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智能小车设计指导（内附资料 电路图 软件设计 测试与调试）.pdf

发布时间：2022-06-09 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：1.86M 资料格式：pdf 举报 版权申诉
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    智能小车设计指导 第一版 河海大学常州校区计算机及信息工程学院学生科协电子设计部 孙浩 顾丽萍 编 2009 年 9 月
    前言 今年的全国大学生电子设计大赛虽然在赛前早就有人说不可能在出现小车的题目，但是 在今年的比赛中还是出现了以小车为载体的题目，虽然重心有所改变，但是小车无疑是一个 很不错的载体，也将是各类电子设计竞赛少不了的话题。因此有必要利用小车这个平台做一 些合适的训练。 这些天很多部门的会员找我说想做一个智能小车，但是普遍感觉比较难，不知从何入手， 因此突然萌生了写一个设计指导的想法。简单构思了一下，打算介绍一下小车中最基本的模 块，但是同时又不能过于僵化，设计的同时还不能束缚住其他人的思维，因此在这篇设计指 导中，我只会给出一些模块化的基本电路，和一些实物照片，能够为没有基础或者感觉入手 很难的同学提供一些指导，让他们在设计之初少走一些弯路，同时还要提供一个引导性的方 向让他们能够打开思路有意识的去发挥，将自己独特的思想和智慧融入到设计之中去，而不 仅仅是照着现有的电路图重新搭一遍电路。虽然设想很好但是在写的过程中肯定还是有很多 不足，这个会在以后慢慢补充。在这个指导中我自己拍摄了大部分的图片，很多电路也都是 我自己使用的，大部分的电路都经过我的验证，在叙述的过程中很多地方也都是我的经验之 谈，因此难免有所不足和疏忽，还请大家指正。 我参加了去年校区的智能小车竞赛，虽然不像飞思卡尔那样的高档次的比赛，但是我觉 得通过这样的一个比赛我收获了很多，对于那次比赛我有几点心得与体会可以与大家交流。 首先在校区的比赛中很多人只是刚入门，有的人甚至还没有接触到单片机，参加比赛完 全是凭着一股热情，但是我想无论结果如何还是要充分的融入这次比赛，不能为了比赛而比 赛，记得在比赛完之后有的人连单片机的最小系统都不会做，那我不禁要问这次比赛你究竟 学到了什么。因此我建议刚入门的同学多参加类似的比赛，但绝不是以这种方式去参加比赛， 而是要在比赛中充分的消化吸收，能够做到游刃有余。我学 51 单片机的时间不是很长，但 是感觉真正让我能够熟练应用的还是这次比赛，通过这次比赛我是很深刻的感受到我能够用 单片机按照自己的想法去设计些东西了，感受到了那种跃变的过程，我感觉这才是我们参加 一次比赛所需要的。而不是在比赛时只是按照别人的设计自己复制了一个，然后很为难的弄 了点程序让小车动了起来，虽然也拿了点小奖，但是比赛之后原先迷茫的仍然很迷茫，这样 的一种参赛方式我认为是不可取的。 其次就是在比赛过程中怎样去发挥，怎样去体现差距，记得当时在比赛时为了照顾部分 同学，比赛组织者给了一些参照的电路图和程序，那在比赛过程中怎样去做出自己的东西， 很多人按照给定的电路图去设计最后却失败了，做的小车夭折了，没能完成比赛。那问题出 在哪儿？出在人家给的电路图上？不是，这就是我想说的第二点，其他人的设计资料怎样去 使用，举一个例子，就拿小车里的循迹模块来说，无论是网上找的还是有些人自己设计的其 实都是大同小异，但是如果你照抄电路你就不一定能成功，那问题出在哪儿？我觉得问题就 出在我们很多人知道照搬电路图，而没有在用的过程中去思考，去探索，为什么别人这样设 计，换其他的可不可以，就像循迹模块，为什么这个电阻要用那么大，为什么有的人芯片用 LM339 也有人用 LM324 或者 LM358，区别在哪儿。我觉得只有从底层做起，把这些基础的 东西搞懂了才能够有所收获。 最后我想说的就是这类比赛的心态问题，这也是最重要的，首先不要为了拿奖而拿奖， 2
    其次不要认为有很多强人自己太弱而拿不到奖，最后就是重要的不是拿到的奖，而是比赛的 过程。不论结果如何有一点要相信，付出总有回报，也许这个回报并不是以一个奖的形式。 要说的暂时就那么多，感觉大学里面能做的事情实在是太多，每个人都需要找一个自 己认为有价值的方式去充实自己的生活，这样四年的大学生活才不枉走过！ 顾丽萍 孙浩 2009 年 9 月 信息科协 QQ 讨论群：83940327 电子设计部 QQ 讨论群：83159175 3
    目录 第一章 初识智能小车 .......................................................................................... 5 1.1 常见的两种类型 ................................................................................................................. 5 1.2 智能小车的基本结构 ......................................................................................................... 5 第二章 车体设计 ....................................................................................................... 6 2.1 小车的拆卸 ......................................................................................................................... 6 2.2 舵机的安装 ......................................................................................................................... 6 2.3 车体的整体布局 ................................................................................................................. 7 第三章 硬件设计 ....................................................................................................... 8 3.1 电源模块设计 .................................................................................................................... 8 3.2 单片机最小系统设计 ........................................................................................................ 9 3.3 循迹模块设计 .................................................................................................................. 12 3.4 舵机转向模块设计 .......................................................................................................... 14 3.5 后轮驱动模块设计 .......................................................................................................... 16 3.6 测速模块.......................................................................................................................... 17 第四章 软件设计 ..................................................................................................... 18 4.1 PWM 的相关知识 ............................................................................................................. 18 4.2 舵机的控制 ...................................................................................................................... 19 4.3 后轮电机的控制 .............................................................................................................. 20 4.4 程序总体的设计 .............................................................................................................. 20 4.5 程序设计的发挥与拓展 ................................................................................................... 20 第五章 测试与调试 .............................................................................................. 21 5.1 测试与调试步骤 ............................................................................................................... 21 5.2 部分注意事项 ................................................................................................................... 22 4
    智能小车设计指导 第一版 第一章 初识智能小车 1.1 常见的两种类型 首先既然是小车就要有一个车最基本的转向和驱动功能，对于一般电子设计常用的小车 如下图所示，图 1 为常见的两种小车，首先是第一种，这种小车的优点在于可以获得很大的 速度，由于转向采用的是舵机所以缺点就在于要想转弯一定要有一定的转角。这类小车就是 校内智能小车比赛和飞思卡尔采用的类型，通常为后轮直流电机驱动+前轮舵机转向的方式， 但是也有例外，像 2007 年的全国大学生电子设计竞赛中的电动车跷跷板一题，为了达到精 确的控制效果，很多人将后轮改为步进电机驱动。 后一种是在本届全国电设中我们的小车，我们采用的是双步进电机+双万向轮的方式， 当然也有采用直流电机+万向轮的方式，这类的小车的优点在于转弯不需要转角，可以原地 转弯，其次是可以精确控制小车行进路线，缺点是无法获得很大是速度，这种小车在本文中 将不再叙述。 这两种小车都有各自的优点，使用步进电机还是用直流电机驱动也要根据具体的竞赛题 来选择，直流电机的优点在于控制简单，转速快，缺点在于无法控制转过角度，可能要和很 多外部传感器配合使用，增加了硬件的设计难度。步进电机的优点在于角度、转速可控，可 以开环控制，缺点在于控制较为麻烦，无法实现较高的速度。在本文中只介绍直流电机的控 制！ 图 1.1 1.2 智能小车的基本结构 在下面的文章中我将以上图的第一种小车为例介绍一下智能小车的结构。 如图 2 所示，小车的结构主要分为以下几个部分： 1、循迹模块：用于探测黑线的位置，由若干个光电管组成，通过反射红外线的变化判断黑 线的有无。 2、舵机转向模块，通过一定占空比的方波控制舵机转过的角度，舵机具有力矩大，响应速 度快等特点，在航模，机器人等设计中应用非常广泛，舵机的控制也是只能小车程序设计的 重要部分。 3、电机驱动模块，由于单片机输出的电流有限，无法直接驱动电机进行工作，因此需要通 过专用的电路进行驱动，只要单片机给出相应的控制信号，便可控制电机工作，本文以较为 孙浩 顾丽萍 5
    计算机及信息工程学院（常州）学生科协-电子设计部 常用的 H 桥驱动芯片 L298N 为例。 4、单片机模块，单片机的选用可以根据个人情况自行选择，对于本文介绍的智能小车来说 一般的 51 单片机已经足够。 5、电源模块，由于小车采用电池供电，因此合理的设计一个电源模块是小车稳定运行的前 提。 循迹模块 舵机 单片机最 电机驱动 单片机最小系统 以上只是针对小车结构的一个简单介绍，在后面文章中我会依次详细叙述。 图 1.2 第二章 车体设计 由于材料有限，通常小车都是采用玩具车改装的方式（飞思卡尔是组委会提供的专用车 模），因此，如何对玩具车进行改造，使之适合于自己的设计，是做智能小车之前必须考虑 的一个问题。 2.1 小车的拆卸 这一点不用多说，一般选用的是带有无线遥控功能的可转向的玩具车，所以第一步就是 拆掉除了后轮驱动电机之外的所有多余部分，其次就是在拆卸的时候要充分的考虑到自己的 安装要求，切不可盲目，也没必要留着多余的部件。 2.2 舵机的安装 完成了玩具车的拆卸之后要做的第二步就是安装舵机，现在市场上卖的玩具车虽然也具 有转向功能，但是前轮的转向多是依靠直流电机来驱动，无论向哪个方向转都是一下打到底， 无法控制转过固定的角度，因此根据我们的设计需求，需要将原有的转向部分替换成现有的 6 电子设计部 QQ 讨论群 83159175
    智能小车设计指导 第一版 舵机，以实现固定转角的转向。舵机的实物图如图 2.1 所示。 需要说明的是由于小车系玩具车改装，在安装舵机是需要合理的利用小车的结构，将舵 机安装牢固，同时还需注意合理利用购买舵机是附赠的齿轮，从而将舵机固定在合适的位置。 舵机的安装方式有俯式、卧式多种，不同的安装方法力臂长短、响应速度都有所不同，这一 点请自己根据实际情况合理选择，图 2.2 为舵机的安装图 图 2.1 图 2.2 舵机安装过程中有一点需要尤其注意，由于舵机不是 360°可转的，因此必须保证车轮 左右转的极限在舵机的转角范围之内。 舵机安装完毕之后就可以对小车的转角进行控制了，但是由于玩具车的车体设计往往限 制了小车的转角，因此可以对小车进行局 部的“破坏”来增大前轮的转角，要知道 在比赛中追求速度的同时一个大的转角 对小车的可控性会有一个很大的提升，如 图 2.3 所示，就是对增加小车转角的一个 改造，这是我在去年小车比赛中的用法。 将阻碍前轮转角的一部分用烙铁直接烫 掉。 但是这种做法也有风险哦，由于你的 改造会破坏小车的整体结构，有可能会对 小车的硬件结构造成破坏，因此如果你的 小车在改造之后显得过于脆弱的话那你 就要对你的小车采取些加固措施了。 图 2.3 2.3 车体的整体布局 除了舵机的安装，车体的整体布局也是很重要的一方面，好的布局不仅能够增强小车的 美观性，也能够提高小车的整体性能。首先是电路板的放置，很多自己搭建的电路板要合理 的安装在小车上，还要考虑到比赛过程中可能的冲撞给电路板带来的损害，在电路板的安装 中尤其注意循迹模块的安装，由于循迹模块安装在小车的前部，伸出车体的长短都有讲究在 设计时要有所考虑。其次是电池的放置，由于电池较重，电池的放置直接影响到小车的重心， 在追求速度的比赛中对电池安装的位置也要有所考虑，具体的优劣这里只做提醒，不多叙述。 孙浩 顾丽萍 7
    计算机及信息工程学院（常州）学生科协-电子设计部 ◆本节注意点◆ ☆舵机的安装 ☆前轮转角的增大 ☆小车布局的安排及重心调整 第三章 硬件设计 下面就要进入小车设计的主题部分-硬件设计，硬件设计的好坏直接决定了小车的设计 水平，对于硬件设计我觉得要把握两点：心细、周到。很多人原先对于小车的迷茫还是来源 于硬件部分，相信在本章结束后大家都能对循迹小车的工作原理有一个简单的了解。 3.1 电源模块设计 电源是整个系统稳定工作的前提，因此必须有一个合理的电源设计，对于小车来说电源 设计注意两点： 1、与一般的稳压电源不同，小车的电池电压一般在 6-8V 左右，还要考虑在电池损耗的情况 下电压的降低，因此常用的 78 系列稳压芯片不再能够满足要求，因此必须采用低压差的稳 压芯片，在本文中以较为常见的 LM2940-5.0 为例。 2、单片机必须与大电流器件分开供电，避免大电流器件对单片机造成干扰，影响单片机的 稳定运行。 LM2940-5.0 封装和实物图如图 3.1 所示。 图 3.1 从封装可以看出 LM2940-5.0 与 78 系列完全相同，实际应用中电路也大同小异。图 3.2 为参考电路图。 8 电子设计部 QQ 讨论群 83159175
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