課程設(shè)計(jì)--智能小車循跡控制系統(tǒng)

1、 *大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院本科生課程設(shè)計(jì)題 目： 智能小車循跡控制系統(tǒng) 課 程： 電子技術(shù) 專 業(yè)： 測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí)： 測(cè)控1101 學(xué) 號(hào)： * 姓 名： * 指導(dǎo)教師： * 完成日期： 2013年11月26 日 目 錄1、任務(wù)及要求32、整體方案及特點(diǎn).43、各組成部分的電路結(jié)構(gòu)及工作原理.44、系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（各模塊的硬件連接關(guān)系）.95、CPLD控制模塊內(nèi)各單元模塊的設(shè)計(jì).106、CPLD控制模塊的頂層電路圖.137、系統(tǒng)總裝配圖.148、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析.149、調(diào)試中出現(xiàn)問題的解決.1510、改進(jìn)意見及收獲體會(huì).1511、器件與器材.1612、使用儀器設(shè)備.1713、參考文獻(xiàn)

2、.17一、任務(wù)及要求 1、課程任務(wù)及其功能 設(shè)計(jì)智能小車循跡控制系統(tǒng) （1）小車可完成前進(jìn)、轉(zhuǎn)向等行駛方式；（2）小車在底盤安裝四組紅外傳感器；（3）系統(tǒng)根據(jù)紅外傳感器提供的信息測(cè)算小車與地面深色路徑的偏離程度；（4）當(dāng)小車偏離地面深色路徑時(shí)自動(dòng)以轉(zhuǎn)小彎、轉(zhuǎn)大彎的運(yùn)動(dòng)方式調(diào)整小車的行進(jìn)軌跡,完成自動(dòng)循跡的運(yùn)動(dòng)方式。 2、設(shè)計(jì)要求 （1）要求用可編程邏輯器件（FPGA/CPLD）設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)； （2）在實(shí)驗(yàn)箱上或印刷電路板上安裝、調(diào)試出所設(shè)計(jì)的電路； （3）在EDA編程實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)上完成硬件系統(tǒng)的功能仿真； （4）寫出設(shè)計(jì)、調(diào)試、總結(jié)報(bào)告。 3、課程設(shè)計(jì)的時(shí)間安排 1）方案設(shè)計(jì)；(1.5天)根據(jù)設(shè)計(jì)任務(wù)

3、書給定的技術(shù)指導(dǎo)和條件，進(jìn)行調(diào)查研究、查閱參考文獻(xiàn)，進(jìn)行反復(fù)比較和可行性論證，確定出方案電路，畫出主要單元電路，數(shù)據(jù)通道，輸入、輸出及重要控制信號(hào)概貌的框圖。 2) 電路設(shè)計(jì)：(2天)根據(jù)方案設(shè)計(jì)框圖，并畫出各單元電路的詳細(xì)電路圖及總體電路圖。 3) 電路仿真：（2.5天）熟悉EDA工具，在EDA軟件平臺(tái)上修改設(shè)計(jì)的電路，給出正確的仿真結(jié)果。 4) 裝配圖設(shè)計(jì)：(1天)根據(jù)給定的元器件，結(jié)合邏輯電路圖，設(shè)計(jì)出電路制作的具體裝配圖(即繪出組件數(shù)量，管腳號(hào)以及器件布置的實(shí)際位置)。同時(shí)配以必要的文字說明。 5）電路制作：(2天)對(duì)選定的設(shè)計(jì)，按裝配圖進(jìn)行裝配，調(diào)試實(shí)驗(yàn)。 6) 總結(jié)鑒定：(1天)考

4、核樣機(jī)是否全面達(dá)到現(xiàn)定的技術(shù)指標(biāo)，能否長期可靠地工作，并寫出設(shè)計(jì)總結(jié)報(bào)告。2、 整體方案及特點(diǎn)1、智能小車循跡總體方案電源模塊驅(qū)動(dòng)模塊CPLD控制模塊左右尋跡信號(hào)直流電機(jī)紅外尋跡模塊2、設(shè)計(jì)的思路及其特點(diǎn) 在智能尋跡小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，以CPLD為核心，用L298N驅(qū)動(dòng)兩個(gè)減速電機(jī)，當(dāng)產(chǎn)生信號(hào)驅(qū)動(dòng)小車前進(jìn)時(shí)，是通過尋跡模塊里的紅外對(duì)管是否尋到黑線產(chǎn)生的電平信號(hào)通過電壓比較器LM339返回到CPLD，然后CPLD根據(jù)程序設(shè)計(jì)的要求做出相應(yīng)的判斷送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，讓小車來實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停車等基本功能。三、各組成部分的電路結(jié)構(gòu)及工作原理1、紅外尋跡模塊的設(shè)計(jì)（1）電路結(jié)構(gòu) 發(fā)射部分 接收部

5、分（2）工作原理該系統(tǒng)中的尋線模塊我們采用的是紅外傳感器。它有一個(gè)發(fā)射管（白色）和一個(gè)接收管（黑色），一般情況下接收管能收到發(fā)射管發(fā)送的紅外光，但當(dāng)遇到吸光介質(zhì)（如黑色物體）時(shí)接收管便不能收到發(fā)射管的紅外光。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龆说玫降氖悄M電壓信號(hào)，所以在輸出端增加了電壓比較器LM339，先將輸出電壓與2.5V進(jìn)行比較（檢測(cè)到黑線時(shí)輸出低電平，發(fā)光二極管不亮；檢測(cè)到白線時(shí)輸出高電平，發(fā)光二級(jí)管亮），再送給CPLD處理和控制。本設(shè)計(jì)中，為使小車尋線穩(wěn)定，最好選擇差異較大的環(huán)境，例如在白地板上貼上黑線，可使紅外尋線模塊工作更加靈敏穩(wěn)定。 2、電源模塊的設(shè)計(jì)利用L298穩(wěn)壓管輸出一路電壓，供給單片機(jī)和電

6、機(jī)驅(qū)動(dòng)，還供給尋跡模塊。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。3、CPLD控制模塊設(shè)計(jì) 此部分是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有的運(yùn)行狀態(tài)作用。采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模控制系統(tǒng)的控制核心1) 正常前進(jìn) 當(dāng)尋跡板中間兩個(gè)傳感器檢測(cè)到白線，小車都正常前進(jìn)。2）左小

7、拐彎 當(dāng)只有左端第2個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，其余3個(gè)傳感器檢測(cè)到白色時(shí)，小車應(yīng)左小拐彎。 3）左大拐彎 當(dāng)只要左端第1個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，右端2個(gè)傳感器檢測(cè)到白色時(shí)，小車應(yīng)左大拐彎。 4) 右小拐彎 當(dāng)只有右端第2個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，其余3個(gè)傳感器檢測(cè)到白色時(shí)，小車應(yīng)右小拐彎。 5) 右大拐彎 當(dāng)只要右端第1個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，左端2個(gè)傳感器檢測(cè)到白色時(shí)，小車應(yīng)右大拐彎。 6）停車 當(dāng)4個(gè)傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線或其他情況，小車停車。4、驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)（1）電路圖 （2） 工作原理 從CPLD輸出信號(hào)功率很弱，即使在沒有其它外在負(fù)載是也無法帶動(dòng)電機(jī)，所以在實(shí)際電路中我們加入了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片提高輸入電機(jī)信號(hào)

8、的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率大小以及連接電路的簡(jiǎn)單化要求選擇L298N為直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。其引腳排列如下圖所示，1腳和15腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)。L298N可驅(qū)動(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。（5、10）、（7、12）腳接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA，ENB接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。L298N的邏輯功能

9、如表1所示。 表1 L298N邏輯功能表ENA(B)IN1(IN3）IN2(IN4)電機(jī)運(yùn)行狀況HHL正轉(zhuǎn)HLH反轉(zhuǎn)H同IN2(IN4)同IN1(IN3）快速停止LXX停止其引腳圖如圖1所示:引腳介紹：第1、15腳：可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號(hào)，也可直接接地。第2、3腳：A電機(jī)輸出端口。第4腳：接邏輯控制的+5V電源。第6腳：A橋使能端口。第5、7腳：輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL電點(diǎn)平對(duì)A橋的輸出OUT1、OUT2進(jìn)行控制。第8腳：接電源地。第9腳：接電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源，最高可達(dá)50V。第11腳：B橋使能端口。第10、12腳：輸入標(biāo)準(zhǔn)TTL電平對(duì)B橋的輸出OUT3、OUT4進(jìn)行控制。第13、14

10、腳：B電機(jī)輸出端口。5、直流電機(jī)（1）實(shí)物圖 （2）原理 因?yàn)橐粋€(gè)驅(qū)動(dòng)芯片L298N可驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，可我們這次購買的小車有四個(gè)直流電機(jī)，所以我們采用兩兩并聯(lián)的方法，即左側(cè)兩個(gè)并聯(lián)，右側(cè)兩個(gè)并聯(lián)。這樣就可以使每一側(cè)的兩個(gè)電機(jī)步調(diào)一致起來，便于控制。4、 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)（各模塊的硬件連接關(guān)系）電源模塊驅(qū)動(dòng)模塊CPLD控制模塊左右尋跡信號(hào)直流電機(jī)紅外尋跡模塊5、 CPLD控制模塊內(nèi)各單元模塊的設(shè)計(jì)1、PWM（脈沖寬度調(diào)制）(1) VHDL程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE

11、IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY PWMA ISPORT ( CLK :IN STD_LOGIC; C:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); PWM:OUT STD_LOGIC);END PWMA;ARCHITECTURE example OF PWMA ISSIGNAL COUNT:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF COUNT=1001 THEN COUNT=0000; ELSE COUNT=COUNT+

12、1; END IF; IF COUNTC THEN PWM=1; ELSE PWM=0; END IF; END IF; END PROCESS; END example;(2)原理圖 (3)仿真波形2、主要控制模塊（1） 原理和功能 根據(jù)小車前面的四個(gè)紅外傳感器所檢測(cè)到的信號(hào)控制兩端電機(jī)的轉(zhuǎn)速。1） 當(dāng)小車需要正常前進(jìn)時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)等于右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。2）當(dāng)小車需要左小拐時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)略小于右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。3）當(dāng)小車需要左大拐時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)比右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速小得多。4）當(dāng)小車需要右小拐時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)略大于右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。5）當(dāng)小車需要右大

13、拐時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)比右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速大得多。6）當(dāng)小車需要停止時(shí)，左側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和右側(cè)兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速應(yīng)都為零。（2） VHDL程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY control ISPORT(p1,p2,p3,p4:IN STD_LOGIC; A,B: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END control;ARCHITECTURE behave OF contr

14、ol ISBEGINPROCESS(p1,p2,p3,p4) VARIABLE TEMP: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):=0000; BEGIN TEMP:=p1&p2&p3&p4; IF (TEMP=0000)THEN A=1000; B=1000; ELSIF(TEMP=0010)THEN A=1000; B=0011; ELSIF(TEMP=(0001)OR TEMP=(0011)THEN A=1000; B=0001; ELSIF(TEMP=0100)THEN A=0011; B=1000; ELSIF(TEMP=(1000)OR TEMP=(1100)T

15、HEN A=0001; B=1010; ELSE A=0000; B=0000; END IF; END PROCESS; END behave;（3） 原理圖（4） 仿真波形6、 CPLD控制模塊的頂層電路圖1、原理圖2、仿真波形7、 系統(tǒng)總裝配圖8、 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 一開始小車總是左大拐彎拐不過去，經(jīng)過分析，一是程序中小車的速度調(diào)的太快，二是左右輪在左大拐彎時(shí)左右輪的速度差太小。最后將小車左右輪的左右輪速度差調(diào)大，之后小車順利沿著黑線走了，也不會(huì)壓著黑線走。9、 調(diào)試中出現(xiàn)問題的解決 在調(diào)PWM程序時(shí)，由于不熟悉VHDL語言，總是在語法上出錯(cuò)，少了一兩個(gè)字母什么的，最后熟悉了就好。在快要成功

16、時(shí)，我們組的小車在左大轉(zhuǎn)彎的地方總會(huì)沖出跑道，因此要不斷的修改小車左右輪速度的大小。比較麻煩的就是取下CPLD集成塊，每次都要拿起拔器一遍遍取下，不小心也會(huì)把邊上的管腳弄壞。嘗試了好多次，最后將左大拐彎時(shí)左右輪的速度差調(diào)成1和11才成功，并且拐的很好。10、 改進(jìn)意見及收獲體會(huì) 1、改進(jìn)意見 （1）由于時(shí)間和經(jīng)歷的限制，小車最終只實(shí)現(xiàn)了地面黑白循跡，按照預(yù)定地圖給定的軌跡行進(jìn)，沒有加入路程記錄，聲控，壁障等功能。 (2) 沒有考慮干擾問題，現(xiàn)在的小車只是在圓弧型的軌道上跑，換到別的跑道估計(jì)有些困難，比如全是直角的循跡跑道上，又是直角又是圓弧，或者是拐的角度較大。 2、收獲體會(huì)經(jīng)過幾個(gè)禮拜的忙碌

17、，在大家共同的努力下，終于給智能循跡小車畫上了句號(hào)。雖說不上是完美，但總算成功了。剛開始接觸這個(gè)項(xiàng)目，我們組兩個(gè)人對(duì)其一點(diǎn)也不了解，無從下手。后來從一個(gè)個(gè)模塊慢慢開始，先了解其原理，也算知道個(gè)大概。在知道做什么之后，開始一步步跟著大家的步伐做設(shè)計(jì)。理論知識(shí)往往都是在一些理想狀態(tài)下的假設(shè)論，而實(shí)際的動(dòng)手操作則完全不同，需要考慮實(shí)際中的很多問題。在課程設(shè)計(jì)實(shí)習(xí)中通過對(duì)電路的連接懂得了如何通過設(shè)計(jì)的分析對(duì)所連電路的整體布局，如何更好的放置芯片在最合適的位置。在導(dǎo)線的連接上，如何選擇導(dǎo)線走向是關(guān)鍵。我們組根據(jù)所需線長進(jìn)行剪線焊接。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中遇到一些自己無法弄明白的問題，多次請(qǐng)教同學(xué)。在此也謝謝班里的

18、女生，教會(huì)了我好多。在設(shè)計(jì)時(shí)和同學(xué)相互交流各自的想法的確很重要，不同的人對(duì)問題的看法總有差異，我們可以從交流中獲得不同的想法，其他人的設(shè)計(jì)一定有值得你借鑒的地方。比如遇到左大拐彎拐不過去的問題，經(jīng)過和與同學(xué)的交流與自己多次嘗試，原來在程序上調(diào)節(jié)左右輪速度有問題，速度差不夠明顯，車子也就很難轉(zhuǎn)過來。還有些接線問題，自己一個(gè)人悶在那檢查會(huì)蒙在那，一個(gè)簡(jiǎn)單的錯(cuò)誤都沒看出來，這次的CLK信號(hào)接錯(cuò)管腳了，查了幾遍沒查出來，還是女生幫忙看出來的。經(jīng)過多次的嘗試和改進(jìn)，也不負(fù)多天的努力，結(jié)果挺好的。當(dāng)然，也得感謝老師學(xué)校給了我們這次機(jī)會(huì)做設(shè)計(jì)，確實(shí)蠻有趣的，而且還學(xué)到了好些東西，感覺自己動(dòng)手能力還不錯(cuò)。希望鄭老師多帶我們做這種課程設(shè)計(jì)。十二 、器件與器材1、CPLD EPM7128SLC84-62、FPGA EPF10K103、只讀存儲(chǔ)器 EPROM 2732A4、穩(wěn)壓降壓模塊5、小車6、L298驅(qū)動(dòng)板7、紅外傳感器8、測(cè)速碼盤9、施密特觸發(fā)器 74LS1410、A/D轉(zhuǎn)換器 ADC0804、ADC080911、D/A轉(zhuǎn)換器 DAC083212、振蕩分頻器 CD406013、石英晶