智能巡線(xiàn)小車(chē)設(shè)計(jì)報(bào)告分解

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)： 戴紫旭 學(xué) 號(hào)： 5120212401 班 級(jí)： 電氣1402班 聯(lián)系： 指導(dǎo)教師： 靜 選題名稱(chēng)： 智能巡線(xiàn)小車(chē)C題 設(shè)計(jì)報(bào)告智能巡線(xiàn)小車(chē)C題林曉強(qiáng) 桑朝春1. 系統(tǒng)方案論證1.1 小車(chē)巡線(xiàn)原理 這里的巡線(xiàn)是指小車(chē)在白色地板上循黑線(xiàn)行走，由于黑線(xiàn)和白色地板對(duì)光線(xiàn)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(xiàn)在不同顏色的物體外表具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車(chē)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(chē)上的接收管接收

2、；如果遇到黑線(xiàn)則紅外光被吸收，小車(chē)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(xiàn)的位置和小車(chē)的行走路線(xiàn)。1.2 方案論證與選擇1.2.1 巡線(xiàn)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)射管和承受管固定在一起，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)展循跡時(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(xiàn)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

3、度高、線(xiàn)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(chē)的質(zhì)量，同時(shí)也增加了小車(chē)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(chē)的質(zhì)量，使小車(chē)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)。

4、從平安性考慮，我們選擇方案一。1.2.3 電機(jī)驅(qū)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，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)：工作電壓高，最高工作電壓可到達(dá)46V，

5、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)歷比較，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(chē)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(chē)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(chē)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)換率比較低，受外界影響，尤其是溫度。 方案二：用光柵進(jìn)展計(jì)算 在小

6、車(chē)的輪子上加上光柵，外圍加上光電管進(jìn)展檢測(cè)。用這種方法進(jìn)展檢測(cè)準(zhǔn)確度高，誤差較小，安裝方便。但是在小車(chē)轉(zhuǎn)彎處準(zhǔn)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(chē)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)出停頓信號(hào)時(shí)停頓給驅(qū)動(dòng)電機(jī)供電，小車(chē)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(chē)全速行駛時(shí)需1.8秒后才能停頓，因車(chē)輪滑行造成的誤差較大。無(wú)法實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確制動(dòng)的目標(biāo)。 方案二：反轉(zhuǎn)式 當(dāng)小車(chē)需要停車(chē)時(shí)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)以反轉(zhuǎn)信號(hào)，利用輪胎與跑道

7、的摩擦力抵消慣性效應(yīng)。由于車(chē)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(chē)可能反向行駛。使用此方案后全速剎車(chē)反響時(shí)間減少為0.5s。由于需要對(duì)小車(chē)進(jìn)展剎車(chē)，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(chē)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)模塊等局部組成,控制系統(tǒng)的構(gòu)造框圖如圖1所示。穩(wěn)壓電源模塊主控芯片EK-TM4C123G*LL298N減速電機(jī)光電傳感器電壓比較器 圖1 控制系統(tǒng)的構(gòu)造框圖1.主控制電路模塊：用EK-TM4C123G*L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ST1883.電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊:電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯

8、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(xiàn)，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)樯舷码娖剑佥斎氲絾纹瑱C(jī)中，用以判定是否檢測(cè)到黑線(xiàn)。 圖4 ST188電路圖2.1.3 傳感器安裝 在小

9、車(chē)具體的巡線(xiàn)行走過(guò)程中，為了能準(zhǔn)確測(cè)定黑線(xiàn)位置并確定小車(chē)行走的方向，需要同時(shí)在底盤(pán)裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)展兩級(jí)方向糾正控制，提高其巡線(xiàn)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(xiàn)傳感器全部在一條直線(xiàn)上。其中*1與Y1為第一級(jí)方向控制傳感器，*2與Y2為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線(xiàn)同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線(xiàn)的寬度。小車(chē)前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖3-4中所示的行走軌跡黑線(xiàn))在*1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車(chē)偏離黑線(xiàn)時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線(xiàn)，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車(chē)的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車(chē)軌跡予以糾正。假設(shè)小車(chē)回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)

10、器都只檢測(cè)到白紙，則小車(chē)會(huì)繼續(xù)行走；假設(shè)小車(chē)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)圍，這時(shí)第二級(jí)探測(cè)器動(dòng)作，再次對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)展糾正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，第二級(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(chē)巡線(xiàn)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(chē)，我們使用EK-TM4C123G*L最小系統(tǒng) 圖6 EK-TM4C123G*L最小系統(tǒng)控制板實(shí)物圖經(jīng)過(guò)我們對(duì)EK-TM4C123G*L最小系統(tǒng)的資料的研讀，我們知道系統(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)展了統(tǒng)計(jì)，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如下：PA2-PA7 PB0-PB7PC

11、4PC7PD0-PD3PE0PE5PF0PF5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；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(xiàn)圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；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制止器件工作有一個(gè)邏輯電源輸入端，使部邏輯電路局部在低電壓下工作；并且可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反響給控制電路。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

12、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 Output1Output2：輸出端，接電機(jī)1 Output3Output4：輸出端，接電機(jī)2 EN1、EN2：高電平有效，EN1、EN2分別為 IN1和IN2、IN3和IN4的使能端 Input1Input4：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

13、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)。ENA，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IN1IN2ENA電機(jī)狀態(tài)*0停頓001順時(shí)針011逆時(shí)針000停頓110停頓 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?zhuān)簩?duì)應(yīng)附錄中的連接表：zy1IN1zy1IN2zy2IN1zy2IN2zy1pwmINzy2pwmIN2.3 LCD顯示模塊我們采用1602液

14、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，本錢(qián)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16*02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(zhuān)門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由假設(shè)干個(gè)5*7或者5*11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是指顯示的容為16*2,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

15、大多數(shù)是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全一樣的，因此基于HD44780寫(xiě)的控制程序可以很方便地應(yīng)用于市面上大局部的字符型液晶。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)部有兩線(xiàn)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 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)反響一般不需要加裝編碼器，通過(guò)轉(zhuǎn)子在編碼器部掃過(guò)了多少個(gè)暗刻線(xiàn)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，越高的角度記錄越準(zhǔn)確，有A

16、B輸出的也有A+B+A-B-輸出的，把這兩根信號(hào)線(xiàn)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)的啟停到達(dá)電機(jī)在線(xiàn)性或是轉(zhuǎn)盤(pán)角度上的準(zhǔn)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)，然后進(jìn)展輪子周長(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)場(chǎng)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)

17、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(chē)進(jìn)入尋跡模式后，即開(kāi)場(chǎng)不停地掃描與探測(cè)器連接的單片I/O口，一旦檢測(cè)到*個(gè)I/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(chē)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(chē)循跡流程圖小車(chē)進(jìn)入巡線(xiàn)模式后，即開(kāi)場(chǎng)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*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(xiàn)，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(xiàn)，即小車(chē)左半局部壓到黑線(xiàn)，車(chē)身向右偏出，此時(shí)應(yīng)使小車(chē)向左轉(zhuǎn)；右邊與左邊情況相似；圖16小車(chē)循跡流程圖3.3中斷程序流程圖這里利用的EK-TM4C123G*L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)器假設(shè)干時(shí)間比方0.1ms比方中斷一次,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(chē)進(jìn)展實(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，在不同的起點(diǎn)啟動(dòng)，以此來(lái)檢測(cè)智能小車(chē)