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智能循迹小车

时间:2014-04-06 00:42来源:电子科技协会 作者:李逢昶 点击:
本文对简易智能循迹小车的设计过程进行了全面描述,包括主体设计方案、各模块电路设计描述。以双路电压比较器LM393为主核心控制模块,根据红外反射式光电管感测路面信息控制电机工作状态进而达到控制小车行驶走向的目的。系统要能够做到准确及时监测路面信息并

智能循迹小车设计
本文对简易智能循迹小车的设计过程进行了全面描述,包括主体设计方案、各模块电路设计描述。以双路电压比较器LM393为主核心控制模块,根据红外反射式光电管感测路面信息控制电机工作状态进而达到控制小车行驶走向的目的。系统要能够做到准确及时监测路面信息并传输给主控模块,做到根据前方路面信息及时调整小车的走向,循迹(白线)的智能行驶。

 

 

 

 

 

 

 

关键词:小车,循迹,反射型光电传感器,LM393

 

 

 

 

目录
第一章 绪论 3
1.1引言 3
1.2传感器的分类 3
1.3 电机的分类 4
1.4总体设计要求 4
第二章 电路设计 5
2.1关键元件的选择 5
2.2电路原理图 5
2.1小车状态的定义 5
第三章 系统制作 11
3.1实际电路焊接 11
3.2电路的调试 12
第四章 总结和参考文献 13
4.1 总结 13
4.2参考文献 13
附录:
小车最后效果图 14
元件列表 14


1 第一章 绪论
1.1引言
随着控制技术及计算机技术的发展,寻迹小车系统将在未来工业生产和日常生活中扮演重要的角色。本文所述小车寻迹系统采用红外反射式光电管识别路径上的白线,并以最短的时间完成寻迹。
智能循迹小车的工作原理是以LM393为控制核心的一阶闭环控制系统。在实验室条件下,在一张黑胶板上用白色胶带制出小车预先设定的运行轨迹。由于本次采用的前端传感器具有识别黑、白颜色的能力。因此,由前端光电传感器,驱动单元共同作用,保证小车能够在预先设定的轨迹上行驶。
1.2传感器的分类
实现寻迹小车的视觉功能有多种方式:
(1) 可使用CCD摄像头进行图象采集和识别方法,但是不适用在小体积系统使用,并且还涉及图象采集、图象识别等领域。
(2)电容式接近传感器,基于检测对象表面靠近传感元件时的电容变化。
(3)超声波传感器,根据波从发射到接收的传播过程中所受到的影响来检测物体的接近程度。
(4)红外反射式光电传感器,它包括一个可以发射红外光的固态发光二极管和一个用作接收器的固态光敏三极管。

1.3 电机的分类
可以作为寻迹小车驱动单元的电机有如下两种:
(1)采用步进电机。步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力,如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值,就能够立即使步进电机启动或反转。另一个显著特点是转换精度高,正转反转控制灵活。
(2)采用普通直流电机。直流电动机具有优良的调速特性,调速平滑、方便,调整范围广;过载能力强,能承受频繁的冲击负载,可实现频繁的无级快速启动、制动和反转;能满足各种不同的特殊运行要求。
1.4设计总体要求

设计一个基于直流电机的自动寻迹小车,使小车能够自动检测


地面白色轨迹,并沿着白色轨迹行驶。系统方案方框图如图所示。


2 第二章 电路设计

2.1关键元器件选择
2.1.1传感器的选择
方案一:采用发光二极管发光,用光敏二极管接收。
当发光二极管发出的可见光照射到黑带时,光线被黑带吸收,光敏二极管为检测到信号,呈高阻抗,使输出端为低电平。当发光二极管发出的可见光照射到地面时,它发出的可见光反射回来被光敏二极管检测到,其阻抗迅速降低,此时输出端为高电平。但是由于光敏二极管受环境中可见光影响较大,电路的稳定性很差。
方案二:采用光敏电阻接受可见光检测。
四组光敏电阻用于检测可见光信号。当光敏电阻检测到黑带时,输出端为低电平,当光敏电阻没有检测到黑带时,输出端为高电平,信号返回给单片机,通过单片机控制前轮的转向。光敏电阻易受环境影响,稳定性也很差。
方案三:利用红外线发射管发射红外线,红外线接收管进行接收。
采用两组反射型光电传感器发射和接受红外信号,外面可见光对接收信号的影响较小。
综上所述,本设计采用反射型光电传感器,型号为TCRT5000,TCRT5000型反射型光电传感器技术指标如下:
光强度曲线如图所示:
TCRT5000光强度曲线图
元件封装如图所示:

TCRT5000元件封装图
2.2.2电机的选择
由于普通直流电机更易于购买,小车对于精度要求不是特别高,同时电路控制相对简单,所以本设计采用直流电机作为驱动单元。
2.2.3电机驱动电路的选择
方案一:采用分立元件的H桥驱动电路。
方案二:采用集成的H桥驱动电路芯片。
方案三:采用三极管直接驱动。
因为此小车电机所需驱动电流不大而且三极管价格便宜,所以直接使用两只8550驱动。

 

2.2电路原理图
2.2.1总体设计方案
整体电路如图所示:

2.2.2采集信号电路,理信号电路设计方案

此设计中用LM393采集信号并实现对信号的处理。采集信号是2脚6脚,采集信号是TCRT5000,此元件采集的信号在经过比较器LM393的处理,然后再经驱动电路驱动电机。
信号采集信号处理电路如图:

信号采集电路主要是两只反射型光电传感器TCRT5000构成,由红外发光管向地面发射红外光经地面反弹回,再被接受管接收。因为白色和黑色对光的吸收率是不同的,所以被接收管接收后输出电压也不同。
信号处理由LM393及电位器RP1、RP2组成。LM393是双路电压比较器集成电路,由两个独立的精密电压比较器构成。它的作用是比较两个输入电压,根据两路输入电压的高低改变输出电压的高低。输出有两种状态:接近开路或者下拉接近低电平,LM393采用集电极开路输出,所以必须加上拉电阻才能输出高电平。

2.2.3驱动电路设计方案
由于作品中所用电动机的工作电压为2V~12V,可直接用三极管驱动。此作品采用PNP三极管8550驱动电机。

驱动电路由两只PNP三极管8550主要作用,当基极信号为低电 平时三极管导通电机转动,当基极信号为高电平时三极管截止电机停转。两只三极管共同作用控制两侧电机转动与停转从而实现循迹功能。

2.3小车状态定义
小车通过二组传感器获得信息,因此可将小车分为四种状态,不同的状态下小车有不同的动作。

白线正好处于两个传感器中间,检测到这种状态前进。

白线靠近右边传感器,检测到这种情况小车右转。



白线靠近左边传感器,检测到这种情况小车左转。



左右传感器都处于白线上方,检测到这种情况小车停止。
3 第三章 系统制作
4.1实际电路焊接
4.1.1、焊接的基本步骤
1)、烙铁头上先熔化少量的焊锡和松香,将烙铁头和焊锡丝同时对准焊点。
2)、在烙铁头上的助焊剂尚未挥发完时,将烙铁头和焊锡丝同时接触焊点,开始熔化焊锡。
3)、当焊锡浸润整个焊点后,同时移开烙铁头和焊锡丝。焊接过程一般以2~3s为宜。焊接集成电路时,要严格控制焊料和助焊剂的用量。为了避免因电烙铁绝缘不良或内部发热源对外壳感应电压而损坏集成电路,实际应用中常采用拔下电烙铁的电源插头趁热焊接的方法。
4.1.2、出现的问题
焊脚太大或太小,电路出现连接的时连接的现象
焊出来的板子出现虚焊,电路有时无法导通。
4.1.3、解决的方法
焊接前,应对元器件引脚或电路板的焊接部位进行处理,一般有“刮”、“镀”、“测”三个步骤:
“刮”:就是在焊接前做好焊接部位的清洁工作。一般采用的工具是小刀和细砂纸,对集成电路的引脚、印制电路板进行清理,去除其上的污垢,清理完后一般还需要往待拆元器件上涂上助焊剂。
“镀”:就是在刮净的元器件部位上镀锡。具体做法是蘸松香酒精溶液涂在刮净的元器件焊接部位上,再将带锡的热烙铁头压在其上,并转动元器件,使其均匀地镀上一层很薄的锡层。
“测”:就是利用万用表检测所有镀锡的元器件是否质量可靠,若有质量不可靠或已损坏的元器件,应用同规格元器件替换
4.2电路的调试
4.2.1 出现问题
(1)左右指示灯不起作用;
(2)比较器中的输出电压不符合逻辑;
(3)左右轮不听指示,胡乱拐弯;
(4)左右轮转速太快,不能循迹;
4.2.3 解决方法
(1)解决左右指示灯不起作用,看看电路是否接错,发光二极管是否接反,若有此情况,及时改正;
(2)解决比较器的输出电压不符合逻辑,首先看看比较器的管脚是否接错,其次看看比较器的参考电压,是否在高电压和低电压之间。如果还是不行,再看看有没有输入电压,如果有,则证明比较器坏了,更正即可;
(3)左右轮不听指示,看看电路是否接错或接反,改正即可。
以上问题都解决了,然后再次启动电源,查看焊接的电路板显示效果。有问题,再次修改。
(4)左右轮转速太快,经过试验认为在电机上串入一个合适(5欧)的电阻可以解决此问题。
4 第四章 总结和参考文献
4.1 总结
通过各种方案的讨论及尝试,再经过多次的调试,不断地对系统进行优化,能比较流畅的沿着白线运动。如增加传感器的个数可以实现更为精确的白线识别,使得小车跑的更快更稳。

 


4.2参考文献
[1] 吴立新.实用电子技术手册.机械工业出版社,2003.9
[2] 杨建良,李新国.数字电子技术基础.武汉大学出版社,2007.10
5 附录:
效果图:

 

 

 

 

 

 


元件列表
电容:
100uF ×2
电阻:
10 ×6
10K ×2
51 ×2
3.3K ×2
20K ×2
1K(三段可调电位器) ×2
其他:
LED ×2
LM393 ×1
TCTR5000 ×2
车身 ×1
电池盒 ×1
五号电池 ×2
电机配套轮子 ×2
铜芯导线 若干
螺丝 若干
2011年12月27日
 

(责任编辑:李文杰)
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