智能巡线小车设计报告分解

第三届电子设计与测试竞赛

方

案

设

计

报

告

学院：信息工程学院

组长姓名：戴紫旭

学号：

班级：电气1402班

联系电话：

指导老师：**

选题名称：智能巡线小车（C题）

设计报告

——智能巡线小车（C题）

（林晓强桑朝春）

1.系统方案论证

1.1小车巡线原理

这里的巡线是指小车在白色地板上循黑线行走，由于黑线和白色地板对光线的反射系数不同，可以根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”。通常采取的方法是红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。

1.2方案论证与选择

巡线模块设计与比较

采用一体反射式红外对管，所谓一体就是发射管和接受管固定在一起，反射式的工作原理就是接收管接收到的信号是发射管发出的红外光经过反射物的反射后得到的，所以使用红外对管进行循迹时必须是白色地板加黑色引导条。

这次设计中由于是近距离探测，故采用红外对管来完成数据采集。由于红外光波比可见光长，因此受可见光的影响较小。同时红外线系统还具有以下优点：尺寸小、质量轻，便于安装。反射式光电检测器就是其中的一种器件，它具有体积小、灵敏度高、线性好等特点，外围电路简单，安装起来方便，电源要求不高。用它作为近距离传感器是最理想的，电路设计简单、性能稳定可靠。

供电方案设计与比较

方案一：采用两个电源供电，将电动机驱动电源以及其周边电路与单片机电源分别供电，由于单片机的电压较低，而电机需要的电压较高，容易使单片机电压过高而损坏，使用两个电池供电，可以提高系统稳定性，但是多一组电池，增加了小车的质量，同时也增加了小车的惯性，降低了灵敏度。

方案二：采用单一电源供电。电源直接给单片机供电，通过单片机的IO口连接到电动机上，这样输出的电压稳定，同时也减轻了小车的质量，使小车更加灵活。但是加高的电压提高了损坏单片机的风险。

从安全性考虑，我们选择方案一。

电机驱动模块设计与比较

方案一：33886驱动

采用飞思卡尔公司的直流电机驱动芯片MC33886。其驱动能力强，有过流保护功能，状态监测功能，通过PWM调节可实现正反转。

1)单独使用一片33886

优点：应用电路简单，实现方便。缺点：芯片驱动电流小，内阻大，可能存在发热严重的问题，不好加散热片。

2)采用两片或者四片MC33886并联

优点：可以增大驱动能力，减少单片机发热量。缺点：存在均流不佳的问题，

有碍提高整个装置的输出，甚至造成器件和装置的损害。

方案二：L298N驱动

L298N是ST生产的芯片，主要特点：工作电压高，最高工作电压可达到46V，并且可以驱动两个电机，可以直接通过电源来调节电压；可以直接用单片机的I/O 口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。

经经验比较，L298N驱动模块运行可靠，取得效果较好，而且电路的电气性能和散热性能较好，此设计选用L298N驱动模块。

智能小车测距模块设计与比较

方案一：用霍尔元件检测小磁片

利用霍尔元件检测装在小车轮子上的小磁铁（放置的小磁铁个数可更改）给单片机发送中断脉冲，每受到一次或者几个脉冲后，小车轮子周长加一次，即最后的总数就为距离，霍尔元件具有体积小，频率相应宽度大，动态性好，对外围电路要求简单等优点。但是他的转换率比较低，受外界影响，尤其是温度。

方案二：用光栅进行计算

在小车的轮子上加上光栅，外围加上光电管进行检测。用这种方法进行检测精确度高，误差较小，安装方便。但是在小车转弯处精确度不高，会造成一定的误差。

方案三：使用带有编码器直流电机

用这种方法就是简单，直接计算出，而且精度高。缺点在于这种电机非常贵，自己需求大。

但根据我们的实际状况，我们决定采用第三种方案。

刹车机构功能设计与比较

方案一：自然减速式

当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电，小车在无动力状态因阻力而自然变为静止。由于惯性，小车全速行驶时需秒后才能停止，因车轮滑行造成的误差较大。无法实现精确制动的目标。

方案二：反转式

当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应。由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶。使用此方案后全速刹车反应时间减少为。

由于需要对小车进行刹车，从而更加准确的计算路程，故本系统中采用方案二。

1.3控制系统总体设计

自动循迹小车控制系统由主控制电路模块、稳压电源模块、红外检测模块、电机及驱动模块等部分组成,控制系统的结构框图如图1所示。

图1 控制系统的结构框图

1.主控制电路模块：用EK-TM4C123GXL单片机、复位电路，时钟电路

2.红外检测模块：光电传感器ST188

3.电机及驱动模块:电机驱动芯片L298N、四个直流电机

4.电源模块：双路开关电源

2.系统电路设计及指标计算

2.1光电管探测模块

2.1.1红外传感器ST188简介

含一个反射模块（发光二极管）和一个接收模块（光敏三极管）。通过发射红外信号，看接收信号变化判断检测物体状态的变化。A、K之间接发光二极管，C、E之间接光敏三极管（二者在电路中均正接，但要串联一定阻值的电阻）。

图2 ST188实物图图3 ST188实物图

2.1.2具体电路

通过ST188检测黑线，输出接收到的信号给LM324 ，接收电压与比较电压比较后，输出信号变为高低电平，再输入到单片机中，用以判定是否检测到黑线。

图4 ST188电路图

2.1.3传感器安装

在小车具体的巡线行走过程中，为了能精确测定黑线位置并确定小车行走的方向，需要同时在底盘装设4个红外探测头，进行两级方向纠正控制，提高其巡线的可靠性。这4个红外探头的具体位置如图6所示。