智能小车控制

智能小车控制电气与电子工程系李英辉2011.11.05设计目的•熟练掌握单片机系统设计与调试方法；•掌握智能小车控制原理；•掌握光电开关、超声模组、循迹传感器的工作原理及使用方法；•掌握电路板设计与制作及电子产品组装、制作与调试技术。设计内容•1．利用提供的小车套件组装一辆小车，设计循迹线路并组装循迹传感器和避障装置；•2．设计小车电机驱动板、寻迹模块、避障模块电路，绘制电路原理图并制作PCB电路板；•3．组装小车硬件部分：包括小车底盘、控制电机、循迹模块、超声波模块、控制板、电源等；•4．编写单片机控制程序、使其完成如下功能：•1）基本功能：小车能够在设计的线路上完成寻迹功能；•2）拓展功能：在循迹线路上设置障碍物，小车遇到障碍物能够自动绕道行驶，完成避障功能；电源模块•方案1：采用6节1.5V干电池供电，电压达到9V给直流电机供电，然后用7805降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。•方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电，经过7809的电压变换后给直流电机供电，然后用7805降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。•方案3：采用12V蓄电池降压后为直流电机供电，再将其降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。稳压模块•方案1：采用两片7809将电压稳压至9V后给直流电机供电，然后采用一片7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电。•方案2：采用两片7809将电压稳压至9V后给直流电机供电，然后采用2576将电压稳至5V。2576的输出电流最大可至3A。寻迹传感器模块•方案1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线反射较弱。将阻值的变化经过比较器就可以输出高低电平。•方案2：用红外发射管和接收管制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3cm。•方案3：用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。电机模块•方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，由于其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。•方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。电机驱动模块•方案1：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。•方案2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。小车控制模块•采用左右两轮分别驱动，后万向轮转向的方案。左右轮分别用两个转速和力矩基本相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。•在安装时我们保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。•将单片机控制模块、驱动模块、电源等模块固定在小车上部，信号采集模块安装在小车前部的底部，离地面约1厘米。光电传感器（一）•NPN常开型光电传感器，检测距离为0-3厘米。•主要用于检测，短距离或近距离物体的存在或运动状态；作用类似于接近开关，但检测物体材质不局限于金属，亦可为不透明的非金属。•工作电压：5V•工作电流：10mA•信号输出：TTL电平•接线图：输出外加上拉电阻•特点：输出信号稳定，不受可见光影响，寿命长光电传感器（二）•集发射与接收于一体的NPN型光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。•电气特性：尺寸：U:5VDC直径:17MMI:100mA传感器长度:45MMSn:3-80CM引线长度:45CM•检测到目标是低电平输出，正常状态是高电平，输出接1K左右上拉电阻即可连接到IO口上。黑白线检测传感器•TK-20黑白线检测传感器有效探测距离达5cm。通过调节电位器，最远可以达到10cm，受可见光干扰小，输出信号为开关量，信号处理简单，使用非常方便外，还增加了探测距离调节器、改进了探测距离、加强了探测精度。•电气特性：U:5VDCI:20mASn:0－5CM•外形寸：L*W*H:20mm*9mm*9mm•注意事项：1、该传感器为开关量传感器，输出为TTL电平，可以直接和单片机连接，但需要在输出端加上拉电阻。（如不加上拉电阻会出现不规则电平输出）•2、一定不要把线接错，否则容易烧掉传感器。•应用领域：•白底黑线或黑底白线的检测；完成小车或机器人寻迹功能；超声波测距模块•可提供3cm--3.5m的非接触式距离感测功能，该模块包括了超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理为给予此超声波测距模块一触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块输出一回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离。•工作电压：DC5V•工作电流：15mA•工作频率：40Hz•规格尺寸：45*20*15mm•测量范围：3cm—350cm•触发信号：10uS的TTL脉冲•输出信号：输出TTL电平信号，与距离成比例超声波测距模块接线图•只需要5V电源供应、0V地线连接、触发信号输入、与信号输出等四个管脚于MCU连接即可使用，非常简单。由于需要IO口少，而且价格便宜，可多个模块组合使用。非常适合用于机器人、智能车距离和障碍物检测。•提示：此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作。超声波测距模块时序图•从模块时序图可以看出，只需要提供一个短期的10uS脉冲触发信号，超声波即可进行距离测量工作。•该模块被触发后，超声波发射头将发出8个40kHz周期电平，同时检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。•回响信号是一个脉冲的宽度成正比的距离对象。可通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。•公式:uS/58=厘米；或者uS/148=英寸。•建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。小车怎么转弯呢？怎么直行？小车控制方式•当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。小车跑道•白色地板上约5cm宽的黑色轨迹跑道；•两平行跑道间距为80cm，半圆半径为40cm。系统工作原理•黑色和白色路面对光的反射程度不同，•白色反射程度强，而黑色反射程度弱。恍然大悟了吗？L298电机控制驱动小车光电采样电路8931214U1CLM33910KR21560R1310KR141KR154.7KR17VCCVCCR18200输出端红外发射管红外接收管无遮挡物/白色接收管导通AA点为高电平输出端为低电平有遮挡物/黑色接收管截止A点为低电平输出端为高电平流水线运行方向寻迹流程图P2.７P2.６P2.５P2.４P2.３P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3小车状态控制方法01110轨迹居中前进11100小车偏右左转110001000000111小车偏左右转000110000100000没在轨迹上后退P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3小车状态控制方法01110轨迹居中前进11100小车小偏右小左11000小车中偏右中左10000小车大偏右大左00111小车小偏左小右00011小车中偏左中右00001小车大偏左大右00000没在轨迹上后退表1小车控制表格读取P2口P2=P2&0XF8P2=0x00P2=ox70P2=0x18P2=0xe0P2=0x38P2=0x08P2=0x80P2=0xc0后退前进图11寻迹流程图小左中左大左小右中右大右