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防跌落避障小车的设计-可以实现无线控制的遥控小车
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2022-02-15
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用MSP430F149作为主控模块,采用L298N驱动芯片对电机的控制,搭载NRF2041无线遥控模块以及利用TL852CDR超声波传感器。设计了一款可以实现无线控制的遥控小车。当它在路面行驶过程中会自动避开障碍物并且当遇到悬崖时会自动停止运动,最后通过液晶屏显示其运动状态。
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防跌落避障小车的设计
摘 要:用 MSP430F149 作为主控模块,采用 L298N 驱动芯片对电机的控制,搭载
NRF2041 无线遥控模块以及利用 TL852CDR 超声波传感器。设计了一款可以实现无线控制的
遥控小车。当它在路面行驶过程中会自动避开障碍物并且当遇到悬崖时会自动停止运动,最
后通过液晶屏显示其运动状态。
关键词:防跌落;避障;无线控制
近年来,随着工业自动化的迅速崛起,智能化产品不断走进人们的日产生活,
无人驾驶的无线遥控小车也经常出现在我们的生活中,由于能够通过远程控制其
运行的轨迹,并且能够适应相对恶劣的环境,也必将成为科学侦探的主力军。这
款防跌落避障的无线遥控小车就是其中的一种体现。该设计的主要目的是能够实
现一台能够遥控控制其运动方向,自动躲开障碍物,以及防止跌落的小车。本次
设计主要由单片机来控制其整个系统。单片机在电机控制是便及最多最活跃的领
域之一。由于单片机控制电机的发展和采用了先进的 PWM 技术、使得电机性能和
速度稳定,不但使得可以控制转向,还可以控制速度。它成为今天工业控制领域,
通讯设备、信息处理以及日常生活中最广泛使用的计算机。比如:数控机床、数
控电梯、交通灯管理系统、手机、电子词典、各种医疗器械等;在此设计中使用
低功耗的 MSP430 单片机,用来它控制插排其外围电路,编程灵活,其次,还可
以使用 MSP430 来控制驱动模块来控制电机
[1]
。
无线遥控车的提出始于美国,主要用于军事侦探、太空探测,以及在较恶劣
环境下的运输等方面。随之受到各个国家政府的关注,日本、韩国、中国、欧美
等很多国家进行更深层的研究。目前我国也加大了研究力度,但还是和其他发达
的国家还有很大的差距。在本次设计中,充分利用传感器资源,无线数据传输技
术,最终设计了一款可以防止跌落,以及避开障碍物,利用无线数据传输进而对
小车进行远程无线控制的智能小车。
1 方案论证
1.1 控制系统
在玩具小车的基础上,装载无线控制模块,用于控制小车的移动,超声波传
感器用于对小车周边环境的监测,单片机作为总的控制模块,对收集到的信息进
行数据处理,通过输出信号实现对小车的控制。
本设计采用 MSP430F149 单片机,利用超声波传感器检测路面的实时情况,
控制小车的自动避障,利用数字传感器检测距离,控制小车的跌落。系统结构图
如下图 1。
400
MSP430F149
NRF2401发送
按键
NRF2401接受
MSP430F149
防跌落传感器
超声波传感器 电机
L298N驱动
无线传输
LCD12864
图 1 系统结构框图
1.2 方案比较
1.2.1 单片机选型
单片机是一种系统集成的芯片。单片机作为本次设计的控制核心部分,在逻
辑功能的演算和软件的编程都起到至关重要的作用。就和我们平时使用的计算机
一样。单片机的体积小、方便使用、价格低廉、在设计和研发中大量使用并且涉
及的领域十分宽广。智能小车、控制系统、信号采集系统等方面都能运用上单片
机对其进行的操作。这就促使我们应该更好的学习单片机的工作原理和模块功能。
所以本次设计就选择了单片机
[2]
。
采用 MSP430F149 单片机最小系统,该系统为 16 位低功耗处理器,完全可以
对四个电机的控制,它自带了丰富的寄存器和快速的处理器。 MSP430F149 运算
精确,且电源压力小,易于搭载其他模块。
1.2.2 传感器选型
现在的各种设备都需要传感器,其首要环节就是检测信号,只有有了检测到
的信号的输入,控制器才能处理并发射新的信号来控制设备,这就相当于人的大
脑处理的信息是通过感官器官眼睛、鼻子或者手来获取的。现在传感器早已广泛
应用于工业生产、航空航天、预防地震、石油探测、医学影像、天气预报等等非
常之泛的领域。总之,从陆地到海洋,不管什么样的探测预防上工作,都离不传
感器的帮助,没有了传感器就相当于人没了眼睛没了手,什么都感受不到了。
本设计主要利用 TL852CDR 超声波传感器来实现小车避障以及防跌落功能
[3]
。
实物图如下图 2。
401
图 2 超声波传感器实物图
波可以分为 4 种,一种是我们常人能够听到的波,称为声波,频率在 16~2×10
4
HZ 之间,小于 16HZ 称为次声波,大于 2×10
4
HZ 称为超声波,3×10
8
~3×10
11
HZ
之间的称为微波。
TL852CDR 超声波传感器工作原理:超声波传感器是利用超声波的特性研制而
成的传感器。我们所知道的蝙蝠就是利用超声波的原理进行定位的。当传播介质
发生改变时,由于超声波在不同的介质中的传播速度不同,会发生不同情况的折
射和反射现象,有一部分折射入另外一种介质,另外一部分会在两种介质的交汇
界面进行反射
[4]
。
本次设计主要用到了超声波的测距原理,TL852CDR 超声波传感器有两个探头,
一个用于发射超声波,另外一个用于接收此超声波,当此超声波遇到障碍时,就
会有一部分反射回来,从发射到接受会有一个计时器记录这个时间差△t,根据公
式(1)就可以计算出此时与障碍物的距离。
/ 2S V t= Dg
(1)
式中:S——与障碍物的距离;
V——波在空气中的传播速度;
△t——传感器从发射到接受超声波的时间差。
当小车在运动的过程中,通过发射波和反射波来计算障碍物的距离,并确定
障碍物的位置,进而避免小车撞到障碍物。通过改变超声波传感器的安装位置设
置其正常运动时与地面反射的最大距离,如果大于该值,控制小车停止运动,实
现防跌落功能。
1.2.3 电源选择
方案一:单电源供电:采用 7805 稳压芯片自制稳压模块。单片机和电机用一
个电源的时候单电源同时,由于小车在运动过程中电流会很大,从而使电压降低,
单片机则会出现掉电的现象,导致系统不稳定。单电源给多个模块供电时会出现
电压不稳定。
方案二:双电源供电:单片机使用单独的 5V 电源,电机使用单独的 7.5V 锂
电池供电,该电池组可以随时充电, 满足驱动需求,此外,体积小,携带方便;用另
一个 5V 锂电池给单片机控制系统供电,双电源电压是稳定的。
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电气_空空
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