華中科技大學(xué)電信系智能循跡小車硬件課設(shè)報告

1、硬件類實驗報告項目名稱：智能汽車控制系統(tǒng)設(shè)計制造智能電動小車摘要： Basys2 板是一個電路設(shè)計和實現(xiàn)平臺，任何人都可以使用它來獲得構(gòu)建真實數(shù)字電路的經(jīng)驗，Basys2 板提供了完整的、即用型的硬件，適用于托管從基本邏輯設(shè)備到復(fù)雜控制電路的所有內(nèi)容。設(shè)備。 A 包含大量板載 I/O 設(shè)備和所有必要的 FPGA 支持電路，因此無需任何額外組件即可創(chuàng)建無數(shù)設(shè)計。該方案基于大賽組委會提供的BASYS2技術(shù)平臺，采用Xilinx的FPGA芯片實現(xiàn)對智能智能汽車的控制功能。該任務(wù)語句系統(tǒng)以FPGA電路為控制核心，利用紅外傳感器檢測路標(biāo)，自動沿一定軌跡運(yùn)動，并顯示運(yùn)動速度。關(guān)鍵詞： FPGA ；紅外檢測

2、；電動智能車目錄1 .概述52 .設(shè)計目標(biāo)62.1項目目的 . . 62.2項目說明 . 62.3 任務(wù)要求 62.4 任務(wù)分工 . 6三、方案設(shè)計與論證73.1車身設(shè)計方案73.2模塊設(shè)計方案 7四、系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 94.1跟蹤模塊的設(shè)計94.2電源模塊設(shè)計15五、實驗題與結(jié)論 165.1 問題 . 165.2 試驗總結(jié) 18一、概述智能作為現(xiàn)代的一項新發(fā)明，是未來科技的發(fā)展方向。所謂智能化，是指無需人工管理，即可在環(huán)境中按照預(yù)設(shè)模式自動運(yùn)行的產(chǎn)品?？捎糜诳茖W(xué)探索、危險情況下的無人操作等。本課程設(shè)計的智能電動車就是其中之一。本次設(shè)計的簡易智能小車可以在12v移動電源下工作，實現(xiàn)一些基本的跟蹤

3、、避障、尋光功能。具體而言，利用紅外發(fā)射-接收管檢測黑線運(yùn)動線路，使小車在指定時間沿黑線顯示的指定路徑控制，準(zhǔn)確到達(dá)目的地，不能偏離軌道。追蹤;如果不使用跟蹤軌道，小車可以在自由移動的過程中避開障礙物；此外，尋光模塊設(shè)計有光敏電阻，使汽車在黑暗環(huán)境下也能駛向有光源的地方。本設(shè)計的主要控制是FPGA （ BASYS2為FPGA芯片提供了其外圍電路，包括時鐘、 ROM 、 LED二極管、開關(guān)、按鈕、 7段顯示器和16個I/O端口等）。設(shè)計中FPGA的開發(fā)環(huán)境采用ISE開發(fā)軟件， FPGA的邏輯功能用VerilogHDL描述。智能小車的電機(jī)為直流減速電機(jī)，驅(qū)動電路模塊主要采用L298 ，車前裝有探測

4、運(yùn)動路線的紅外接收管和避障超聲波發(fā)生器，尋光模塊位于汽車前部上方。提供路線。除電機(jī)外的所有電路均提供5v直流電壓，具體實現(xiàn)可由7805穩(wěn)壓器完成?？傊?，設(shè)計結(jié)構(gòu)比較簡單，容易實現(xiàn)，在一定程度上實現(xiàn)了智能化和自動化。2. 設(shè)計目標(biāo)2.1 項目目的：硬件課程設(shè)計是華中科技大學(xué)電子與信息工程系本科生必修的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)。硬件課程設(shè)計的目的是使學(xué)生從選題、方案論證、電路設(shè)計、電路實現(xiàn)、裝配調(diào)試、系統(tǒng)測試、總結(jié)報告等，系統(tǒng)地完成電子系統(tǒng)設(shè)計的基本過程，分析和理解理論熟悉數(shù)字邏輯電路、通信電子電路、微機(jī)原理等相關(guān)課程。引導(dǎo)學(xué)生將原理分析與工程設(shè)計實施相結(jié)合，掌握實用電子與通信系統(tǒng)設(shè)計的基本方法和通則，提高綜

5、合運(yùn)用所學(xué)理論知識的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力。學(xué)習(xí)打下堅實的基礎(chǔ)。2.2 項目說明：本項目需要設(shè)計并實現(xiàn)一個智能汽車自動控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以根據(jù)外部傳感器的輸入信息自動沿著一定的軌跡運(yùn)動。2.3 任務(wù)要求：2.3.1基本要求（1）各電路模塊需自行設(shè)計完成，機(jī)械模塊可外購；(2)利用對管的紅外發(fā)射和接收，可以檢測黑白線；(3) 可以控制兩輪驅(qū)動汽車的自由移動；(4) 可控制小車在規(guī)定時間內(nèi)沿直線和圓弧軌跡運(yùn)動到停止，不能偏離軌道。2.3.2發(fā)揮作用(1)小車離開運(yùn)動軌道后，可根據(jù)光源的指令向光源移動；（2）如果在運(yùn)動路線上設(shè)置障礙物，小車可以避開障礙物，繼續(xù)朝著光源前進(jìn)；(3)提高小車

6、的運(yùn)行速度；(4) 小車運(yùn)行速度實時顯示。2.4 任務(wù)分工該團(tuán)隊由三名學(xué)生組成，分別是： 交流*班U2010 *# , 通訊# U201 類# , 交流 1 # U20201 類#任務(wù)分工如下： # ：主要負(fù)責(zé)FPGA芯片的邏輯功能描述（VerilogHDL軟件的設(shè)計）和自動尋光模塊的設(shè)計。 # ：電機(jī)驅(qū)動模塊和超聲波設(shè)備等硬件設(shè)備的設(shè)計、制造和調(diào)試。 # : 紅外探測裝置的設(shè)計涉及到系統(tǒng)主要模塊的生產(chǎn)和調(diào)試。三、方案設(shè)計與論證3.1 車身設(shè)計方案選項一：采用后輪直流電機(jī)驅(qū)動+前輪舵機(jī)轉(zhuǎn)向，這臺車的優(yōu)點(diǎn)是可以獲得很大的車速。由于轉(zhuǎn)向采用的是舵機(jī)，缺點(diǎn)是必須有一定的轉(zhuǎn)角才能轉(zhuǎn)彎。選項二：采用直流

7、電機(jī)+萬向輪的方式。這種車的優(yōu)點(diǎn)是不需要拐彎，可以原地轉(zhuǎn)彎。二是可以精確控制汽車的行駛路線。缺點(diǎn)是無法獲得較大的速度?？紤]到汽車的行駛空間有限，第一種方案很難轉(zhuǎn)彎，所以選擇第二種方案。3.2 模塊設(shè)計方案根據(jù)設(shè)計任務(wù)的基本要求，并根據(jù)我們自己的需要確定附加功能，電路的整體框圖可以分為以下幾個基本模塊，框圖如下：由于我這次主要負(fù)責(zé)電源部分和紅外檢測部分，下面主要分析一下我在設(shè)計這兩個模塊時的思路。3.2.1跟蹤模塊選項一：采用簡單的光電傳感器結(jié)合外圍電路進(jìn)行檢測，但實際效果并不理想。在使用過程中很容易出現(xiàn)問題，而且很容易因為這個組件而導(dǎo)致整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以這個方案最終沒有被采納。選項二：采用

8、紅外線對管（ST188），置于車身前下方。根據(jù)光電開關(guān)接收到白線和黑線的情況，控制汽車轉(zhuǎn)向，調(diào)整汽車的方向。測試表明，只要正確安裝光電開關(guān)，就可以很好地實現(xiàn)跟蹤功能。相比之下，我選擇第二種方案來實現(xiàn)跟蹤。3.2.2電源模塊選項一：使用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，優(yōu)點(diǎn)是可以穩(wěn)定提供5V電壓，但占用資源過多。選項二：它由4節(jié)1.5V電池供電，7805的輸出端通過連接輸出5V電壓，1.5A但是6V的電流太小，不能同時給單片機(jī)和電機(jī)供電。第三種解決方案：使用8節(jié)1.5V電池和雙電源分別給單片機(jī)和電機(jī)供電，可以解決方案二的問題，讓汽車完成其功能。因此，我選擇了方案三來實現(xiàn)供電。4. 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)4

9、.1 跟蹤模塊設(shè)計4.1.1檢測路面黑線的基本原理：光線照射在路面上并反射。由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)度來判斷黑線。本模塊主要使用ST188作為紅外傳感器。 ST188為四口元件，包括紅外發(fā)射管和紅外接收管。其中AK為紅外發(fā)射管，C_E為紅外接收管。它的檢測距離可以調(diào)整到大圓周， 4mm 13mm。它由高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，采用非接觸檢測方式。該傳感器能夠滿足系統(tǒng)設(shè)計要求中的跟蹤功能要求。ST188 的簡化模型如左圖所示。當(dāng)沒有物體反射紅外線時，ce截止，沒有電流流過，輸出電壓為電源電壓，高電平。當(dāng)物體反射紅外線時，be飽和，ce導(dǎo)

10、通，輸出端相當(dāng)于接地。輸出電壓低。另外，由于該電路在檢測過程中會產(chǎn)生較大的死區(qū)電壓，我們可以適當(dāng)增加一個電壓比較器作為輔助電路。測量靈敏度。有各種類型的比較器。對它，識別準(zhǔn)確，反應(yīng)靈敏，動作迅速，抗干擾能力強(qiáng)，并采取一定的保護(hù)措施，防止器件因過壓或過流而損壞。比較器具有以下特點(diǎn)： = 1 * GB2 工作在開環(huán)或正反饋狀態(tài)。為了在放大器和運(yùn)算電路中實現(xiàn)穩(wěn)定的性能并滿足一定的精度要求，這些電路中的運(yùn)放都引入了深度負(fù)反饋；并且為了提高比較器的響應(yīng)速度和靈敏度，它使用的運(yùn)放不僅不引入負(fù)反饋，有時甚至是正反饋。因此，比較器的性能分析方法不同于放大和運(yùn)算電路。 = 2 * GB2 非線性。由于比較器中的

11、運(yùn)放處于開環(huán)或正反饋狀態(tài)，其兩個輸入端的電位差與開環(huán)電壓放大的乘積通常會超過最大輸出電壓，導(dǎo)致部分管子進(jìn)入飽和區(qū)或截止。因此，在大多數(shù)情況下，輸出和輸入都不是線性的，即放大和運(yùn)算等電路中常用的計算方法不再適用于比較器。 = 3 * GB2 開關(guān)特性。比較器的輸出通常只有高電平和低電平兩種穩(wěn)定狀態(tài)，因此相當(dāng)于一個輸入信號控制的開關(guān)。當(dāng)輸入電壓超過閾值時，開關(guān)動作使輸出從一個電平跳到另一個電平。平坦的。由于比較器的輸入信號是模擬量，其輸出電平是離散的，所以電壓比較器可以作為模擬電路和數(shù)字電路之間的過渡電路。由于比較器的上述特性，既不能像放大電路那樣計算放大倍數(shù)，也不能像分析運(yùn)算電路那樣求解輸出與輸

12、入的函數(shù)關(guān)系，而應(yīng)重點(diǎn)把握比較器的輸出。比較器從一個電氣轉(zhuǎn)換到另一個電平的臨界條件對應(yīng)的輸入電壓值（閾值）來分析輸入量和輸出量之間的關(guān)系。如果一個理想階躍信號加到比較器的輸入端，那么比較器的輸出也應(yīng)該是理想條件下的理想階躍電壓，并且沒有延遲。但實際集成運(yùn)放的最大壓擺率總是有限的，因此比較器輸出電壓的躍遷不可能是理想的階躍信號。電壓比較器的輸出從低電平變?yōu)楦唠娖剿璧臅r間稱為響應(yīng)時間。響應(yīng)時間越短，響應(yīng)時間越快。減少比較器響應(yīng)時間的主要方法有：(1)使輸入信號盡可能接近理想情況，使閾值附近的變化接近理想階躍，幅度足夠大。(2)選擇集成電壓比較器。本模塊主要使用LM234電壓比較器。通過它測量反射

13、光強(qiáng)度，并將測量結(jié)果致給控制模塊，判斷路況。LM324是四運(yùn)放集成電路，采用14腳雙列直插塑封，引腳排列如左圖。其部分包含四組相同形式的運(yùn)算放大器。除共用電源外，四組運(yùn)算放大器相互獨(dú)立。每組運(yùn)算放大器可用左圖所示符號表示。它有5個引腳，其中“+”和“-”為兩個信號輸入端，“V+”和“V-”為正負(fù)電源。端子，“Vo”為輸出端子。兩個信號輸入端中，Vi-(-)為反相輸入端，表示運(yùn)放輸出端Vo的信號與輸入端的相位相反； Vi+（+）為同相輸入端，即運(yùn)放輸出端Vo處的信號。與此輸入相同的相位。電壓比較器可以被認(rèn)為是放大率接近“無窮大”的運(yùn)算放大器。當(dāng)去掉運(yùn)放的反饋電阻，或者反饋電阻趨于無窮大（即開環(huán)狀

14、態(tài)）時，理論上認(rèn)為運(yùn)放的開環(huán)放大倍數(shù)也是無窮大（實際上非常大，如LM324運(yùn)放開環(huán)狀態(tài)）。放大倍數(shù)為 100dB，即 100,000 倍）。此時，運(yùn)算放大器形成一個電壓比較器，其輸出為高電平 (V+) 或低電平（V- 或接地）。當(dāng)正輸入端電壓高于負(fù)輸入端電壓時，運(yùn)放輸出低電平。當(dāng)正輸入端電壓低于負(fù)輸入端電壓時，運(yùn)放輸出高電平。4.ST188的供電電壓為3.0V5.0V。 BASYS2開發(fā)板支持的供電電壓為3.3V。因此，BASYS2開發(fā)板的電源可以直接用來給ST188供電。 LM324的供電電壓為5.0V，也使用了BASYS2開發(fā)板的供電。進(jìn)一步查閱ST188手冊了解流過LED的電流（A_K電

15、流）最多不能超過50mA。根據(jù)這些特點(diǎn)，選擇發(fā)射管的靜態(tài)電流為20mA。典型電壓降為 1.25v。如果電源電壓為5V，那么此時發(fā)射管上需要串聯(lián)一個電阻，電阻大小為R=(5-1.25)/0.02；即：R=187.5歐姆。取標(biāo)稱電阻，R=200，則此時電流小于20mA，但不影響結(jié)果。 C_E端子的電阻更靈活。畢竟是用來輸出高低電平的。這里我們連接一個 2K 電阻。其實上面電路圖中的有源壓敏電阻并不是必須的，只是用來調(diào)節(jié)閾值電壓，方便測試。智能汽車跟蹤通常有 2、3 和 5 跟蹤。與2跟蹤相比，3跟蹤可以提高小車的行進(jìn)速度，5跟蹤進(jìn)一步提高了小車線路的可靠性。我們小組使用五向跟蹤來提高汽車的性能。經(jīng)

16、過計算，設(shè)計了如下圖所示的單個紅外傳感器電路。由于在下載的multisim仿真軟件中找不到ST188組件，所以使用高低電平代替ST188進(jìn)行仿真。分析電路圖，其中R1和接收管組成分壓電路，和接收管的電壓有關(guān)，這里是20k； R2為10k電位器，為比較器提供參考電壓； R4為上拉電阻，影響輸出端的高點(diǎn)值，一般取5-10k，這里取5k； R4和發(fā)光二極管構(gòu)成檢測電路。4.1.3實際調(diào)試和電路修改我們小組按照模擬，現(xiàn)在在面包板上放了一個簡單的電路進(jìn)行測試。設(shè)置好后，發(fā)現(xiàn)以下問題：A、無論ST188對著黑線還是白線，LED都會發(fā)光；B、在離地約高處20cm，發(fā)光二極管仍能發(fā)光；經(jīng)過分析，猜測是ST18

17、8的發(fā)射功率太高，以至于即使是黑線也會有足夠的反射光被接收管接收。發(fā)射功率太大，響應(yīng)高度太高，不便于組裝。經(jīng)過反復(fù)調(diào)試，最終選擇R為510歐電阻。此外，測試發(fā)現(xiàn)上拉電阻R3的有無對實驗結(jié)果沒有明顯影響。為了節(jié)省時間和降低焊接復(fù)雜度，我們選擇去掉上拉電阻R3。4.1.4跟蹤策略兩個放置在左右方向。四向軌跡檢測用于控制電動汽車的行駛方向。當(dāng)3號光電管檢測到黑線時，控制直線；當(dāng)2號光電管或3號和2號光電管同時檢測到黑線時，控制轉(zhuǎn)向電機(jī)左轉(zhuǎn)；當(dāng)檢測到黑線時，應(yīng)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向左急轉(zhuǎn)；當(dāng)?shù)?和第 5光電管都檢測到黑線時，應(yīng)控制轉(zhuǎn)向電機(jī)向右急轉(zhuǎn)。這套紅外光電傳感器固定在底盤前緣，貼近地面。正常行駛時，發(fā)射管

18、發(fā)射紅外光照射地面，光經(jīng)白紙反射后被接收管接收，輸出低電平信號；當(dāng)電動汽車通過黑線時，發(fā)射端發(fā)出的光被黑線吸收，接收端無法接收。當(dāng)?shù)竭_(dá)反射光時，傳感器輸出高電平信號，并致給控制模塊進(jìn)行處理，以確定執(zhí)行哪個預(yù)編程程序來控制小車的行駛狀態(tài)。前進(jìn)時，驅(qū)動輪的直流電機(jī)正轉(zhuǎn)。進(jìn)入減速區(qū)時，由FPGA控制PWM變頻調(diào)速，通過軟件改變脈寬調(diào)制波形的占空比，實現(xiàn)調(diào)速。 （具體代碼見附件）4.2.電源模塊的設(shè)計4.2.1概述因為驅(qū)動電機(jī)需要比較大的電壓和電流，一般5V的電壓不能滿足電機(jī)的快速轉(zhuǎn)動，所以電源采用12v移動電源。我們組使用8節(jié)1.5v AA電池串聯(lián)，電池安裝在汽車底盤中間。電源輸出的12v電壓需要供

19、給5V的電路模塊，如超聲波、 BASYS版等，所以需要使用7805三端穩(wěn)壓電路。 7805三端正電源穩(wěn)壓電路的封裝形式為TO-220 ，如右圖。由于受到外部電流的限制，具有過熱保護(hù)和安全工作區(qū)的保護(hù)，基本不損壞，應(yīng)用廣泛。的輸出范圍為4.8V5.2V ，輸出電流為5mA 。線性調(diào)整率為4mV ；引腳1是輸入電壓（本設(shè)計中為 12V ），引腳 2 接地，引腳3是輸出電壓（ 5 V）。 7805具有熱過載保護(hù)、短路保護(hù)、輸出晶體管安全工作區(qū)保護(hù)等特性，其5v輸出電壓直接供給BASYS版等邏輯電路。4.2.2實際電路設(shè)計根據(jù)7805的引腳圖，可設(shè)計如下電路圖：它由四節(jié)干電池供電，構(gòu)成輸出5V的穩(wěn)壓電

20、源。5. 問題和結(jié)論5.1 問題實驗完成后，雖然任務(wù)要求基本完成，但期間遇到的大大小小的問題，都算不上一筆財富。一方面，作為復(fù)習(xí)，我對這個課程設(shè)計有了更深入的了解。另一方面，也為以后的類似項目積累了寶貴的經(jīng)驗。具體來說，問題主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（1）汽車結(jié)構(gòu)沒有總體規(guī)劃。直觀上看，凌亂的布局嚴(yán)重影響了汽車的美觀；更重要的是，考慮不周的布局對汽車的整體性能影響很大。以我們這次為例，跟蹤模塊的安裝過于前傾，導(dǎo)致汽車重心前傾，使汽車顯得不穩(wěn)定。因此，對于跟蹤模塊的安裝，凸出車身的長度是非常講究的，在布置時必須加以考慮。第二個是電池的放置。由于電池的重量很重，電池的擺放位置直接影響到汽車的重心。尤其是在速度方面，考慮電池安裝的位置尤為重要。(2)在設(shè)計傳感器的排列方式時沒有考