智能循跡小車

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1、2016 年 TI 杯大學生電子設計競賽 自動循跡小車（C題） 摘要 本次設計的智能循跡小車是以單片機 MSP430F5529為主控制器運用TI 公司提供LDC1314和LDC1000電感數字裝換器作為循跡傳感器與速度監(jiān)測模塊。 將檢測數據傳回單片機進行處理，同時，用單片機產生 PWM 波來控制小車的行 進速度，并實時控制小車的行進狀態(tài)。另外，在小車上還擴展了 LCD作為人機交 互界面，以便于實時了解小車各個監(jiān)測傳感器的狀態(tài)機小車的實時數據， 由于本 次設計的是自動循跡小車， 整個任務過程無需人工的任何干預， 故而沒有進行鍵 盤及遙控等的人工操作設備。 用多路傳感器的實時監(jiān)測和算法的緊密

2、配合來保證 小車的順暢完成任務。 報告是以小車的總體設計為主要線索，包括小車的設計分析及發(fā)案論證、小 車的軟件設計、小車的硬件設計、以及總體的設計流程。共分為六章 XXX小結。 其中第一章主要是對小車總體設計及各個設計方案進行了論證， 第二章是對小車 硬件部分的設計做了詳細的介紹， 第三章重點敘述了軟件的設計及流程和各種相 關的算法， 第四章介紹了我們小車設計的開發(fā)流程， 第五章敘述了我們在設計過 程中遇到的問題和解決方法， 并對本次的設計活動做了總結報告和在本次活動中 的心得。 The design of intelligent tracking car based on MCU m

3、sp430f5529 based controller using Ti provides LDC1314 and LDC1000 digital inductance loading converter as the tracking sensor and speed monitoring module. Will the detection data returned microcontroller for processing, at the same time, MCU to produce PWM waves to control the moving speed of the ca

4、r, and real-time control of the car moving state. Also in the car also expanded the LCD as the man-machine interface, in order to facilitate the real-time data of real-time understanding of the car each monitoring sensor state machine car, because the design of the automatic vehicle tracking, the wh

5、ole process of task without any manual intervention is required, and therefore no row keyboard and remote control and manual operation of the equipment. To ensure the smooth completion of the vehicle, the real-time monitoring and algorithm of the multi-channel sensor are closely combined to ensure t

6、he smooth completion of the task. The report is in the overall design of the car as the main clues, including the hardware design of the software design of the car design analysis and demonstration of incidence, the car, the car, and the overall design process. The total is divided into six chapter

7、s XXX summary. The first chapter is mainly the car overall design and various design schemes are discussed. Chapter two is, a detailed introduction of the car hardware design, in the third chapter, the author describes the software design and the various processes and related algorithms, chapter fou

8、r introduces the development process of our car design, the fifth chapter describes the problems we encountered in the design process and the methods to solve, and of the design activities do the summary report and experience in the event. 目錄 第一章：方案設計與分析 一、設計要求 本次比賽要求任務是，在規(guī)定的平面自動按順時針方向循跡前進。 跑道的標

9、識是一根直徑為~的細鐵絲，按照圖1的示意尺寸，用透明膠 帶將其貼在跑道上。且半徑為20cm 2cm. 主辦方提供比賽場地參考示意圖如下圖 2m 圈1跑道平意罔 、總體設計 11X1314^ LDClOOC^g^ pwm 出 液晶昴示1602 蜂鳴器

10、 (1) 信息采集模塊：信息采集部分是由LDC1314和LDC1OOO電感傳感器檢測和 自制的距離監(jiān)測模塊，再把數據傳入單片機進行處理 ? (2) 控制處理模塊：控制處理模塊是一片 MSP430F552單片機為核心，單片機 將從采集到的信息進行判斷后，按照預定的算法處理，把處理的結果送交 單片機的定時器輸出PWh控制電機正反轉,液晶顯示模塊和蜂鳴器，使之 做出相應的動作。 (3)執(zhí)行模塊：執(zhí)行模塊是由液晶顯示及電機、 蜂鳴器三部分組成。液晶主要 是將單片機處理的結果進行實時顯示，方便及時用戶了解系統(tǒng)當前的狀 態(tài)，電機根據單片機的指令對4個電機(直流電機進行動作，使之能夠根 據需要作

11、出相應的加速、減速、轉彎、停車等的動作，以達到預期的目的。 蜂鳴器主要是根據要求鎳幣在的位置作出出響應來報告位置。 三、方案論證 1. 小車主體設計方案 _按照大賽要求，車體投影不超過 A4紙大小，并且小車自動運行后，不得有任 何人工干預小車運動行為，如遙控等，所以我制定了 2種方案。 1） 三輪小車 前方底部采用常規(guī)兩輪，后面底部使用單個萬向輪，而且車身長度只有四輪 車的2/3，車身更加輕盈，這樣方便小車進行拐彎，但是穩(wěn)定性較弱。 2） 四輪小車 前后底部都使用常規(guī)兩輪，車身長度更長，并且更加穩(wěn)定，但是摩擦更大， 拐彎力度要求更高，不方便控制。 根據性價比和方便使用，最后我們

12、選擇了三輪小車作為小車主體 2. 電機設計方案 1）自制電機驅動 電機加減速以及正反轉的典型電路是 H橋驅動電路，根據需要分析，可用 功率三極管或者emos管來搭建，這樣有助于提高我們的動手能力和知識融匯通 的能力。但是要想得到兩個理想的獨立驅動， 必須選用參數盡量完全一致的管子 才行，而這些元件的制造工藝只能保障在一定的范圍內一致， 這樣，給調試帶來 不少的麻煩，且抗外界干擾能力差，復雜化了電路的設計。 2）使用配套的電機驅動板 驅動芯片位1293d雙h橋直流電機驅動芯片，供電范圍為+5v到+16v，8 口輸入，耐溫。連接方便輕松 .能驅動 4各直流電機和兩個步進電機 最后我

13、們決定用配套的電機驅動板。 3. 傳感器使用設計方案 1) LDC1000 LDC100(是首款電感到數字式傳感器。提供低功耗，小封裝，低成本的解決方案。 它的SPI接口可以很方便的連接 MCU而且只需要連接一個PCB線圈或者自制線 圈就可以進行電感檢測。 2) LDC1314 同樣是電感到數字式傳感器，采用IC2接口連接MCU檢測通道更多，數據量 更多，使用更多線圈。 綜合考慮， 我們根據需求選擇了 LDC1000。 4. 顯示模塊設計方案 1) 1602 液晶顯示 液晶顯示驅動簡單，易于控制，功耗小，且顯示信息量大，可以直觀地觀 測到小車的位置及速度信息。 2) Le

14、d 數碼管顯示 數碼管顯示具有亮度高，色彩選擇多的優(yōu)點，但是數碼管占用 I/O 資源多， 控制復雜，功耗較大，顯示信息量較少且單一。 3) TFT-LDC彩屏顯示 320 X 240的分辨率，16位真彩色，顯示信息量大且突出，16位雙向數據 線，但是功耗大占用 IO 口過多。 綜合考慮，我們選擇 1602 液晶顯示 5. 電源設計方案 1)方案一、使用12V航模電池。 優(yōu)點：電池容量大，放電倍數高，動力強勁。 缺點：電池價格高，維護困難，重量大。 2）方案二、小車專用電池 優(yōu)點：價格便宜，維護成本地，重量輕，充電方便 缺點：電池電量小，動力低。 小車重量本身并不大，而且

15、430的單片機耗電極低，我們采用 LDC1000芯片 制作的傳感器，功耗相當低，所以我們采用了價格便宜，維護方便的小車專用鋰 電池。 四、單片機資源分配 MSP430F5529擁有統(tǒng)一時鐘系統(tǒng) UCS 核心電壓可以用集成式 PWM 講行編程，16位CPUXV2 GPIO帶有上拉及下拉，CRC16真 正32位RTC后備電池帶鬧鐘，連接方式由 USB,RF,USCIDMA高達8 位，ADC高達12位，晶振最高達 25MHz，還集成LDO,BOR,WDT等 強大的外設。為了合理調用單片機的資源，對單片機的資源分配如下圖所示。 —Iw GND^ ■JlDCLK [MT 卜 Jsdi 00

16、卜 十口 GtoL I IlDCWOO I 二山hU am * ■ Fjnrfi seu U 二山hU am * ■ Fjnrfi seu u 15 *WM1 AW1 Gnd 五、電源分配 電池電源提供給所有模塊供電，電池電壓使用 AMS1117轉成供給單片機， LDC100Q與1602使用單片機提供的電壓，電機驅動電壓由直接提供 FU池 第二章：智能循跡小車硬件設計

17、 ，、機械設計 1.小車模塊分布 整體設計要求簡單，便于拆裝，直觀，設計如圖。 2.小車傳感器位置排布 小車循跡的保證是傳感器反映回正確的信息，所以傳感器的合理排布是小 車能夠圓滿。 完成任務的基本保證，經過反復的調試和實驗，得出的最佳傳感器分布圖 如上圖中所示。 3.測速計程 測速是用光電反射管接收發(fā)射信號進行計算的，

18、在車輪內加入黑白相間的碼 盤，將車輪一周分為20次進行計算，這樣便提高了測速和計程的精度。 我們采用的兩個輸出端的，求其平均值，得到的結果更加穩(wěn)定。 輪子 令 步射骷 此圖位擋光小輪 4.小車骨架設計 于小車底板材料的選擇上，由于三合板的耐用性太差，且容易 受潮變形，不適合作為面向不斷開發(fā)的產品。經過各種材質的對比, 亞克力板可以作為車板的材質，

19、既有很好的光澤性，更有較好的強度， 且耐貯存。正好手頭有一塊大小合適的亞克力板材， 于是將其設計加 工成如下形狀。為了驅動小車的電機方與電感線圈便把驅動線給連至U 單片機上，對車身底部打孔。 、電路設計 1.驅動 本L293D驅動模塊，采用ST公司原裝全齋的L293D芯片.釆用 SMT工藝穩(wěn)定桂高，采用高質量島電解電容，使電路穩(wěn)定工作.可以 直接驅動4路3-16V t流電機?并提供了 5V輸出接口（輸入聶低只 要6Y ）?可以給5Y單片機電路系統(tǒng)供電（低紋波系教）■支持3. 3V MCU ARM控制?可以方便的擔制

20、直涼電機途度和方荷.也可以控制2相步 進電札5線4相步進電機.是智能小車必備利臥 tttBffn分甥為X GXD 1\1 1X2 12 17 其?*5GND A電?■lib 可 |、"2 時KM電WH. IM IN*對應直淹電機』的 CMA7FA. AM7FX.關抻電?? ■片■入山塞■入以為僥取電 丿 EM "電*13PU M ■入 1\2 九*機4PU MBA 電機■口 I 以為按紅外這 ??燒機弄卻 I iM)anttth 池龍電.?常的方* 電機8. IW3 IM tfttlM電飢2的霆 MtA. M 為感機1 FU M ? A EM *電機2 F^

21、 V1 ■入 sttHM步時、 電機■口 二 r r * ^w 1 …， ?fl d 四組信弓信統(tǒng) TI入?片機 eie iiie ei eiocaBL^、 V ? y / / / ? f / ■ ) X ** \ 、 AM!血詢 倉竟電機，? 直淪QU? 電鈾戒m ■岀 動?岀 動■也 動?岀 池績入 < L A OC 口砂』鳧■入 電池充電

22、 2.LDC1000 LDC1000由SPI通訊 MCU.需要連接控制口 .電路如下 V I—f- ,g S 口 SCLk [ CSB-L 1 SOI 3 r^Bi vis SDO EXibLD CFA PAD INTO XDUT TIM-LA rin* VW I GMD MB INA Ife KTL 工 "TTloclic 叮 ■ 10 Cfr —北世 I iuf LDCIMIO XH2-M-2 HaJ Gisg VCC

23、厶 MTI rsBi SDO ■ Iq4r 但 3.1602液晶顯示 由于其內部集成了顯 液晶由單片機控制，實時顯示小車行駛的時間和路程, 示處理模塊，所以外圍電路十分簡單。 LCD1602 1 n  4.蜂鳴器 蜂鳴器用于小車位置指示，用三極管驅動，由單片機口控制，小車到站后, FMQ 單片機給蜂鳴器一個方波信號，蜂鳴器鳴叫提示。電路圖如下 5.單片機 單片機采用了 MSP430F552,亥芯片的應用電路于其他51單片機完全一樣 介于小車

24、各部分功能均為模塊實現。 三、元件清單 元件 數量 元件 數量 元件 數量 小車 1 萬向輪 1 小馬達 2 車輪 2 杜邦線 若十 電池 1 f5529單片機 1 LDC1000 1 線圈 1 蜂鳴器 1 電機控制板 1 1602液晶 1 第三章：智能循跡小車軟件設計 、主函數流程圖 主函數 ［液曙^化_ ］ ［—PWM初始化］ 「傳感器機始化J ［初始 $電感值］ O 4始化定時器扁

25、1、循環(huán)函數流程圖 控制函數 第四章：總結與心得 一、開發(fā)與調試 在整個開發(fā)過程中，我們按照總一一分一一總的總體思想來展開的， 整個開 發(fā)過程主要分為以下幾個階段進行。 1總體方案論證和確立 在這一階段。我們主要任務是根據大賽要求對小車的總體結構進行初步的規(guī) 劃設計，對系統(tǒng)進行模塊化，對各部分資源做出分配。確定軟件的主要思路框架 這一階段上主要解決的問題有： 1） 確定小組各成員的分工，各取所長，分頭進行前期資料的準備 2）

26、 確定小車的開發(fā)流程，規(guī)劃小車的開發(fā)進度； 3） 將電氣部分劃分為了電源、驅動、單片機和 LDC1OO0專感器四大模塊，并確 定各模塊的方案。 4） 分配各模塊資源，確定各模塊的主要參數。 5）采購所需元器件，為下一階段做準備 2?各分立模塊調試 在這一階段，我們的主要任務是，完成各個模塊的搭建，并調試使之達到預 定的參數指標。根據大賽的要求我們確定的各部分模塊的參數， 制作出各部 分模塊，并對其進行了調試確定其各方面性能均能達標。 3.總體測試 LDC1000檢測到金屬返回MCUI勺值會變小，且鎳幣的返回值會更小，所以 我們依據這個原理設計了如下兩個方案。 方案一：判斷是否檢

27、測到金屬線，檢測到就前進，否則左右掃描，來判斷 是否轉彎，當LDC1000返回值到達最低值說明發(fā)現硬幣，控制蜂鳴器發(fā)聲。 方案二：設定一個初始方向，檢測到鐵線就反方向延時拐彎，這個延時需 要現場調試確定時間，然后再反方向拐彎去監(jiān)測有無鐵線， 其他方案與方案- 樣。 ［、典型問題舉例 1.電感切割鐵線產生電流 切割磁感線電荷累計到一定量產生放電影響到 LDC1000的數據 傳感器線圈太小無法大面積感應鐵絲 手動纏繞線圈，計算線圈大小比較困難 3. 小車驅動轉向問題 選擇四輪驅動小車還是三輪驅動小車 三、總結與展望 小車各方面的 步完善。 在這次比賽中我們完成了比賽指標， 但是由于比賽時間有限， 性能還有待提高，設計方案還可以進一步擴展，這些需要我們以后進