智能循迹小车

1、欢迎下载 目录第一章绪论1.1循迹小车的发展现状选题意义1.3本设计的工作1.3.1设计要求1.3.2设计思路第二章硬件部分简介2.1具体方案论证与设计主控芯片的简介2.2.1光电反射式传感器（ST178）2.2.2低功率低失调双比较器LM393第三章光电循迹小车的原理3.1原理传感器电路3.2.1红外反射式光电传感器原理3.2.2黑线检测电路3.3核心控制电路3.3.1模数转换电路（比较器电路）3.3.2数字逻辑电路3.4驱动电路3.5拓展功能“防撞”3.6PCB制板3.7作品展示3.8原件清单4.第章结论5.参考文献6.课程设计心得绪论1.1循迹小车发展现状与趋势智能汽车作为一种智能化的交

2、通工具，体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。寻迹小车可以看作是缩小化的智能汽车，它实现的基本功能是沿着指定轨道自动寻迹行驶。就目前智能小车发展趋势而言：相比价格昂贵、体积大、数据处理复杂的传感器CCD反射式光电传感器以其价格适中、体积小、数据处理方便等更具有发展优势。选题意义汽车电子迅猛发展，智能车产生和不断探索并服务于人类的趋势将不可阻挡。智能车的研究将会给汽车这个产生了一百多年的交通工具带来巨大的科技变革。人们在行驶汽车时，不再只在乎它的速度和效率，更多是注重驾驶时的安全性，舒适性，环保节能性和智能性等。各国科学家和汽车工作人

3、员以及汽车爱好者都在致力于智能车的研究，研究的成果有很多都已应用于人们的日常生活生产之中，例如在2005年1月美国发射的“勇气”号和“机遇”号火星探测器实质上都是装备先进的智能车辆。因此，研究智能车的实际意义和取得的价值都非常重大。本课题利用传感器识别路径，将赛道信息进行识别处理，利用主控芯片控制小车的行进进而完成循迹。13本设计的工作1.3.1设计要求要求：设计并制作一个简易光电智能循迹电动车，其行驶路线示意图如图1-1：（其中粗黑些为光电寻迹线）要求智能循迹小车从起点出发，沿粗黑色引导线到达终点后立即停车但行驶全程行驶时间不能大于90s。馥占-Ti-I图1-1设计思路基于红外反射式光电传感

4、器（ST178P）的寻迹原理，采用LM393、74LS00、74LS08、74LS32系列芯片构成核心控制电路。通过红外传感器（ST178P）检测路面信息、LM393数字化采集到的模拟信号、核心控制电路获取路面信息后，进行分析、处理，最后控制直流电机转停，利用左右车轮差速完成智能循迹。为保证小车在行驶的过程中具有良好的操纵稳定性和平顺性，本文针对道路特点对小车的差速控制，以及传感器的安装都提出了较为理想的解决方案，同时采用PCB制板。实验表明：该系统抗干扰能力强，能够准确实现小车沿指定路径（黑线）快速、平稳行驶。硬件部分简介2.1具体方案论证与设计方案1：采用纯模拟电路设计。本方案采用2个光电

5、反射式传感器，（ST178P）分别安装在循迹黑线两侧。当传感器未检测到黑线时,驱动电机转动，否则停止。此方案的优点在于电路结构简单，但是不能满足小车完成全程后立即停车的要求。方案原理如图2-1、图2-2：-_-5图2-1图2-2方案2：采用数字电路、模拟电路设计相结合。本方案采用3个光电反射式传感器，（ST178P）分别安装在循迹黑线两侧和中间。依据小车所处状态进行编码，利用数字逻辑电路控制小车进而循迹。此方案的优点在于能够较好的完成课程设计要求，但是电路结构复杂，需要一定的动手能力。方案原理如下图2-3、图2-4：黑线.图2-3考虑课程设计的实际情况，最终选择方案2进行光电循迹小车设计。2.

6、2主控芯片的简介2.2.1光电反射式传感器（ST178）光电反射式传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成。其检测距离可调整范围在4-10mm均可用。其内结构如图2-5：r254底视图内部电路图2-52.2.1低功率低失调双比较器LM393LM393是由两个独立的，高精度电压比较器组成的集成电路,其失调电压低。它专为获得宽电压范围单电源供电设计，也可双电源供电设计，而且无论电源电压大小如何电源消耗的功率都很低。即使单电源供电比较器的共模输入电压也接近地电平。关键在于LM393可以用于简单的数模转换并直接驱动TTL、CMOS。在此课程设计中就利用其特性。其内部结构图如图2-6：

7、图2-6光电循迹小车的原理3.1原理光电循迹小车电路由传感电路、核心控制电路、驱动电路三部分构成，如图3-1所示。光电循迹小车的工作过程如下：3个光电传感器探测路径信息，并将这些信息输入到核心控制电路：LM393先进行模数转换，74LS系列芯片再对其进行数字化逻辑处理，并将控制电信号传给驱动电路，进而驱动两个步进电机，使小车完成循迹。电源传感野核心控制电路传感器二传感器三模数转换逻辑控制1驱动电路1-步进电机1驱动电路2-步进电机2传感器电銘核心控制电路驱动电路图3-13.2传感器电路3.2.1红外反射式光电传感器原理红外发射管竖直发射红外线，红外接收管接收反射回的红外线。光电传感器根据接收到

8、红外光将光信号转化为相应的电信号。当红外线照射到白色地面时，白色地面吸收较小，如果距离取值合适，红外接收管接收到反射回的红外线强度就较大，转化为电信号也较强；如果红外线照射到黑色引导线，黑色引导线会吸收大部分红外光，红外接收管接收到红外线强度就较弱，转化为电信号也较弱。寻迹时，黑色引导线吸收大部分的红外线而白色地面则相反，利用其转化为电信号强弱差异就可以判断小车是否沿着黑色引导线行驶。3.2.2黑线检测电路利用红外反射式光电传感器原理，设计传感器电路如下图3-2：VCCRESRESul图3-2图3-2中st178P红外反射式光电传感器工作时，理想的工作状态是输出部分处于饱和导通，查阅参数得到：

9、UCES为0.10.3V,此时IF=8mA,IC=0.25mA,二极管的导通电压大约为1V,可以计算得到：R1=(Vcc-1)/IF=500QR2=(Vcc-Uces)/Ic=20kQVol为传感器的输出电压，其值不仅与红外反射式光电传感器接收到的红外光强度有关，还与传感器和地面之间的距离密切相关。为测得传感器与地面之间的最佳距离(在红外线收发一定的情况下，电信号差异最大，对黑白地面最为敏感)。进行实际测量如下图3-3：光电管对黒白线的输出电压禹反射面的距离(mm)黑线输出电压(V)白线输出电压v)34.692.664.450.394.20.2123.80.18153.70.2IE4-190.

10、3214.490.54图3-3从图3-3看出，黑白相差的电压值最大时，离反射面的最佳距离为6mm，距离的调节范围也比较大。经过测试得到：此传感电路应用时，红外反射式光电传感器距反射面的距离调节范围比较大，能够满足光电循迹小车的要求。3.3核心控制电路3.3.1模数转换电路（比较器电路）在传感器电路中输出为Vol,是模拟量。为使得传感电路获得的电信号能够被核心控制电路处理，先要进行模数转换。其转换原理如图3-4：3脚输入为传感电路的输出Vo1,Vo1与一个标准电压相比较。LM393充当电压比较器，且为单电源比较器：当Vo大于标准电压时输出为VCC（5V）；当Vo小于标准电压时输出为地（0V）。此

11、外LM393的另外有一个作用是模数转换：由于LM393输出电压Vo2为0V或者5V，且其负载可直接为CMOS管或者TTL管，因此利用其进行驱动TTL管。当输出Vo2为0V时表示逻辑0，当输出Vo2为5V时表示逻辑1。值得注意的是：LM393不同于一般比较器，输出端必须接上拉电阻，否则不能进行正常工作。其内部结构图如图3-5：M-IL*CurrentVCC图3-5332数字逻辑电路对LM393输出的电平信号Vo2进行编码。其行驶原理如下:检测黑线*图3-6当只有2号传感器检测到黑线时，小车直走，如图3-6检测黑线卩0H图3-7当只有1号传感器检测到黑线时，小车左拐，如图3-7检测黑线、图3-8当

12、只有3号传感器检测到黑线时，小车右拐，如图3-82图3-9当3个传感器均未检测到黑线时，小车停止运动，如图3-9注意：当光电小车行驶初速度较大、弯道也较大时，可能出现1号传感器和2号传感器同时检测到黑线，小车左拐；2号传感器和3号传感器同时检测到黑线，小车右拐。编码如图3-10光申小车鋼1号传勰2号传瞬3号传勰MlM2000000011000101101000101d(110011dd图3-10对其进行化简分别得到Ml二AB+CM2=CB+A其数字逻辑电路如图3-113.4驱动电路直流电机具有转矩大、惯性小、响应频率高等优点，因此具有瞬间起动与急速停止的优越特性。与其他驱动元件相比，有明显优点

13、：通常不需要反馈就能对位移或速度进行精确控制；输出的转角或位移精度高，误差不会积累，价格便宜。本系统采用直流电机驱动小车两前轮，作为主动轮；用一个万向轮作后轮，作为从动轮。为满足步进电机的输出功率要求，利用三极管8090对核心控制电路输出的电流进行放大，其放大后的电流最大可达1A,足以驱动步进电机。驱动电路图如图3-12图3-123.5拓展功能“防撞”为避免光电循迹小车在循迹的途中因撞击障碍物而损毁，增设防撞功能。其设计思路如下：防撞检测传感器安装在小车正前方，如若小车在行进途中检测到前方障碍物，则立即停止；否则继续前进。由于在本次设计中采用数字电路与模拟电路相结合的方案2，因此只需在之前设计

14、基础上将控制Ml和M2电机信号分别和检测到的防撞信号做逻辑与运算，也即只要防撞信号有效两电机制动，否则继续行驶（设防撞传感器编号为D）。拓展后的M1的表达式：M1=（AB+C）DM2=（CB+A）D原理图如图3-133.6PCB制板经过前期电路理论分析，依据其原理在AltiumDesiginer连接原理图如图3-11：图3-14经过多次实践和线路的布局，最终PCB制板的布局如图3-14图3-143.7作品展示图3-15本设计红外放射式循迹小车如图3-15，完成规定S赛道所需的时间统计如下：元成E赛道成绩第一次第二次第三次第四次第五次最终脸收22-Is25.亦2&.4s24.5s28.4s27-

15、2s图3-16该小车行驶平稳，所用时间远远少于题设要求90s，此外还增加防撞功能，可有效避障，其防撞探头安装如图3-17：图3-173.8原件清单1.ST178反射式红外传感器，若干2.741S04,若干3.74ls08,若干4.74lS32,若干干电池（1.5V）,若干万向轮车模一辆（配套有直流电机、底板等）焊锡、万用焊板、导线、双面PCB印制板，若干结论本文论述了基于红外反射式光电传感器智能循迹小车的实现原理，着重介绍了光电小车的传感电路、核心处理电路和驱动电路。循迹小车通过对地面黑色引导线的识别，进而将其转换为核心控制电路的输入信号，最后再由核心控制电路控制电机的转停从而实现循迹。此外还

16、增设了循迹小车防撞的功能，能够有效的防止小车不必要的损毁。整个系统的稳定性高，红外反射式光电传感器布局合理、LM393和74系列芯片以及三极管0805工作稳定。本文实验的基础上对循迹小车进行了测试，事实表明：光电循迹小车在以宽度为2.5cm、路径呈s形状的黑色引导线高速而稳定行驶，并且在无黑色引导线时循迹小车可自动停止兼具有避障功能。由于采用方案2，所以在本设计中光电循迹小车的功能完备，其具有最大的优点是：采用数字逻辑控制循迹，增加拓展功能时简单快捷，且不需太多考虑驱动电路的负载问题。本设计中的不足与改进建议：该循迹小车功能简单，后期可拓展相关的功能。例如可沿固定路径后退、防撞等语音识别功能。

17、参考文献赵曜，龚张雨涵.基于K60的动态闭环自主循迹平衡车控制系统硬件设计J.山东工业技术.2017(04)2董雷刚，崔晓微，张丹,张华,安向明.复杂路况下的智能循迹小车方案设计J.电脑知识与技术.2014(07)马家庆，于兆勤,刘建群，黄惠敬,陈炜楠自动循迹机器人控制系统的设计J.教育教学论坛.2014(20)方能杰，柳斌，王亨，徐云杰“字循迹无碳小车创新设计J.创新科技.2013(08)周斌，李立国,黄开胜.智能车光电传感器布局对路径识别的影响研究J.电子产品世界.2006(09)宁慧英.基于光电传感器的智能小车自动寻迹控制系统J.仪表技术与传感器.2012(01)王瀛洲.智能车自主寻迹系

18、统硬件的设计分析J.仪器仪表用户.2011(01)梁静.一种基于光电传感的路径识别智能车J.科学技术与工程.2011(01)胡媛媛，邓世建,王书婧.基于红外光电传感器的智能寻迹小车设计J.电子设计工程.2011(07)赵龙，王星，车通.智能小车的设计J.企业技术开发.2012(20)雷银.智能小车J.电子制作.2011(06)课程设计心得此次课程设计的题目是：光电智能循迹小车。由于是第一次做课程设计，没有任何电子实践操纵经验，抽到做做小车题设时内心既紧张又兴奋。现将课设中所遇到的问题总结如下：1课设中遇到的问题由于自身数模电基础知识较为薄弱，缺乏常识性经验。具体表现在：未查清楚LM393的使用

19、手册就连接电路，或者忽略其关键连接问题导致课设停滞不前对LM393的VI+和VI-缺乏正确的认识导致课设停滞不前，认为VI+固定为标准电压输入VI-为测试电压输入或者认为VI+固定为测试电压输入VI-为基准电压输入C.LM393输出时一定要与一个一端接VCC的电阻并联，否则无法正常工作。而且其所并联电阻大小决定其负载能力尽管传感电路设计比较顺利，但是ST178频频出问题。使用一段时间后灵敏度下降明显，三个反射式光电传感器光敏特性差异大。由于在设计中三个传感器共用一个比较电压，这对后期的调试带来了很大的困难。虽然电路简单，控制部分就是几个简单的与非门组成。但是在实际连线时，可见一斑。由于课设鼓励

20、使用PCB制板，本设计采用PCB制板。首先是软件Altiumdesigner的安装，再次是其的使用都是一个艰难的过程。在PCB制板的制板的过程中，问题表现如下：原理图库的创建，关键在于元件的名称。封装的创建，特别是封装的尺寸问题原理图导入PCB图时，原理图的引脚名称重复、分装引脚出错和名称错误易导致导入失败PCB布局时困难重重。一方面是与非门的具体的布局，另一方面是如何正确布线。起初准备使用单面板，但是由于逻辑门布线紧密自身又缺乏布线经验。因此最终采用了双面板。双面布线时，缺乏经验。一个最深刻的教训就是：先布局底层，再布局顶层。由于自身先线布局顶层再布局的底层，知道问题后又不想再次布线。于是打印机打印时底层当做顶层镜像，顶层当做底层不镜像