智能巡線小車設(shè)計(jì)報(bào)告.doc

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1、 第三屆電子設(shè)計(jì)與測(cè)試競(jìng)賽 方 案 設(shè) 計(jì) 報(bào) 告 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 組長(zhǎng)姓名： 戴紫旭 學(xué) 號(hào)： 5120142401 班 級(jí)： 電氣1402班 聯(lián)系電話： 15280959558 指導(dǎo)老師： 張靜 選題名稱： 智能巡線

2、小車（C題） 設(shè)計(jì)報(bào)告 ——智能巡線小車（C題） （林曉強(qiáng) 桑朝春） 1. 系統(tǒng)方案論證 1.1 小車巡線原理 這里的巡線是指小車在白色地板上循黑線行走，由于黑線和白色地板對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)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(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的

3、行走路線。 1.2 方案論證與選擇 1.2.1 巡線模塊設(shè)計(jì)與比較 采用一體反射式紅外對(duì)管，所謂一體就是發(fā)射管和接受管固定在一起，反射式的工作原理就是接收管接收到的信號(hào)是發(fā)射管發(fā)出的紅外光經(jīng)過(guò)反射物的反射后得到的，所以使用紅外對(duì)管進(jìn)行循跡時(shí)必須是白色地板加黑色引導(dǎo)條。 　這次設(shè)計(jì)中由于是近距離探測(cè)，故采用紅外對(duì)管來(lái)完成數(shù)據(jù)采集。由于紅外光波比可見(jiàn)光長(zhǎng)，因此受可見(jiàn)光的影響較小。同時(shí)紅外線系統(tǒng)還具有以下優(yōu)點(diǎn)：尺寸小、質(zhì)量輕，便于安裝。反射式光電檢測(cè)器就是其中的一種器件，它具有體積小、靈敏度高、線性好等特點(diǎn)，外圍電路簡(jiǎn)單，安裝起來(lái)方便，電源要求不高。用它作為近距離傳感器是最理想

4、的，電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定可靠。 1.2.2 供電方案設(shè)計(jì)與比較 方案一： 采用兩個(gè)電源供電，將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源以及其周邊電路與單片機(jī)電源分別供電，由于單片機(jī)的電壓較低，而電機(jī)需要的電壓較高，容易使單片機(jī)電壓過(guò)高而損壞，使用兩個(gè)電池供電，可以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但是多一組電池，增加了小車的質(zhì)量，同時(shí)也增加了小車的慣性，降低了靈敏度。 方案二：采用單一電源供電。電源直接給單片機(jī)供電，通過(guò)單片機(jī)的IO口連接到電動(dòng)機(jī)上，這樣輸出的電壓穩(wěn)定，同時(shí)也減輕了小車的質(zhì)量，使小車更加靈活。但是加高的電壓提高了損壞單片機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。 從安全性考慮，我們選擇方案一。 1.2.3 電機(jī)驅(qū)

5、動(dòng)模塊設(shè)計(jì)與比較 方案一：33886驅(qū)動(dòng) 采用飛思卡爾公司的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片MC33886。其驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)，有過(guò)流保護(hù)功能，狀態(tài)監(jiān)測(cè)功能，通過(guò)PWM調(diào)節(jié)可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。 1)單獨(dú)使用一片33886 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用電路簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)方便。缺點(diǎn)：芯片驅(qū)動(dòng)電流小，內(nèi)阻大，可能存在發(fā)熱嚴(yán)重的問(wèn)題，不好加散熱片。 2)采用兩片或者四片MC33886并聯(lián) 優(yōu)點(diǎn)：可以增大驅(qū)動(dòng)能力，減少單片機(jī)發(fā)熱量。缺點(diǎn)：存在均流不佳的問(wèn)題，有礙提高整個(gè)裝置的輸出，甚至造成器件和裝置的損害。 方案二：L298N驅(qū)動(dòng) L298N是ST生產(chǎn)的芯片，主要特點(diǎn)：工作

6、電壓高，最高工作電壓可達(dá)到46V，并且可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)電壓；可以直接用單片機(jī)的I/O口提供信號(hào)，而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。 經(jīng)經(jīng)驗(yàn)比較，L298N驅(qū)動(dòng)模塊運(yùn)行可靠，取得效果較好，而且電路的電氣性能和散熱性能較好，此設(shè)計(jì)選用L298N驅(qū)動(dòng)模塊。 1.2.4 智能小車測(cè)距模塊設(shè)計(jì)與比較 方案一：用霍爾元件檢測(cè)小磁片 利用霍爾元件檢測(cè)裝在小車輪子上的小磁鐵（放置的小磁鐵個(gè)數(shù)可更改）給單片機(jī)發(fā)送中斷脈沖，每受到一次或者幾個(gè)脈沖后，小車輪子周長(zhǎng)加一次，即最后的總數(shù)就為距離，霍爾元件具有體積小，頻率相應(yīng)寬度大，動(dòng)態(tài)性好，對(duì)外圍電路要求簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。但是他的轉(zhuǎn)

7、換率比較低，受外界影響，尤其是溫度。 方案二：用光柵進(jìn)行計(jì)算 在小車的輪子上加上光柵，外圍加上光電管進(jìn)行檢測(cè)。用這種方法進(jìn)行檢測(cè)精確度高，誤差較小，安裝方便。但是在小車轉(zhuǎn)彎處精確度不高，會(huì)造成一定的誤差。 方案三：使用帶有編碼器直流電機(jī) 用這種方法就是簡(jiǎn)單，直接計(jì)算出，而且精度高。缺點(diǎn)在于這種電機(jī)非常貴，自己需求大。 但根據(jù)我們的實(shí)際狀況，我們決定采用第三種方案。 1.2.5 剎車機(jī)構(gòu)功能設(shè)計(jì)與比較 方案一：自然減速式 當(dāng)系統(tǒng)發(fā)出停止信號(hào)時(shí)停止給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，小車在無(wú)動(dòng)力狀態(tài)因阻力而自然變?yōu)殪o止。由于慣性，小車全速行駛時(shí)需

8、1.8秒后才能停止，因車輪滑行造成的誤差較大。無(wú)法實(shí)現(xiàn)精確制動(dòng)的目標(biāo)。 方案二：反轉(zhuǎn)式 當(dāng)小車需要停車時(shí)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)以反轉(zhuǎn)信號(hào)，利用輪胎與跑道的摩擦力抵消慣性效應(yīng)。由于車速是漸減的，反向驅(qū)動(dòng)信號(hào)長(zhǎng)度也要漸減，否則小車可能反向行駛。使用此方案后全速剎車反應(yīng)時(shí)間減少為0.5s。 由于需要對(duì)小車進(jìn)行剎車，從而更加準(zhǔn)確的計(jì)算路程，故本系統(tǒng)中采用方案二。 1.3 控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 自動(dòng)循跡小車控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測(cè)模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。 穩(wěn)壓電 源模塊 主控芯片 EK-TM4C123GXL L

9、298N 減速電機(jī) 光電傳感器 電壓比較器 圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 1.主控制電路模塊：用EK-TM4C123GXL單片機(jī)、復(fù)位電路，時(shí)鐘電路 2.紅外檢測(cè)模塊：光電傳感器ST188 3.電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊:電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N、四個(gè)直流電機(jī) 4.電源模塊：雙路開(kāi)關(guān)電源 2. 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及指標(biāo)計(jì)算 2.1 光電管探測(cè)模塊 2.1.1 紅外傳感器ST188簡(jiǎn)介 含一個(gè)反射模塊（發(fā)光二極管）和一個(gè)接收模塊（光敏三極管）。通過(guò)發(fā)射紅外信號(hào)，看接收信號(hào)變化判斷檢測(cè)物體狀態(tài)的變化。A、K之間接發(fā)光

10、二極管，C、E之間接光敏三極管（二者在電路中均正接，但要串聯(lián)一定阻值的電阻）。 圖2 ST188實(shí)物圖 圖3 ST188實(shí)物圖 2.1.2 具體電路 通過(guò)ST188檢測(cè)黑線，輸出接收到的信號(hào)給LM324 ，接收電壓與比較電壓比較后，輸出信號(hào)變?yōu)楦叩碗娖?，再輸入到單片機(jī)中，用以判定是否檢測(cè)到黑線。 圖4 ST188電路圖 2.1.3 傳感器安裝 在小車具體的巡

11、線行走過(guò)程中，為了能精確測(cè)定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其巡線的可靠性。這4個(gè)紅外探頭的具體位置如圖6所示。 圖5 傳感器安裝圖 圖中巡線傳感器全部在一條直線上。其中X1與Y1為第一級(jí)方向控制傳感器，X2與Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖3-4中所示的行走軌跡黑線)在X1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控

12、制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由于慣性過(guò)大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)探測(cè)器動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯觯诙?jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車巡線的可靠性。 2.2 單片機(jī)控制板模塊 對(duì)于我們的智能小車，我們使用EK-TM4C123GXL最小系統(tǒng) 圖6 EK-TM4C123GXL最小系統(tǒng)控制板實(shí)物圖 經(jīng)過(guò)我們對(duì)EK-TM4C123GXL最小系統(tǒng)的資料的研讀，我們

13、知道系統(tǒng)板上的電源模塊，復(fù)位電路，晶振電路已經(jīng)具備。然后我們對(duì)最小系統(tǒng)板上的可用I/O口進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下： PA2--PA7 PB0--PB7 PC4—PC7 PD0--PD3 PE0—PE5 PF0—PF5 電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊 2.4.1 L298N驅(qū)動(dòng)模塊 L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)46V；輸出電流大，瞬間峰值可達(dá)3A，持續(xù)工作電流2A；內(nèi)含兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；

14、具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)影響的情況下允許或禁止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使內(nèi)部邏輯電路部分在低電壓下工作；并且可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N驅(qū)動(dòng)電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。 L298N的主要引腳功能如下： +5V：芯片電壓5V VCC：電機(jī)電壓，最大可接50V GND：共地接法 Output1—Output2：輸出端，接電機(jī)1 Output3—Output4：輸出端，接電機(jī)2 EN1、EN2：高電平有效，EN1

15、、EN2分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端 Input1～I(xiàn)nput4：輸入端，輸入端電平和輸出端電平是對(duì)應(yīng)的 圖7 L298N實(shí)物圖 圖8 L298N引腳圖 圖9 L298N驅(qū)動(dòng)原理圖 2.4.2 電機(jī)控制過(guò)程 IN1，IN2，IN3，IN4接收脈沖信號(hào) L298N的1腳和15腳發(fā)射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號(hào)。OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4之間可分別接電動(dòng)機(jī)的一相。5，7，10，12腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。EN

16、A，ENB控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。 表1 ：電機(jī)驅(qū)動(dòng)邏輯關(guān)系 IN1 IN2 ENA 電機(jī)狀態(tài) X X 0 停止 0 0 1 順時(shí)針 0 1 1 逆時(shí)針 0 0 0 停止 1 1 0 停止 控制電機(jī)的運(yùn)行速度只要控制系統(tǒng)發(fā)出時(shí)鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過(guò)程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過(guò)程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。 注釋：對(duì)應(yīng)附錄中的Ｉ／Ｏ連接表： 　　　　６――z（y）1IN1　　　　　　　　?。胆D―z（y）1IN2 　　　?。川D―z（y）2IN1　　　　　　　　　３――z（y）2IN2 　　　?。波D

17、―z（y）1pwmIN　　　　　　　?。报D―z（y）2pwmIN 2.3 LCD顯示模塊 我們采用1602液晶顯示對(duì)我們所測(cè)得的比賽時(shí)間和路程，1602控制相對(duì)簡(jiǎn)單，成本也相對(duì)較低，因此我們選用1602作為顯示模塊。 簡(jiǎn)介： 工業(yè)字符型液晶，能夠同時(shí)顯示16x02即32個(gè)字符。（16列2行） 1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種專門用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個(gè)5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個(gè)點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個(gè)字符，每位之間有一個(gè)點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作

18、用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD是指顯示的內(nèi)容為16X2,即可以顯示兩行，每行16個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 市面上字符液晶大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780寫(xiě)的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大部分的字符型液晶。 圖10 lcd1602實(shí)物圖 圖11 lcd1602引腳圖 2.4 距離計(jì)算模塊 我們采用27GMB-1525Y 直流減速電機(jī)，這種電機(jī)內(nèi)部有兩線霍爾編碼器，4倍頻減速箱減速，輪子每圈有幾百脈沖。 圖12 電機(jī)實(shí)物圖

19、 電機(jī)上編碼器的作用及其工作原理： 編碼器一般用在普通電機(jī)的軸端采集旋轉(zhuǎn)了多少角度，伺服和步進(jìn)電機(jī)都有自帶的信號(hào)反饋一般不需要加裝編碼器，通過(guò)轉(zhuǎn)子在編碼器內(nèi)部掃過(guò)了多少個(gè)暗刻線來(lái)輸出多少個(gè)脈沖信號(hào)，精度選擇就是編碼器有多少分辨率，越高的角度記錄越精確，有AB輸出的也有A+B+A-B-輸出的，把這兩根信號(hào)線接在PLC輸入端的高速計(jì)數(shù)輸入端子上，一般都是PLC輸入的前幾個(gè)點(diǎn)上，程序控制也是要查找手冊(cè)用高速計(jì)數(shù)器接收信號(hào)，通過(guò)計(jì)算得出你想要的電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)然后來(lái)控制電機(jī)的啟停達(dá)到電機(jī)在線性或是轉(zhuǎn)盤角度上的精確定位。 通過(guò)這種編碼器，我們通過(guò)它來(lái)直接給單片機(jī)傳送脈沖信號(hào)，讀取數(shù)據(jù)，然后

20、進(jìn)行輪子周長(zhǎng)的計(jì)算來(lái)計(jì)算出距離。 輪子轉(zhuǎn)動(dòng) 發(fā)送脈沖給單片機(jī) 霍爾元件檢測(cè) 單片機(jī)處理數(shù)據(jù)，計(jì)算出距離 圖13流程框圖 2.5 聲光報(bào)警模塊 當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到終點(diǎn)信號(hào)時(shí)，由主控芯片控制蜂鳴器間歇性鳴響，同時(shí)四個(gè)發(fā)光二極管開(kāi)始工作，用此時(shí)的相應(yīng)作為到達(dá)終點(diǎn)的報(bào)警信號(hào)。 具體電路如下： 圖14聲光報(bào)警模塊電路圖 3. 系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)及算法分析 3.1總體軟件流程圖 小車進(jìn)入尋跡模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I

21、/O口有信號(hào)變化，就執(zhí)行相應(yīng)的判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。軟件的主程序流程圖如圖18所示： 圖15 主程序流程圖 3.2小車循跡流程圖 小車進(jìn)入巡線模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測(cè)到某個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個(gè)探測(cè)器中的哪一個(gè)探測(cè)到了黑線，如果左面第一級(jí)傳感器或者左面第二級(jí)傳感器探測(cè)到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；右邊與左邊情況相似； 圖16小車循跡流程圖 3.3中斷程

22、序流程圖 這里利用的EK-TM4C123GXL單片機(jī)是計(jì)數(shù)器，從而讓單片機(jī)P0口的P0.4和P0.5引腳輸出占空比不同的方波,然后經(jīng)驅(qū)動(dòng)芯片放大后控制直流電機(jī)。定時(shí)計(jì)數(shù)器若干時(shí)間（比如0.1ms）比如中斷一次,就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個(gè)高電平或低電平。中斷程序流程圖如圖20所示： 圖17 中斷程序流程圖 3.4系統(tǒng)程序流程圖 圖18系統(tǒng)程序流程圖 4. 測(cè)試方案 設(shè)計(jì)采用環(huán)形的黑色軌道，對(duì)小車進(jìn)行實(shí)際測(cè)試。設(shè)計(jì)測(cè)試圖如圖22所示： 圖19 測(cè)試場(chǎng)景及參數(shù) 系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中，采取順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向的測(cè)試方法，在不同

23、的起點(diǎn)啟動(dòng)，以此來(lái)檢測(cè)智能小車左右轉(zhuǎn)的效果。 附錄： 各個(gè)元件連接相應(yīng)單片機(jī)Ｉ／Ｏ口對(duì)應(yīng)表： xOUT1 PC4 y2pwmIN PD7 xOUT2 PC5 RS PE3 xOUT3 PC6 R/W PE4 xOUT4 PC7 E PE5 sIN1 PE1 DB0 PB0 gIN2 PE2 DB1 PB1 z1IN1 PA2 DB2 PB2 z1IN2 PA3 DB3 PB3 z2IN1 PA4 DB4 PB4 z2IN2 PA5 DB5 PB5 z1pwmIN PA6 DB6 PB6 z2pwmIN PA7 DB7 PB7 y1IN1 PD0 z1F PF0 y1IN2 PD1 z2F PF1 y2IN1 PD2 y1F PF2 y2IN2 PD3 y2F PF3 y1pwmIN PD6 表２　各個(gè)元件連接相應(yīng)單片機(jī)Ｉ／Ｏ口對(duì)應(yīng)表