光電設(shè)計大賽改后

1、第四屆全國光電設(shè)計大賽理論方案報告參賽題目：基于光電導航的智能移動測量小車基于光電導航的智能移動測量小車參 賽 隊 伍 名 稱 ： 黑騎士參賽隊黑騎士參賽隊所在學校：長春理工大學光電信息學院長春理工大學光電信息學院隊長姓名：程鵬程鵬 吳昌斌吳昌斌 劉勁劉勁提 交 方 案 時 間 ：一一.要求要求本設(shè)計是一種基于單片機控制的具有光電導航功能自動尋跡小車系統(tǒng)，包括小車系統(tǒng)構(gòu)成軟硬件設(shè)計方法。要求從線路的指定點出發(fā)，沿軌道上鋪設(shè)的“8”字形導航條走完全程。在行走過程中，利用光電技術(shù)測量、記錄沿途所通過隧道的數(shù)目、各段隧道的長度及沿途路邊樹木的棵數(shù)。 小車以AT89C51 為控制核心, 用單片機產(chǎn)生P

2、WM波，控制小車速度。利用太陽能電池輔助供電提供充足的電能。利用紅外光電傳感器對路面白色軌跡進行檢測,并將路面檢測信號反饋給單片機。單片機對采集到的信號予以分析判斷,及時控制驅(qū)動電機以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠沿著白色軌跡自動行駛,實現(xiàn)小車自動尋跡的目的。 在計算隧道長度時，采用光電傳感器和超聲波傳感器相協(xié)調(diào)的測量方式，使測量更精準。關(guān)鍵詞：單片機AT89C51 光電傳感器 直流電機 自動循跡小車 計數(shù)器 光電檢測技術(shù) 二二.總體方案總體方案（1）研究隧道長度測量問題； （2）研究傳感器參數(shù)的選擇問題 （3）研究隧道長度測量的問題； （4）研究樹木、隧道計數(shù)時的識別問題； （6）研究解決顯示

3、器的問題； （7）研究各模塊互不干擾的問題； （8）研究行駛速度 測量精確度之間的協(xié)調(diào)問題；三三.車體結(jié)構(gòu)車體結(jié)構(gòu)小車大概尺寸是長20CM,寬17CM(包括2輪子)長20CM,寬14CM(不包括2輪子)四四.循跡導航的實現(xiàn)循跡導航的實現(xiàn) 1、小車循跡原理：這里的循跡是指小車在深綠色地板上循白線行走，由于白線和深綠色地板對光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測法。 紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到深綠色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如

4、果遇到白線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定白線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限工作原理及電路圖工作原理及電路圖: : 當檢測的物體為深綠色時，紅外發(fā)射器發(fā)出的光大部分被深綠色物體所吸收，反射會的光線已很微弱，光敏三極管無法導通，所以LM324的2引腳為高電平并且與3引腳的輸出電壓同時送到LM324內(nèi)進行比較。由于U2U3使得LM324的輸出引腳為低電平。當檢測到白色物體時反射回的光線足夠多，光敏三極管導通此時2引腳為低電平并且與3引腳的高電平同時送入LM324內(nèi)進行比較，由于此時U2U3所以LM 324輸出引腳輸出高電平將

5、比較器輸出的高低電平送到單片機中進行處理判斷就可以區(qū)分出此時被檢測到的軌跡是白色還是深綠色。循跡的實現(xiàn)：在小車具體的循跡行走過程中，為了能精確測定白色線位置并確定小車行走的方向，需要同時在底盤裝設(shè)4個紅外探測頭，進行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個紅外探頭的具體位置如圖3-6所示。圖3-6 傳感器安裝圖圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中X1與Y1為第一級方向控制傳感器，X2與Y2為第二級方向控制傳感器，并且白線同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于白線的寬度。小車前進時，始終保持(如圖3-6中所示的行走軌跡白線)在X1和Y1這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離白線時，第一級傳感器就能

6、檢測到白線，把檢測的信號送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號對小車軌跡予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到深綠色，則小車會繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個探測器的探測范圍，這時第二級探測器動作，再次對小車的運動進行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級方向探測器實際是第一級的后備保護，從而提高了小車循跡的可靠性。 工作原理及電路圖工作原理及電路圖五五. .隧道測量隧道測量 如果進入隧道，我們可以用光敏電阻光敏電阻的感光性能調(diào)節(jié)阻值的大小從而輸出高低電平，從電平開始改變就計時，電平再次改變就結(jié)束計時。通過驅(qū)動輪的轉(zhuǎn)速以及車輪半徑就可以計算出隧

7、道長度。地面的白線是導引線，位置讀取和計算的準確度、穩(wěn)定性將直接影響小車的控制和運行。下圖是實際運行中出現(xiàn)的情況，白塊表示感應到白線的傳感器。傳感器的排列比較密，可能12個傳感器都能踩到白線；轉(zhuǎn)彎處車身傾斜甚至23個傳感器都能踩到白線。應該求白線的中心位置作為結(jié)果。 另外采用超聲波傳感器超聲波傳感器，提前感知隧道，配合光電傳感器精準計算出小車進入離開和隧道的時間，結(jié)合小車行駛速度，并通過一定的算法，準確測得隧道數(shù)目和隧道的長度。原理：原理：具體方法：具體方法：采用直流減速電機附帶測速系統(tǒng)：GB37Y3530該款電機適用條件:直徑：37mm,電機尾部加裝雙通道霍爾效應編碼器，AB雙路輸出,單路每

8、圈脈沖16CPR,雙路上下沿共輸出64CPR電壓工作范圍： DC6V-12V6V電機的空載轉(zhuǎn)速有：速度檢測方案速度檢測方案: :由于要精確測量隧道長度，對小車的速度測量由于要精確測量隧道長度，對小車的速度測量精度得特標高，對測速方案要求更高。精度得特標高，對測速方案要求更高。小車的實際行駛速度是小車速度控制的控制輸入量，準確實時的測量小車的速度才能實現(xiàn)小車的速度控制，即縱向控制。常用的測速方案有以下幾種：方案一：方案一： 光電測速傳感器原理：是傳感器開孔圓盤的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸相連接，光源的光通過開孔盤的孔和縫隙反射到光敏元件上，開孔盤隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)一周，光敏元件上照到光的次數(shù)等于盤上的開孔數(shù)，從而測出旋

9、轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)速度。靈敏度較高，但容易受外界光源影響。 方案二：方案二： 測速發(fā)電機原理：是將旋轉(zhuǎn)機械能轉(zhuǎn)化成電信號，適合于測量速度較高的旋轉(zhuǎn)物體的速度。采用電磁感應的原理。但市場上測速發(fā)電機應用于低壓市場的比較少，而且都比較重，不適用于模型車，并且要將側(cè)速發(fā)電機安裝到電動車上需要對電動車模型進行較大改動，由于其質(zhì)量較重，可能會嚴重影響電動車的機動性能，除非自制。優(yōu)點是測速準確、穩(wěn)定、快速，可以直接由AD 轉(zhuǎn)換器讀入單片機測得當前速度值。圖2-3 測速發(fā)電機方案三：方案三： 霍爾傳感器霍爾傳感器其工作原理是：利用霍爾開關(guān)元件測轉(zhuǎn)速，內(nèi)部具有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路，其

10、輸出電平和TTL電平兼容。在待測旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸上裝上一個圓盤，在圓盤上裝上若干對小磁鋼，小磁鋼愈多分辨率越高?；魻栭_關(guān)固定在小磁鋼附近，當旋轉(zhuǎn)體以角速度M 旋轉(zhuǎn)時，每當一個小磁鋼轉(zhuǎn)過霍爾開關(guān)，霍爾開關(guān)便輸出一個脈沖，計算出單位時間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的速度。 方案選擇論證：方案選擇論證：光電測速傳感器受外界光源影響很大，不適合運動性物體的測速；測速發(fā)電機體積重量較大，不便于小車上安裝；集成化霍爾開關(guān)傳感器具有靈敏可靠、體積小巧、無觸點、無磨損、使用壽命長、功耗低以及不怕塵土、油污、濕熱等優(yōu)點，綜合小車運動環(huán)境和重量輕的要求，我們使用了霍爾傳感器來進行速度檢測。 我們在后輪上貼了N 個磁鐵，輪

11、子每轉(zhuǎn)1/N 圈，霍爾元件就會輸出一個脈沖，只要測量每兩個脈沖之間的時間就可以知道當前車速。要提高測速的速度可以適當增加N 值，但相應測到速度的精度就會下降，但考慮到實際運行系統(tǒng)對速度精度要求不高，所以在調(diào)試階段可以根據(jù)情況增減N 值。 圖4-5 霍爾開關(guān)型傳感器CS1018 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖六六. .樹木數(shù)目測量樹木數(shù)目測量用的是顏色的ST188，如果檢測到有反射的光線就計數(shù)加一。 采用并排式光電傳感器，兩側(cè)多組排列，并結(jié)合超聲波傳感器輔助測量，在測得數(shù)據(jù)后經(jīng)一定的算法，避免遺漏或重復，使得測量樹木的棵樹更加精準計數(shù)模塊計數(shù)模塊：采用單片機自身的定時、計數(shù)器進行計數(shù)，每當傳感器檢測到一次目標信號后

12、計數(shù)器便自加一次，直至跑完全程，程序自動停止計數(shù)，并通過顯示模塊實時地顯示樹木棵樹。顯示模塊顯示模塊：為了更直觀地顯示要測量的數(shù)據(jù)，我們選擇配備一個液晶顯示模塊，所有監(jiān)控數(shù)據(jù)一目了然。采用128*64 OLED液晶顯示器，可以直接插入開發(fā)板液晶插座，兼容標準1602和12864接口，每個點都能自己發(fā)光，所以沒有背光這一說法，可以顯示小車行駛速度，行駛距離，隧道長度，樹木棵樹等等，對比度高，在強光下也可以看得很清楚。七七.單片機的選擇單片機的選擇單片機：AT89C51（32位）主要特性：主要特性：與MCS-51 兼容 4K字節(jié)可編程閃爍存儲器 壽命：1000寫/擦循環(huán)數(shù)據(jù)保留時間：10年全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz三級程序存儲器鎖定128*8位內(nèi)部RAM32可編程I/O線兩個16位定時器/計數(shù)器5個中斷源 可編程串行通道低功耗的閑置和掉電模式片內(nèi)振蕩器和時鐘電路八、經(jīng)費預算八、經(jīng)費預算產(chǎn)品名稱數(shù)量單價總價太陽能電池板20120小