课程设计（论文）简易光电循迹智能电动车

1、 学科分类号 本科学生电子课程设计论文 题 目 ： 简易光电循迹智能电动车 姓 名 ： 学 号 ： 院 （系）： 工 学 院 专业年级： 13级应用电子技术与教育 指导老师： 2015年 5 月 30 日 目录第1章 系统介绍 1.1 引言.1 1.2 摘要.2 1.3 关键字.2第二章 硬件电路总体设计 2.1 方案论证与确认.3 2.2 方案实施 2.2.1 检测模块.5 2.2.2 调速模块.5 2.2.3 控制模块.6 2.2.4 驱动模块. .6第三章 硬件电路设计与仿真 3.1 调速模块.8 3.2 控制模块.9第四章 设计心得与体会 4.1 存在缺点.12 4.2 最大优点.12

2、 4.3 改进方案.12参考文献.14 引 言智能车应用面非常广泛，包括现代社会物流业、矿石勘测等。所以人们又称智能车为新一代能设定自动移动的机器人。针对路面采用黑色标记线条作路径引导线的应用场合，光电传感器与ccd/ cmos图像传感器是常用的路径识别传感器。光电传感器能够准确的识别以黑色为标记线的引导线，这种应用是光电传感器最常用的场合。 光电传感器还是有很多缺点，如检测距离近，预测性比较差。但是如果针对具体的环境与场合合理地设计电路和选择合适的光电传感器，还是能避免这些问题的。所以光电传感器被广泛应用于成本比较低的和对环境要求是结构化的产品中。此次设计作品是基于光电传感器的简易循迹智能车

3、，通过16路的传感器矩阵和光敏电阻来制作的，而且是通过数据选择器来进行对速度的控制和方向的转动。我们在这里并没有用到单片机，因为单片机是通过ccd采样之后，在进行送到芯片内部进行精细的处理。我们这里并不需要。在简易的光电智能车中，我们要求 光电传感器所做的工作仅仅是检测路面的颜色。对距离，和物体的有无并不做过多的处理。所以只使用这个传感器是可行的，虽然在跑的时候，看起来有点慢。 第一章 系统介绍 随着现代科学技术的飞速发展，电子产品更新换代的速度越来越快，不仅仅是手机、电脑等方面。智能更是如此。而且随着对智能车研究的加深，可以是对智能车的控制越来越精准，智能车有几代，从最初的光电智能车，到如今

4、的线性ccd智能车，甚至如今更是有了电磁智能车。社会潮流使得光电智能车的发展越来越快，现在处理芯片都是用的atmel128,51的时代早就远处，甚至现在的cortex芯片慢慢变成了主流。新的芯片，在对路径信息的采集、存储、处理、控制上都有非常大的进步。这使得智能车在比赛场地上跑得越来越快。同时这也为真正的车展，赋予了更多的时代的意义。智能车是一个运用计算机、传感、信息、通信、导航、人工智能及自动化控制技术来实现环境感知、规划决策和自动行驶为一体的高新技术综合体。本设计是以光电对管作为检测电路，以控制方波的占空比得到不同的输出速度，通过四选一数据选择器作为控制模块，从而使光电智能小车能够实现左转

5、、右转、变速等功能。1.1 摘要 稳定和速度是决定小车好坏最重要的指标，所以要想智能车跑得快稳定，就必须要对控制系统有个很好的设计。本设计提供了一种以数据选择器为控制核心的简易自动循迹小车。该小车整体设计简单易懂，每个模块之间都相互独立，抗干扰能力强。小车还具有以下功能：自动循迹（按路面的黑色轨道行驶）；用光电对管检测路面的反光程度。作品可作为复习数电模电良好的应用实例。 stability and speed is the most important indicator of the car is good or bad, so the smart car to run fast and

6、stable, it is necessary to have a good design of the control system. this design provides a data selector for simple automatic vehicle tracking control core. the overall design of the car is easy to understand, each module is independent of each other, anti-interference ability. car also has the fol

7、lowing functions: automatic tracking (according to the black road rail travel); photoelectric detection of pavement reflective level on the tube. works can be used as an example of the application of a good number of electric power.1.2 关键字： 智能小车；光电对管；循迹 keyboard：smart car ;photoelectric tube; tracki

8、ng; 第二章 硬件电路整体设计 设计一个光电直流小车系统，是使用通用数据选择器作为控制模块，用555电路产生不同频率不同占空比的方波，使用共集放大作为驱动电路。 智能车控制系统从硬件上分为电源模块、传感器模块、处理模块、直流电机驱动模块。各个模块设计有各自不同的要求： 直流电机驱动模块是智能车控制系统的执行机构，好比人的四肢，设计良好的驱动电路是这两个模块的关键； 电源模块在智能车控制系统中好比人的心脏，向其他各个模块供电，保证它们的正常工作； 寻迹传感器模块在智能车控制系统中好比人的眼睛，怎样设计可以使小车看的更清楚，看的更远是传感器模块设计的关键； 处理模块在智能车控制系统中扮演核心的位

9、置，好比人的大脑，从硬件设计的角度来说，要保证其供电稳定。从整体上来考虑，控制的程序是最重要的，但只有程序和硬件设备的完美结合，才能让智能车跑得又快又好2.1方案论证与确认 采用74hc153n作为控制模块。采用直流电机控制小车。使用共集电极电流放大电路作为电机驱动，使用555电路作为多谐振荡器产生不同频率的方波。使用光电对管st178，共集电极电路作为检测电路。光电式传感器的应用面非常地广泛，而且结构简单，主要是由一些光电器件构成。作用：它能够用于测量更替为光量转换的其他非电量，如部件半径、表面光滑度、更替、移动、振动、速度，以及被测物体的体积、工作途径的认定等;从够将实际中的诸多量，变换成

10、光电量。如有一下：光线的强度、光的照明度、辐射的距离、空气的化学元素等。 光电传感器有很多值得去使用的优点，如不与待测实物接触、反应速度特别快、性能特别稳定。由于光电器件的飞速发展，特别是线性ccd的横空出世，为光电传感器的发展开辟了一个崭新的空间。光电传感器主要是由发送器、测量端口等部门组成。本设计就是基于双光电对管而设计的。下面是逻辑图： （74hc153n）数据选择器控制模块555振荡器模块驱动模块光电对管检测模块 经讨论，此方案可实现自动循迹，且是最佳方案，故采用此方案。2.2.1 检测模块 光电对管，也叫光电开关，内部结构为一个发光二极管和一个光敏三极管。分为反射式和直射的，通过集聚

11、光线来控制光敏三极管的导通与截止。 无论如何，原理都是光电的转化。当对管以近似直线的位置相对时，接收管才会有一个比较明显的阻值变化。一般来说，这种对管的有效距离为数米，如果想扩大感应距离可加装透镜反射式光电开关的工作原理框图。由振荡回路产生的调制脉冲经反射电路后，由发光管gl辐射出光脉冲。当被测物体进入受光器作用范围时，被反射回来的光脉冲进入光敏三极管du。并在接收电路中将光脉冲解调为电脉冲信号，再经放大器放大和同步选通整形，然后用数字积分光电开关或rc积分方式排除干扰，最后经延时（或不延时）触发驱动器输出光电开关控制信号。光电开关一般都具有良好的回差特性，因而即使被检测物在小范围内晃动也不会

12、影响驱动器的输出状态，从而可使其保持在稳定工作区。同时，自诊断系统还可以显示受光状态和稳定工作区，以随时监视光电开关的工作。光电对管st178以获得发出光的反射量度为控制量，从而有很好的道路检测功能，但因其输出电流、电压较小，不适宜作电路输入，所以在其输出端接上共射放大电路，使其电流电压能够作为一个合理量输出。所以，综上所述，检测模块可使用光电对管实现。简易电路图如下： 元件参数为： r1=470 ; r2=10k ; r3=20 ; r4=1k led2&u2 光电对管 ; q2 s9018 2.2.2 调速模块 555电路可产生不同频率，不同占空比的方波，而且只要改变放电电阻，则可很轻易调

13、节波形，所以三五电路是调速的不二选则。但由于电动机需要很快的电压的变化率，从而使电机快速传向。所以在其后增加一个由555芯片构成的施密特触发器，使电压变化率加快。2.2.3 控制模块 数据选择器74hc153具有很稳点的数据选择功能，通过检测电路的高低电平变化，对a、b端进行地址选择，从而选择不同的输出，使得循迹小车完成左转、右转功能。2.2.4 驱动模块 在选择光电智能小车的循迹方法的时候，我们往往会很迷惑，但是在对图像的像素要求不是特别高的时候，可以省去很多不需要的拓展传感器，如一些视觉之类的传感器。但是在参考传感器的体形结构，价格的高低，和处理数据的速度的时候，我们选择了066b的传感器

14、工作速度，以及一些必要的资源。整个设计是采用了光电对管来控制。当光电传感器工作的时候，光电对管会在地面进行反射，若光电对管返回的电压量及电流量较大时，则是白色区域，由于黑色胶带能吸收很多光线。那么在返回这些量的时候，就会弱一些。但是就是通过这样不同的返回，我们就可以控制我们的驱动采取不同的工作方式，从而使光电智能小车能顺利地沿着黑色线前进。 此处共集电极放大电路没有电压放大，而具有很好的电流放大功能。恰好在数据选择器的输出端电压很高，但是驱动电流才达到微安级，无法驱动两个直流电机。但共集电路弥补了这一缺点。简易电路图（1）如下：元件参数： r11=r13=1k r10=r12=300 q3、q

15、4 s9018 图（1） 第三章 硬件电路设计与仿真 首先是传感器检测路面的信息，由于光电对管的电压输出特别小，所以在这里我们需要加放大电路让信号看起来明显。然后再将信号送到数据选择器的输入端，进行输入的控制。这里需要等待从555振荡器所传过来的信号，记忆电源的信息。然后再根据路面信息，数据选择器进行逻辑上的判断，然后两个输出端输出不同的波形，从而可以控制不同转向。但由于，数据选择器的驱动能力特别差，所以我们需要在其输出后面加上两级共集电极放大驱动电路。那么完成这些工作之后，小车就能够顺利地跑起来。3.1 调速模块智能循迹小车的硬件在下图就能很清楚的看到。下面是整个小车的工作流程： 1.首先是

16、传感器检测路面的信息 2.进行输入量的放大 3.等待振荡器的可变信号输入 4.进行逻辑控制输出 5.在数据选择器后加上两级集电极放大电路。 调速模块核心为ne555n系列芯片构成频率在50hz左右的矩形信号，调节r19电阻可改变波形的频率，调节r6电阻则可以改变波形的占空比。其后，还增加一个以ne555n为核心的施密特触发器。使得波形更加平整。详细电路图及仿真如下： 电路图： 仿真波形： 在上图中，通过分析我们可以知道，波形的宽度，占空比都发生了改变，也即施密特触发器把输入信号的频率发改变了，从而提高了循迹小车在转弯的过程中能有更加缓慢，更加安全地通过赛道。而且这个转弯的速度是可以控制的，这样

17、的话就会让工作量大大地减少，使调试起来更加的方便。3.2 控制模块 以信号检测为输入地址端，以可调矩形波为输入信号端，然后在以共集电路为驱动输出。然后将端口与芯片74hc153n连接，则可以得到一个完整，实用的控制系统。该系统通过不同的地址输入信号，即不同的光电对管所传回的信息，使得循迹小车实现自动识别功能，电路图及仿真波形如下所示 电路图：波形图： 在地址输入端为ab为10时，其有效信号输入为1c2,、2c2。而2c2是输入端为减速信号，所以此时循迹小车发生转向。同理，地址输入端ab输入为01、00、11时，由于输入信号不同，就会产生不同的输出，从而使电路有左转、右转等功能。 第四章 设计心

18、得与体会 本设计设计了一种基于光电传感器的智能小车自动寻迹控制系统，采用反射式光电传感器实现路而和车速信息采集并控制小车行进方向和速度，采用基于路径标记线结构化信息模式匹配的寻迹控制策略实现寻迹控制。结果表明，该电路能够准确检测路而使小车沿指定的黑色引导线前进，为后续的智能小车转弯奠定了坚实的基础。不过在此处设计中海存在如下问题。4.1 存在缺点 1.本设计在设计初期没有很好规划元器件的使用，造成了极大的不便与浪费 2.本设计的小车速度不够快，控制不够精准。 3.检测电路过于简单，在小车行驶的过程中容易跑出赛道。 4.布局不规范，电路的安全性欠考虑。4.2 最大优点 本设计最好的一点就是，设计

19、独特，使用人们不使用而非常行之有效的数据选择器。整体电路简单易懂，充分结合数电模电知识，让我们在学习的过程中不断地巩固自己所学知识。4.3 改进方案 1.前期准备要足够，在没有具体的思路之前不要盲目地尝试，要尽可能的详细，最好详细到自己什么时间该做哪一步，什么时间完成，这些细节都要有明确的规划。 2.尽可能用更加简单，稳定的电路去实现电路功能。太过复杂，或者自己去猜想，很容易出问题且不容易控制意外状况，严重时可能会导致整个设计都崩溃。 3.尽量采用pcb制版，因人工焊接，由于焊点多，跳线多，稍不注意就会出错，而且资源面积浪费极大。美观程度也没有pcb板那么好。在后期的实物制作中，由于万能板占面积较大，可能会导致整个硬件不协调。 参考文献1 杜坤梅,李铁才.机控制技术m.哈尔滨:哈