有关电子智能玩具车的设计方案研究

上海交通大学PRP学生研究论文项目名称：智能玩具小车设计论文题目：智能玩具小车设计报告学生姓名：陈俊全学生学号：5040309472所在院（系）：电子信息与电气工程学院指导教师：张士文承担单位：电工电子实验中心2智能玩具小车设计报告作者信息：学生学院电子信息与电气工程学院学生姓名小组成员陈俊全邱靖邦王凌云鲁国起吕越指导教师所在学院电子信息与电气工程学院指导教师姓名张士文摘要：智能小车是各类电子竞赛的经典题目。本项目在现有的玩具小车的基础上加装各类传感器及微处理器，实现对路况的识别及小车的控制，并最终实现智能小车电路板的开发设计，完成一套完整的自设计智能小车体系。本论文主要叙述1.）智能玩具小车控制板的电机驱动模块的原理图设计及调试。电机驱动控制模块是整个控制板的核心内容，主要涉及到电机方向控制单元和速度控制单元两大部分。方向控制单元负责小车电机的正转、反转和停止三态控制，速度控制单元是扩展单元，是为了适应不同的场合需求而设置的。2.）着重讨论智能小车辅助设备的原理与运用，包括摄像头设备（ET21X111），霍尔传感器（A3144），光电对管（TCRT5000），LCD液晶屏幕（RT1602C）等。3.）本文主要论述智能玩具小车控制板的无线通信模块的原理图设计及调试。无线通信模块是智能玩具小车得以实现智能化的重要因素，电脑通过架设在场地上的摄像头，处理得到的数据，同时把控制小车的指令通过无线通信模块传送给小车，达到控制小车的目的。4.）智能玩具小车控制的总后台，即电脑的图象处理程序。图象处理是整个控制的核心内容，主要涉及到小车方向控制和速度控制两大部，它首先判断小车和目标的相对位置，然后通过无限芯片发送不同的指令来控制小车的行动路线。关键词：智能玩具小车，电机驱动模块，方向控制，速度控制，摄像头，霍尔传感器，光电对管，LCD液晶屏幕，无线通信，图象处理ABSTRACT:Intellectualvehicleisoneofthemosttypicaltopicsthatvariouskindsofelectroniccompetitionshold.ThisprogramistoaddupdifferentkindsofsensorsandMPUontoaready-madetoyvehicle,andtorealizeroadconditioncheckingaswellasautomaticalcontrol.Andwe’llfinallyworkoutacompletesystemofintellectualvehiclethatisfullyself-made.Thisessayistofocuson1.）thedesigningand3debuggingofthemotoroftheintellectivecar.Themotor,whichincludestheorientationcontrolpartandthespeedcontrolpart,isthecorepartofthewholecontrolboard.Theorientationcontrolpartisusedforthemanipulationofthethreemovingsates,includingmovinginthepositivedirection,movingintheoppositedirectionaswellasthestop.Thespeedcontrolpartisanpatulouspart,whichisdesignedforthevariousneedinvariousapplicationcircumstance.2.）auxiliarydevices,abouthowtheyworkandhowtheyareutilized.Itincludescamerasetting(ET21X111),Hallsensor(A2144),reflectiveopticalsensor(TCRT500),andLCDdisplay(RT1602C).3.）thedesigninganddebuggingofthewirelesscommunicationpartoftheintellectivecar.Thecommunicationpartisakeyfactorfortheintellectivecartohavetheabilitytoadapttotheenvironmentautomatically.Throughthecameraallocatedinthegroundwherethecarismoving,whichisconnectedtothecomputer,thecomputercandisposethesedatareceivedfromthecamera,andthentransmittheorderwhichistomanipulatethecartothecar.4.）computerimageprocessing.Imageprocessingisthecorecontentcontrol,mainlyrelatedtothecontrolanddirectionofthecarspeedcontroltwodepartments,Itfirstjudgmentcarandtherelativepositionoftheobject.Chipthensentthroughdifferentdirectionsunlimitedlineofactiontocontrolthecar.KEYWORDS:intellectivecar,motorcontrolpart,orientationcontrol,speedcontrol,Camera,HallSensor,ReflectiveOpticalSensor,LCDDisplay，wirelesscommunication,imageprocessing41.系统总述1.1系统组成图1.1.1智能玩具小车系统组成示意图单片机路线/转速检测电动机驱动路况检测无线传输LCD显示电脑处理52.系统的主要功能2.1单片机子系统通过无线传输设备接收电脑输出的命令并执行；连接电动机进行简单转速控制运算；进行小范围内路线自动控制；输出当前状态至LCD显示。本系统采用ATS9852芯片。2.2电动机驱动子系统采用两步进电机，接收来自单片机信号，通过电机前后转动组合实现小车前向、后向以及左右运动。2.3路线/转速检测子系统利用光电对管对小车进行自动路线纠正；利用霍尔传感器进行小车速度检测并反馈到单片机内进行小范围内速度调控。2.4LCD显示子系统从单片机获取当前小车动态数据以数字形式在LCD屏幕显示，方便实时监控小车状态并检测调试。本系统采用RC1602CLCD屏幕显示。2.5无线传输子系统接收来自电脑处理所得的命令并发送到单片机。本系统采用ET13X330/ET3X340无限发送接收模块。2.6电脑处理子系统接收摄像头路况图像并进行处理，将处理后命令通过无线模块发送至单片机执行。2.7路况检测子系统利用连接到电脑上的摄像头进行路况摄像，所得图像经电脑处理成为小车控制命令。本系统采用ET21X111摄像头。63.主系统的硬件设计3.1主要功能及设计目标将电动机驱动电路以及单片7机控制电路整合在同一电路中，实现单片机对小车的基本操作，包括前后运动以及左右转向。3.2电路设计方案图3.2.1电路设计方案图74.电动机驱动电路的设计4.1H桥电路简介下面详细地介绍一下H桥的工作原理：众所周知H桥有四个臂分别为B1、B2、B3、B4，分别对应图4.1.1中的Q2、Q3、Q7、Q8。四个臂分为两组Q2、Q3和Q7、Q8，每一组的两个臂都是同时导通，同时关断的。如果让Q2、Q3导通Q7、Q8关断，电流会流经Q3、负载、Q2组成的回路，加在负载Load两端的电压左正右负，如图4.1.2所示，此时电机正转；如果让Q7、Q8导通Q2、Q3关断，电流会流经Q8、负载、Q7组成的回路，加在负载Load两端的电压为左负右正，此时电机反转，对应图4.1.3所示。另外如果让Q2、Q3关断Q7、Q8也关断，负载Load两端悬空，此时电机停转。这样就实现了电机的正转、反转、停止三态控制。图4.1.1图4.1.2由于Q2、Q3，Q7、Q8的导通和关断是通过Q1、Q6控制，而Q1、Q6的导通和关断又是通过MOT1（IOB10）、MOT2（IOB11）控制的，所以电机的状态还是通过I/O端口来控制的。表2.1描述了IOB10和IOB11所控制电机运行状态与端口数据的对应关系注意：由H桥的工作原理可知，H桥的四个臂不能同时导通，一旦四个臂同时导通会出现类似短路的现象，在H桥的每一个臂上都会有很大的电流流过。如图4.1.3，Q2、Q3、Q7、Q8同时导通时，就会形成Q3、Q7回路和Q2、Q8回路，就会有很大的电流经过这4个三极管，严重时会烧毁三极管甚至引起电源爆8图4.1.3以上分析的是两个H桥电路的其中之一，另外一个H桥的电路结构和工作原理是完全一样，在这里就不再赘述。小车的运动是靠轮子带动的，而轮子的转动是靠电机带动的，所以在确定了电机的运行状态之后就能够推断出小车的运行状态。下面是小车运行状态与61板端口数值对照表（表2.2）：4.2H桥电路的保护电路设计为了避免出现上述情况，我们设计了以下逻辑电路（图4.1.4），从而避免了出现四个臂同时导通的情况。9图4.1.44.3最终电路图设计最终电路图设计如下：105.摄像头设备的原理及使用5.1主要功能以及设计目标进行实时图像采集并将采集数据通过电脑处理后向小车发送操作命令。本部分利用ET21X111摄像头通过RS232串口与电脑连接。5.2ET21X111摄像头基本工作原理5.2.1摄像头原理框图图5.2.1.1摄像头原理框图5.2.2摄像头像素构成摄像头由32*32矩阵组成。最外围有一圈保护圈，为无效方块。摄像头矩阵如下11图5.2.2.1摄像头矩阵图5.2.3摄像头数据流读取数据流读取顺序为DummySTR-(0,0)-(0,1)-……(0,30)-(0,31)-DummySTR-(1,0)-(1,1)-……(1,30)-(1,31)-……………………………………………………………DummySTR-(31,0)-(31,1)-……(31,30)-(31,31)-stop摄像头数据流时序图如下图5.2.3.1摄像头数据流时序图5.2.4摄像头感光系统摄像头靠像素单元对光敏感程度所产生的相对电平高低来判断吸收光的颜色。摄像头像素单元对光敏感程度见下图12图5.2.4.1摄像头像素单元对光敏感程度对照图可见光波长范围是380nm至780nm，故在可见光范围内摄像头基本能够清除辨认颜色。5.2.5摄像头芯片及其外围引脚图5.2.5.1摄像头芯片图5.3摄像头的应用5.3.1摄像头外围设备连接利用LED在物体上反射光进入摄像头成像，通过RS232串行端口将数据传输进电脑进行处理。13图5.3.1.1摄像头外围设备连接框图5.3.2摄像头外围电路布局图5.3.2.1摄像头外围电路布局图GND1GND2EO73EO64EO55EO46LED_EN7GND8AGND9AVDD10FS11/STR12VRT13VRM14VRB15VDD16X-IN17X-OUT18VOUTS19GND20RS23221/RESET22VDD23BG24NC25NC26NC27NC28ETOMSET21X111U2ET21X1113.3V3.3V3.3VFSLED_ENC4C0.1UC5C0.1UC3C0.1UC9C0.1UR110KRS2323.3VTP1TP/STRC6C0.1UC7C0.1UC8C0.1UR48.2k3.3VY13.58MHzR51MC1027PC1127PEBCQ1PSS8050CEBCQ2PSS8050CR2