智能循跡小車

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1、2016 年 TI 杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽 自動(dòng)循跡小車（C題） 摘要 本次設(shè)計(jì)的智能循跡小車是以單片機(jī) MSP430F5529為主控制器運(yùn)用TI 公司提供LDC1314和LDC1000電感數(shù)字裝換器作為循跡傳感器與速度監(jiān)測(cè)模塊。 將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳回單片機(jī)進(jìn)行處理，同時(shí)，用單片機(jī)產(chǎn)生 PWM 波來(lái)控制小車的行 進(jìn)速度，并實(shí)時(shí)控制小車的行進(jìn)狀態(tài)。另外，在小車上還擴(kuò)展了 LCD作為人機(jī)交 互界面，以便于實(shí)時(shí)了解小車各個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器的狀態(tài)機(jī)小車的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)， 由于本 次設(shè)計(jì)的是自動(dòng)循跡小車， 整個(gè)任務(wù)過程無(wú)需人工的任何干預(yù)， 故而沒有進(jìn)行鍵 盤及遙控等的人工操作設(shè)備。 用多路傳感器的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和算法的緊密

2、配合來(lái)保證 小車的順暢完成任務(wù)。 報(bào)告是以小車的總體設(shè)計(jì)為主要線索，包括小車的設(shè)計(jì)分析及發(fā)案論證、小 車的軟件設(shè)計(jì)、小車的硬件設(shè)計(jì)、以及總體的設(shè)計(jì)流程。共分為六章 XXX小結(jié)。 其中第一章主要是對(duì)小車總體設(shè)計(jì)及各個(gè)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了論證， 第二章是對(duì)小車 硬件部分的設(shè)計(jì)做了詳細(xì)的介紹， 第三章重點(diǎn)敘述了軟件的設(shè)計(jì)及流程和各種相 關(guān)的算法， 第四章介紹了我們小車設(shè)計(jì)的開發(fā)流程， 第五章敘述了我們?cè)谠O(shè)計(jì)過 程中遇到的問題和解決方法， 并對(duì)本次的設(shè)計(jì)活動(dòng)做了總結(jié)報(bào)告和在本次活動(dòng)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(shè)計(jì)與分析 一、設(shè)計(jì)要求 本次比賽要求任務(wù)是，在規(guī)定的平面自動(dòng)按順時(shí)針方向循跡前進(jìn)。 跑道的標(biāo)

9、識(shí)是一根直徑為~的細(xì)鐵絲，按照?qǐng)D1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(chǎng)地參考示意圖如下圖 2m 圈1跑道平意罔 、總體設(shè)計(jì) 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(cè)和 自制的距離監(jiān)測(cè)模塊，再把數(shù)據(jù)傳入單片機(jī)進(jìn)行處理 ? (2) 控制處理模塊：控制處理模塊是一片 MSP430F552單片機(jī)為核心，單片機(jī) 將從采集到的信息進(jìn)行判斷后，按照預(yù)定的算法處理，把處理的結(jié)果送交 單片機(jī)的定時(shí)器輸出PWh控制電機(jī)正反轉(zhuǎn),液晶顯示模塊和蜂鳴器，使之 做出相應(yīng)的動(dòng)作。 (3)執(zhí)行模塊：執(zhí)行模塊是由液晶顯示及電機(jī)、 蜂鳴器三部分組成。液晶主要 是將單片機(jī)處理的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示，方便及時(shí)用戶了解系統(tǒng)當(dāng)前的狀 態(tài)，電機(jī)根據(jù)單片機(jī)的指令對(duì)4個(gè)電機(jī)(直流電機(jī)進(jìn)行動(dòng)作，使之能夠根 據(jù)需要作

11、出相應(yīng)的加速、減速、轉(zhuǎn)彎、停車等的動(dòng)作，以達(dá)到預(yù)期的目的。 蜂鳴器主要是根據(jù)要求鎳幣在的位置作出出響應(yīng)來(lái)報(bào)告位置。 三、方案論證 1. 小車主體設(shè)計(jì)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(dòng)運(yùn)行后，不得有任 何人工干預(yù)小車運(yùn)動(dòng)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(gè)萬(wàn)向輪，而且車身長(zhǎng)度只有四輪 車的2/3，車身更加輕盈，這樣方便小車進(jìn)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(zhǎng)度更長(zhǎng)，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(jù)性價(jià)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(jī)設(shè)計(jì)方案 1）自制電機(jī)驅(qū)動(dòng) 電機(jī)加減速以及正反轉(zhuǎn)的典型電路是 H橋驅(qū)動(dòng)電路，根據(jù)需要分析，可用 功率三極管或者emos管來(lái)搭建，這樣有助于提高我們的動(dòng)手能力和知識(shí)融匯通 的能力。但是要想得到兩個(gè)理想的獨(dú)立驅(qū)動(dòng)， 必須選用參數(shù)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(nèi)一致， 這樣，給調(diào)試帶來(lái) 不少的麻煩，且抗外界干擾能力差，復(fù)雜化了電路的設(shè)計(jì)。 2）使用配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板 驅(qū)動(dòng)芯片位1293d雙h橋直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，供電范圍為+5v到+16v，8 口輸入，耐溫。連接方便輕松 .能驅(qū)動(dòng) 4各直流電機(jī)和兩個(gè)步進(jìn)電機(jī) 最后我

13、們決定用配套的電機(jī)驅(qū)動(dòng)板。 3. 傳感器使用設(shè)計(jì)方案 1) LDC1000 LDC100(是首款電感到數(shù)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(gè)PCB線圈或者自制線 圈就可以進(jìn)行電感檢測(cè)。 2) LDC1314 同樣是電感到數(shù)字式傳感器，采用IC2接口連接MCU檢測(cè)通道更多，數(shù)據(jù)量 更多，使用更多線圈。 綜合考慮， 我們根據(jù)需求選擇了 LDC1000。 4. 顯示模塊設(shè)計(jì)方案 1) 1602 液晶顯示 液晶顯示驅(qū)動(dòng)簡(jiǎn)單，易于控制，功耗小，且顯示信息量大，可以直觀地觀 測(cè)到小車的位置及速度信息。 2) Le

14、d 數(shù)碼管顯示 數(shù)碼管顯示具有亮度高，色彩選擇多的優(yōu)點(diǎn)，但是數(shù)碼管占用 I/O 資源多， 控制復(fù)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(shù)據(jù) 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(shè)計(jì)方案 1)方案一、使用12V航模電池。 優(yōu)點(diǎn)：電池容量大，放電倍數(shù)高，動(dòng)力強(qiáng)勁。 缺點(diǎn)：電池價(jià)格高，維護(hù)困難，重量大。 2）方案二、小車專用電池 優(yōu)點(diǎn)：價(jià)格便宜，維護(hù)成本地，重量輕，充電方便 缺點(diǎn)：電池電量小，動(dòng)力低。 小車重量本身并不大，而且

15、430的單片機(jī)耗電極低，我們采用 LDC1000芯片 制作的傳感器，功耗相當(dāng)?shù)?，所以我們采用了價(jià)格便宜，維護(hù)方便的小車專用鋰 電池。 四、單片機(jī)資源分配 MSP430F5529擁有統(tǒng)一時(shí)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(dá)8 位，ADC高達(dá)12位，晶振最高達(dá) 25MHz，還集成LDO,BOR,WDT等 強(qiáng)大的外設(shè)。為了合理調(diào)用單片機(jī)的資源，對(duì)單片機(jī)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(zhuǎn)成供給單片機(jī)， LDC100Q與1602使用單片機(jī)提供的電壓，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓由直接提供 FU池 第二章：智能循跡小車硬件設(shè)計(jì)

17、 ，、機(jī)械設(shè)計(jì) 1.小車模塊分布 整體設(shè)計(jì)要求簡(jiǎn)單，便于拆裝，直觀，設(shè)計(jì)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(wù)的基本保證，經(jīng)過反復(fù)的調(diào)試和實(shí)驗(yàn)，得出的最佳傳感器分布圖 如上圖中所示。 3.測(cè)速計(jì)程 測(cè)速是用光電反射管接收發(fā)射信號(hào)進(jìn)行計(jì)算的，

18、在車輪內(nèi)加入黑白相間的碼 盤，將車輪一周分為20次進(jìn)行計(jì)算，這樣便提高了測(cè)速和計(jì)程的精度。 我們采用的兩個(gè)輸出端的，求其平均值，得到的結(jié)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(shè)計(jì) 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(chǎn)品。經(jīng)過各種材質(zhì)的對(duì)比, 亞克力板可以作為車板的材質(zhì)，

19、既有很好的光澤性，更有較好的強(qiáng)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(shè)計(jì)加 工成如下形狀。為了驅(qū)動(dòng)小車的電機(jī)方與電感線圈便把驅(qū)動(dòng)線給連至U 單片機(jī)上，對(duì)車身底部打孔。 、電路設(shè)計(jì) 1.驅(qū)動(dòng) 本L293D驅(qū)動(dòng)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(zhì)量島電解電容，使電路穩(wěn)定工作.可以 直接驅(qū)動(dòng)4路3-16V t流電機(jī)?并提供了 5V輸出接口（輸入聶低只 要6Y ）?可以給5Y單片機(jī)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(dān)制

20、直涼電機(jī)途度和方荷.也可以控制2相步 進(jìn)電札5線4相步進(jìn)電機(jī).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(shí)KM電WH. IM IN*對(duì)應(yīng)直淹電機(jī)』的 CMA7FA. AM7FX.關(guān)抻電?? ■片■入山塞■入以為僥取電 丿 EM "電*13PU M ■入 1\2 九*機(jī)4PU MBA 電機(jī)■口 I 以為按紅外這 ??燒機(jī)弄卻 I iM)anttth 池龍電.?常的方* 電機(jī)8. IW3 IM tfttlM電飢2的霆 MtA. M 為感機(jī)1 FU M ? A EM *電機(jī)2 F^

21、 V1 ■入 sttHM步時(shí)、 電機(jī)■口 二 r r * ^w 1 …， ?fl d 四組信弓信統(tǒng) TI入?片機(jī) eie iiie ei eiocaBL^、 V ? y / / / ? f / ■ ) X ** \ 、 AM!血詢 倉(cāng)竟電機(jī)，? 直淪QU? 電鈾戒m ■岀 動(dòng)?岀 動(dòng)■也 動(dòng)?岀 池績(jī)?nèi)? < 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(nèi)部集成了顯 液晶由單片機(jī)控制，實(shí)時(shí)顯示小車行駛的時(shí)間和路程, 示處理模塊，所以外圍電路十分簡(jiǎn)單。 LCD1602 1 n  4.蜂鳴器 蜂鳴器用于小車位置指示，用三極管驅(qū)動(dòng)，由單片機(jī)口控制，小車到站后, FMQ 單片機(jī)給蜂鳴器一個(gè)方波信號(hào)，蜂鳴器鳴叫提示。電路圖如下 5.單片機(jī) 單片機(jī)采用了 MSP430F552,亥芯片的應(yīng)用電路于其他51單片機(jī)完全一樣 介于小車

24、各部分功能均為模塊實(shí)現(xiàn)。 三、元件清單 元件 數(shù)量 元件 數(shù)量 元件 數(shù)量 小車 1 萬(wàn)向輪 1 小馬達(dá) 2 車輪 2 杜邦線 若十 電池 1 f5529單片機(jī) 1 LDC1000 1 線圈 1 蜂鳴器 1 電機(jī)控制板 1 1602液晶 1 第三章：智能循跡小車軟件設(shè)計(jì) 、主函數(shù)流程圖 主函數(shù) ［液曙^化_ ］ ［—PWM初始化］ 「?jìng)鞲衅鳈C(jī)始化J ［初始 $電感值］ O 4始化定時(shí)器扁

25、1、循環(huán)函數(shù)流程圖 控制函數(shù) 第四章：總結(jié)與心得 一、開發(fā)與調(diào)試 在整個(gè)開發(fā)過程中，我們按照總一一分一一總的總體思想來(lái)展開的， 整個(gè)開 發(fā)過程主要分為以下幾個(gè)階段進(jìn)行。 1總體方案論證和確立 在這一階段。我們主要任務(wù)是根據(jù)大賽要求對(duì)小車的總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行初步的規(guī) 劃設(shè)計(jì)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模塊化，對(duì)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(zhǎng)，分頭進(jìn)行前期資料的準(zhǔn)備 2）

26、 確定小車的開發(fā)流程，規(guī)劃小車的開發(fā)進(jìn)度； 3） 將電氣部分劃分為了電源、驅(qū)動(dòng)、單片機(jī)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(shù)。 5）采購(gòu)所需元器件，為下一階段做準(zhǔn)備 2?各分立模塊調(diào)試 在這一階段，我們的主要任務(wù)是，完成各個(gè)模塊的搭建，并調(diào)試使之達(dá)到預(yù) 定的參數(shù)指標(biāo)。根據(jù)大賽的要求我們確定的各部分模塊的參數(shù)， 制作出各部 分模塊，并對(duì)其進(jìn)行了調(diào)試確定其各方面性能均能達(dá)標(biāo)。 3.總體測(cè)試 LDC1000檢測(cè)到金屬返回MCUI勺值會(huì)變小，且鎳幣的返回值會(huì)更小，所以 我們依據(jù)這個(gè)原理設(shè)計(jì)了如下兩個(gè)方案。 方案一：判斷是否檢

27、測(cè)到金屬線，檢測(cè)到就前進(jìn)，否則左右掃描，來(lái)判斷 是否轉(zhuǎn)彎，當(dāng)LDC1000返回值到達(dá)最低值說(shuō)明發(fā)現(xiàn)硬幣，控制蜂鳴器發(fā)聲。 方案二：設(shè)定一個(gè)初始方向，檢測(cè)到鐵線就反方向延時(shí)拐彎，這個(gè)延時(shí)需 要現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試確定時(shí)間，然后再反方向拐彎去監(jiān)測(cè)有無(wú)鐵線， 其他方案與方案- 樣。 ［、典型問題舉例 1.電感切割鐵線產(chǎn)生電流 切割磁感線電荷累計(jì)到一定量產(chǎn)生放電影響到 LDC1000的數(shù)據(jù) 傳感器線圈太小無(wú)法大面積感應(yīng)鐵絲 手動(dòng)纏繞線圈，計(jì)算線圈大小比較困難 3. 小車驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向問題 選擇四輪驅(qū)動(dòng)小車還是三輪驅(qū)動(dòng)小車 三、總結(jié)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(biāo)， 但是由于比賽時(shí)間有限， 性能還有待提高，設(shè)計(jì)方案還可以進(jìn)一步擴(kuò)展，這些需要我們以后進(jìn)