欧阳陆的智能寻迹小车设计报告1

智能循迹小车设计报告设计人：欧阳陆2006111104摘要：为了提高小车的整体美观性和系统可靠性，考虑到功耗等因素本系统选用ATMEL公司的mega16L作为主控制芯片，应用红外光在黑线和白区的反射不同来判断黑线位置，MCU通过驱动芯片L298D控制两路电机分别驱动两个驱动轮，使用万向轮作前轮，通过调整左右驱动轮的转速产生速度差达到转向的目的，整体车体为三轮车。整体车形如下：图（1）系统结构设计小车系统结构如图（2）所示，由传感器阵列检测小车的位置状态，通过MCU由计算结果发出控制信号控制左右电机工作，从而使小车能准确的沿指定黑线前进。图（2）一．电源稳压模块控制器Mega16L传感器矩阵电源模块电机驱动L298左电机右电机万向轮后轮1：30减速电机传感器阵列方案1：用购买玩具小车本身所带的可充电干电池，既轻巧又方便，不过那几节电池可能达不到小车其他模块工作的电压且供电持续时间短，不便与运用，因此不用此方案。方案2；购买蓄电池。虽然增加了车身的重量，但是彻底克服了方案1的缺点，若电压超出其他模块，先通过降压在通过稳压芯片进行稳压，如用LM7805使输出电压降为5伏，再供电给单片机、红外对管等模块工作。二.传感器设计方案1.用红外对管感应，当红外光在白区反射时放射较强，接受三极管导通Q1基极为高电平而导通，输出为低电平。当红外光检测到黑线时反射很弱接受三极管截至，Q1基极为低电平截至，输出为高电平。具体电路如图（3）理论上可以实现对引导线的识别，但此方法抗干扰性差，输出不可能为标准方波，不利于与微控制器接口。通常情况下Q1工作在饱和状态下，而本系统用电池供点储存电量有限，所以对系统节能性要求较高。综合考虑本系统不准备采用此方案。U3Optoisolator1R3Res2R7Res2R6Res2Q12N3904R4Res2VCCTo_MCU图（3）方案2.为了克服以上方案的缺点，本系统决定采用以下方案如图(4)，本方案将起开关作用的三极管替换为电压比较器，通过可变电阻R5改变预置电压，当有红外光反射回时比较器反向端电压低于预置电压，输出为高电平；当无红外光反射回时比较器反向端电压高于预置电压，输出为低电平。由于有R5的调节作用还使系统在环境改变时可以通过调节R5来使系统适应不同的外部光照条件。由于比较器的灌入电流非常小，所以本方案可以有效的解决系统功耗问题。模块中各电阻值还需要根据传感器性能参数根据实验结果设置。R5RPotU2Optoisolator1123761AU1ALM339NR1Res2R2Res2VCCTo_MCU图(4)综合考虑传感器设计方案为：图(5)图(6)三.驱动电路设计方案1：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。但是这种电路工作性能不够稳定。如用8055、8050及一些电阻等元器件构成驱动电路，在此散热是一个问题，8055和8050会很烫很容易被烧坏。方案2：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。所以采用此方案。整个驱动电路的原理图如下：驱动芯片L298D最大电流为4A，功率输出端最高电压可达46V，完全以同时驱动两路电机。ENA6ENB11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISENA1ISENB15VS4VSS9GND8U1L298NA-+MotorLA-+MotorR5V7VQ1Q21KR21KR11KR31KR4Dirver_LDirver_REnable_LEnable_R图（7）四.单片机最小系统设计为了使系统在发现故障时能方便的更正，各模块电路都单独搭建，本最小系统仅保留单片机复位电路，时钟电路和ISP下载接口，其余I/O端口通过插针引出以方便与其他模块电路接口。单片机最小系统如图（5）PB0(XCK/T0)1PB1(T1)2PB2(AIN0/INT2)3PB3(AIN1/OC0)4PB4(SS)5PB5(MOSI)6PB6(MISO)7PB7(SCK)8RESET9PD0(RXD)14PD1(TXD)15PD2(INT0)16PD3(INT1)17PD4(OC1B)18PD5(OC1A)19PD6(ICP)20PD7(OC2)21XTAL212XTAL113GND11PC0(SCL)22PC1(SDA)23PC2(TCK)24PC3(TMS)25PC4(TDO)26PC5(TDI)27PC6(TOSC1)28PC7(TOSC2)29AREF32AVCC30GND31PA7(ADC7)33PA6(ADC6)34PA5(ADC5)35PA4(ADC4)36PA3(ADC3)37PA2(ADC2)38PA1(ADC1)39PA0(ADC0)40VCC10U?ATmega16L-8PIS?R?Res2VCCC?Cap1210310312345678910P?Header5X2HRESETVCC图（8）五.程序设计红外对管感应模块如图：A图（9）图中A,B,C,D,E,F,G,H八个探测器连接到单片机的普通I/O口,当检测到黑线时输出低电平，判断的准确性和实时性，预计扫描时间间隔为10ms，中断方式进行。为有效保证小车不会跑出轨道，使用优先级仅次于复位中断的外部中断对A和F进行检测，当A或F检测到黑线时调用最高级别的转向子程序。主程序设计全速挡，和一二三级转向挡。程序设计流程如图（8）。AABCDEFGH图(10)综上所得，整个小车的方案和流程基本确定。以后在实践操作过程中某些模块还可能有一些变动，这要视小车在路面上行走是所遇到的的问题而定，不过变动应该不会很大。在调试小车的期间，一直遇到的难题就是在小车速度和稳定性取舍。如果速度过快，势必导致小车的惯性过大，在过弯的时候大大增加了冲出赛道的危险性；如果一味强调小车在行进过程中的稳定性，那么小车跑完整个赛道的成绩就很难保证。小车实现的基本功能概述：能够根据预先编制的程序，自动调节车速和车向并沿着指定的引导线完成规定赛程。主要元件清单：ATmega16、ST168、LM339、L298、LM7805参考书籍：《电机》、《红外技术》、《学做智能车》、《AVR系列单片机应用实例。PDF文档：mega16说明书，AVR系列单片机C语言编程与应用实例，L293、L297、L298、ST168、LM339、L7805、7406的资料，以及相关网上资料。开始系统初始化每10ms读取I/Ocase0111case1011case1101case1110二级左转一级左转一级右转二级右转case1111全速直线