智能寻迹小车设计报告.doc

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1、目录1. 项目设计目的勺2. 项目设计正文 32.1 项目分析及方案制定322 设计步骤及流程图 42.2.1 寻迹设计步骤 42.2.2 .流程图 42.3 主要模块介绍 42.3.1 . LM393 42.3.1.1 LM393 的主要特点 42.3.1.2 LM393 引脚图及内部框图 52.3.1.3 LM393功能简介 52.3.2 .89C2051 52.3.2.1 89C2051 简介 52.3.2.2 89C2051主要性能参数52.3.2.3 89C2051功能特性概述62.4 .电路设计及 PCB绘制62.4.1 .电源电路 62.4.2 .红外收发电路 62.4.3 .电

2、机驱动电路 72.4.4 .单片机最小系统 72.4.5. 整体电路 82.4.6. PCB板的绘制 82.5.成品展示93项目设计总结94 .参考文献 10智能寻迹小车CDIO三级项目王君杰（电子信息工程 1501150070116 ）一、项目设计目的在科技飞速发展的今天，智能化的概念已经渗入到各行各业，自动控制系统也出现在生活的方方面面,早到工厂的机械化生产，近到目前的自动驾驶。越来越多的领域涉及到电控制技术。特别是使用单片机一 类的MCU的控制，在生活中越来越常见。因此，基于单片机控制的电路的学习和时间对于我们来说就显 得尤为重要。同时，对于单片机作为软件主控单元，结合模电数电的硬件电路

3、支持的综合项目开发，也是 作为大学生需要了解并且熟练运用的基础。掌握了这些知识，对于我们以后的职业发展也有着莫大的帮助。二、项目设计正文2.1、项目分析及方案制定首先对于“智能寻迹小车”这个标题而言，我们可以分为两个部分：小车和智能寻迹。“小车”决定了硬件电路的大致构成：电源、电容、电阻、开关、电机、LED。而“智能”则决定了一些高级电路的选 用：MCU、传感器、电机驱动、电位器及一些 IC。其次，假如去掉“智能”两字，仅关注如何做成一个能够行驶的小车，那么电路的搭建将会变得尤为简单。假如做一个“上电即跑”的小车，那么连开关都不需要，仅需要电源（1.5V干电池即可），两个电机（3V/100mA

4、 ）和两个限流电阻按图一方式连接即可。当然，这样的小车只能实现向一个方向前进，无法实现跑道的自动识别和转 向。不过，这个电路也是所有行驶工具的基础，所有的行驶工具，都是在这个电路的基础上按照想要实现 的功能进行拓展开发。接着让我们来到“智能”的环节。所谓智能，也就是需要小车有人的思想，正如同课题所述一一寻迹。 智能的小车需要具备自动识别跑道的能力。同时，在采集到跑道信息后要做出相应的处理。在我们这个课 题中，也就是需要及时并准确转弯。要实现这些功能，就需要更多的电子器件的支持。通过表1我们可以看到不同功能所需要的不同元件。实现功能所需器件类型器件选型跑道信息采集传感器红外收发对管采集信息预处理

5、电压比较器LM393信息处理单元MCU89C2051表1跑道信息处理电路器件列表通过表1我们可以发现我们本次的课题用到的器件还不是很多，电路也是比较简单，但是要把这些器 件整合起来得到预期实现的功能也不是一件很容易的事情，特别需要我们的全局观和布局能力。2.2、设计步骤及流程图2.2.1、寻迹设计步骤寻迹可以说是智能寻迹小车的核心，车做的好不好关键在于能不能按指定的路程行驶。在我们本次的 题目中使用的传感器是红外对管。仅车的单侧来说，利用红外发射管发射红外线，当小车行驶在黑线上时 由于红外管安装的位置处于白色跑道位置，因此红外接收管接收到红外信号，电压比较器获得红外对管的 电信号后输出一个电平

6、，再经过单片机进行处理输出到电使其转动。反之，当小车偏移黑线，由红外对管 检测到的信号通过电压比较器输出相反电平，再经过单片机的处理使电机停止转动。拓展到两侧，车位于 正中间，两边的红外对管没有检测到黑线，两轮都前进。假如车向左偏，右侧的红外管检测到黑线，右轮停止转动，左轮依旧转动，于是车身回正，另一侧原理相同。通过这样的控制系统，即可实现车的寻迹功台匕 冃匕。222、流程图通过对小车整个系统的分析，我们可以得到图2的rn进流程图。在我们后期的制作中，这个流程图可以为我们 提供很大的参考价值。可以看到，我们的小车是一个简易的闭环控制系 统，通过传感器采集回的信息来对我们车的姿态进行调整，再通过

7、控制小车两轮的差速来进行方向的控制，最终就能够实现小车沿着黑线行驶而不会一直向前。2.3、主要模块介绍在本次的课题中， 我们主要使用到的两个重要的器件是电压比较器LM393和单片机89C2051 。其中电压比较器作为信号处理的第一级电路，有着不可忽视的作用，而单片机则是整个系统的大脑，由它来决 定小车什么时候前进，什么时候拐弯。下面我们来了解一下这两个器件的具体信息。2.3.1、LM3932.3.1.1、LM393 主要特点：工作电源电压范围宽，单电源、双电源均可工作，单电源：236V，双电源：±1±18V ;消耗电流小，Icc=0.8mA ;输入失调电压小，Vio= &#

8、177;2mV ;共模输入电压范围宽，Vic=OVCC-1.5V ;输出与TTL , DTL , MOS , CMOS 等兼容；输出可以用开路集电极连接“或”门； 2.3.1.2、LM393引脚图及内部框图<2)d)d)d>GM)2.3.1.3、LM393 功能简介比较两个电压的大小（用输出电压的高或低电平，表示两个输入电压的大小关系 ）：当“ +”输入端电 压高于“-”输入端时，电压比较器输出为高电平；当“ +”输入端电压低于“-”输入端时，电压比较器 输出为低电平；电压比较器的作用：它可用作模拟电路和数字电路的接口，还可以用作波形产生和变换电路等。利用 简单电压比较器可将正弦波

9、变为同频率的方波或矩形波。2.3.2、89C2051 2.3.2.1、89C2051 简介ATS飢30班是关"AHIEL独迴产的低典.玮性離CMOS 8便单片机* J； kM 2k bytes的可应更捧耳的只產粧停存 怫祸 汁炯也和1活:JVICS眄笛机«取裁州fr赭器睹件采谢AhlhL金妁前甫円，芥尉尖1+仃储技术牛严，a 甞杯冷MCS-51指令汞徳 片勺贡血卬R应中火处理酹和F5血盲储单元.功俺强尤ATa9C205 I单汗机可为您蜒位讪参舟 性恂比的应用场合.2.322、89C2051 主要性能参数128X8字节内部RAM15个可编程I/O 口线2个16位定时/计数器6

10、个中断源可编程串行UART通道与MCS-51产品指令系统完全兼容2k字节可重擦写闪速储存器1000次擦写周期2.7V-6V的工作电压范围全静态操作0Hz-24Mhz-两级加密程序储存器-可直接驱动LED的输出端口-内置一个模拟比较器低功耗空闲和掉电模式2.323、89C2051 功能特性概述AT89C2051 提供以下标准功能：2k字节 Flash闪速存储器，128 字节内部 RAM，15个I/O 口线，两个16位定时/计数器，一个5向量两级中断结构，一个全双工串行通信口，内置一个精密比较器, 片内振荡器及时钟电路。同时， AT89C2051 可降至OHZ的静态逻辑操作,并支持两种软件可选的节

11、电工作模式。空闲方式停止 CPU的工作，但允许 RAM ,定时/计数 器，串行通信口及中断系统继续工作。掉电方式保存RAM中的内容，但振荡器停止工作并禁止其它所有部件工作 直到下一个硬件复位。2.4、电路设计及PCB绘制在分析完电路需要实现的功能和所需要的器件选型以后，我们要做的也就是最重要的一步：电路的设 计。一个电路方案最终能不能有效运行很大程度上取决于电路设计的质量。当然我们首先是进行单个模块 的电路设计，最后才将其进行整合。整合的过程也是最不容出错的过程，可能一个很小的错误如电容反接 就将导致整个电路的烧毁和瘫痪，更加严重的可能会对人身造成一定的威胁。2.4.1、电源电路(inn一个完

12、整的电路要想工作，首先就要具备一个动力的源头电源。电源的设计方案多种多样，由简单要复杂。一个复杂的电源电路需要整流、滤波、限幅等多种模块配合工作，从而实现高精度、高稳定的系统的运作，而对于我们的小车来说,不需要用到这么复杂的电路， 我们选用的电源为 1.5V的干电池，属于低压直流电源。而因为需要给我们的单片机供电，因此直接与电路相连的方法是不可取的，查阅手册可以得知，我们选用的单片机工作电压为2.7-6V，于是我们使用2节干电池提供 3V电压，为了使电源供电稳定，将为电源进行滤波从而得到更好的输入电压波形。如图4所示，电容C5为100uf的低通滤波电容，用于滤除低频噪声；C1位高通滤波电容，用

13、于滤出高 频噪声。242、红外收发电路红外收发电路相当于智能寻迹小车的“眼睛”。自然，在本小车上,我们选用了两对红外收发管，各安装在车身中轴的两侧，用来检测车 身的行驶位置。图5为单独一对红外收发管的电路连接情况，另一对 与其相同。D3和D5分别为红外发射管和红外接收管，两个限流电阻R6为可调电阻，调整其R2和R8将通过红外管的电流限制在其工作范围内，防止电流过大而烧毁器件。阻值来控制LM393的基准电压值，改变此值能够改变小车对黑线感应的灵敏度。同是，在不同的光照环 境和不同的黑线材料下，红外反射情况也有所区别，用可调电阻能做到应对环境变化的及时修正，使小车 的适应性更加强大。2.4.3、电

14、机驱动电路电机驱动电路可以说是小车的动力所在。一些高端智能车采用的电机驱动电路往往十分复杂。不仅要 考虑到驱动板的安装结构，对于其性能的要求也十分高，而一些竞速类的车更是需要最优的器件布局，稳 定的电流输出，良好的散热系统，合适的板子结构等等元素相配合。就我们这一个小车而言，要不了如此高的标准，因此电路的设计也就更加简单明了。当然也不像图1所示的那样简单。考虑到我们是用单片机控制，而单片机普通I/O 口的电流达不到我们电机所需要的工作电流，所以我们就需要特殊处理。电路图如图6所示。I/O 口输出高图中我们用三极管进行电流放大再接入电机，就可以有效地控制电机运转。通过单片机电平，三极管导通，电机

15、转；I/O 口输出低电平，三极管截止，电机停转。C2和C3均为滤波电容，对电机两端的电压进行滤波，滤除高频噪声，使电机的输出更加稳定。同时为了美观和调试的方便，我们在驱动电路中再接上两个发光二极管，利用单片机控制其亮灭。左轮转，D1亮，反之灭；右轮转，D2亮，反之灭。再车行驶的过程中我们能更清晰地观察到跑道的识别情况。244、单片机最小系统RST VPPVCCPi CKRXD)TO TPS l<DCD)P0«XTAL2P05XTAL1PO 4列'.TFrTjPfl i*<1RTTpo?砒用 MlP占 XT1) TO D(iWC) GNDP3 丁.!-1-1 11-

16、!1 I最后一个模块也同样是最重要的模块一一单片机最小系统。接入了最小系统的单片机才具备正常工作的能力。打个比方，单片机是人的心脏，那么最小 系统就是血液。有了最小系统，单片机就能根据我们编写的程序工作。其中 Y1为6M的晶体振荡器，其作用是为单片机提供工作的时序脉冲。P1、P2、P3分别是引出的排针，方便以后的功能拓展。245、整体电路设计完各个模块的电路之后，我们需要将所有的模块整合起来，以达到我们所需要的效果。如图8是 我们整合好后的电路。C+C63023C - 亡<= ! r 5 芦&H.XTnsssM 1 AII)246、PCB板的绘制电路设计的最后一步即 PCB板 的

17、绘制。如何将所画的原理图变成我 们手里的电路板，这就是必不可少的 一步。在绘制过程中，如何布局、如 何布线，如何确定板的大小也是十分 重要的考虑因素。由于我们的课题是 智能循迹小车，因此 PCB板的形状 最好和小车车身匹配。 又因为我们的 板是低频板，电源电压也是小电压，输入的电流也仅为毫安级别，因此在布线方面没有必要进行过于复杂 的处理。我们仅将 VCC和GND的布线宽度增加为 25mil。如图9所示。onuoonHonHO2.5、成品展示至此，我们的电路设计已经完工了。剩下的就是PCB的打样以及焊接。焊接时也要注意很多问题，如需要避免虚焊、漏焊、短路等错误。焊接完成后，我们的智能寻迹小车就

18、完成了。以下是成品图。图10成品正面图图11成品背面图三、项目设计总结这次的项目综合了模电和单片机的知识，自己思考设计实践的过程加深了我们对于上课知识的消化 也认识到许多知识的欠缺部分。对于电阻电容、三极管这类器件的选型也有了一个更加深入的认识。在电路设计过程中，我们查阅了很多的资料，除了项目所需要的知识外，我们还学到了许多其他的知识，比如在查阅资料的过程中我们发现电压比较器和放大器的主要区别是闭环特性：放大器工作于闭环且要求闭环后不能自激， 而比较器则工作在开环状态更追求速度。另外，在电阻电容阻值和容值选型的时候,需要根据不同的情况采用不同的数值，在一开始我们设计的过程中发现，参考方案中的电

19、路有许多问题，仅仅用电池供电不能驱动电机的运转，还有一些接线的问题， 导致最后我们焊接完成调试时遇到许多困难。不过这次的经验也让我们明白了电路设计的重要性，不是随便拿来一个电阻就能往电路里面接，也不是随 便连连线就能实现所需要的功能。在最终的电路调试过程中，我们也发现一些焊接的小问题，如焊接温度过高导致焊盘的脱落，焊锡的量没控制好导致两个焊盘短路了等等，当然焊接的技巧也是需要长久的练习来提升的，绝不是一次两次的IC大都是有许多的引训练就能熟练。就目前的器件还算是比较好焊接的，在以后进行大型工程中用到的脚，且其封装形式也是比较难焊接的，最关键的问题是IC的温度控制都需要很精确，过热就会导致芯片烧

20、坏，而过冷就没办法融化焊锡。因此，焊接技巧还有待于提升。总体来说，本次的项目让我们学到了很多东西，尤其是单片机的应用。虽然这次涉及的单片机还很浅，而且没有手动写程序，但是通过资料的查找，我们也对其有了一个很好的了解。对于以后即将开设的单片 机课程也是打下了一个伏笔。相信以后的学习将会变得更加轻松且高效。四、参考文献1 .宏晶科技STC89C51RC/RD+系列单片机器件手册EB/OL.2011,92 .李全利单片机原理及应用技术M.高等教育出版社，2009，13 . 丁明亮.51单片机应用设计与仿真-基于keil C与ProteusM.北京航空航天大学出版社，2009，24 .张鑫.单片机原理及应用（第 2版）M.电子工业出版社，20105 .张毅刚.单片机原理与应用设计M.电子工业出版社，20086 .何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京航空航天大学出版社，20017 .周立功，单片机实验与实践教程（三）M.北京航空航天大学出版社,20068 .李强，51系列单片机应用软件编程技术M.北京航空航天大学出版社,20099 清华大学电子学教研组编，童诗白模拟电子技术基础（上下册）M.北京人民教育出版社，1983项目设计评语项目设计成绩指导教师（签字）年月日10吴运昌，模拟集成电路原理与应用，广州.华南理工大学出版社，1995