循跡競速小車

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說明書（論文）課程名稱： 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： 循跡競速電動車設(shè)計(jì) 院 系： 電氣學(xué)院 班 級： 1306152 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號： 指導(dǎo)教師： 張 剛 設(shè)計(jì)時間： 2015.12.18 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書 姓 名： 院 （系）：電氣學(xué)院 專 業(yè)：電氣工程及其自動化 班 號：1306152 任務(wù)起至日期： 2015 年 12 月 13 日至 2015 年 12 月 25 日 課程設(shè)計(jì)題目：循跡競速電動車設(shè)計(jì) 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：小車從出發(fā)點(diǎn)開始，必須預(yù)定沿軌跡運(yùn)動。到達(dá)終點(diǎn)線時小車自行

2、后退。完成時間按小車從出發(fā)點(diǎn)到到達(dá)終點(diǎn)線所用時間計(jì)。每個小組的小車要按上述要求跑完全程，小車跑動期間不能人為干預(yù)小車運(yùn)動，直至小車到達(dá)終點(diǎn)線并一直后退。 工作量：三人一組，共同完成小車電源模塊、軌道監(jiān)測模塊、控制模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊的搭建與調(diào)試，并接受驗(yàn)收和答辯；每人提交設(shè)計(jì)報告一份。 工作計(jì)劃安排：12月13日：查找資料，學(xué)習(xí)相關(guān)知識和原理并設(shè)計(jì)出邏輯電路； 12月14日：搭建控制模塊和電源模塊并成功調(diào)試； 12月15日：搭建邏輯控制部分和電機(jī)驅(qū)動部分，并成功調(diào)試； 12月16日：對搭建的總電路在邏輯上進(jìn)行調(diào)試； 12月18日：安裝監(jiān)測模塊和安裝小車，并成功驗(yàn)收； 同組設(shè)計(jì)者及分工： XX（組

3、長）：負(fù)責(zé)邏輯電路的設(shè)計(jì)和搭建，和整個電路的調(diào)試； XX ：負(fù)責(zé)控制模塊的搭建和整個電路的調(diào)試； XX ：負(fù)責(zé)電源模塊和電機(jī)驅(qū)動模塊的搭建和整個電路的調(diào)試； 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫。哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說明書（論文） 循跡競速電動車設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的1.熟練掌握數(shù)字電路課程中常用芯片的使用方法；2.掌握控制邏輯電路的設(shè)計(jì)和電路調(diào)試技能；3.了解并掌握直流小電機(jī)的PWM控制思想。二、 設(shè)計(jì)要求1. 小車從出發(fā)點(diǎn)開始，必須預(yù)定沿軌跡運(yùn)動。到達(dá)終點(diǎn)線時小車自行后退。完成時間按小車從出發(fā)點(diǎn)到到達(dá)終點(diǎn)線所用時間計(jì)。每

4、個小組的小車要按上述要求跑完全程，小車跑動期間不能人為干預(yù)小車運(yùn)動，直至小車到達(dá)終點(diǎn)線并一直后退。2.三人一組，協(xié)同工作。三、 設(shè)計(jì)方案 圖1 設(shè)計(jì)方案模塊組成部分圖1、 軌道監(jiān)測模塊軌道監(jiān)測模塊主要由兩個一路循跡傳感器組成，它們分別用來監(jiān)測左右的白線和黑線，當(dāng)檢測到黑線時，輸出為低電平，檢測到白線時，輸出為高電平，當(dāng)車向左偏離軌道時，右傳感器監(jiān)測到黑線，輸出為低電平；當(dāng)車向右偏離軌道時，左傳感器監(jiān)測到黑線，輸出為低電平； 圖2一路循跡傳感器 圖3 一路循跡傳感器功能圖圖4 一路循跡傳感器電路圖2、 電機(jī)驅(qū)動模塊電機(jī)驅(qū)動采用PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸入信號控制正反轉(zhuǎn)；用到的芯片為L293B。此驅(qū)動

5、模塊可同時驅(qū)動兩個電機(jī)，其中2,7,10,15管腳為輸入端，3,6,11,14管腳為輸出端。當(dāng)2管腳輸入高電平時，7管腳輸入低電平。此時3管腳輸出高電平，6管腳輸出低電平，3,6管腳所連接的電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)反轉(zhuǎn)同理可得。圖5 電機(jī)驅(qū)動模塊引腳圖3、 電源模塊該模塊是由兩節(jié)鋰電池（8V）和LM7805三端集成穩(wěn)壓電路構(gòu)成。其中穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)的功能是輸出穩(wěn)定的五伏電壓，為整個數(shù)字電路提供5V的數(shù)字電路電壓，電機(jī)驅(qū)動則直接接兩節(jié)鋰電池的8V電壓。圖6 LM7805實(shí)物圖圖7 7805三端集成穩(wěn)壓電路圖4、 控制模塊控制策略：控制模塊輸入為兩個紅外循跡傳感器，輸出端則可根據(jù)小車控制策略不同有兩種方案：1.

6、通過車輪速度差實(shí)現(xiàn)方向控制：輸出端接比較器的輸入，輸出到比較器的值可以改變比較器的輸出脈寬，進(jìn)而調(diào)節(jié)左右輪電機(jī)的速度。2.通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向控制：輸出的Ldir與Rdir可以作為電機(jī)驅(qū)動芯片的輸入。 我們采用第二種方案，即控制正反轉(zhuǎn)來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向從而控制小車的轉(zhuǎn)向； 控制模塊組成：由NE555定時器連成的多諧振蕩器和74LS14施密特觸發(fā)器構(gòu)成的控制板時鐘，時鐘的周期和占空比可通過改變多諧振蕩器上的滑動變阻器的電阻來實(shí)現(xiàn)；圖8 控制板時鐘電路圖在74LS14的后面接一個74LS163計(jì)數(shù)器，并將74LS163計(jì)數(shù)器的輸出與74LS85比較器相連，通過調(diào)節(jié)74LS85的輸入端1，9，11，

7、14的電平可改變輸出方波的占空比，這樣就構(gòu)成一個PWM發(fā)生電路；比較器是74LS85，由于本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選擇的方案是通過電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向的控制，電機(jī)左右輪的轉(zhuǎn)速始終相同，所以選擇相同的PWM信號，因此只需要一個74LS85芯片。芯片的A0A3輸入口分別接計(jì)數(shù)器Q0Q3輸出口，而B0B3輸入口分別接高電平或低電平。本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的初值為B3B2B1B0=0111，可調(diào)節(jié)以改變轉(zhuǎn)速。 而芯片的P(A<B)輸出端接電機(jī)使能端。由74LS85功能表可得，當(dāng)A3A2A1A0<B3B2B1B0時，輸出高電平，當(dāng)A3A2A1A0B3B2B1B0時，輸出低電平，由此輸出占空比一定的矩形波。 圖9

8、 PWM電路圖圖10 控制模塊總電路圖注：上圖中，由于我們才用的是控制正反轉(zhuǎn)方式控制轉(zhuǎn)向，所以用同一個PWM端，所以只用到了一個74LS85，與上圖有些不同。5、 邏輯控制模塊使用車輪正反轉(zhuǎn)控制小車方向，轉(zhuǎn)速設(shè)為恒定值，在小車到達(dá)終點(diǎn)時檢測到長黑線時一直后退，即到達(dá)終點(diǎn)后不再循跡?？墒褂肈觸發(fā)器作為小車目前狀態(tài)的寄存器。相當(dāng)于控制板輸入多了一個輸入變量，即觸發(fā)器的輸出狀態(tài)值。根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的_功能列出真值表，畫出卡諾圖，由卡諾圖化簡出邏輯式。得到邏輯式為Rdir=Q+SR , Ldir=Q+SL然后，根據(jù)邏輯式設(shè)計(jì)出邏輯電路圖。此邏輯電路包含D觸發(fā)器和或門與門非門組成，有兩個輸入端和兩個輸出端，

9、還有一個時鐘，此時鐘可接控制板時鐘。其中兩個輸入端為傳感器的輸出端，兩個輸出端接電機(jī)驅(qū)動的輸入端，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；首先要對D觸發(fā)器進(jìn)行清零處理，通過將CLR接低電平；然后將CLR置高電平；由邏輯圖可知當(dāng)SL和RL同時為0（到達(dá)終點(diǎn)）后，Q為1，輸出Ldir和Rdir一直為1，不再隨SL和SR變化，滿足設(shè)計(jì)要求； 圖11 邏輯電路的真值表 圖12 D觸發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖13 D觸發(fā)器的功能圖 74HC74D c SL Ldir CLK Q ACLR SR Rdir PR 圖14 邏輯電路圖四、 調(diào)試與驗(yàn)收 圖15 電路搭建實(shí)物圖1 、電路調(diào)試用逐個模塊調(diào)試的方法進(jìn)行調(diào)試，對于PWM電路部

10、分，我們成功的調(diào)試出了一定占空比的方波，通過改變B0B3輸入口的值從而改變占空比；對于電源模塊，我們用實(shí)驗(yàn)室8V的直流電壓代替鋰電池接入電源模塊，得到了5V的電壓，調(diào)試成功；接下來我們對我們的邏輯部分進(jìn)行了調(diào)試，首先將PR端置1，將施密特觸發(fā)器的輸出方波接入到Clk，開始時對D觸發(fā)器進(jìn)行清零處理，通過將CLR接低電平；然后將CLR置高電平；通過改變SL和SR的不同組合輸入，測量輸出的電平（Ldir、Rdir）高低，與設(shè)計(jì)的邏輯進(jìn)行比較，完全符合；最后我們對整個電路（包括電機(jī)驅(qū)動模塊）的邏輯功能完成了調(diào)試。2、小車驗(yàn)收 在將電路調(diào)試成功之后，我們將搭好的電路安裝在小車上面，并將剩下的線路連好。裝

11、車后接上電源，首先要將觸發(fā)器清零，然后將傳感器緊貼白紙面，使小車傳感器貼著地面。此時小車兩只輪子向前轉(zhuǎn)。松手后，小車可循跡，到終點(diǎn)后退。分別將B3B2B1B0置為不同的值，逐漸增加小車的速度進(jìn)行調(diào)試，最后發(fā)現(xiàn)小車能循跡的最大值為0111，最快為12秒到達(dá)終點(diǎn)。 3、遇到的問題 在電路調(diào)試和小車調(diào)試的過程中遇到的最大問題就是小車剛放入監(jiān)測軌道時的不穩(wěn)定，很多時候在清零準(zhǔn)備放入軌道的時候，發(fā)現(xiàn)小車已經(jīng)開始往后退了。4、解決方法 我們分析出，應(yīng)該是小車在放入軌道前由于還沒檢測到白線（相當(dāng)于監(jiān)測到了兩條黑線），出現(xiàn)了一直后退的現(xiàn)象，所以我們在放入軌道前先將小車D觸發(fā)器清零，將監(jiān)測傳感器緊緊貼著地面，然后將清零端置1，慢慢放開小車，在幾次試探之后，小車成功循跡前行。六、設(shè)計(jì)感悟與收獲首先，本次課程設(shè)計(jì)是對數(shù)字電子電路課程的一個很大的實(shí)踐，對于數(shù)電這門課的理解和掌握起到了一定的促進(jìn)作用，我一開始覺得數(shù)電學(xué)起來很枯燥，都是一些理論知識，通過這次課設(shè)經(jīng)歷，才逐漸發(fā)現(xiàn)這門課的有趣和實(shí)用，對于我今后的學(xué)習(xí)起積極作用；在本次課設(shè)中，由于對原理要求要理解清晰，所以對于一些常用芯片和基本電路進(jìn)行了深入的了解和學(xué)習(xí)，對邏輯的設(shè)計(jì)也加強(qiáng)了我對于時序邏輯電路的設(shè)計(jì)的能