光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)報(bào)告——設(shè)計(jì)題目:光電智能小車指導(dǎo)教師:班級(jí):設(shè)計(jì)者姓名:學(xué)號(hào):同組者姓名:設(shè)計(jì)者聯(lián)系電話: -0-目錄一.摘要(2)二.方案設(shè)計(jì)與論證(2)1.技術(shù)指標(biāo)(2)2.基本原理(3)3.方案論證(3)三.硬件電路設(shè)計(jì)(6)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)(6)電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)(8)光電探測輸入模塊設(shè)計(jì)(8)輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)(9)四.軟件設(shè)計(jì)(11)編程思想及流程圖(11)主要程序設(shè)計(jì)(13)五.測試結(jié)果及結(jié)論分析(14)測試報(bào)告(14)2.結(jié)論(14)六.心得體會(huì)(15)七.參考文獻(xiàn)(15)八.附錄(15)器件清單(16)程序清單(16)原理圖(21)PCB一.摘要C8051F31016C8051F310的設(shè)計(jì)。從硬件設(shè)計(jì)到軟件程序控制來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)題目要求。本次設(shè)計(jì)采用C8051F310st168L298N未做其它功能拓展。本文介紹了設(shè)計(jì)思想的方案論證,硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)過程,以及最終測試和結(jié)果分析,從各方面剖析本次設(shè)計(jì)過程。二.方案設(shè)計(jì)與論證1.技術(shù)指標(biāo)本次設(shè)計(jì)題目是:光電智能小車以單片機(jī)為核心,設(shè)計(jì)光電智能小車,小車沿彎曲跑道來回運(yùn)行,到達(dá)終點(diǎn)時(shí)能方向行駛,具體要求如下:1、選用51系列單片機(jī)24CM,10×25CM色矩形。3、通過光電方法控制小車運(yùn)動(dòng)方向45V選作:可顯示行駛路程和行駛時(shí)間小車跑道示意圖如下:基本原理3檢測模塊利用光電探測器對(duì)指定路線進(jìn)行檢測,光電發(fā)射管發(fā)生的光由光電接收管接收,對(duì)于白紙和黑線,光的反射率不同,則光電接收管接收到的光功率大小就單片機(jī)進(jìn)行處理。C8051F310C8051F31016/定時(shí)器陣列(PCA)輸出給驅(qū)動(dòng)模塊。L298N做相應(yīng)運(yùn)動(dòng)。3行控制并輸出相應(yīng)信號(hào),即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。方案論證⑴檢測系統(tǒng)的方案選擇方案一:基于反射式紅外傳感器的檢測模塊基于反射式紅外傳感器的模擬光電傳感器陣列,利用傳感器對(duì)白色和黑色反射率大小的不同,通過對(duì)各個(gè)傳感器輸出值的組合能夠基本確定智能小車的位置,從而對(duì)小車的位置和行駛方向進(jìn)行控制。c-eLM39374LS14單片機(jī)控制。電路原理圖如下圖:這種方法具有較高的可靠性和穩(wěn)定性,但隨著精度要求的呃提高會(huì)使得處理時(shí)徑進(jìn)行識(shí)別,降低了對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力,影響了智能小車的速度和穩(wěn)定性,而且具有一定的電路規(guī)模,不便電路設(shè)計(jì)。方案二:基于CMOS傳感器的檢測模塊CMOSA/DCMOS色引導(dǎo)線。CMOS要求較高,且成本也較其它方式要高。方案三:基于st168器件的檢測模塊St168觸檢測方式。該器件即是基于反射式紅外傳感器的集成和改進(jìn)。其光電特性如下表:st1681.4~2.0V;3.8~4.2Vst168確定統(tǒng)一的電壓判決門限。綜合考慮,本次設(shè)計(jì)選擇st168器件作為檢測模塊輸入。⑵檢測放大器的方案選擇方案一:采用普通單級(jí)放大電路普通單級(jí)放大電路結(jié)構(gòu)簡單,調(diào)試方便,價(jià)格低廉,但是在系統(tǒng)運(yùn)用上海有很多不足,如抗干擾能力差,共模抑制比低等。這會(huì)使得單片機(jī)的輸入信號(hào)不夠穩(wěn)定,很有可能導(dǎo)致控制時(shí)的誤判。方案二:采用差動(dòng)放大電路選擇幼優(yōu)質(zhì)的元件構(gòu)成比例放大的差動(dòng)電路,可以提高一定的精度,但是仍舊不能完成某些要求。在本次設(shè)計(jì)中,需要將光電檢測器的輸入電平信號(hào)放大并濾除干擾,并要求對(duì)共模干擾信號(hào)有很強(qiáng)的抑制能力。這種情況下采用差動(dòng)放大電路,必須設(shè)法減小溫度漂移,但是實(shí)際運(yùn)用中,共模抑制比較高時(shí)往往會(huì)使放大器的輸出飽和;而為獲得單片機(jī)能識(shí)別的電平又無法抑制共模干擾。方案三:電壓比較電路Ur,UiUi>UrUiUrUrUrUr比較器鑒別準(zhǔn)確,反應(yīng)靈敏,動(dòng)作迅速,抗干擾能力強(qiáng),并且具有一定的保護(hù)措施。為了實(shí)現(xiàn)上述要求可以采用以下方法改善放大器性能:①選用集成電壓比較器②可以在集成運(yùn)放的兩個(gè)輸入斷并聯(lián)二極管,以提高響應(yīng)速度。③盡可能使輸入信號(hào)接近理想情況,使它在閾值附近的變化接近理想階躍且幅度足夠大簡單電壓比較器靈敏度高,但抗干擾能力差,運(yùn)行也不夠穩(wěn)定。st168LM339AN入信號(hào)處理后輸出給單片機(jī)進(jìn)行控制。⑶驅(qū)動(dòng)方式的方案選擇方案一:靜止可控整流器,簡稱V-M系統(tǒng)V-M產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。方案二:脈沖寬度調(diào)制,H型雙極性可逆PWM變換器PWM電機(jī)配合,系統(tǒng)就可以獲得很寬的頻帶,響應(yīng)速度快,抗干擾能力強(qiáng)。而且主電路損耗小,裝置效率高。H型雙極式PWM變換器有如下優(yōu)點(diǎn):(1)電流一定連續(xù);(2)可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行;(3)電機(jī)停止時(shí)有微振電流,能消除靜摩擦死區(qū);(4)低速時(shí),每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬,有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通;(5)低速平穩(wěn)性好,調(diào)速范圍可達(dá)20000左右。其電路原理圖如下圖所示:PWM路規(guī)模較大,設(shè)計(jì)過程不簡便。方案三:驅(qū)動(dòng)芯片L298N調(diào)速L298NST1546V;3A,2A;25WH2特點(diǎn):1、具有信號(hào)指示;2、轉(zhuǎn)速可調(diào);3、抗干擾能力強(qiáng);4、具有過電壓和過電流保護(hù);5、可單獨(dú)控制兩臺(tái)直流電機(jī);6、PWM脈寬平滑調(diào)速7、可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn);8、采用光電隔離。L298N三.硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)C8051F310單片機(jī)芯片上集成了很多功能:805114,WTD1280字節(jié)內(nèi)部數(shù)據(jù)RAM;16KBFLASH存儲(chǔ)器,可在系統(tǒng)編程;10ADC29/25I/O5VUART、SMBusSPI4個(gè)通用16位計(jì)數(shù)器/定時(shí)器;16/定時(shí)器陣列(PCA),5/PCA內(nèi)部可編程振蕩器:24.5Hz,UART外部振蕩器:晶體、RC、C、或外部時(shí)鐘;32LQFPC8051F310ROM/EPROMRAM,可以供此系統(tǒng)的程序使用,不需C8051F310接口模塊。3個(gè)部分整體電路圖如下:復(fù)位電路:C8051F310來實(shí)現(xiàn)的;本設(shè)計(jì)選擇的是用按鍵手動(dòng)復(fù)位,KEY1C2CKRST時(shí)鐘電路:C8051F310SiliconLabs2(C2)FLASH信號(hào)(C2CK)C2(C2D)在器件和宿主機(jī)之間傳達(dá)信息。RC(R2C6)C2CK程序載入電路:5*2Header7行控制,4C2DC2D電壓轉(zhuǎn)換模塊設(shè)計(jì)5V,但是C8051F3102.7V~3.6V3.3V5V3.3VSPX1117--800mA(LDO)電容實(shí)現(xiàn)電壓的轉(zhuǎn)換功能。SPX11171.1V。當(dāng)輸出電流減少時(shí),靜態(tài)電流隨負(fù)載變化,并提高效率。SPX11171.5V,1.8V,2.5V,2.85V,3.0V,3.3V的輸出電壓。SPX11173:SOT-223,TO-252,TO-22026310uF由SPX1117構(gòu)成的電壓轉(zhuǎn)換模塊如下圖所示:本次設(shè)計(jì)使用兩個(gè)插口的電壓插座,5VVinVout3.3V,3.3VC8051F310正常的工作電壓。光電探測輸入模塊設(shè)計(jì)st1681*8Header6st1684cm,故在小車的前端4.5cm~5cm測器始終探測到黑線,會(huì)使得運(yùn)行更加穩(wěn)定。6st168口進(jìn)行連接,故沒有在電路圖中畫出st168FL、FM、FR、BL、BM、BRI/O端口進(jìn)行邏輯控制。LM339AN的輸入信號(hào)進(jìn)行比較。st1681.4~2V3.8~4.2V左680Ω1kΩ5V3.1V8.2kΩ的電阻作為上拉電阻穩(wěn)定輸出。經(jīng)電壓比較器處理后,輸出標(biāo)準(zhǔn)的高電平或低電平信號(hào),送入單片機(jī)進(jìn)行處理。光電探測輸入模塊電路如下圖:IC0.1uF4.輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)經(jīng)過前面的方案論證,選擇L298N芯片作為驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī),實(shí)現(xiàn)車輪的速度調(diào)節(jié)和正反轉(zhuǎn)。在將單片機(jī)的控制信號(hào)輸入給驅(qū)動(dòng)芯片之前添加一個(gè)緩沖器SN74HCT373N,可以使系統(tǒng)更加穩(wěn)定。L298N2個(gè)電機(jī),OUT1、OUT2OUT3、OUT42個(gè)電動(dòng)機(jī)。5、7、10、12腳接輸入控制電平,控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),;ENA,ENBL298N1PWMPWMI/OIN1IN2M1IN1,IN2M1IN3IN4M2PWMIN2IN4FLM1IN1輸PWMM2(IN3PWMFR,IN1PWM,IN3PWMFLFRIN1IN3IN2IN4PWMBLBR整個(gè)輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊如下圖所示:0.1uF四.軟件設(shè)計(jì)編程思想及流程圖2FLFRP0.2P0.42BLBRP2.2P2.4線時(shí)輸入高電平,探測到白底時(shí)輸入低電平。16/定時(shí)器陣列(PCA)的輸出P1.2~P1.5PWML298N調(diào)速轉(zhuǎn)向。程序主要分為前行程序和倒行程序兩個(gè)大模塊,每個(gè)大模塊又分為直行程序,左轉(zhuǎn)程序和右轉(zhuǎn)程序三個(gè)小模塊。上電時(shí)首先直接執(zhí)行前行的直行程序,再對(duì)光電探測器輸入信號(hào)進(jìn)行判斷,然后根據(jù)判斷結(jié)果執(zhí)行相應(yīng)的子程序。前行程序模塊:P0.2P0.4P0.2P0.4P0.2P0.4程序。每個(gè)子程序執(zhí)行完后都跳轉(zhuǎn)到程序開頭進(jìn)行判斷。倒行程序模塊:P2.2P2.4P2.2P2.4P2.2P2.4程序。每個(gè)子程序執(zhí)行完后都跳轉(zhuǎn)到程序開頭進(jìn)行判斷。P1.2~P1.516/定時(shí)器陣列(PCA)PCA0CPH0~PCA0CPH3L298NIN1~IN4。IN1IN2IN4PCA0CPHx的賦值約FFh:PCA0CPH0PCA0CPH2,PCA0CPH1PCA0CPH3前行左轉(zhuǎn)子程序:PCA0CPH0;PCA0CPH2增大,PCA0CPH1PCA0CPH3前行右轉(zhuǎn)子程序:PCA0CPH0;PCA0CPH2減小,PCA0CPH1PCA0CPH3倒行時(shí)的三個(gè)子程序類似,PCA0CPH0PCA0CPH2PCA0CPH1PCA0CPH3P1.3P1.5PWM號(hào)占空比,實(shí)現(xiàn)倒行的直行,左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)模塊的功能。程序流程圖如下:白黑白主要程序設(shè)計(jì)主要的編程思想在前面已經(jīng)做了很詳細(xì)的論述,在此將前行程序的判斷語句,前行程序的直行子程序,以及倒行程序的左轉(zhuǎn)子程序三個(gè)部分作為例子,說明詳細(xì)的程序設(shè)計(jì)過程。前行程序判斷語句:OB_LEFT1:JBP0.2,OBRIGHT11//11SJMPOB_RIGHT1//11OBRIGHT11:JBP0.4,BACKSTART//若右1為高(壓線),則雙探頭壓線,到達(dá)終點(diǎn),//跳轉(zhuǎn)到倒行程序LJMPTURN_LEFT1//左1已壓線,右1未壓線,則進(jìn)入左轉(zhuǎn)程序OB_RIGHT1:JBP0.4,TURNRT1//11,LJMPANJIAN0//TURNRT1:LCALLANJIAN2//調(diào)用右轉(zhuǎn)程序前行程序的直行子程序:ANJIAN0:MOVA,#00HMOVPCA0CPH0,A//1MOVA,#00HMOVPCA0CPH2,A//11MOVA,#0FFH//其他端口為零占空比的低電平MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1//執(zhí)行結(jié)束后跳轉(zhuǎn)到判斷語句倒行程序的左轉(zhuǎn)子程序:ANJIAN5:MOVA,#60H//22MOVPCA0CPH3,AMOVA,#00H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFH//MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2//執(zhí)行結(jié)束后跳轉(zhuǎn)到判斷語句3相應(yīng)模塊也可以按照類似的思想進(jìn)行編程,最終由整個(gè)編程思想將每個(gè)小模塊按正確的邏輯“連接:起來,即可實(shí)現(xiàn)整個(gè)程序的設(shè)計(jì)。1.測試報(bào)告測試方法:數(shù)字萬用表主要用于測試分立元件的電阻值,電容大小,以及二極管的截止/導(dǎo)通狀態(tài)和某些關(guān)鍵點(diǎn)的電壓值。信號(hào)發(fā)生器用于模擬光電探測器的信號(hào)輸入給單片機(jī)進(jìn)行控制,觀察輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是否運(yùn)行正常。示波器用于觀察輸出電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)信號(hào)是否正常,并可以測量光電探測器的輸入高電平和低電平的電壓值,以及測試電壓比較器的閾值電壓值,作好整體的調(diào)試。直流穩(wěn)壓源為測試期間的各個(gè)部分供電。測試數(shù)據(jù)和結(jié)果:5V,5.2V3V61.4~2V3.8~4.2V較為穩(wěn)定。測試驅(qū)動(dòng)模塊時(shí),使探測器在白紙和黑線上不斷變化,產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào),用示波器IN1、IN2、IN3、IN4暢穩(wěn)定。2.結(jié)論C8051F310st168L298N本次光電智能小車的設(shè)計(jì)采用兩個(gè)驅(qū)動(dòng)輪+一個(gè)隨動(dòng)輪運(yùn)行,光電探測器探測4cm10cm×25cm30s,由于直接利用了車輪的正反轉(zhuǎn),在反向行駛時(shí)不需調(diào)頭或者轉(zhuǎn)彎,直接逆向行駛,所以一個(gè)來回所需要的時(shí)間約為1min。運(yùn)行過程中,車身平穩(wěn),且轉(zhuǎn)彎靈活,整個(gè)運(yùn)行過程非常穩(wěn)定且為發(fā)生任何錯(cuò)誤。不足之處在于較大角度的轉(zhuǎn)彎處,小車運(yùn)行得不夠靈活,轉(zhuǎn)彎速度較慢,時(shí)間較長。六.心得體會(huì)本次光電系統(tǒng)課程設(shè)計(jì)使我受益匪淺。陸陸續(xù)續(xù)快一個(gè)學(xué)期的過程中我通過課程設(shè)計(jì)的各個(gè)步驟學(xué)到了很多東西。在確定了本次課設(shè)的題目后,首先查閱了很多資料,對(duì)硬件電路設(shè)計(jì)的原理有小組成員選擇了性能穩(wěn)定,成本低廉,簡單可靠的方案來實(shí)現(xiàn)此次系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。在畫電路原理圖的時(shí)候,器件相關(guān)參數(shù)的確定并不能像理論上計(jì)算得出就可以的,需要去做測試實(shí)驗(yàn)才能確定其參數(shù),這讓我知道了理論與現(xiàn)實(shí)操作還是有很大差別的,不能PCBPCBPCB同占空比的方波,此方法編程復(fù)雜繁瑣,容易出現(xiàn)邏輯錯(cuò)誤,最終決定用可以編程的計(jì)數(shù)器/定時(shí)器陣列(PCA計(jì)過程,使程序非常簡潔明了。最終的焊接和調(diào)試過程,小組成員齊心協(xié)力,一步一步地調(diào)試好每個(gè)模塊,最終完成了整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。本次課設(shè)小組成員分工合作,雖然遇到了各種困難,但都一一克服了,使得我們最終共同完成了整個(gè)光電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。七.參考文獻(xiàn)胡乾斌.單片微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用[M].華中科技大學(xué)出版社,2006.江志紅.51單片機(jī)技術(shù)與應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)案例精選[M].清華大學(xué)出版社,2008.潘琢金.C8051F310/1/2/3/4/58/16KBISPFLASH微控制器數(shù)據(jù)手冊[Z][D].,2004.八.附錄原理圖(P21)PCB(P22)器件清單程序清單$includeORG0000HLJMPORGMAIN:SETBP1.6SETBP1.7LCALLInit_DeviceSTART:LCALLANJIAN0//設(shè)置電機(jī)正轉(zhuǎn)OB_LEFT1:JBP0.2,OBRIGHT11//11SJMPOB_RIGHT1//左1探頭未壓線,繼續(xù)判斷右1探頭OBRIGHT11:JBP0.4,BACKSTART//1點(diǎn),跳轉(zhuǎn)到倒行程序LJMPTURN_LEFT1//左1已壓線,右1未壓線,則進(jìn)入左轉(zhuǎn)程序OB_RIGHT1:JBP0.4,TURNRT1//11,LJMPANJIAN0//若也未壓線,則返回起始保持直行,且繼續(xù)探測TURNRT1:LCALLANJIAN2//調(diào)用右轉(zhuǎn)程序ANJIAN0:MOVA,#00HMOVPCA0CPH0,A//接左1輪MOVA,#00H//11MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1ANJIAN2:MOVA,#00HMOVPCA0CPH0,A//11MOVA,#60H//11MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1TURN_LEFT1:LCALLANJIAN3ANJIAN3:MOVA,#60H//11MOVPCA0CPH0,AMOVA,#00H//11MOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH3,ALJMPOB_LEFT1BACKSTART:LCALLANJIAN1//電機(jī)反轉(zhuǎn)OB_LEFT2:JBP2.2,OBRIGHT21//22SJMPOB_RIGHT2//左2探頭未壓線,繼續(xù)判斷右2探頭OBRIGHT21:JBP2.4,START//2跳轉(zhuǎn)到前行程序LJMPTURN_LEFT2//左2已壓線,右2未壓線,則進(jìn)入左轉(zhuǎn)程序OB_RIGHT2:JBP2.4,TURNRT2//11,LJMPANJIAN1//若也未壓線,則返回起始保持直行,且繼續(xù)探測TURNRT2:LCALLANJIAN4//調(diào)用右轉(zhuǎn)程序ANJIAN1:MOVA,#00H//接左2輪MOVPCA0CPH3,AMOVA,#00H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2ANJIAN4:MOVA,#00H//22PCA0CPH3,AMOVA,#60H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2TURN_LEFT2:LCALLANJIAN5//調(diào)用左轉(zhuǎn)程序ANJIAN5:MOVA,#60H//22MOVPCA0CPH3,AMOVA,#00H//22MOVPCA0CPH1,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH2,AMOVA,#0FFHMOVPCA0CPH0,ALJMPOB_LEFT2;------------------------------------;-GeneratedInitializationFile--;------------------------------------;Peripheralspecificinitializationfunctions,;CalledfromtheInit_DevicelabelPCA_Init:movPCA0CN,#040hanlPCA0MD,#0BFhmovPCA0MD,#002hmovPCA0CPM0,#042hmovPCA0CPM1,#042hmovPCA0CPM2,#042hmovPCA0CPM3,#042hmovPCA0CPH0,#0FFhmovPCA0CPH1,#0FFhmovPCA0CPH2,#0FFhmovPCA0CPH3,#0FFhretPort_IO_Init:;P0.0-Skipped,Open-Drain,Digital;P0.1-Skipped,Open-Drain,Digital;P0.2-Skipped,Open-D