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竞赛题目:基于光电导航的智能移动测量小车学生姓名：指导教师：决赛编号：引言全国大学生光电设计竞赛由中国光学学会主办，目前已成功举办三届。竞赛意旨促进光电知识的普及，加强大学生实践、创新能力和团队精神的锻炼与培养，促进高等教育改革。其设计内容涵盖了控制、模式识别、传感技术、汽车电子、电气、计算机、机械、能源等多个学科的知识，对学生的知识融合和实践动手能力的培养，具有良好的推动作用。光电导航的智能移动测量小车系统，由微控制器、电源管理单元、路径识别电路、舵机控制单元、小树计数电路、隧道长度测量单元和直流驱动电机控制单元组成。本系统以STC12C5A16S2单片机为控制核心，并采用KeiluVision4软件编程。运用红外发射接收对管对道路信息进行采集，并采用PWM技术来控制舵机的转向和电机转速，并且能够同时实现隧道长度测量值和小树数目检测值的显示功能。各个部分经过MCU的协调处理，能够以较快的速度在指定的轨迹上行驶，在进弯道之前能够提前减速并改变角度，达到平滑转弯的效果。在前几个月的努力中，我们自主设计机械结构和控制电路，构思独特算法，并一次次地对单片机具体参数进行调试。可以说，这辆在跑道上奔驰的小车凝聚着我们的汗水和智慧。在准备比赛的过程中，我们小组成员涉猎多个学科，这次磨练对我们的知识融合和实践动手能力的培养有极大的推动作用。1.智能移动测量小车系统总体设计1.1、路径识别传感器的选定路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣，因此，选定白线识别传感器模块是总体方案确立的首要步骤。我们使用光电发射接收管来检测白线：光电发射管发射出光，经过赛道的反射回来，由于白色平面和深绿色平面反射光强度不同，不同位置上的光电接收管接收到强弱不同的光，因此可以判断出白线相对小车的位置。这种检测的方法明显的优点是检测速度快，检测的方法简单，成本相对低廉。1.2、系统总体设计及框图光电导航的智能移动测量小车系统采用STC12C5A60S2单片机作为核心控制单元用于智能车系统的控制。由电源模块、传感器模块、直流电机驱动模块、转向电机控制模块、单片机模块等组成，如图1.2所示。智能车系统工作电压为+5V，电源电压直接供给电机驱动模块控制电机，经过电源转换模块后获得的5V直流电压给转向舵机、MCU以及光电传感器供电。在选定系统采用光电传感器后，由安装在车前部的光电传感器负责采集信号，并将采集到的信号传入核心控制单元，核心控制单元对信号进行判别处理后，产生SPWM波，分别对转向舵机、直流电机进行控制，完成智能车的转向、前进和制动。图1.2智能车系统总体框图MCU路径识别传感器小树检测模块隧道测量模块直流电机驱动舵机转向显示器电源2.技术路线及可行性分析2.1、电源三块3.7V的可充电锂电池串联为整个系统供电，但大多数器件都在5V左右的电压工作，因此需将电压降压到5V。可以采用常用的稳压芯片如LM7805等，但此类线性稳压电源效率一般较低，尤其是在系统耗电量较大的时候。于是我们采用了开关型降压电源，产生5V直流电源为控制系统和传感器供电。2.2、车速控制利用集成芯片L298N中两个“H桥”来控制两个电机的转动，使两个电机速度不同就可实现小车的转弯。单片机向L298N输出不同占空比的SPWM波控制电机的转动速度。2.3、路径识别七对红外对管排成“一”字型固定在小车前方，由于地面颜色不同反射光强也不同，通过检测接受到的信号强度来确定小车具体所在的位子。利用控制端控制电机与舵机，从而实现智能车的自动寻迹行驶。2.4、测量隧道长度红外接收管垂直向上，根据在隧道内外能接收到信号强度的不同，判断小车是否进入隧道。通过单片机定时器记录下小车在隧道内行驶的时间，再乘上事先人为测定好的速度，即可得出隧道长度。2.5、计算小树棵数红外对管水平放置在小车两侧，树木反射回来的红外光在接收管电路中产生电平波动，将此电平波动信号输入单片机实现小树棵数的测量。2.6、可行性分析整个设计通过模块化的检测试验可以实现所有功能，并且统一使用红外对管，简单易行、性价比高。3.主要功能模块设计3.1、电源模块图3.1电源模块原理图采用TPS5430开关型降压芯片实现5V直流输出，它能实现高效率的降压，但用此方案也会造成电源的输出纹波大的问题，经过合理布局PCB、选取适当的滤波元件，我们将电源纹波降低到一个理想的程度，经测试，整个系统工作状态良好。3.2、电机驱动模块图3.2电机驱动模块原理图L298N是ST公司生产的芯片。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V，并且可以驱动两个二相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；可以直接用单片机的I/O口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。通过对IN1、IN2、IN3、IN4输入高低电平的组合就可以控制输出端OUT1、OUT2、OUT3、OUT4电流的通断或方向，从而实现电机的转动状态。经实验比较，L298N驱动模块运行可靠，取得效果较好，而且电路的电气性能和散热性能较好，此设计选用L298N驱动模块。3.4、红外传感器模块的设计目前检测灰度用的光电传感器一般都是使用红外光电对管，其优点主要有：受光线影响小，响应速度快，外围电路图简单等。红外对管分发射端和接收端，发射端通常用的是发光二极管，接收端为光敏元件可以为光敏二极管、光敏三极管或光敏电阻。我们从网上收集了包括GK-SB10，LTH1550-1，OPB606，FS048W，GP2A25等型号的光电管如图3.4.1；它们最大的测量距离如表3.4。图3.4.1测试的传感器种（右三为最后选定的LTH1550-1）传感器类型最大测量距离(cm)GK-SB1010LTH1550-18OPB6068FS048W7GP2A25(反射型)5表3.4传感器测试结果从成本和可行性考虑，最后我们选定用LTH1550-1型的光电对管来实现路径识别的功能，LTH1550-1型的光电对管的发射端为红外光电管，接收端为光敏三极管。光敏三极管输出的光电流可达mA级，无需放大可直接接电阻得到合适的电压。当传感器遇到深绿色表面时，发光二极管发射出来的光被吸收，光敏三极管光电流较低。当传感器遇到白色导航条时，光反射进入光敏三极管，使三极管光电流增大。LTH1550-1型光电对管的电路设计如图3.4.2，供电电压为5V，离深绿色地面1.5cm左右测得接收管上的压降为3.2V左右，离白色地面1.5cm左右时测得接收管上的压降为0.2V，因此完全可以分别出路面的状况。图3.4.2LTH1550-1型光电对管原理图红外对管上得出的信号不能直接给单片机使用，我们用LM324代替比较器将红外对管上的信号经过整形后输送给单片机。每一路信号都有一个独立的比较器整形，并且可以用精密电位器设定门限值，可以弥补对管的性能差异。图3.4.3为路径识别模块原理图。图3.4.3路径识别模块原理图隧道长度的测量和小树计数功能的实现也采用的是红外传感器模块，此部分对检测器件的性能要求较高，我们采用集成了调制电路的红外避障管。这种探头是漫反射光电开关，型号为E18-D80NK，可以检测前方0-80CM(可以调节）障碍物，是机器人避障，很好用的光电传感器。三线NPN输出型。这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。电器特性：U:5VDC，I:100mA，Sn:3-80CM。3.5、显示模块采用低功耗的NOKIA5110液晶模块。84x48的点阵LCD，可以显示4行汉字，分辨率高，可轻松显示隧道长度，树木棵树等信息，显示效果远远优于1602。且采用SPI通信协议，接口少，连接方便，性价比高。4.测试结果经过无数次的分析论证，组装调试，我们成功的实现了循迹，测量小树棵数，测量隧道长度的功能。但为了保证能准确测量小树棵树，我们将红外探头做了一些调整，使得探头较为靠近赛道边缘，在转弯时有出跑道的可能性，还需对此做进一步的完善。5.感想体会通过此次光电设计竞赛，我们不仅学习到很多课堂上没有的知识，而且使得我们的实践、创新能力和团队精神得到了锻炼与培养。对于毫无参赛经验的我们来说，只能摸着石头过河，不断的进行尝试和探索，最终找到了各种问题的解决方法。在无数次尝试失败后，我们学习到了“认真只能把事情做对，用心才能将事情做好”的道理，相信这样的经历是弥足珍贵的；这样的信念将带领我们在未来的职业生涯中，不断地开拓、创新，将我们生命的价值和意义展现出来，回报社会，造福人类。参考文献[1]卓晴，黄开胜，邵贝贝等.学做智能车——挑战“飞思卡尔”杯[M].北京．北京航空航天大学出版社．2007[2]孙育才，孙华芳，王荣兴.单片机原理及其应用[M].北京．电子工业大学出版社.2006[3]张睿.Altiumdesigner6.0原理图与PCB设计[M].北京．电子工业出版社.2007[4]沈长生．常用电子元器件使用一读通[M]．北京.人民邮电出版社．2004