智能巡線小車設計報告

1、第三屆電子設計與測試競賽方案設計報告 學 院： 信息工程學院 組長姓名： 戴紫旭 學 號： 5120142401 班 級： 電氣1402班 聯(lián)系電話：指導老師： 張靜 選題名稱： 智能巡線小車（C題） 設計報告智能巡線小車（C題）（林曉強 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弱來推斷“道路”。通常實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的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面放射紅外光，當紅外光

2、遇到白色紙質地板時發(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 巡線模塊設計與比較 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行循跡時必需是白色地板加黑色引導條。 這次設計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：尺寸小、質量輕，

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，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的，電路設計簡潔、性能穩(wěn)定牢靠。1.2.2 供電方案設計與比較 方案一： 接受兩個電源供電，將電動機驅動電源以及其周邊電路與單片機電源分別供電，由于單片機的電壓較低，而電機需要的電壓較高，簡潔使單片機電壓過高而損壞，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。電源直接給單片機供電，通過單片機的IO口連接到電動機上，這樣輸出的電壓穩(wěn)定，同時也減輕了小車

4、的質量，使小車更加機敏。但是加高的電壓提高了損壞單片機的風險。 從平安性考慮，我們選擇方案一。1.2.3 電機驅動模塊設計與比較 方案一：33886驅動 接受飛思卡爾公司的直流電機驅動芯片MC33886。其驅動力量強，有過流愛護功能，狀態(tài)監(jiān)測功能，通過PWM調整可實現(xiàn)正反轉。 1)單獨使用一片33886 優(yōu)點：應用電路簡潔，實現(xiàn)便利。缺點：芯片驅動電流小，內阻大，可能存在發(fā)熱嚴峻的問題，不好加散熱片。 2)接受兩片或者四片MC33886并聯(lián) 優(yōu)點：可以增大驅動力量，削減單片機發(fā)熱量。缺點：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驅動 L298N

5、是ST生產(chǎn)的芯片，主要特點：工作電壓高，最高工作電壓可達到46V，并且可以驅動兩個電機，可以直接通過電源來調整電壓；可以直接用單片機的I/O口供應信號，而且電路簡潔，使用比較便利。經(jīng)閱歷比較，L298N驅動模塊運行牢靠，取得效果較好，而且電路的電氣性能和散熱性能較好，此設計選用L298N驅動模塊。1.2.4 智能小車測距模塊設計與比較 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，頻率相應寬度大，動態(tài)性好，對外圍電路要求簡潔等優(yōu)點。但是他

6、的轉換率比較低，受外界影響，尤其是溫度。 方案二：用光柵進行計算 在小車的輪子上加上光柵，外圍加上光電管進行檢測。用這種方法進行檢測精確度高，誤差較小，安裝便利。但是在小車轉彎處精確度不高，會造成肯定的誤差。 方案三：使用帶有編碼器直流電機 用這種方法就是簡潔，直接計算出，而且精度高。缺點在于這種電機格外貴，自己需求大。 但依據(jù)我們的實際狀況，我們打算接受第三種方案。1.2.5 剎車機構功能設計與比較 方案一：自然減速式 當系統(tǒng)發(fā)出停止信號時停止給驅動電機供電，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。無法實現(xiàn)精確制動的目標。

7、 方案二：反轉式 當小車需要停車時給驅動電機以反轉信號，利用輪胎與跑道的摩擦力抵消慣性效應。由于車速是漸減的，反向驅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時間削減為0.5s。由于需要對小車進行剎車，從而更加精確的計算路程，故本系統(tǒng)中接受方案二。1.3 把握系統(tǒng)總體設計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、電機及驅動模塊等部分組成,把握系統(tǒng)的結構框圖如圖1所示。 穩(wěn)壓電源模塊主控芯片EK-TM4C123GXLL298N減速電機光電傳感器電壓比較器 圖1 把握系統(tǒng)的結構框圖1.主把握電路模塊：用EK-TM4C123GXL單片機、復位電路，時鐘

8、電路2.紅外檢測模塊：光電傳感器ST1883.電機及驅動模塊:電機驅動芯片L298N、四個直流電機4.電源模塊：雙路開關電源2. 系統(tǒng)電路設計及指標計算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實物圖 圖3 ST188實物圖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4個紅外探測頭，進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，再次對小車的運動進行訂正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，其次級方向探測器實際是第一級的后備愛護，從而提高了小車巡線的牢靠性。2.2 單片機把握板模塊 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口進行了統(tǒng)計，統(tǒng)計結果如下：PA2-PA7 PB0-PB7PC4PC7PD0-PD3PE0PE5PF0PF5電機及驅動模塊 2.4.1 L298N驅動模塊 L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流電機驅動芯片。該芯片接受15腳封裝。主要特點是：工作電壓高，最高工作電壓可達46V；輸出電流大，瞬間峰值可達3A，持續(xù)工作電流2A；內含兩個H橋的高電壓大電流全橋式驅動器，可以用來驅動直流電動機和步進電機，繼電器線圈等感性負載；接受標準規(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驅動電機，該芯片可以驅動兩個二相電機，也可以驅動一個四相電機，可以直接通過電源來調整輸出電壓。 L298N的主要引腳功能如下： +5V：芯片電壓5V VCC：電機電壓，最大可接50V GND：共地接法 Output1Output2：輸出端，接電機1 Output3Output4：輸出端，接電機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的 圖7 L298N實物圖 圖8 L298N引腳圖圖9 L298N驅動原理圖2.4.

13、2 電機把握過程 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的一相。5，7，10，12腳接輸入把握電平，把握電機的正反轉。ENA，ENB把握使能端，把握電機的停轉。表1 ：電機驅動規(guī)律關系IN1IN2ENA電機狀態(tài)XX0停止001順時針011逆時針000停止110停止 把握電機的運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、符號等的點陣型液晶模塊。它由若干個5X7或者5X11等點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，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用于市面上大部分的字符型液晶。圖10 lcd1602實物圖圖11 lcd1602引腳圖2.4 距離計算模塊 我們接受27GMB-1525Y 直流減速電機，這種電機內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 電機實物圖 電機上編碼器的作用及其工作原理： 編碼器一般用在一般電機的軸端采集旋轉了多少角度，伺服和步進電機都有自帶的

16、信號反饋一般不需要加裝編碼器，通過轉子在編碼器內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輸入端的高速計數(shù)輸入端子上，一般都是PLC輸入的前幾個點上，程序把握也是要查找手冊用高速計數(shù)器接收信號，通過計算得出你想要的電機旋轉圈數(shù)然后來把握電機的啟停達到電機在線性或是轉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傳送脈沖信號，讀取數(shù)據(jù)，然后進行輪子周長的計算來計算出距離。輪子轉動發(fā)送脈沖給單片機霍爾元件檢測單片機處理數(shù)據(jù)，計算出距離圖13流程框圖2.5 聲光報警模塊

17、 當系統(tǒng)檢測到終點信號時，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，用此時的相應作為到達終點的報警信號。具體電路如下： 圖14聲光報警模塊電路圖3. 系統(tǒng)程序設計及算法分析 3.1總體軟件流程圖小車進入尋跡模式后，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)行相應的推斷程序，把相應的信號發(fā)送給電動機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入巡線模式后，即開頭不停地掃描與探測器連接的單片機I/O口，一旦檢測到某個I/O口有信號，即進入推斷處理程序，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，此時應使小車向左轉；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單片機是計數(shù)器，從而讓單片機P0口的P0.4和P0.5引腳輸出占空比不同的方波,然后經(jīng)驅動芯片放大后把握直流電機。定時計數(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 設計接受環(huán)形的黑色軌道，對小車進行實際測試。設計測試圖如圖22所示：圖19 測試場景及參數(shù)系統(tǒng)測試過程中，實行順時針和逆時針兩個方向的測試方法，在不同的起點啟動，以此來檢測智能