智能巡线小车制造设计方案报告.doc

第三届电子设计和测试竞赛方案设计报告 学 院： 信息工程学院 组长姓名： 戴紫旭 学 号： 512401 班 级： 电气1402班 联络电话： 指导老师： 张静 选题名称： 智能巡线小车（C题） 设计汇报智能巡线小车（C题）（林晓强 桑朝春）1. 系统方案论证1.1 小车巡线原理 这里巡线是指小车在白色地板上循黑线行走，因为黑线和白色地板对光线反射系数不一样，能够依据接收到反射光强弱来判定“道路”。通常采取方法是红外探测法。 红外探测法，即利用红外线在不一样颜色物体表面含有不一样反射性质特点，在小车行驶过程中不停地向地面发射红外光，当红外光碰到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上接收管接收；假如碰到黑线则红外光被吸收，小车上接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来红外光为依据来确定黑线位置和小车行走路线。1.2 方案论证和选择1.2.1 巡线模块设计和比较 采取一体反射式红外对管，所谓一体就是发射管和接收管固定在一起，反射式工作原理就是接收管接收到信号是发射管发出红外光经过反射物反射后得到，所以使用红外对管进行循迹时必需是白色地板加黑色引导条。 这次设计中因为是近距离探测，故采取红外对管来完成数据采集。因为红外光波比可见光长，所以受可见光影响较小。同时红外线系统还含有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。反射式光电检测器就是其中一个器件，它含有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想，电路设计简单、性能稳定可靠。1.2.2 供电方案设计和比较 方案一： 采取两个电源供电，将电动机驱动电源和其周围电路和单片机电源分别供电，因为单片机电压较低，而电机需要电压较高，轻易使单片机电压过高而损坏，使用两个电池供电，能够提升系统稳定性，不过多一组电池，增加了小车质量，同时也增加了小车惯性，降低了灵敏度。 方案二：采取单一电源供电。电源直接给单片机供电，经过单片机IO口连接到电动机上，这么输出电压稳定，同时也减轻了小车质量，使小车愈加灵活。不过加高电压提升了损坏单片机风险。 从安全性考虑，我们选择方案一。1.2.3 电机驱动模块设计和比较 方案一：33886驱动 采取飞思卡尔企业直流电机驱动芯片MC33886。其驱动能力强，有过流保护功效，状态监测功效，经过PWM调整可实现正反转。 1)单独使用一片33886 优点：应用电路简单，实现方便。缺点：芯片驱动电流小，内阻大，可能存在发烧严重问题，不好加散热片。 2)采取两片或四片MC33886并联 优点：能够增大驱动能力，降低单片机发烧量。缺点：存在均流不佳问题，有碍提升整个装置输出，甚至造成器件和装置损害。 方案二：L298N驱动 L298N是ST生产芯片，关键特点：工作电压高，最高工作电压可达成46V，而且能够驱动两个电机，能够直接经过电源来调整电压；能够直接用单片机I/O口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。经经验比较，L298N驱动模块运行可靠，取得效果很好，而且电路电气性能和散热性能很好，此设计选择L298N驱动模块。1.2.4 智能小车测距模块设计和比较 方案一：用霍尔元件检测小磁片 利用霍尔元件检测装在小车轮子上小磁铁（放置小磁铁个数可更改）给单片机发送中止脉冲，每受到一次或多个脉冲后，小车轮子周长加一次，即最终总数就为距离，霍尔元件含有体积小，频率对应宽度大，动态性好，对外围电路要求简单等优点。不过她转换率比较低，受外界影响，尤其是温度。 方案二：用光栅进行计算 在小车轮子上加上光栅，外围加上光电管进行检测。用这种方法进行检测正确度高，误差较小，安装方便。不过在小车转弯处正确度不高，会造成一定误差。 方案三：使用带有编码器直流电机 用这种方法就是简单，直接计算出，而且精度高。缺点在于这种电机很贵，自己需求大。 但依据我们实际情况，我们决定采取第三种方案。1.2.5 刹车机构功效设计和比较 方案一：自然减速式 当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。因为惯性，小车全速行驶时需1.8秒后才能停止，因车轮滑行造成误差较大。无法实现正确制动目标。 方案二：反转式 当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎和跑道摩擦力抵消惯性效应。因为车速是渐减，反向驱动信号长度也要渐减，不然小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反应时间降低为0.5s。因为需要对小车进行刹车，从而愈加正确计算旅程，故本系统中采取方案二。1.3 控制系统总体设计自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块、红外检测模块、电机及驱动模块等部分组成,控制系统结构框图图1所表示。 稳压电源模块主控芯片EK-TM4C123GXLL298N减速电机光电传感器电压比较器 图1 控制系统结构框图1.主控制电路模块：用EK-TM4C123GXL单片机、复位电路，时钟电路2.红外检测模块：光电传感器ST1883.电机及驱动模块:电机驱动芯片L298N、四个直流电机4.电源模块：双路开关电源2. 系统电路设计及指标计算2.1 光电管探测模块2.1.1 红外传感器ST188介绍 含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）。经过发射红外信号，看接收信号改变判定检测物体状态改变。A、K之间接发光二极管，C、E之间接光敏三极管（二者在电路中均正接，但要串联一定阻值电阻）。 图2 ST188实物图 图3 ST188实物图2.1.2 具体电路 经过ST188检测黑线，输出接收到信号给LM324 ，接收电压和比较电压比较后，输出信号变为高低电平，再输入到单片机中，用以判定是否检测到黑线。 图4 ST188电路图2.1.3 传感器安装 在小车具体巡线行走过程中，为了能正确测定黑线位置并确定小车行走方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提升其巡线可靠性。这4个红外探头具体位置图6所表示。 图5 传感器安装图 图中巡线传感器全部在一条直线上。其中X1和Y1为第一级方向控制传感器，X2和Y2为第二级方向控制传感器，而且黑线同一边两个传感器之间宽度不得大于黑线宽度。小车前进时，一直保持(图3-4中所表示行走轨迹黑线)在X1和Y1这两个第一级传感器之间，当小车偏离黑线时，第一级传感器就能检测到黑线，把检测信号送给小车处理、控制系统，控制系统发出信号对小车轨迹给予纠正。若小车回到了轨道上，即4个探测器全部只检测到白纸，则小车会继续行走；若小车因为惯性过大依旧偏离轨道，越出了第一级两个探测器探测范围，这时第二级探测器动作，再次对小车运动进行纠正，使之回到正确轨道上去。能够看出，第二级方向探测器实际是第一级后备保护，从而提升了小车巡线可靠性。2.2 单片机控制板模块 对于我们智能小车，我们使用EK-TM4C123GXL最小系统 图6 EK-TM4C123GXL最小系统控制板实物图 经过我们对EK-TM4C123GXL最小系统资料研读，我们知道系统板上电源模块，复位电路，晶振电路已经含有。然后我们对最小系统板上可用I/O口进行了统计，统计结果以下：PA2-PA7 PB0-PB7PC4PC7PD0-PD3PE0PE5PF0PF5电机及驱动模块 2.4.1 L298N驱动模块 L298N是ST企业生产一个高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采取15脚封装。关键特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值可达3A，连续工作电流2A；内含两个H桥高电压大电流全桥式驱动器，能够用来驱动直流电动机和步进电机，继电器线圈等感性负载；采取标准逻辑电平信号控制；含有两个使能控制端，在不受输入信号影响情况下许可或严禁器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；而且能够外接检测电阻，将改变量反馈给控制电路。使用L298N驱动电机，该芯片能够驱动两个二相电机，也能够驱动一个四相电机，能够直接经过电源来调整输出电压。 L298N关键引脚功效以下： +5V：芯片电压5V VCC：电机电压，最大可接50V GND：共地接法 Output1Output2：输出端，接电机1 Output3Output4：输出端，接电机2 EN1、EN2：高电平有效，EN1、EN2分别为 IN1和IN2、IN3和IN4使能端 Input1Input4：输入端，输入端电平和输出端电平是对应 图7 L298N实物图 图8 L298N引脚图图9 L298N驱动原理图2.4.2 电机控制过程 IN1，IN2，IN3，IN4接收脉冲信号 L298N1脚和15脚发射极分别单独引出方便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。OUT1，OUT2 和 OUT3，OUT4之间可分别接电动机一相。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机正反转。ENA，ENB控制使能端，控制电机停转。表1 ：电机驱动逻辑关系IN1IN2ENA电机状态XX0停止001顺时针011逆时针000停止110停止 控制电机运行速度只要控制系统发出时钟脉冲频率或换相周期，即在升速过程中，使脉冲输出频率逐步增加；在减速过程中，使脉冲输出频率逐步降低。 注释：对应附录中连接表：z（y）1IN1z（y）1IN2z（y）2IN1z（y）2IN2z（y）1pwmINz（y）2pwmIN 2.3 LCD显示模块我们采取1602液晶显示对我们所测得比赛时间和旅程，1602控制相对简单，成本也相对较低，所以我们选择1602作为显示模块。介绍：工业字符型液晶，能够同时显示16x02即32个字符。（16列2行）1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一个专门用来显示字母、数字、符号等点阵型液晶模块。它由若干个5X7或5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位全部能够显示一个字符，每位之间有一个点距间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。1602LCD是指显示内容为16X2,即能够显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。市面上字符液晶大多数是基于HD44780液晶芯片，控制原理是完全相同，所以基于HD44780写控制程序能够很方便地应用于市面上大部分字符型液晶。图10 lcd1602实物图图11 lcd1602引脚图2.4 距离计算模块 我们采取27GMB-1525Y 直流减速电机，这种电机内部有两线霍尔编码器，4倍频减速箱减速，轮子每圈有几百脉冲。图12 电机实物图 电机上编码器作用及其工作原理： 编码器通常见在一般电机轴端采集旋转了多少角度，伺服和步进电机全部有自带信号反馈通常不需要加装编码器，经过转子在编码器内部扫过了多少个暗刻线来输出多少个脉冲信号，精度选择就是编码器有多少分辨率，越高角度统计越正确，有AB输出也有A+B+A-B-输出，把这两根信号线接在PLC输入端高速计数输入端子上，通常全部是PLC输入前多个点上，程序控制也是要查找手册用高速计数器接收信号，经过计算得出你想要电机旋转圈数然以后控制电机启停达成电机在线性或是转盘角度上正确定位。经过这种编码器，我们经过它来直接给单片机传送脉冲信号，读取数据，然后进行轮子周长计算来计算出距离。轮子转动发送脉冲给单片机霍尔元件检测单片机处理数据，计算出距离图13步骤框图2.5 声光报警模块 当系统检测到终点信号时，由主控芯片控制蜂鸣器间歇性鸣响，同时四个发光二极管开始工作，用此时对应作为抵达终点报警信号。具体电路以下： 图14声光报警模块电路图3. 系统程序设计及算法分析 3.1总体软件步骤图小车进入寻迹模式后，即开始不停地扫描和探测器连接单片I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号改变，就实施对应判定程序，把对应信号发送给电动机从而纠正小车状态。软件主程序步骤图图18所表示： 图15 主程序步骤图 3.2小车循迹步骤图小车进入巡线模式后，即开始不停地扫描和探测器连接单片机I/O口，一旦检测到某个I/O口有信号，即进入判定处理程序，先确定4个探测器中哪一个探测到了黑线，假如左面第一级传感器或左面第二级传感器探测到黑线，即小车左半部分压到黑线，车身向右偏出，此时应使小车向左转；右边和左边情况相同； 图16小车循迹步骤图3.3中止程序步骤图这里利用EK-TM4C123GXL单片机是计数器，从而让单片机P0口P0.4和P0.5引脚输出占空比不一样方波,然后经驱动芯片放大后控制直流电机。定时计数器若干时间（比如0.1ms）比如中止一次,就使P0.4或P0.5产生一个高电平或低电平。中止程序步骤图图20所表示： 图17 中止程序步骤图 3.4系统程序步骤图图18系统程序步骤图4. 测试方案 设计采取环形黑色轨道，对小车进行实际测试。设计测试图图22所表示：图19 测试场景及参数系统测试过程中，采取顺时针和逆时针两个方向测试方法，在不一样起点开启，以此来检测智能小车左右转效果。附录：各个元件连接对应单片机口对应表：xOUT1PC4y2pwmINPD7xOUT2PC5RSPE3xOUT3PC6R/WPE4xOUT4PC7EPE5sIN1PE1DB0PB0gIN2PE2DB1PB1z1IN1PA2DB2PB2z1IN2PA3DB3PB3z2IN1PA4DB4PB4z2IN2PA5DB5PB5z1pwmINPA6DB6PB6z2pwmINPA7DB7PB7y1IN1PD0z1FPF0y1IN2PD1z2FPF1y2IN1PD2y1FPF2y2IN2PD3y2FPF3y1pwmINPD6表各个元件连接对应单片机口对应表