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： 5120142401 班 級： 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光線的反射系數(shù)不同，可以依據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來推斷“道路”。通常實(shí)行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放射紅外光，當(dāng)紅外光

2、遇到白色紙質(zhì)地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；假如遇到黑線則紅外光被吸取，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 接受一體反射式紅外對管，所謂一體就是放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是放射管發(fā)出的紅外光經(jīng)過反射物的反射后得到的，所以使用紅外對管進(jìn)行循跡時必需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，故接受紅外對管來完成數(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)，外圍電路簡潔，安裝起來便利，電源要求不高。用它作為近距離傳感器是最抱負(fù)的，電路設(shè)計(jì)簡潔、性能穩(wěn)定牢靠。1.2.2 供電方案設(shè)計(jì)與比較 方案一： 接受兩個電源供電，將電動機(jī)驅(qū)動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，簡潔使單片機(jī)電壓過高而損壞，使用兩個電池供電，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，同時也增加了小車的慣性，降低了靈敏度。 方案二：接受單一電源供電。電源直接給單片機(jī)供電，通過單片機(jī)的IO口連接到電動機(jī)上，這樣輸出的電壓穩(wěn)定，同時也減輕了小車

4、的質(zhì)量，使小車更加機(jī)敏。但是加高的電壓提高了損壞單片機(jī)的風(fēng)險(xiǎn)。 從平安性考慮，我們選擇方案一。1.2.3 電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計(jì)與比較 方案一：33886驅(qū)動 接受飛思卡爾公司的直流電機(jī)驅(qū)動芯片MC33886。其驅(qū)動力量強(qiáng)，有過流愛護(hù)功能，狀態(tài)監(jiān)測功能，通過PWM調(diào)整可實(shí)現(xiàn)正反轉(zhuǎn)。 1)單獨(dú)使用一片33886 優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)用電路簡潔，實(shí)現(xiàn)便利。缺點(diǎn)：芯片驅(qū)動電流小，內(nèi)阻大，可能存在發(fā)熱嚴(yán)峻的問題，不好加散熱片。 2)接受兩片或者四片MC33886并聯(lián) 優(yōu)點(diǎn)：可以增大驅(qū)動力量，削減單片機(jī)發(fā)熱量。缺點(diǎn)：存在均流不佳的問題，有礙提高整個裝置的輸出，甚至造成器件和裝置的損害。 方案二：L298N驅(qū)動 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)動兩個電機(jī)，可以直接通過電源來調(diào)整電壓；可以直接用單片機(jī)的I/O口供應(yīng)信號，而且電路簡潔，使用比較便利。經(jīng)閱歷比較，L298N驅(qū)動模塊運(yùn)行牢靠，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脈沖后，小車輪子周長加一次，即最終的總數(shù)就為距離，霍爾元件具有體積小，頻率相應(yīng)寬度大，動態(tài)性好，對外圍電路要求簡潔等優(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，安裝便利。但是在小車轉(zhuǎn)彎處精確度不高，會造成肯定的誤差。 方案三：使用帶有編碼器直流電機(jī) 用這種方法就是簡潔，直接計(jì)算出，而且精度高。缺點(diǎn)在于這種電機(jī)格外貴，自己需求大。 但依據(jù)我們的實(shí)際狀況，我們打算接受第三種方案。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)出停止信號時停止給驅(qū)動電機(jī)供電，小車在無動力狀態(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)精確制動的目標(biāo)。

7、 方案二：反轉(zhuǎn)式 當(dāng)小車需要停車時給驅(qū)動電機(jī)以反轉(zhuǎn)信號，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)動信號長度也要漸減，否則小車可能反向行駛。使用此方案后全速剎車反應(yīng)時間削減為0.5s。由于需要對小車進(jìn)行剎車，從而更加精確的計(jì)算路程，故本系統(tǒng)中接受方案二。1.3 把握系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)自動循跡小車把握系統(tǒng)由主把握電路模塊、穩(wěn)壓電源模塊、紅外檢測模塊、電機(jī)及驅(qū)動模塊等部分組成,把握系統(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 把握系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖1.主把握電路模塊：用EK-TM4C123GXL單片機(jī)、復(fù)位電路，時鐘

8、電路2.紅外檢測模塊：光電傳感器ST1883.電機(jī)及驅(qū)動模塊:電機(jī)驅(qū)動芯片L298N、四個直流電機(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 含一個反射模塊（發(fā)光二極管）和一個接收模塊（光敏三極管）。通過放射紅外信號，看接收信號變化推斷檢測物體狀態(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)肯定阻值的電阻）。 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，輸出接收到的信號給LM324 ，接收電壓與比較電壓比較后，輸出信號變?yōu)榘纪闺娖?，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，需要同時在底盤裝設(shè)4個紅外探測頭，進(jìn)行兩級方向訂正把握，提高其巡線的牢靠性。這4個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為第一級方向把握傳感器，X2與Y2為其次級方向把握傳感器，并且黑線同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時，始終保持(如圖3-4中所示的行走軌跡黑線)在X1和Y1這兩個第一級傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到黑線，把檢測的信號送

10、給小車的處理、把握系統(tǒng)，把握系統(tǒng)發(fā)出信號對小車軌跡予以訂正。若小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會連續(xù)行走；若小車由于慣性過大照舊偏離軌道，越出了第一級兩個探測器的探測范圍，這時其次級探測器動作，再次對小車的運(yùn)動進(jìn)行訂正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯觯浯渭壏较蛱綔y器實(shí)際是第一級的后備愛護(hù)，從而提高了小車巡線的牢靠性。2.2 單片機(jī)把握板模塊 對于我們的智能小車，我們使用EK-TM4C123GXL最小系統(tǒng) 圖6 EK-TM4C123GXL最小系統(tǒng)把握板實(shí)物圖 經(jīng)過我們對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)動模塊 2.4.1 L298N驅(qū)動模塊 L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機(jī)驅(qū)動芯片。該芯片接受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H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動器，可以用來驅(qū)動直流電動機(jī)和步進(jìn)電機(jī)，繼電器線圈等感性負(fù)載；接受標(biāo)準(zhǔn)規(guī)律電平信號把握；具有兩個使能把握端，在不受輸入信號影響的狀況下允許或禁止器件工作有一個規(guī)律電源輸入端，使內(nèi)部規(guī)律電路部分在低電壓下

12、工作；并且可以外接檢測電阻，將變化量反饋給把握電路。使用L298N驅(qū)動電機(jī)，該芯片可以驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，可以直接通過電源來調(diào)整輸出電壓。 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應(yīng)的 圖7 L298N實(shí)物圖 圖8 L298N引腳圖圖9 L298N驅(qū)動原理圖2.4.

13、2 電機(jī)把握過程 IN1，IN2，IN3，IN4接收脈沖信號 L298N的1腳和15腳放射極分別單獨(dú)引出以便接入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4之間可分別接電動機(jī)的一相。5，7，10，12腳接輸入把握電平，把握電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。ENA，ENB把握使能端，把握電機(jī)的停轉(zhuǎn)。表1 ：電機(jī)驅(qū)動規(guī)律關(guān)系IN1IN2ENA電機(jī)狀態(tài)XX0停止001順時針011逆時針000停止110停止 把握電機(jī)的運(yùn)行速度只要把握系統(tǒng)發(fā)出時鐘脈沖的頻率或換相的周期，即在升速過程中，使脈沖的輸出頻率漸漸增加；在減速過程中，使脈沖的輸出頻率漸漸削減。 注釋：對應(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顯示模塊我們接受1602液晶顯示對我們所測得的競賽時間和路程，1602把握相對簡潔，成本也相對較低，因此我們選用1602作為顯示模塊。簡介：工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示16x02即32個字符。（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一種特地用來顯示字母、數(shù)字、符號等的點(diǎn)陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點(diǎn)陣字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點(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，正由于如此所以它不能很好地顯示圖形（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，把握原理是完全相同的，因此基于HD44780寫的把握程序可以很便利地應(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 我們接受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： 編碼器一般用在一般電機(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)部掃過了多少個暗刻線來輸出多少個脈沖信號，精度選擇就是編碼器有多少辨別率，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輸入的前幾個點(diǎn)上，程序把握也是要查找手冊用高速計(jì)數(shù)器接收信號，通過計(jì)算得出你想要的電機(jī)旋轉(zhuǎn)圈數(shù)然后來把握電機(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，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)信號時，由主控芯片把握蜂鳴器間歇性鳴響，同時四個發(fā)光二極管開頭工作，用此時的相應(yīng)作為到達(dá)終點(diǎn)的報(bào)警信號。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，即開頭不停地掃描與探測器連接的單片I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號變化，就執(zhí)行相應(yīng)的推斷程序，把相應(yīng)的信號發(fā)送給電動機(jī)從而訂正小車的狀態(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，即開頭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I/O口有信號，即進(jìn)入推斷處理程序，先確定4個探測器中的哪一個探測到

18、了黑線，假如左面第一級傳感器或者左面其次級傳感器探測到黑線，即小車左半部分壓到黑線，車身向右偏出，此時應(yīng)使小車向左轉(zhuǎn)；右邊與左邊狀況相像； 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)動芯片放大后把握直流電機(jī)。定時計(jì)數(shù)器若干時間（比如0.1ms）比如中斷一次,就使P0.4或P0.5產(chǎn)生一個高電平或低電平。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)接受環(huán)形的黑色軌道，對小車進(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，實(shí)行順時針和逆時針兩個方向的測試方法，在不同的起點(diǎn)啟動，以此來檢測智能