智能巡線小車設(shè)計(jì)報(bào)告

1、第三屆電子設(shè)計(jì)與測試競賽方案設(shè)計(jì)報(bào)告 學(xué) 院： 信息工程學(xué)院 組長姓名： 戴紫旭 學(xué) 號(hào)： 5120142401 班 級(jí)： 電氣1402班 聯(lián)系電話：指導(dǎo)老師： 張靜 選題名稱： 智能巡線小車（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)弱來判斷“道路”。通常采取的方法是紅外探測法。  紅外探測法，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)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光

2、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的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。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，故采用紅外對(duì)管來完成數(shù)據(jù)采集。由于紅外光波比可見光長，因此受可見光的影響較小。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，

3、便于安裝。反射式光電檢測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)，外圍電路簡單，安裝起來方便，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

4、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)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)，有過流保護(hù)功能，狀態(tài)監(jiān)測功能，通過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

5、是ST生產(chǎn)的芯片，主要特點(diǎn)：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)到46V，并且可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，可以直接通過電源來調(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 智能小車測距模塊設(shè)計(jì)與比較 方案一：用霍爾元件檢測小磁片 利用霍爾元件檢測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)外圍電路要求簡單等優(yōu)點(diǎn)。但是他

6、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)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。用這種方法進(jìn)行檢測精確度高，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1.8秒后才能停止，因車輪滑行造成的誤差較大。無法實(shí)現(xiàn)精確制動(dòng)的目標(biāo)。

7、 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-TM4C123GXLL298N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

8、電路2.紅外檢測模塊：光電傳感器ST1883.電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊:電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N、四個(gè)直流電機(jī)4.電源模塊：雙路開關(guān)電源2. 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)及指標(biāo)計(jì)算2.1 光電管探測模塊2.1.1 紅外傳感器ST188簡介 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）。通過發(fā)射紅外信號(hào)，看接收信號(hào)變化判斷檢測物體狀態(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ST188檢測黑線，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?/p>

9、到單片機(jī)中，用以判定是否檢測到黑線。 圖4 ST188電路圖2.1.3 傳感器安裝 在小車具體的巡線行走過程中，為了能精確測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)傳感器就能檢測到黑線，把檢測的信號(hào)送

10、給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(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)探測器都只檢測到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測器的探測范圍，這時(shí)第二級(jí)探測器動(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。可以看出，第二級(jí)方向探測器實(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)過我們對(duì)EK-TM4C123GXL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

11、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-PB7PC4PC7PD0-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；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；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

12、工作；并且可以外接檢測電阻，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)，可以直接通過電源來調(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.

13、2 電機(jī)控制過程 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)。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)XX0停止001順時(shí)針011逆時(shí)針000停止110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，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率逐漸減少。 注釋：對(duì)應(yīng)附錄中的連接表：z（y）1IN

14、1z（y）1IN2z（y）2IN1z（y）2IN2z（y）1pwmINz（y）2pwmIN 2.3 LCD顯示模塊我們采用1602液晶顯示對(duì)我們所測得的比賽時(shí)間和路程，1602控制相對(duì)簡單，成本也相對(duì)較低，因此我們選用1602作為顯示模塊。簡介：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用，正因?yàn)槿绱怂运荒芎芎玫仫@示圖形（用自定

15、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 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

16、信號(hào)反饋一般不需要加裝編碼器，通過轉(zhuǎn)子在編碼器內(nèi)部掃過了多少個(gè)暗刻線來輸出多少個(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用高速計(jì)數(shù)器接收信號(hào)，通過計(jì)算得出你想要的電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)然后來控制電機(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。通過這種編碼器，我們通過它來直接給單片機(jī)傳送脈沖信號(hào)，讀取數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行輪子周長的計(jì)算來計(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

17、 當(dāng)系統(tǒng)檢測到終點(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，即開始不停地掃描與探測器連接的單片I/O口，一旦檢測到某個(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，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機(jī)I/O口，一旦檢測到某個(gè)I/O口有信號(hào)，即進(jìn)入判斷處理程序，先確定4個(gè)探測器中的哪一個(gè)探測到

18、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)際測試。設(shè)計(jì)測試圖如圖22所示：圖19 測試場景及參數(shù)系統(tǒng)測試過程中，采取順時(shí)針和逆時(shí)針兩個(gè)方向的測試方法，在不同的起點(diǎn)啟動(dòng)，以此