SZM-遥控绘图小车.doc

SZM_遥控绘图小车

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《电子综合设计与实践》

设计报告

项目名称： 遥控绘图小车 _
学生姓名: 孙张明 _
学生学号： 08220528 _
所在学院： 数理与信息工程学 院 _
专业班级： 电信081 _
指导教师： 武林 _
完成时间： 2011年4月8日 _

电工电子实验教学中心制

遥控绘图小车

摘 要
本设计采用单片机AT89S51作为小车遥控单元A和采用AT89S52作为小车控制单元B的主控芯片。A单元采用12864液晶显示来显示汉字和图形，并通过无线发送模块nRF24L01与B单元进行无线通讯。单元B通过无线接收模块接收A单元发出的信号，根据该信号执行任务。我们在B单元坐标区域的四周贴有宽为20mm的黑线，小车可以通过设置在车头的红外检测模块,对黑线进行循迹，从而确定绘图的坐标原点.并通过四相步进电机带动小车按一定的算法进行绘图或写汉字。

一、方案论证

1. 电机的选择
对于本题，小车的电机选择非常重要,甚至决定了是否能够顺利的完成题目的要求指标.
方案一：采用普通直流电机加编码器.通过驱动模块控制直流电机正转或反转，并通过安装在轮胎齿轮上的编码器检测小车走过的路程,从而控制小车所绘图形的边长。我们一开始采用了这种方案,但最后的效果不尽人意，因为小车在转动的过程中有一定的惯性,编码器检测的路程值往往不符合所设定的要求,根本无法达到题目所要求的指标。
方案二：采用四相小步进电机带动小车。采用步进电机的最大的好处是路程长度可以精确控制，而且不易打滑，但速度方面却没有直流电机的转速快。因为题目规定时间是小于等于120秒，所以采用步进电机还是能够有足够的时间来绘成所设的图形。
因为步进电机控制精度比较高，最终我们采用方案二。

2. 电机驱动模块
方案一:采用L298驱动。L298是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机.但在本题中要驱动两个四相步进电机，就需要两个L298驱动模块，不仅成本相对高,而且占用小车宝贵的空间资源。
方案二：采用高耐压、大电流复合晶体管ULN2003。ULN2003是高耐压、大电流复合晶体管阵列,由七个硅NPN复合晶体管组成。ULN2003工作电压高工作电流大，灌电流可达500mA，并且能够在关态时承受50V的电压,输出还可以在高负载电流并行运行。而且ULN2003驱动模块电路简单,体积较小，很适合控制小步进电机。
基于性价比和小车空间资源的考虑，采用方案二。
3. 单片机的选择
方案一:采用C8051F020单片机。C8051F020是完全集成的混合信号系统级MCU芯片，具有64个数字I/O引脚.高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核；全速、非侵入式的在系统调试接口；真正12或10位、100 ksps 的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；64K字节可在系统编程的FLASH 存储器；具有5 个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列;硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART串行接口。刚开始时,我们采用此款单片机去控制小车，效果还不错,但是C8051F020比较贵，而且体积很大。
方案二:采用AT89S52单片机.AT89S52支持ISP在线下载，调试起来比较方便.虽然AT89S52不像C8051F020那样功能丰富，但对于本题的应用,已经完全足够了.而且AT89S52最小系统板要比C8051F020的系统板节省不少的重量和空间资源。
基于小车在重量和体积方面的特殊要求，采用方案二。
4. 无线模块
方案一：采用nRF24L01无线传输模块。nRF24L01是一款新型单片射频收发器件,工作于2。4 GHz~2.5 GHz ISM频段.内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块,并融合了增强型ShockBurst技术,其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以—6 dBm的功率发射时,工作电流也只有9 mA;接收时，工作电流只有12.3 mA，多种低功率工作模式(掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便。
方案二：采用nRF905无线传输模块.nRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作电压为1。9-3。6V，工作于433/868/915MHz3个ISM频道（可以免费使用）。它的传输距离往往要比nRF24L01的传输距离要远的多。
基于各方面的考虑，采用方案二。
5. 提笔装置
因为在小车进行绘图前,往往还要确定绘图起始点，如果这时画笔触地的话，往往会在绘图纸上留下不规则痕迹，所以要用提笔装置。
方案一：采用继电器加弹簧片。用单片机控制继电器的导通与关断,从而控制单簧片是否弹起，而单簧片与画笔连在一起，这样单片机就可以控制画笔的起落。
方案二:采用舵机去提笔。把舵机竖立在小车上,把舵机与画笔用细绳连在一起，只要给舵机打一个小角度，就可以控制画笔的提起与降落。这时候,必须在画笔上压一个重物，这样能让画笔与地面有一定的压力，有利于绘图。
因为手头材料的限制采用方案二.
二、控制方法与理论计算
1. 黑线循迹与坐标原点的确定
对于确定坐标原点，我们采用8个红外对管来检测黑线,并通过一定方法来确定原点。红外对管分布如图所示。中间四路检测,左右各一路检测。

图1小车车头红外传感器布局
小车会被任意摆放于规定区域内，小车刚开始时,按直线往前开。
（1)当小车与黑线刚好垂直时，让小车检测到时转90 °；
（2）当小车斜线方向找到黑线边沿时，控制小车往第一个检测到的传感器的反方向转，直至平行于黑线；
（3)当小车对角切入时，左右两边的传感器往往会同时检测到，然后通过处理,让小车转正。

图2 小车转90° 图3 小车斜线切入 图4 小车对角前进

2。图形绘制
2.1 画正方形
要画好正方形，关键在于要转好直角90°.譬如说，要向左转90°，这时以画笔的尖头为圆心，左轮和右轮同时按逆时针方向转1/4的圆弧。我们在程序中写了一个转90°的函数，通过实践的调试，使之刚好能转90°.这样，画正方形只要调用转90°函数和画直线（长度由遥控器设定)即可。如图5所示。

2。2 画三角形
与画正方形同理，我们在程序中写了一个转60°的函数，通过实践的调试，使之刚好能转60°。这样，画三方形只要调用转60°函数和画直线（长度由遥控器设定）即可.如图6所示。

图5 画正方形 图6 画三角形

2。3 画圆形
设小车的两个轮间的距离为d，所作圆半径为r，内侧轮子的线速度为v1,外侧轮子的线速度为v2,运行时间t,则两个轮子运行距离分别为s1=v1*t,s2=v2*t,则v1/v2=s1/s2=（2*π＊r1)/（2＊π＊r2)= r1 /r2=r/(r+d)。即控制内外两个轮子的速度比恒定，即可画出圆形，速度比为r/(r+d)，半径即为r。如图7所示。
2.4 写汉字“五"
如图8所示。我们采取了写连笔画的五”字。只要控制好小车的运行长度和所转的角度即可写出汉字，但是是个反笔字。这需要不断的编程、测试，才能写好的。

图7 画圆 图8 写汉字“五"

三、电路和程序设计
1.系统框图

图9 遥控绘图小车总系统框图

2.电机驱动电路图

图10 步进电机驱动模块

3.无线传输模块

图11 nRF24L01无线传输模块

4.液晶显示模块

图12 12864液晶显示模块

5.程序框图

图13 遥控单元A程序流程图 图14 小车控制单元B程序流程图

四、结果分析
1、发挥创新:
1) 可以画出边长可变的正方形、三角形和写出汉字“五”。
2) 能在画图前,自动放下画笔；能在画图后，自动提起画笔。
3） 能够黑线循迹，自动确定绘图坐标原点。
2、测试结果分析：
1） 小车可以作边长可变的正方形、三角形，其误差和笔尖宽度均符合条件，在100s内即作出图形.
2） A单元12864LCD上可以显示图形，并可实时显示绘图时间。
3） 绘图痕迹最大1mm，小于题目要求的10mm，且正方形三角形拐角处无圆弧，圆形也没有明显的拐角。
4) 小车可写汉字“五”，其笔画大于3.
五、附录

图15 遥控小车实物图

图16 遥控单元实物图