智能小車控制PPT課件

1、設(shè)計目的熟練掌握單片機系統(tǒng)設(shè)計與調(diào)試方法；掌握智能小車控制原理；掌握光電開關(guān)、超聲模組、循跡傳感器的工作原理及使用方法；掌握電路板設(shè)計與制作及電子產(chǎn)品組裝、制作與調(diào)試技術(shù)。第1頁/共29頁設(shè)計內(nèi)容 1利用提供的小車套件組裝一輛小車，設(shè)計循跡線路并組裝循跡傳感器和避障裝置； 2設(shè)計小車電機驅(qū)動板、尋跡模塊、避障模塊電路，繪制電路原理圖并制作PCB電路板； 3組裝小車硬件部分：包括小車底盤、控制電機、循跡模塊、超聲波模塊、控制板、電源等； 4編寫單片機控制程序、使其完成如下功能： 1）基本功能：小車能夠在設(shè)計的線路上完成尋跡功能； 2）拓展功能：在循跡線路上設(shè)置障礙物，小車遇到障礙物能夠自動繞道行

2、駛，完成避障功能；第2頁/共29頁電源模塊 方案1： 采用6節(jié)1.5V干電池供電，電壓達到9V給直流電機供電，然后用7805降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。 方案2：采用3節(jié)4.2V可充電式鋰電池串聯(lián)共12.6V給直流電機供電，經(jīng)過7809的電壓變換后給直流電機供電，然后用7805降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。 方案3：采用12V蓄電池降壓后為直流電機供電，再將其降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。第3頁/共29頁穩(wěn)壓模塊 方案1： 采用兩片7809將電壓穩(wěn)壓至9V后給直流電機供電，然后采用一片7805將電壓穩(wěn)至5V，給單片機系統(tǒng)和其他芯片供電。 方案2：采用兩片7809

3、將電壓穩(wěn)壓至9V后給直流電機供電，然后采用2576將電壓穩(wěn)至5V。2576的輸出電流最大可至3A。第4頁/共29頁尋跡傳感器模塊 方案1：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線反射較弱。將阻值的變化經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。 方案2：用紅外發(fā)射管和接收管制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應(yīng)超過3c

4、m。 方案3：用RPR220型光電對管。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。第5頁/共29頁電機模塊 方案1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，由于其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。 方案2：采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部

5、由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。第6頁/共29頁電機驅(qū)動模塊 方案1：采用專用芯片L298N作為電機驅(qū)動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。 方案2：對于直流電機用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路。由分立元件構(gòu)成電機驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。第7頁/共29頁小車控制模塊 采用左右兩輪分別驅(qū)動，后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本相同的直流電機進行驅(qū)動，車體尾部裝一個萬向輪。 在安裝時我們

6、保證兩個驅(qū)動電機同軸。當小車前進時，左右兩驅(qū)動輪與后萬向輪形成了三點結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)后輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用。 將單片機控制模塊、驅(qū)動模塊、電源等模塊固定在小車上部，信號采集模塊安裝在小車前部的底部，離地面約1厘米。第8頁/共29頁光電傳感器（一） NPN常開型光電傳感器，檢測距離為0-3厘米。 主要用于檢測，短距離或近距離物體的存在或運動狀態(tài)；作用類似于接近開關(guān)，但檢測物體材質(zhì)不局限于金屬，亦可為不透明的非金屬。 工作電壓：5V 工作電流：10mA 信號輸出：TTL電平 接線圖：輸出外加上拉電阻

7、特點：輸出信號穩(wěn)定，不受可見光影響，壽命長 第9頁/共29頁光電傳感器（二） 集發(fā)射與接收于一體的NPN型光電傳感器。檢測距離可以根據(jù)要求進行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，可以廣泛應(yīng)用于機器人避障、流水線計件等眾多場合。 電氣特性： 尺寸： U:5VDC 直徑:17MM I:100mA 傳感器長度:45MM Sn:3-80CM 引線長度:45CM 檢測到目標是低電平輸出，正常狀態(tài)是高電平，輸出接1K左右上拉電阻即可連接到IO口上。 第10頁/共29頁黑白線檢測傳感器 TK-20黑白線檢測傳感器有效探測距離達5cm。通過調(diào)節(jié)電位器，最遠可以達到

8、10cm，受可見光干擾小，輸出信號為開關(guān)量，信號處理簡單，使用非常方便外，還增加了探測距離調(diào)節(jié)器、改進了探測距離、加強了探測精度。 電氣特性：U:5VDC I:20mA Sn:05CM 外形寸： L*W*H:20mm*9mm*9mm 注意事項： 1、該傳感器為開關(guān)量傳感器，輸出為TTL電平，可以直接和單片機連接，但需要在輸出端加上拉電阻。（如不加上拉電阻會出現(xiàn)不規(guī)則電平輸出） 2、一定不要把線接錯，否則容易燒掉傳感器。 應(yīng)用領(lǐng)域： 白底黑線或黑底白線的檢測； 完成小車或機器人尋跡功能； 第11頁/共29頁超聲波測距模塊 可提供3cm-3.5m的非接觸式距離感測功能，該模塊包括了超聲波發(fā)射器、接

9、收器與控制電路。其基本工作原理為給予此超聲波測距模塊一觸發(fā)信號后發(fā)射超聲波，當超聲波投射到物體而反射回來時，模塊輸出一回響信號，以觸發(fā)信號和回響信號間的時間差，來判定物體的距離。 工作電壓：DC5V 工作電流：15mA 工作頻率：40Hz 規(guī)格尺寸：45*20*15mm 測量范圍：3cm350cm 觸發(fā)信號：10uS的TTL脈沖 輸出信號：輸出TTL電平信號，與距離成比例 第12頁/共29頁超聲波測距模塊接線圖 只需要5V電源供應(yīng)、0V地線連接、觸發(fā)信號輸入、與信號輸出等四個管腳于MCU連接即可使用，非常簡單。由于需要IO口少，而且價格便宜，可多個模塊組合使用。非常適合用于機器人、智能車距離和

10、障礙物檢測。 提示：此模塊不宜帶電連接，若要帶電連接，則先讓模塊的GND端先連接，否則會影響模塊的正常工作。第13頁/共29頁超聲波測距模塊時序圖 從模塊時序圖可以看出，只需要提供一個短期的10uS脈沖觸發(fā)信號，超聲波即可進行距離測量工作。 該模塊被觸發(fā)后，超聲波發(fā)射頭將發(fā)出8個40kHz周期電平，同時檢測回波。一旦檢測到有回波信號則輸出回響信號。 回響信號是一個脈沖的寬度成正比的距離對象。可通過發(fā)射信號到收到的回響信號時間間隔可以計算得到距離。 公式: uS/58=厘米；或者uS/148=英寸。 建議測量周期為60ms 以上，以防止發(fā)射信號對回響信號的影響。第14頁/共29頁小車怎么轉(zhuǎn)彎呢？

11、怎么直行？第15頁/共29頁小車控制方式 當兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標不變的90度和180度的轉(zhuǎn)彎。第16頁/共29頁小車跑道 白色地板上約5cm寬的黑色軌跡跑道； 兩平行跑道間距為80cm，半圓半徑為40cm。第17頁/共29頁系統(tǒng)工作原理 黑色和白色路面對光的反射程度不同， 白色反射程度強，而黑色反射程度弱。第18頁/共29頁恍然大悟了嗎？第19頁/共29頁L298電機控制驅(qū)動第20頁/共29頁小車光電采樣電路第21頁/共29頁8931214U1CLM33910KR21560R1310KR141KR154.7KR17VCCVCC

12、R18200輸出端紅外發(fā)射管紅外接收管無遮擋物/白色接收管導通AA點為高電平輸出端為低電平有遮擋物/黑色接收管截止A點為低電平輸出端為高電平第22頁/共29頁流水線運行方向流水線運行方向第23頁/共29頁尋跡流程圖P2.P2.P2.P2.P2.第24頁/共29頁P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3小車狀態(tài)小車狀態(tài)控制方法控制方法01110軌跡居中軌跡居中前進前進11100小車小車偏右偏右左轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)110001000000111小車小車偏左偏左右轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)000110000100000沒在軌跡沒在軌跡上上后退后退第25頁/共29頁第26頁/共29頁P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3小車狀態(tài)小

13、車狀態(tài)控制方法控制方法01110軌跡居中軌跡居中前進前進11100小車小車小偏右小偏右小左小左11000小車小車中偏右中偏右中左中左10000小車小車大偏右大偏右大左大左00111小車小車小偏左小偏左小右小右00011小車小車中偏左中偏左中右中右00001小車小車大偏左大偏左大右大右00000沒在軌跡沒在軌跡上上后退后退表1 小車控制表格第27頁/共29頁讀讀 取取 P P2 2 口口 P P2 2= =P P2 2& &0 0X XF F8 8 P P2 2= =0 0 x x0 00 0 P P2 2= =o ox x7 70 0 P P2 2= =0 0 x x1 18 8 P P2 2=