阻作为限流电阻,Vcc=5V作为电源电压;可变电阻R2可限制接收电路的电流,一方面保护接收红外管;另一方面可调节检测电路的灵敏度。因为传感器输出端得到的是模拟电压信号,所以在输出端增加了比较器。工作时,发射光束打到黑线,反射光弱,输出高电平;发射光束没有打到黑线,反射光强,输出低电平。输出信号送给单片机处理,以确定小车是否转向。3.4显示与按键部分显示:在本设计中,一共使用了4个数码管,其中3个用于显示数值,1个显示单位,即时间单位或者距离单位。由于单片机以及非门输出低地平时带负载能力都比高电平时强,所以采用共阳极的8断数码显示器。为了节省单片机的I/O口,考虑采用动态显示,所以用的是PNP管来驱动,电路如下:数码管R1R22P3.0VDDPNP6按键:使用了三个按键,两个用于控制小车的启动/停止,另一个按键用与显示(时间/距离)的切换。3.5行车时间和行车距离的测量使用定时计数器TIME0来进行行车时间的估计。输出显示时以秒为单位,定时时间设定为1S。由于红外检测具有反应速度快、定位精度高,可靠性强以及可见光传感器所不能比拟的优点,故采用红外光电码盘测速方案。具体行车距离检测电路如下所示:红外测距仪由测距轮,遮光盘,红外光电耦合器及凹槽型支架组成的。测量轮的周长为记数的单位,精度根据电动车控制的需要确定。测距轮安装在车轮上,这样能使记数值准确一些。测距轮每转一周,红外光接收管均能接收到一个脉冲信号经过整形器后直接送入单片机进行计数。初步拟定以分米作为计数单位。总体来说是以中断的方式实现行车时间的获取和显示。7四.硬件电路设计4.1控制器模块采用C8051F310单片机,它是一款高性能的8位单片机单片机。有4K的程序存储器,128字节的数据存储器。可编程的并行I/O口P0~P3,有32位双向输入/输出线。一个全双工串行口,两个16位定时器/计数器。五个中断源,两个中断优先级的中断结构。一个片内时钟振荡器和时钟电路。并可以寻址64K字节的的程序存储器和64K字节的外部数据存储器。单片机的p0.0,p0.1,p0.4,p0.5用于可编程计数阵列的8位脉冲宽度调制模式的信号输出,控制电机的转向控制。4.2寻迹传感器模块8采用的是红外发光二极管来发光,用红外光电三极管进行光信号的接收,进行的是反射式的探测。当发光二极管发出的光反射回来时,三极管导通输出低电平。4.3电源模块采用输出电压为5V的LM1117稳压芯片,它有限流和热保护功能,输出的负载电流可达800mA。4.4显示模块9使用了4个LED数码管,其中3位显示数值,1位显示单位,显示单位也可以用来区别时间和距离。为了节省单片机的I/O口,考虑采用动态显示,所以用的是PNP管来驱动。4.5复位电路采用上电复位的方法镜为单片机8051提供复位信号。4.6按键模块设置了开始,停止,转换键通过P0.6,P0.7,P3.2端口将控制信息传入8051单片机中,对系统的运行状态进行控制。4.7晶振模块10通过晶振电路向8051单片机提供12Mhz的时钟频率。附:舵机工作原理示意图控制信号直流偏置电压直流偏置电压与电位移的电压差电压差是否为0舵机停止舵机转动电位器滑动否11五.软件设计程序流程图(寻迹控制算法)小车进入寻迹模式后,即开始不停地扫描与探测器连接的单片机I/O口,一旦检测到某个I/O口有信号变化,就执行相应的判断程序,把相应的信号发送给电动机从而纠正小车的状态。开始中间传感器是否在黑线左偏,右偏,出轨?左偏处理出轨处理右偏处理直线前进结束NY12六.心得体会本次课程设计,虽然我们小组没有进入到二阶段的实物阶段,有些遗憾,但是,我还是从中学到了不少东西。首先,对于设计一个光电系统,资料收集和对整体的思考很重要。确定整个系统的大致的工作过程后,把系统分解细化成一个个功能模块。然后根据所收集的相关资料进行讨论,确定每一个功能模块的具体实现电路。我们之所以没能进入二阶段,就是在这一方面做的不够,讨论的不够仔细,以至于之前的原理图出现错误。在以后的课设当中,需要吸取经验,在细节方面要认真谨慎,避免出现错误。其次,手动绘制PCB版对于熟练掌握Protel软件的使用很有作用,这对于我们以后的学习也有很大帮助,毕竟Protel是我们以后经常会接触到的制图工具。因为设计的是一个光电系统,所以这次课设也对我们关于电路,光电信息技术方面的知识有了巩固和加深了解。并且将书本上的知识搬到了现实的系统当中。激发了大家的兴趣。总之,通过这次课设将电路,单片机,光电探测和电机方面的知识综合在一起进行分析讨论。对于多方面知识的掌握和自己能力的提高有很大帮助。七.参考文献⑴陈懂.智能小车运动控制系统的研究与实现[D].南京:东南大学仪器科学与工程系,2005.⑵胡乾斌,李光斌,李玲,喻红.单片微型计算机原理与应用(第二版)1996⑶王宜怀,刘晓升.嵌入式应用技术基础教程[M].北京:清华大学出版社,2005.⑷吕惠智.红外技术[M].哈尔滨:哈尔滨工程大学出版社,1998.

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