课程设计 智能小车循迹控制系统

1、 *大学能源与动力工程学院本科生课程设计题 目： 智能小车循迹控制系统 课 程： 电子技术 专 业： 测控技术与仪器 班 级： 测控1101 学 号： * 姓 名： * 指导教师： * 完成日期： 2013年11月26 日 目 录1、任务及要求32、整体方案及特点.43、各组成部分的电路结构及工作原理.44、系统硬件电路设计（各模块的硬件连接关系）.95、CPLD控制模块内各单元模块的设计.106、CPLD控制模块的顶层电路图.137、系统总装配图.148、实验结果分析.149、调试中出现问题的解决.1510、改进意见及收获体会.1511、器件与器材.1612、使用仪器设备.1713、参考文献

2、.17一、任务及要求 1、课程任务及其功能 设计智能小车循迹控制系统 （1）小车可完成前进、转向等行驶方式；（2）小车在底盘安装四组红外传感器；（3）系统根据红外传感器提供的信息测算小车与地面深色路径的偏离程度；（4）当小车偏离地面深色路径时自动以转小弯、转大弯的运动方式调整小车的行进轨迹,完成自动循迹的运动方式。 2、设计要求 （1）要求用可编程逻辑器件（FPGA/CPLD）设计实现； （2）在实验箱上或印刷电路板上安装、调试出所设计的电路； （3）在EDA编程实验系统上完成硬件系统的功能仿真； （4）写出设计、调试、总结报告。 3、课程设计的时间安排 1）方案设计；(1.5天)根据设计任务

3、书给定的技术指导和条件，进行调查研究、查阅参考文献，进行反复比较和可行性论证，确定出方案电路，画出主要单元电路，数据通道，输入、输出及重要控制信号概貌的框图。 2) 电路设计：(2天)根据方案设计框图，并画出各单元电路的详细电路图及总体电路图。 3) 电路仿真：（2.5天）熟悉EDA工具，在EDA软件平台上修改设计的电路，给出正确的仿真结果。 4) 装配图设计：(1天)根据给定的元器件，结合逻辑电路图，设计出电路制作的具体装配图(即绘出组件数量，管脚号以及器件布置的实际位置)。同时配以必要的文字说明。 5）电路制作：(2天)对选定的设计，按装配图进行装配，调试实验。 6) 总结鉴定：(1天)考

4、核样机是否全面达到现定的技术指标，能否长期可靠地工作，并写出设计总结报告。2、 整体方案及特点1、智能小车循迹总体方案电源模块驱动模块CPLD控制模块左右寻迹信号直流电机红外寻迹模块2、设计的思路及其特点 在智能寻迹小车控制系统的设计中，以CPLD为核心，用L298N驱动两个减速电机，当产生信号驱动小车前进时，是通过寻迹模块里的红外对管是否寻到黑线产生的电平信号通过电压比较器LM339返回到CPLD，然后CPLD根据程序设计的要求做出相应的判断送给电机驱动模块，让小车来实现前进、左转、右转、停车等基本功能。三、各组成部分的电路结构及工作原理1、红外寻迹模块的设计（1）电路结构 发射部分 接收部

5、分（2）工作原理该系统中的寻线模块我们采用的是红外传感器。它有一个发射管（白色）和一个接收管（黑色），一般情况下接收管能收到发射管发送的红外光，但当遇到吸光介质（如黑色物体）时接收管便不能收到发射管的红外光。因为传感器输出端得到的是模拟电压信号，所以在输出端增加了电压比较器LM339，先将输出电压与2.5V进行比较（检测到黑线时输出低电平，发光二极管不亮；检测到白线时输出高电平，发光二级管亮），再送给CPLD处理和控制。本设计中，为使小车寻线稳定，最好选择差异较大的环境，例如在白地板上贴上黑线，可使红外寻线模块工作更加灵敏稳定。 2、电源模块的设计利用L298稳压管输出一路电压，供给单片机和电

6、机驱动，还供给寻迹模块。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。3、CPLD控制模块设计 此部分是整个小车运行的核心部件，起着控制小车所有的运行状态作用。采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心1) 正常前进 当寻迹板中间两个传感器检测到白线，小车都正常前进。2）左小

7、拐弯 当只有左端第2个传感器检测到黑线，其余3个传感器检测到白色时，小车应左小拐弯。 3）左大拐弯 当只要左端第1个传感器检测到黑线，右端2个传感器检测到白色时，小车应左大拐弯。 4) 右小拐弯 当只有右端第2个传感器检测到黑线，其余3个传感器检测到白色时，小车应右小拐弯。 5) 右大拐弯 当只要右端第1个传感器检测到黑线，左端2个传感器检测到白色时，小车应右大拐弯。 6）停车 当4个传感器同时检测到黑线或其他情况，小车停车。4、驱动模块设计（1）电路图 （2） 工作原理 从CPLD输出信号功率很弱，即使在没有其它外在负载是也无法带动电机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入电机信号

8、的功率，从而能够根据需要控制电机转动。根据驱动功率大小以及连接电路的简单化要求选择L298N为直流电机驱动芯片。L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如下图所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298N可驱动2个电机，OUTl、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。（5、10）、（7、12）脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。L298N的逻辑功能

9、如表1所示。 表1 L298N逻辑功能表ENA(B)IN1(IN3）IN2(IN4)电机运行状况HHL正转HLH反转H同IN2(IN4)同IN1(IN3）快速停止LXX停止其引脚图如图1所示:引脚介绍：第1、15脚：可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号，也可直接接地。第2、3脚：A电机输出端口。第4脚：接逻辑控制的+5V电源。第6脚：A桥使能端口。第5、7脚：输入标准TTL电点平对A桥的输出OUT1、OUT2进行控制。第8脚：接电源地。第9脚：接电机驱动电源，最高可达50V。第11脚：B桥使能端口。第10、12脚：输入标准TTL电平对B桥的输出OUT3、OUT4进行控制。第13、14

10、脚：B电机输出端口。5、直流电机（1）实物图 （2）原理 因为一个驱动芯片L298N可驱动两个直流电机，可我们这次购买的小车有四个直流电机，所以我们采用两两并联的方法，即左侧两个并联，右侧两个并联。这样就可以使每一侧的两个电机步调一致起来，便于控制。4、 系统硬件电路设计（各模块的硬件连接关系）电源模块驱动模块CPLD控制模块左右寻迹信号直流电机红外寻迹模块5、 CPLD控制模块内各单元模块的设计1、PWM（脉冲宽度调制）(1) VHDL程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE

11、IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY PWMA ISPORT ( CLK :IN STD_LOGIC; C:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0); PWM:OUT STD_LOGIC);END PWMA;ARCHITECTURE example OF PWMA ISSIGNAL COUNT:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);BEGINPROCESS(CLK) BEGIN IF CLKEVENT AND CLK=1 THEN IF COUNT=1001 THEN COUNT=0000; ELSE COUNT=COUNT+

12、1; END IF; IF COUNTC THEN PWM=1; ELSE PWM=0; END IF; END IF; END PROCESS; END example;(2)原理图 (3)仿真波形2、主要控制模块（1） 原理和功能 根据小车前面的四个红外传感器所检测到的信号控制两端电机的转速。1） 当小车需要正常前进时，左侧两个电机的转速应等于右侧两个电机的转速。2）当小车需要左小拐时，左侧两个电机的转速应略小于右侧两个电机的转速。3）当小车需要左大拐时，左侧两个电机的转速应比右侧两个电机的转速小得多。4）当小车需要右小拐时，左侧两个电机的转速应略大于右侧两个电机的转速。5）当小车需要右大

13、拐时，左侧两个电机的转速应比右侧两个电机的转速大得多。6）当小车需要停止时，左侧两个电机的转速和右侧两个电机的转速应都为零。（2） VHDL程序LIBRARY IEEE;USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;ENTITY control ISPORT(p1,p2,p3,p4:IN STD_LOGIC; A,B: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);END control;ARCHITECTURE behave OF contr

14、ol ISBEGINPROCESS(p1,p2,p3,p4) VARIABLE TEMP: STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):=0000; BEGIN TEMP:=p1&p2&p3&p4; IF (TEMP=0000)THEN A=1000; B=1000; ELSIF(TEMP=0010)THEN A=1000; B=0011; ELSIF(TEMP=(0001)OR TEMP=(0011)THEN A=1000; B=0001; ELSIF(TEMP=0100)THEN A=0011; B=1000; ELSIF(TEMP=(1000)OR TEMP=(1100)T

15、HEN A=0001; B=1010; ELSE A=0000; B=0000; END IF; END PROCESS; END behave;（3） 原理图（4） 仿真波形6、 CPLD控制模块的顶层电路图1、原理图2、仿真波形7、 系统总装配图8、 实验结果分析 一开始小车总是左大拐弯拐不过去，经过分析，一是程序中小车的速度调的太快，二是左右轮在左大拐弯时左右轮的速度差太小。最后将小车左右轮的左右轮速度差调大，之后小车顺利沿着黑线走了，也不会压着黑线走。9、 调试中出现问题的解决 在调PWM程序时，由于不熟悉VHDL语言，总是在语法上出错，少了一两个字母什么的，最后熟悉了就好。在快要成功

16、时，我们组的小车在左大转弯的地方总会冲出跑道，因此要不断的修改小车左右轮速度的大小。比较麻烦的就是取下CPLD集成块，每次都要拿起拔器一遍遍取下，不小心也会把边上的管脚弄坏。尝试了好多次，最后将左大拐弯时左右轮的速度差调成1和11才成功，并且拐的很好。10、 改进意见及收获体会 1、改进意见 （1）由于时间和经历的限制，小车最终只实现了地面黑白循迹，按照预定地图给定的轨迹行进，没有加入路程记录，声控，壁障等功能。 (2) 没有考虑干扰问题，现在的小车只是在圆弧型的轨道上跑，换到别的跑道估计有些困难，比如全是直角的循迹跑道上，又是直角又是圆弧，或者是拐的角度较大。 2、收获体会经过几个礼拜的忙碌

17、，在大家共同的努力下，终于给智能循迹小车画上了句号。虽说不上是完美，但总算成功了。刚开始接触这个项目，我们组两个人对其一点也不了解，无从下手。后来从一个个模块慢慢开始，先了解其原理，也算知道个大概。在知道做什么之后，开始一步步跟着大家的步伐做设计。理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。在课程设计实习中通过对电路的连接懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。在导线的连接上，如何选择导线走向是关键。我们组根据所需线长进行剪线焊接。我们在实验中遇到一些自己无法弄明白的问题，多次请教同学。在此也谢谢班里的

18、女生，教会了我好多。在设计时和同学相互交流各自的想法的确很重要，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的想法，其他人的设计一定有值得你借鉴的地方。比如遇到左大拐弯拐不过去的问题，经过和与同学的交流与自己多次尝试，原来在程序上调节左右轮速度有问题，速度差不够明显，车子也就很难转过来。还有些接线问题，自己一个人闷在那检查会蒙在那，一个简单的错误都没看出来，这次的CLK信号接错管脚了，查了几遍没查出来，还是女生帮忙看出来的。经过多次的尝试和改进，也不负多天的努力，结果挺好的。当然，也得感谢老师学校给了我们这次机会做设计，确实蛮有趣的，而且还学到了好些东西，感觉自己动手能力还不错。希望郑老师多带我们做这种课程设计。十二 、器件与器材1、CPLD EPM7128SLC84-62、FPGA EPF10K103、只读存储器 EPROM 2732A4、稳压降压模块5、小车6、L298驱动板7、红外传感器8、测速码盘9、施密特触发器 74LS1410、A/D转换器 ADC0804、ADC080911、D/A转换器 DAC083212、振荡分频器 CD406013、石