智能小车控制.
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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；
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:5VDC I:20mA Sn: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；
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。
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。
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
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。
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。
wenku.baidu.com 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:17MM I:100mA 传感器长度:45MM Sn: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。
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。
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
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；
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:5VDC I:20mA Sn: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；
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。
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。
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
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。
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。
wenku.baidu.com 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:17MM I:100mA 传感器长度:45MM Sn: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。
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。
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