基于C8051F005小車行駛自動控制

ID:229453 · 發表于 2017-8-31 10:14

摘要

本系統采用單片機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，通過數據采集系統的處理，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 （脈寬調制）技術控制直流電機的轉速，時間用數碼管顯示。本設計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向，一支控制前進、停止。整個系統較好的實現了題目的要求，達到了較高的性能指標。

一、方案的論證與選擇

根據題目的基本要求，分別對系統各模塊進行論證。

1、單片機的選擇

方案一：采用傳統的89C51芯片作為小車的控制中心。51單片機具有價格低廉使用簡單等特點，但其運算速度較低。功能比較單一，內部資源比較少，在對小車進行控制時必須外擴芯片，且本系統需要A/D、D/A轉換模塊但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C8051F005作為控制中心。C8051F系列單片機的指令系統與傳統的80C51單片機完全兼容，且單片機C8051F005具有豐富的內部資源，并且包含12位精度的A/D、D/A轉換模塊，方便了模擬、數字信號的轉換，不需要再外加A/D、D/A轉換模塊，并且由于采用流水線技術，比標準51系列單片機快約12倍，除此之外C8051F系列單片機還具有操作簡單，在線下載易于調試等優點，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、電動機驅動調速模塊的選擇

方案一：采用步進電機作為驅動源，此種方案可以輕松地達到調速的目的，但是在原有的小車結構上找到合適的步進電機比較困難，同時也加大了系統的復雜程度，更提高了硬件改造的困難程度，而且步進電機的價格也比較高。

方案二：采用由達林頓管組成的H型PWM電路。PWM電路由四個大功率晶體管組成H橋電路構成，四個晶體管分為兩組，交替導通和截止，用單片機控制達林頓管使之工作在開關狀態，通過調整輸入控制脈沖的占空比，精確調整電動機轉速。這種電路由于管子只工作在飽和和截止狀態下，效率非常高。H型電路使實現轉速和方向的控制簡化，且電子開關的速度很快，穩定性極強，是一種廣泛采用的PWM調速技術。

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不同，可根據接收到的反射光強弱判斷是否到達黑線

方案一：不調制的反射式紅外發射—接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環境干擾；但如果直接用直流電壓對管子進行供電，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（E3F-DS0C4），此電光開關默認為低電平，當檢測到黑線時會輸出高電平給單片機，從而產生中斷。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果送入單片機處理。

基于上述考慮，擬采用方案二。

4、顯示選擇

方案一：采用靜態驅動法。輸出一次顯示數據后，所有數碼管可以一直保持顯示，只需要改變顯示內容時才重新發送一次顯示數據，但實時性差，不宜采用。

方案二：采用動態驅動法原理。每只數碼管輪流顯示各自的字符。由于人眼具有視覺暫留特性，當每只數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和電機系統供電將兩個系統完全隔離，利用光電耦合傳輸信號，這樣做雖然可以將電動機驅動所造成的干擾大大降低但操作復雜不如單電源方便靈活。

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

基于上述分析，擬采用方案二。
二、系統框圖及工作原理

圖2-1給出了系統組成框圖，數據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的P1.6、P1.7、P0.2、P1.5、P1.4相接，單片機對送來的信號進行分析、處理，角度傳感器將采集的信息通過A/D模塊進行采集，經處理后發出指令對小車實施控制，使電動車在行駛中速度得以調整。另外，單片機通過內部時鐘對行駛時間進行記錄并顯示。

圖1 系統組成框圖

三、系統的硬件設計

1、電機驅動電路模塊

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

電路工作過程：當40106的1腳為高電平，5腳為低電平時，Q1、Q4管截止，電動機正轉。當40106的1腳為低電平，5腳為高電平時，Q2、Q3管截止，Q1、Q4管導通，電動機反轉。

控制系統電壓統一為5V電源，因此若達林頓管基極由控制系統直接控制，則控制電壓最高為5V，再加上三極管本身的壓降，加到電動機兩端的電壓就只有4V左右，減弱了電動機的驅動力�；谏鲜隹紤]，我們運用了4N25光耦集成塊，將控制部分與電動機的驅動部分隔離開來，這樣不僅增加了各系統模塊之間的隔離度，也使驅動電流得到了大大的增強。

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整，對車速進行調整。最小脈沖為0.2ms，可以滿足車速調整的精度要求。同時，可以通過40106的1腳與5腳的切換來控制電動機的正轉與反轉。

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生光電效應，將光信號轉換成電信號輸出。它除能測量光強之外，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，因而是一種應用極廣泛的重要敏感器件。本系統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。單片機輸出相應的指令從而控制小車的轉向。本設計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P1.6、P1.7口相接，控制小車前輪的轉向，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、后退，中傳感器安裝在車體中間一側位置并與單片機P2.0口連接，用于檢測橫向黑線，控制小車的行駛、停止。當傳感器檢測到信號后，傳給單片機產生中斷，并發出相應指令調速。保證小車能夠有效的尋跡和停止。

2.2 角度傳感器

角度傳感器經常用于系統的水平測量，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，本系統采用的是固體擺式角度傳感器AME-B001，其輸出為模擬量，轉角范圍是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自動補償；故障檢測功能；非接觸位置檢測功能，是滿足苛刻環境應用需求的理想選擇三個優點。根據坡度的不同，單片機通過A/D模塊采集到不同的電壓，再根據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為速度小而不能爬上及下坡時因為速度過大而沖下蹺蹺板，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，則應受力平衡，故水平方向應滿足：

經受力分析可知：f=Ug； N=Gcosθ.經推倒可得出拉力與θ的關系為：

根據拉力與電機扭力的關系：F拉= X%*F扭即可得出傾角θ與電機扭力的關系：

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3、顯示電路模塊

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

4、電源電路模塊

本設計采用單電源供電，具體電路見附圖4所示。

四、系統的軟件設計

采用兩根跳線通過三次切換,實現題目要求的功能。