信息與通信]基于光電傳感器自動循跡小車設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 位或者拼接成 4路 16位 ,2個 10位 8通道 A/D轉(zhuǎn)換器， 8通道輸入捕捉 /輸出 比較定時器， 2 個異步串行通信接口 SCI,1個同步串行通信接口 SPI,1個 1 Mb/s的 CAN總線模塊，兼容 A/B等等。利用片內(nèi)資源結(jié)合具體模塊的功能要求具體實現(xiàn)技術(shù)路線如下： （ 1)電源管理：核心板最小系統(tǒng)供電、傳感器供電、舵機供電和直流電機供電。要求：（ a) 低壓差，實現(xiàn) ～ 電池到 5V轉(zhuǎn)換；（ b)可提供足夠電流輸出，驅(qū)動發(fā)射光電管，并考慮一定的安全余量；（ c) 考慮芯片散熱的問題，提供熱關(guān)斷、短 路保護和安全操作保護等功能。 （ 2)舵機控制：模塊化模型舵機利用信號輸入端的占 空比不同調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)角，可以通過單片機芯片內(nèi)置 PWM模塊配合編程實現(xiàn)。 （ 3)直流電機驅(qū)動：采用 PWM 驅(qū)動。要求：（ a) 開斷電流能力強，驅(qū)動功率大，質(zhì)量可靠；（ b) 具有過流保護、欠壓保護、熱關(guān)斷的能力，各種功能使用方便。結(jié)合集成功率芯片選擇要求和直流電機運行參數(shù)，選用大功率電機驅(qū)動模塊 ZNCD1043 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 9 電源模塊的設(shè)計 電源是一個智能車系統(tǒng)得以運行的關(guān)鍵及動力所在。根據(jù) “ 硬件設(shè)計最簡 ”的原則，需要完善電源設(shè)計方案。整個智能車的電源是由一塊 2020mAh Nicd蓄電池 提供，為了使 智能車系 統(tǒng)各部件能正常的工作，故需對 2020mAh Nicd蓄電池進行電壓調(diào)節(jié)。其中，中央控制系統(tǒng)（最小系統(tǒng)）、路徑識別的光電傳感器和接收器電路、需要 5V電壓，伺服電機工作電壓范圍 6V根據(jù)多次調(diào)試決定使用 5V電源給供電，直流電機可以使用 2020mAh Nicd蓄電池直接供電。 電源供電部分關(guān)系到整個系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性，由于采用的是鎳鎘電池供電，內(nèi)阻比較大，電機啟動或者突然加速的瞬間，電池輸出的電流很大，電池兩端電壓突然會降低。為了保證單片機和其他模塊工作正常，所以在對電源供電的設(shè)計方面，要求電路工作效率高，輸出電壓穩(wěn)定。而且隨著車子在跑道上跑，隨著電池電量的消耗，電池兩端的電壓也會慢慢降低，這就要求穩(wěn)壓芯片的選取要工作壓差小。本系統(tǒng)所需電壓有 5V、 ，其中 ，可由電池直接提供； 5V 部分為路徑識別模塊，舵機控制模塊，串口通信模塊，單片機最小系統(tǒng)模塊等。 系統(tǒng)電源供電分配 如圖 32 所示： 7 . 2 V 蓄 電 池L D O 低 壓 差 穩(wěn) 壓 芯 片 L M 2 94 0高 效 率 開 關(guān) 電 源 穩(wěn)壓 芯 片 L M 2 5 9 6直 流 電 機單 片 機 最 小 系 統(tǒng) 模 塊 ，串 口 通 信 模 塊 ， 速 度 測量 模 塊 等路 徑 識 別 模 塊 ， 舵機 控 制 模 塊 等 圖 32 系統(tǒng)電源供電分配框圖 5V電源是整個智能車系統(tǒng)電源模塊中電流需求最大的一個部分。要求大電流、低壓差 、低噪聲等特性。在此將根據(jù)各種不同穩(wěn)壓芯片的特性選款符合此智能小車各個模塊的工作要求。 根據(jù)不同的工作原理可將電源分成兩類：線性穩(wěn)壓電源、開關(guān)穩(wěn)壓電源。 線性穩(wěn)壓電源： 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 10 一般的線性穩(wěn)壓電源的輸入電壓與輸出電壓之間的電壓差大，穩(wěn)壓電源內(nèi)部的調(diào)整管上的損耗大，效率低。但近年來開發(fā)出各種低壓差（ LDO）的新型線性穩(wěn)壓器 IC，效率也有較大的提高，線性穩(wěn)壓電源還有一個優(yōu)點就是外圍元件最少、輸出噪聲最小、靜態(tài)電流最小，價格也便宜。 開關(guān)穩(wěn)壓電源： 開關(guān)穩(wěn)壓電源中有一個工作在開關(guān)狀態(tài)的晶體管（一般是 MOSFET），故稱為 開關(guān)電源開關(guān)管工作于飽和導通及截止兩種狀態(tài)，所以開關(guān)管管耗小并且與輸入電壓大小無關(guān)，相對于線性穩(wěn)壓電源一個明顯的優(yōu)點是工作效率高，一般可達80%～ 95%。 穩(wěn)壓芯片選擇： 方案一：普通常用穩(wěn)壓芯片 LM7805。優(yōu)點：價格便宜。缺點：效率低，發(fā)熱量大。壓差大，外部供電要在 5V 方案二：開關(guān)穩(wěn)壓芯片 LM2575/LM2596。優(yōu)點：工作效率高，發(fā)熱量小，輸出電流大，約 3A。工作電壓可以低至 。缺點：外圍電路復(fù)雜，成本高，由于是開關(guān)穩(wěn)壓，穩(wěn)壓后的波紋大。 方案三：低壓差線性穩(wěn)壓芯 片 LM2940。優(yōu)點：低壓差，工作壓差可以小于,在電池兩端的電壓降到 5V的電壓，電壓波紋小，可以給單片機穩(wěn)定的供電。外圍電路簡單，需要的濾波電容小。 經(jīng)過分析，最終決定設(shè)計兩路 5V穩(wěn)壓電路，其中一路采用 LM2940 穩(wěn)壓后獨立為單片機供電，另外一路是為系統(tǒng)其他模塊提供 5V供電，采用了更大的輸出電流的穩(wěn)壓芯片 LM2596。 LM2940 供電電路 LM2940 是一個輸出電壓固定的低壓差三端穩(wěn)壓器；輸出電壓 5V；輸出電流 1A；輸出電流 1A 時，最小輸入輸出電壓差小于 ；最大輸入電壓 26V；工作溫度 40～ +125℃；內(nèi)含靜態(tài)電流降低電路、電流限制、過熱保護、電池反接和反插入保護電路等功能。 其封裝形式有標準的 3 腳直插 TO220 與 3 腳表貼封裝 SOT223 兩種 。 由于穩(wěn)壓芯片 LM2940 是屬于 LDO(低壓差 )線性穩(wěn)壓器，即使電池電壓下降到 5V電壓供給單片機保證單片機能正常的工作，使智能車能正常的行駛，同時 LM2940 輸出的電壓紋波也很小，這樣干擾也大大減小 ，能減少單片機沒必要的復(fù)位， 符合單片機的供電要求。 同時由于 LM2940 也能輸出高達 1A 左右的 電流，故讓此電源同時給串口通信模塊，測速測量模塊等其他模塊給予供電，達到電源的充分利用。 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 11 LM2940 供電電路 如圖 33所示 ： 圖 33 LM2940 供電電路 LM2596 供電電路 LM2596開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出 3A 的驅(qū)動電流，同時具有很好的線性和負載調(diào)節(jié)特性。固定輸出版本有 、 5V、12V，可調(diào)版本可以輸出 ～ 37V 之間的各種電壓。 該器件內(nèi)部集成頻 率補償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為 150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需 4個外接元件，可以使用通用的標準電感，這更優(yōu)化了 LM2596 的使用，極大地簡化了開關(guān)電源電路的設(shè)計。 其封裝形式包括標準的 5腳 TO220 封裝（ DIP）和 5腳 TO263表貼封裝 （ SMD）。 該器件還有其他一些特點：在特定的輸入電壓和輸出負載的條件下，輸出 電壓的誤差可以保證在 177。4%的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在 177。15%的范圍內(nèi)；可以用僅80μ A的待機電流， 實現(xiàn)外部斷電；具有自我保護 電路（一個兩級降頻限流保護和一個在異常情況下斷電的過溫完全保護電路）。 特點 ： ? 、 5V、 12V 的固定電壓輸出和可調(diào)電壓輸出 ? 可調(diào)輸出電壓范圍 ～ 37V177。4% ? 輸出線性好且負載可調(diào)節(jié) ? 輸出電流可高達 3A ? 輸入電壓可高達 40V ? 采用 150KHz的內(nèi)部振蕩頻率，屬于第二代開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，功耗小 ? 低功耗待機模式， IQ的典型值為 80μ A ? TTL 斷電能力 ? 具有過熱保護和限流保護功能 ? 封裝形式： TO220（ T）和 TO263（ S） 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 12 ? 外圍電路簡單，僅需 4個外接元件 ，且使用容易購買的標準電感應(yīng)用 領(lǐng)域 LM2596供電電路 如圖 34所示 ： 圖 34 LM2596供電電路 由于兩排 15 對光電傳感器與舵機的功耗太大，因此電源輸出的電流要足夠大才能滿足這些負載的需求，由于 LM2596 的輸出電流可達 3A 左右，通過大概計算符合我們的設(shè)計要求，故我們選用 LM2596。上圖為 LM2596 輸出的 5V 電源給舵機供電的截圖。 電機驅(qū)動模塊 本設(shè)計 采用 大功率電機驅(qū)動模塊 ZNCD1043 對電機進行驅(qū)動 。 模塊介紹 ZNCD1043 大功率直 流電機驅(qū)動板專為小型大功率直流電動機設(shè)計，具有內(nèi)阻低，驅(qū)動電流大，和發(fā)熱極低等特點， H 橋電路，可使電機四象限運行，驅(qū)動電壓范圍為 ，能明顯提高電動機的加速和制動效果。它內(nèi)部同 MC33886一樣具備各種保護措施，該模塊在驅(qū)動芯片與信號輸入端之間加裝了隔離電路，可有效保護單片機。 如 表 31 所示， 以下為 ZNCD1043 的具體參數(shù) 。 表 31 ZNCD1043 電機驅(qū)動模塊具體參數(shù) 通態(tài)內(nèi) 阻 16 毫歐 驅(qū)動電 流 043 安培 工作電 壓 工作頻 率 025Khz 驅(qū)動類 型 MOSFET 板卡尺 寸 * 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 13 使用說明 (1)引腳說明 （ a） ZNCD1043的功率接口如圖 35所示 ： 圖 35 ZNCD1043的功率接口 其中電源正接 DCIN，電源負接 GND，電源電壓不得超過 10V；電機兩端接 OUT1 和 OUT2，電機的正反轉(zhuǎn)與 PWM 輸入相對應(yīng)，該模塊在 OUT1，OUT2 安裝有諧波吸收電容。 （ b） ZNCD1043 的信號接口如圖 36所示 ： 圖 36 ZNCD1043 的信號接口 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 14 其中 IN1,IN2 為 PWM 信號輸入端， IN1 對應(yīng) OUT1,IN2 對應(yīng) OUT2； +5V 和 GND 之間要加 5V 電源以給板上隔離電路供電。 EE1,EE2 為模塊過流或短路報錯輸出信號， 可不接。 上圖左側(cè) EN 為使能設(shè)置跳線，將 電阻焊至上側(cè)帶圓點處為默認使能，焊至下側(cè)則為默認不使能，上圖右側(cè) EN 為單片機控制使能輸入引腳，單片機輸出高電平則模塊使能，輸出低電平則不能使用。 (2)安裝步驟 首先用信號線將模塊信號輸入端子與 5V 電源與單片機 PWM 輸出引腳接好，其次將電池和電機接線插入功率 接口并用螺絲刀旋緊，注意電池與電池引線線徑要足夠粗以保證大電流順利通過，最后輸出相應(yīng) PWM 信號即可驅(qū)動電機。板上有四個 3mm 標準螺絲孔，可以方便的安裝在平臺或地盤上，注意安裝時保證板背面良好的絕緣性和散熱性。 電壓電流測試結(jié)果 (1)啟動波形，電源電壓： 8V，負載：純阻性 10 歐姆，以下是波形，其中黃線為電壓波形，紫色為電流波形如下圖： 圖 37 ZNCD1043 啟動時的電壓電流波形 (2) 短路波形，電源電壓： 8V，負載阻抗 歐姆，以下是波形，其中黃線為 負載電壓波形，紫色為負載電流波形，藍色為報錯輸出波形，可以看到模塊短路情況下開始周期的關(guān)斷輸出以防止模塊過熱燒壞，并且在報錯輸出引腳輸出 高電平 。 ZNCD1043 短路時的電壓電流波形 如圖 38 所示： 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 15 圖 38 ZNCD1043 短路時的電壓電流波形 舵機控制模塊 舵機主要是用來控制智能車的運動方向，通過調(diào)節(jié)小車前輪轉(zhuǎn)動的角度來改變小車運動方向的。 智能車的角度控制是通過單片機輸出 PWM 信號對舵機進行控制的，舵機內(nèi)部有一個基準電路， 能產(chǎn)生周期為 20ms，寬度為 的基準信號，當 PWM 信號輸入到舵機時，舵機內(nèi)部產(chǎn)生一個直流偏置電壓，此電壓與電位器的電壓比較，將獲得電壓差輸出，最后，電壓差的正負輸出到電機驅(qū)動芯片決定舵機的正反轉(zhuǎn)。因此，當單片機輸出一定占空比的 PWM 光電 時，舵機就會轉(zhuǎn)動一定的角度。 舵機的轉(zhuǎn)角與 PWM 脈寬的關(guān)系 如圖 39所示： 1 1 0 0 1 5 0 0 1 9 0 0—45 +45脈 寬 — 轉(zhuǎn) 角 （ + 順 時 針 方 向 ）脈 寬 / u s e c轉(zhuǎn) 角 / （ 度 ） 圖 39 舵機轉(zhuǎn)角與 PWM 脈寬的關(guān)系 江西理工大學 2020屆本科生 畢業(yè)設(shè)計 16 路徑識別模塊 路徑識別模塊是智能車系統(tǒng)的關(guān)鍵模塊之一，路徑識別 方案的好壞，直接關(guān)系到最終性能的優(yōu)劣。我們組選擇的是光電組。傳感器的收發(fā)距離對于車子的前瞻性有著直接的影響。參考過往屆光電組的設(shè)計報告，發(fā)覺大多數(shù)采用的傳感器都是紅外傳感器，說明相對于