超声波小车设计说明.docx
《超声波小车设计说明.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《超声波小车设计说明.docx（39页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
超声波小车设计说明
目录：
第一部分设计要求
`1.1设计任务…………………………………………………………………
（1）
1.2设计基本要求……………………………………………………………
（1）
第二部分研制报告
2.1设计摘要………………………………………………………………
（1）
2.2设计要求与原理分析…………………………………………………
（2）
2.2.1电控系统分析……………………………………………………………….
（2）
2.2.2机械系统分析…………………………………………………………………
（2）
2.2.3传感器设置与分析……………………………………………………………
（2）
2.3方案论证与系统原理框图………………………………………………（3）
2.3.1传感器的选型与工作方式选取…………………………………………（3）
（1）、红外探测器的选型与工作方式……………………………………………（3）
I、红外探测器的选型………………………………………………………（3）
II、主动式红外探测器的工作方式选取…………………………………（4）
（2）、超声探测器的选型与工作方式…………………………………………（5）
I、超声探测器的选型……………………………………………………….（5）
II、用超声波探测器测距的工作方式的选取………………………………（5）
（3）、金属探测器的选型………………………………………………………（6）
（4）、光电探测器的选型………………………………………………………（6）
2.3.2总控电路的选型………………………………………………………………（6）
.
（1）、单片机的选型……………………………………………………………（7）
（2）、键盘与显示电路的选型…………………………………………………（7）
I、键盘电路选型……………………………………………………………（7）
II、车轮检速及路程显示电路选型…………………………………………（7）
（3）、电源电路的选型…………………………………………………………（7）
（4）、直流电机与步进电机驱动电路的选型………………………………（8）
（5）、声光报示电路的选型…………………………………………………（8）
2.3.3系统原理框图…………………………………………………………………（8）
2.4、硬件电路设计与参数计算……………………………………………（9）
2.4.1红外与光电探测器的驱动电路设计与参数计算……………………………（9）
2.4.2金属探测装置的设计与参数计算…………………………………………（10）
2.4.3超声测距装置的设计与参数计算…………………………………………（11）
2.4.4主轴电机与步进电机驱动电路设计与参数计算…………………………（12）
2.4.5显示、键盘、声光告示与单片机电路设计及参数计算……………………（13）
2.4.6遥控接收模块的电路设计与参数计算……………………………………（14）
2.5、单片机软件设计………………………………………………………（15）
2.5.1行走控制程序流程…………………………………………………………（15）
2.5.2超声测距程序流程…………………………………………………………（15）
2.5.3光源搜索及跟踪程序流程…………………………………………………（15）
2.6应用实例分析前景展望............................................（15）
2.6.1.步进电机与直流电动机………………………………………………….（16）
2.6.2.左右转向灯……………………………………………………………….（16）
2.6.3.车速显示………………………………………………………………….（16）
2.6.4.时间显示…………………………………………………………………（16）
2.6.5.超声波与红外避障系统…………………………………………………（16）
2.6.6.金属探测报警器…………………………………………………………（17）
2.6.7.单片机遥控发射接收系统………………………………………………（17）
2.7、测试数据与实验结论………………………………………………（20）
2.7.1测试数据……………………………………………………………………（20）
（1）、电动小汽车运行动作测试………………………………………………（20）
（2）、电动小汽车红外避障对应动作测试……………………………………（20）
（3）、电动小汽车路程及运行时间测量精度测试……………………………（20）
（4）、金属探测器、超声波探测器工作状态…………………………………（21）
（4）、其他功能测试……………………………………………………………（21）
2.7.2实验结论及存在问题分析…………………………………………………（21）
附录一参考文献………………………………………………………………………（22）
附录二部分专用程序清单……………………………………………………（23）
第一部分设计要求
遥控启停电动车
一、任务：
设计并制作一个遥控启停电动车。
二、要求：
1、基本要求：
制作遥控启停电动车。
（1）电动车启动和停止为遥控方式，声、光、磁、电、波等不限，遥控电路不得采用成品需要自己设计制作。
（2）电动车一旦启动，由程序完成各种行走方式。
例如：
正8反8行走，其他方式自定。
（3）其他功能：
如前方有障碍的避让，或退时有障碍的识别等，自行决定增加与否。
（4）车体尺寸以一般的玩具车为限。
第二部分研制报告
遥控启停电动车研制报告
设计摘要
针对题目要求，我们设计了一种单片机控制的，简易智能电动小汽车，这台小汽车的车体选用现成的市售玩具车改装而成，对其结构，运动部件特别是转向控制部分都作了改装，增加了自制的舵机等设备。
为完成题目要求，我们使用了很多传感器包括“红外传感器”自制了“金属传感器”使这台小汽车有了“视觉”、“听觉”和“触觉”，我们还为这台小汽车安装了“大脑”——“单片机控制系统”通过以上努力，终于使这台小汽车可以按我们设定的路线运行。
本设计的主要特色：
（1）高效的H型PWM电路，提高电源利用率。
（2）控制电路电源和电动机电源隔离，信号通过光电耦合器传输。
（3）优化的软件算法，智能化的自动控制，定位精确。
（4）前后式红、绿方向灯，行驶状态一目了然。
（5）金属探测，音乐报警增强听觉效果。
（6）红外探测提高小车智能化系统。
在试制和调试的过程中遇到了很多问题诸如：
光电探测电路的选取与调试等，虽然有些功能的实现还不尽人意，但相信通过我们的努力在今后一定会做的更好。
最后感各位评审老师为我们的成长付出的辛勤汗水，对你们无私的奉献我们深表敬佩，我们要对您衷心道一声“您辛苦了！
”。
Abstract
Withthedevelopmentofthescience,auto-controlhaswonthemajorityofthemarket,moreover,itissaidthattheauto-machinewilltaketheplaceofthehumanbeingtofulfillthedangerousmissioninthespecifiedcircumstance.Soitwillactasanimportantroleinthefutureoftheworld.
Forthissystem,weselecttheMCU,whichincludeinfraredsensor,lightsensor,magnetosensor,areusedtocontrolthesmallcartorealizetheauto-adaptation、searching、countingandcircumambulating.
Keywords:
MCUsensor
一、设计要求与原理分析
一、电控系统分析：
根据设计要求，我们认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题，并且输入量属于低速开关量，对于低速开关量复杂程序控制应用单片机技术比较合适，初步计划使用MCU作为核心器件来完成本设计。
二、机械系统分析：
在题目中要求电动小汽车正8反8行走，在考虑比赛场地大小的情况，因此我们选用最小回转半径小于0.8m的电动小汽车，考虑到能精确控制电动小汽车的转弯半径，市售的电动小汽车的前轮转弯司服机构多数为开关量控制（要么不转弯、要么以最小半径转弯）在此我们初步考虑要对前轮转弯司服结构进行改造。
三、传感器设置与布局分析：
通过对题目的分析我们得出如下几大需要检测的物理量：
（1）障碍物位置；
（2）地面金属的位置；（3）小车行走速度。
对于这几大物理量我们分别使用
（1）红外探测器；
（2）金属探测器；（3）光电编码盘。
另外对时间的检测我们可由单片机自身时钟得到，对金属片的检测我们可由单片机的延时功能得到，对小汽车运行路程的检测我们采用“光电编码盘”和“红外探测器”。
在传感器的布局上（如图1.2.1示）我们拟采用以下方案：
1、前左侧红外探测器、前右侧红外探测器、后左侧红外探测器、后右侧红外探测器，为电动小汽车规避障碍物提供近距位置参数。
2、超声波探测器测远距离物体，与红外线探测器构成避障系统。
3、光电编码盘探测器，为小汽车提供运行路程信息、行走时间记录。
4、中央金属探测器，为小汽车寻找“金属”提供开关量信息。
后左侧红外探测器
前右侧红外探测器
后右侧红外探测器
前左侧红外探测器
正前红外探测器
正前超声测距
探测器
中央金属探测器
20cm
光电探测器
空间光学滤波器
步进电机
简易光电被动
雷达示意图
图1.2.1传感布局图
二、方案论证与系统原理框图
（一）传感器的选型与工作方式选取\
一、红外探测器的选型与工作方式
1、红外探测器的选型
红外探测器以其发射功率大、抗干扰能力强而在工业生产中有着广泛的应用，红外探测器按其工作模式可大致分为主动式与被动式，主动式红外探测器自带红外光源，通过对光源的遮挡、反射、折射等光学手段可以完成对被探测物体位置的判别。
被动式红外探测器本身没有光源，通过接受被探测物体的特征光谱辐射来测量被探测物的位置、温度或进行红外成像。
在本体中我们要利用红外探测器检测黑白两种不同的灰度和障碍物的距离，显然选用主动式红外传感器比较合适，系统的造价可以降低可靠性可以提高。
主动式红外传感器又可分为分立元件型、透射遮挡型和反射型（如图2.1.1示），分立元件型发光管与接收管相互独立，用户在使用时可以根据需要灵活的设定发光管与接受管的位置，并可利用棱镜、透镜等完成特殊的目的，缺点是装置麻烦。
透射遮挡型和反射型通过塑料模具将发光管与接收管封装在一起，非常方便用户使用，在本题中“码盘红外探测器”我们使用透射遮挡型而对黑白灰度和障碍物的检测我们使用反射型。
2、主动式红外探测器的工作方式选取
主动式红外探测器常用的驱动方式可分为直流直接驱动方式和交流调制方式，直流直接驱动方式装置简单但检测距离和抗干扰能力都比较差；交流调制方式由于可以采用交流耦合方式解决了放大器的直流漂移问题从而可以大大提高检测的距离，同时由于环境光产生的干扰多数情况是信号的直流或低频分量可以由滤波器加以隔绝，因此交流调试方式抗干扰能力也比较强，缺点是系统相对复杂。
在本题中对障碍物的检测受到环境光（特别是200W白炽光源）的干扰比较大，因此我们选用抗干扰能力较强的交流调制工作方式；而对黑白灰度的检测由于在车的底部干扰相对较弱，为简化设计我们选用直流直接驱动方式。
二、超声探测器的选型与工作方式
1、超声探测器的选型
超声探测技术主要用于中程测距、结构探伤等领域，超声波换能器是其核心部件，换能器按其工作介质可分为气相、液相和固相换能器；按其发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器；按其工作频率又可分为38KHz、40KHz等不同等级。
按题目要求我们选用气相、窄波束、40KHz的超声波换能器。
2、用超声波探测器测距的工作方式的选取
当利用超声波探测器测距时常用二种方法——强度法和反射时间法，强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近，但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效其原理如图2.2.1示，由于直接耦合信号的影响强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。
图2.2.1反射时间法示意图
T1
T2
反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图2.2.2示，对于距离较短和要求不高的场合我们可认为空气中的声速为常数，我们通过测量回波时间T利用公式
其中，S为被测距离、V为空气中声速、T为回波时间（
），可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服，因此这种方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可进一步提高，本题中我们选用此方法。
三、金属探测器的选型
金属物体的非接触探测常用的方法有两种，对于铁、钴、镍等磁性金属常使用磁场传感器如霍尔器件，而对一般的金属材料我们通常利用磁路敞开的线圈来进行检测，当金属材料靠近磁路敞开的线圈时，线圈的电感量和Q值都会改变，通过测量线圈这两个参量的变化就可以知道金属材料的位置，电感量的测量一般是将线圈接入到LC振荡器中，用测量频率的方法来间接的测量电感量，但由于电感量的变化不会很大加上LC振荡器的频率稳定度比较低，事实上这种方法并不理想。
线圈的Q值测量比较麻烦，但很多情况我们并不需要精确的知道Q值，只需知道Q是否改变就可以了，比较成熟的方案是将线圈接成阻尼可调的振荡器，并调节阻尼电阻使线路刚刚起振，由于绝大多数金属接近线圈时都会使线圈的Q值降低从而使线路停振，这样我们通过检测线路是否振荡就可以知道金属是否靠近。
本题中我们选用此方法。
四、光电探测器的选型
光电探测器一般特制可见光光谱围的光电探测器，包括光电导探测器、光伏型探测器、倍增管等，在热释电探测器、光电本题中可见光源是200W功率的白炽灯，功率较强，因此不必选用适合微光照探测的光电倍增管，同时光源光强相对比较分散选用热释电探测器（如碳斗）也不合适，光电导探测器温度、线性和稳定性不好，一般用于特殊光谱围的测量同样不适合本题，综合考虑以上因素光伏型探测器以其价廉、驱动电路简单而成为本题的首选。
光伏型探测器又可分为光电二极管、PIN探测器、光电三极管和雪崩光电管（APD），光电二极管量子效率较低，光点三极管漏电流较大，APD驱动电路复杂造价较高都不适合，因此我们选用硅材料（可见光光谱围）的PIN探测器。
可见光光电探测器抗干扰能力较差，非常容易受到环境光的干扰，同时由于本题中光源未经调制，因此仅靠电子线路自身的设计很难取得好的效果，为解决这些问题，我们使用了“空间光学滤波器”利用黑色塑料箱体将探测器包裹中空的，以次来解决环境光干扰大的问题。
（二）总控电路的选型
一、单片机的选型
针对本设计特点——多开关量输入的复杂程序控制系统，我们需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用根据这些分析我们选定了89C51单片机作为本设计的主控装置，51系列单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达4K对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51系列单片机价格非常低廉。
二、键盘与显示电路的选型
1、键盘电路选型
本设计只需控制电动小汽车的运行开始，仅一支按键就足够了，我们选用最简单的直接键盘驱动方式。
2、车轮检速及路程显示电路选型
方案一：
采用霍尔集成片。
该器件部有三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的记数进行车速的测量。
方案二：
受鼠标的工作原理的启发，采用断续式光电开关。
由于该开关是沟槽结构，可以将其固定在轴旁，再在车轴上均匀的固定多个避光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。
通过脉冲的记数，对速度进行测量。
车轮转数及里程检测模块的设计
在车轮侧壁贴圆形遮光纸板，将其分成黑白相间八等份，每份为45度扇形，将红外对管固定在正对前轮位置，因为后轮在刹车时容易打滑`反转，故安装在正对前轮位置才能准确测的车的里程。
555多谐振荡器输出的1khz，占空比1：
1的方形脉冲作为发射，利用黑白纸板对红外线反射系数不同，车轮转动时，接收到间隔为黑白纸板反射强度不同的信号。
得到的信号通过比较器产生脉冲，再发送至单片机，以实现车里程的检测。
具体电路如下
三、电源电路的选型
方案一：
所有器件采用单一电源（6节AA电池）。
这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。
方案二：
双电源供电。
将电动机驱动电源与单片机及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。
这样做法虽然不如单电源方便灵活，但可将电动机驱动所造成的干扰完全消除，进一步提高系统稳定性。
我们认为本设计的稳定性更为重要，故拟采用方案二。
四、直流电机与步进电机驱动电路的选型
电机是一种重要的能量转换机械，它应用于各个领域发挥着重要作用。
而作为永磁式小型直流电动机，以它的体积小.重量轻等优势被广泛使用在小型电器和模型上。
由于本次大赛只能使用玩具车，也就限制了电机的使用。
因此小型电机成为首选，而历届大赛中由于电机的驱动力不够，而导致失败的例子也有。
因此，选择电机的类型就显得至关重要。
而永磁式电机的功率都因其励磁原因而导致其功率不足，因此，我们先做了理论上的验证：
所有电机的原理都是基于法拉第电磁感应定律和安培定律。
一般原理为：
采用相应的导磁和导电材料构成能相互转化的磁路和电路。
以产生感应电势和电磁转矩，从而达到转换能量形态的目的。
直流电机中的有效导体为参数为Un=12V.In=0.11A的国外产的价值35元的旧的减速电机，可以看到：
它的减速箱与机体的连接是十分紧密的，这一点从做工就可以优良，2V即可启动。
，
电枢绕组元件数为s，则电枢表面dx段上共有2s/dadx个元件边。
于是dx段电流所产生的电磁转矩为dM=Mx（2Sdx/
）
绕组中全部有效导体数为N=2SWy电枢总电流I=2aIa所以dm=NIaBxldx/4
a于是，在一个极距导体电流产生的电磁转矩为
式中,
&围的气隙磁通，也称为每级磁通。
因而，每个极下导体电流所产生的电磁转矩都是相同的，直流电机的电磁转矩可表示为
M=2pNIa&/4
a=pN&Ia/2
a=Cm&Ia
如果令w代表
Cm=pN/2
a电枢的角速度。
则这过程所经过时间为⊿t=
/2p
n/60=60/2pn
根据电磁感应定律，一个匝数为wy的元件中感应电势为Eay=4Wypn/60（s/2a）&
由于每条支路串联的元件数为s/2a。
支路电流平均值为Ea=pN*n/60a=Ce*n
如果将绕组全部有效导体数n=2swy带入上式，则得
Ea=pa/60a
式中，Ce=pn/60a称为电磁系数，决定于电机自身结构，
直流电机的电磁功率一直是困扰小车动力不是的一个瓶颈，下面就将对这一问题进行阐述：
根据动力学原理，就直流发电机而言，我们把原动机克服电磁转矩所需要的功率
称为电磁功率，用pm表示。
该功率全部转换为电枢电路中的电功率；
对于为直流电动机来说，电磁功率是指电机在电磁转矩的作用下，电枢所发出的全部机械功率md，该功率由电枢吸收的电功率转化而来。
于是直流电动机电磁功率的机械表达式形式为：
p=mo
m-电磁转矩
o-电枢的机械角度
这就是说如果要车转矩上升则必然导致，在同一功率下电车的速度的下降，唯一的办法是提高功率，而提高功率必然增加电机体积，为了解决这一问题我们综合考虑了电机价格，体积，功率，输出转矩，速度等因素，而选择了一台，力量
对于电机的启动我们并没有按分级方式，因为电机的功率太小，所以直接采用加压启动，为了能可靠的完成电机的起制动。
我们发现由于电机的齿轮的阻力矩很大，因此，采用摩擦制动以满足设计要求，而不用采用电机的反接制动。
由于电机较长，且主轮较大。
那么为安装其上，采用粘合力较强的AB胶水将电机用木块垫高，加固，再用502胶水使其整体固于车上，最后我们又用三股线紧密编成了一股强度较高的组合式，链锁将其整体完全铰于车体上，最后用胶水在次加固。
确保车体的牢固性。
在车体的前端我们加了两个限位板以避免前轮步进电机左右打死死时前轮的摩擦。
对于电池的封装，由于原车的是蓄电池，故而成本较高分压不灵活，因此我们采用6节Pannasonic9V电池加以替换，再用一个打孔板封装。
直流电机的驱动选型：
方案一：
采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。
但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。
更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。
方案二：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调节。
这个方案的优点是电路较为简单，但缺点是继电器的响应时间慢、机器结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。
方案三：
采用由达林顿管组成的H型PWM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。
基于上述理论分析拟选方案三。
步进电机我们选用的是打印机的字车四项步进电机，我们直接利用单片机的I/O口通过光耦和扩流电路直接驱动，这样可以节省硬件资源，虽然占用用单片机I/O资源较多但对于51系列单片机这种I/O资源丰富的片种并不带来额外的负担。
五、声光报示电路的选型
（1）我们采用市面上常见的语音芯片与8欧0.5瓦扬声器组合，形成语音报警系统，当小车上的金属探测器探测到金属时，音乐响起并开始记时用数码管显示音乐时间。
（2）配合音乐芯片的工作我们用发光二极管，进行光报警，构成声光结合报警系统。
（3）在小车的后轴电机应用上为防止蹩车电机被烧坏，我们采用运算放大器应用中的电压比较器的功能，再蹩车时电压的变化使发光二极管与蜂鸣器工作，发光二极管与蜂鸣器结合形成声光报警系统
（三）系统原理框图
通过本章第一节于第二节的分析我们总结出了系统总工作原理框图如图2.3.1示MCU负责电动小汽车运行时间的纪录、金属片的探测、记录运行路程、控制步进电机和主轴电机正转、反转。
三、硬件电路设计与参数计算
（一）红外与光电探测器的驱动电路设计与参数计算
一、直接直流驱动红外探测器电路的设计与参数计算
图3.1.1直流直接驱动红外探测器
电路如图3.1.1示：
W1和R1及V
升级会员 