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电赛8组《设计报告》.docx

发布时间：2022-06-06 发布人：admin 分类：说明书 资料大小：0.24M 资料格式：docx 举报 版权申诉
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    2020 年全国大学生电子设计竞赛 坡道行驶电动小车（C 题） 【本科组】 2020 年 10 月 10 日
    摘 要 坡道行驶电动小车主要由控制模块，循迹模块，电源模块，电机模块，降压 模块，电机驱动模块，声音模块组成。本小车选用 MSP430F5529 做为主控芯片， TCRT5000 红外循迹模块和 LM339 四路差动比较器用来实现小车识别跑道功能， 原理为红外发射判断黑白线以及区分黑线宽度，电源模块采用了可充电电池为整 个系统提供动力支持，电机部分使用四个直流电机和两个降压模块，电机驱动模 块选用 L298N,来实现实时控制电机转动的幅度与转速。声音模块选用蜂鸣器来 作为停车点停车时的声音提示。坡道行驶电动小车利用红外循迹模块沿指定路线 在坡道上自动循迹并于标记线停车发出声音提示。 关键词：MSP430F5529，LM339，蜂鸣器，TCRT500，胶皮车轮，可充电电池、 减速电机、L298N。 Abstract The ramp driving electric car is mainly composed of control module, tracking module, power module, motor module, step-down module, motor drive module and sound module. The car uses msp430f5529 as the main control chip, tcrt5000 infrared tracking module and LM339 four channel differential comparator are used to realize the function of the car to identify the runway. The principle is infrared emission to judge the black and white line and distinguish the width of the black line. The power module uses rechargeable battery to provide power support for the whole system. The motor part uses four DC motors and two step-down modules, which are driven by motor L298N module is selected to realize real-time control of motor rotation amplitude and speed. The sound module selects the buzzer as the sound prompt when parking. The electric car on the ramp uses infrared tracking module to automatically track on the ramp along the designated route, and stops at the marking line to send out sound prompt. Key words: msp430f5529, LM339, buzzer, TCRT500, rubber wheel, rechargeable battery, deceleration motor, L298N. {目录}： 2
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    一、前言 本题要解决的主要问题是小车根据轨迹路线的循迹问题，定点停车问题以及 爬坡问题，故选用 MSP430F5529 做为主控芯片，TCRT5000 红外循迹模块和 LM339 四路差动比较器用来实现小车识别跑道功能，原理为红外发射判断黑白线以及区 分黑线宽度，电源模块采用了可充电电池为整个系统提供动力支持，电机部分使 用四个直流电机和两个降压模块，电机驱动模块选用 L298N,来实现实时控制电 机转动的幅度与转速，声音模块选用蜂鸣器来作为停车点停车时的声音提示。 二、系统方案设计 本系统主要由由控制模块，循迹模块，电源模块，电机模块，降压模块，电 机驱动模块，声音模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 2.1、控制模块的论证与选择 2.1.1 方案一：采用在面包板上搭建简易单片机系统，在面包板上搭建单片机系统 可以方便的对硬件做随时修改，也易于搭建，但是系统连线较多，不仅相互干扰， 使电路杂乱无章，而且系统可靠性低，不适合本系统使用。 方案二：自制单片机印刷电路板，自制印刷电路实现较为困难，实现周期长， 此外也会花费较多的时间，影响整 体设计进程。不宜采用该方案。 方案三：采用单片机最小系统，单片机最小系统包含了显示、矩阵键盘、A/D、 D/A 等模块，能明显减少外围电路的设计，降低系统设计的难度，非常适合本系 统的设计。 综合以上三种方案，选择方案三。 2.1.2 方案一：STM32 系列单片机是一款 32 位单片机，基于专为要求高性能、低 成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的 ARM Cortex-M3 内核, 功耗小，集成度高， 运行速度快。 方案二：MSP430 系列单片机是美国德州仪器 1996 年开始推向市场的一种 16 位超低功耗、具有精简指令集的混合信号处理器。MSP430 单片机称之为混合信 号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路 模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。该系列单片机 多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。 从题目要求以及电池供电的便携度上，我们选择方案二 MSP430 系列中的 MSPEXP430F5529LP。 2.2、循迹模块的论证与选择 方案一： CCD 摄像头传感方案，此种方法虽然能对路面信息进行准确完备 的反应，但是电路设计相对复杂，检测信息更新速度慢，软件处理数据较多，因 此若采用 CCD 传感器无疑会加重单片机的处理负担，不利于实现更好的控制策略。 方案二：采用发光二极管加光敏电阻，易受到外界光源的干扰，有时甚至检 测不到黑线，主要是因为可见光的反应效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射 情况均对监测效果产生直接影响。 4
    方案三：红外探测法是利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射强 度的特点，大幅度减少外界干扰，电路设计相对简单，检测信息速度快，成本低。 故根据以上分析我们选择方案三利用红外探测法实现的 TCRT500。 2.3、电源模块的论证与选择 方案一：选用干电池，干电池工作原理是电池单向化学反应中产生电能，原 电池放电导致电池化学成分永久和不可逆的改变。但是随着电能的放出，干电池 的电压会降低，使实验所需的电压发生变化从而导致实验失败。干电池还会污染 环境。 方案二：选用 220V 电压，就地取材使用方便，可以保护环境，电压稳定， 但是有一定的危险性，且不方便小车携带。 方案三：选用可充电电池，可充电电池又称为二次电池，工作原理是化学能 和电能相互转化。在电压不足时可进行充电保持电压的稳定，使电压维持在一个 稳定的数值，使实验更加精准。可充电电池可多次利用，有利于保护环境。 综上，从题目要求和保护环境以及小车携带便捷度上，电源模块供电选用方 案三。 2.4、降压模块的论证与选择 方案一：不加降压模块 方案二：加降压模块 降压模块的主要目的是降低小车的行驶速度，由于题目要求小车通过长约一 米的路程不得低于 10 秒，故要用降压模块进行减速。 2.5、电机驱动模块的论证与选择 方案一：选用 ULN2003 作为驱动电机，只能驱动四相步进电机，如果驱动直 流电机只能按一个方向转动，换向则要改变电机的接法。 方案二：选用直流驱动电机 L298N，线圈式电机，可以为负载提供双向的电 流，适合驱动两相或四相的步进电机，也可以驱动两台普通的有刷直流电机。 从实验题目所需的转弯来思考，如果驱动直流电机只能按一个方向并不能很 好的解决实验中的要求，故我们选择方案二。 三、单元模块设计 3.1、控制模块的设计 我们选用 MSP430F5529 做为主控芯片原理图如下： 5
    3.2、循迹模块的设计 我们选用 TCRT5000 红外循迹模块做循迹模块，该模块有 VCC，GND，DO 三根引线， VCC 接+5V 电源。前面已经介绍到 L298N 驱动模块可以提供 5V 输出，这里正好可 以接到避障模块的 VCC 端。正确接线后，可以发现，当探头前方出现障碍物时， 模块后方显示灯会亮起，同时 OUT 端输出变为低电平，正常情况下 OUT 端为高电 平。我们的设计为右转约九十度，程序上只需设计一定的延时即可,原理图如下： 3.3、电机驱动模块的设计 我们选用 L298N 驱动直流电机，L298N 驱动模块集成 2 块 L298N 芯片,每块芯片 内含两个 H 桥的高电压大电流全桥式驱动器，整个模块可以同时驱动 4 个直流电 机,实现正反转及电机速度的控制。模块内部带有 L7805 降压芯片,如果驱动 7V 电压以上的电机时,可以向外输出 5V 电,供给控制端使用。我们的小车底座上配 有 7V 电池，给该模块上电后，同时可以输出 5V 电平供红外模块使用。其主要特 点有可轻松驱动电机正反转、利用 PWM 波脉宽可平滑调速、控制其驱动电机，原 理图如下： 6
    3.4、声音模块设计 我们选用 BELL 蜂鸣器作为声音模块，原理图如下： 四、系统的理论分析与调试 4.1、系统的理论分析 赛题要求坡度角 θ=0°，电动小车能够沿标记线自动骑线行驶，在停车点 停车；小车上标记点到停车标记中心线的垂直距离误差≤2cm。停车时立即发 出 声音提示。小车行驶过程中，其地面投影不得脱离标记线。 沿标记线行驶，可以采用红外循迹模块，由于黑色吸光，当红外发射管照射 在黑色物体上时反射回来的光就较少，接收管接收到的红外光就较少，表现为电 阻大，通过外接电路就可以读出检测的状态；同理，当照射在白色表面时发射的 红外线就比较多，表现为接收管的电阻较小，此时通过外接电路就可以读出另外 一种状态，如用电平的高低来描述上面两种现象就会出现高低电平之分，也就是 会出现所谓的 0 和 1 两种状态，此时再将此送到单片机的 I/O 口，单片机就可以 判断是黑白路面，进而完成相应的功能，如循迹、避障等，故我们在此选择 7
    TCRT5000 红外循迹避障传感器，此红外光电管有两种，一种是无色透明的 LED， 此为发射管，它通电后能够产生人眼不可见红外光，另一部分为黑色的接收部分， 它内部的电阻会随着接收到红外光的多少而变化。 通过时间有要求，我们采用 L298N 电机驱动模块，L298N 能利用单片机 CCP 模块等产生一定频率的脉冲作用于 ENA，根据脉冲占空比不同就可以得到不同的 输出电压，从而达到调速目的，而所采用的电机我们选择直流减速电机，既能完 成题目所要求的速度，又简便易于控制。 因赛题有要求逐渐增加爬坡角度，故轮胎应尽可能的在题目标准内，增加摩 擦力，若碰线，会扣分，故应尽可能的增加轮胎之间的距离。 最后的停车标记停止，可用一个延时函数，使得红外识别，停靠成功的可能 性大大增加。 4.2、系统的调试分析 4.2.1 在调试小车过程中，我们发现由于小车转弯速度过快，不利于循迹行驶，故 我们将转弯过程中本来想的外道车轮顺时针前进内道车轮不动改为转弯时外道 车轮顺时针前进，内道车轮顺时针后退，从而大大降低小车速度，是变道过程中 的小车减速行驶。 4.2.2 在调试小车过程中，我们发现由于比较小而且灵敏度不易控制，故我们在小 车周围增加红外传感器的接收与发射端共记五个，其中左侧一个帮助小车识别左 侧轨迹实现左转，由于题目原因右侧两个帮助小车解决右转问题，中间两个为小 车直线行驶提供帮助，当中间四个红外传感器同时达到标记线黑色胶带时小车停 止。 4.2.3 在调试小车过程中，我们发现小车爬坡能力与摩擦力有关，故我们打算增加 摩擦力来使小车更好的爬坡，增加摩擦力第一点可以增加接触面积粗糙程度，故 我们将小车的四个轮胎换为花纹复杂粗糙程度较大的轮胎，增加摩擦力第二点可 以增加压力，由于题目原因我们增加小车总重量且不超过题目限定额度。 五、系统程序设计 5.1 系统设计结果： 经过不断的研究开发，我们最终设计完成了一个多功能遥控玩具车。小车主要具有无线 遥控功能，多档调速功能，自动避障功能，里程速度显示功能。 5.2 系统设计结果与设计指标之间的偏差与分析： 上述功能与设计指标相符，最初设计想法中的小车夜间照明功能，小车行驶转向灯提醒 功能，在经过讨论之后觉得意义不大，所以最终并没有设计安装。 5.3 系统设计结果与市场调研结果的异同与分析： 8
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