智能循跡小車(chē)

2016 年 TI 杯大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽自動(dòng)循跡小車(chē)（C題）摘要本次設(shè)計(jì)的智能循跡小車(chē)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(chē)的行 進(jìn)速度，并實(shí)時(shí)控制小車(chē)的行進(jìn)狀態(tài)。另外，在小車(chē)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(chē)各個(gè)監(jiān)測(cè)傳感器的狀態(tài)機(jī)小車(chē)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(chē)， 整個(gè)任務(wù)過(guò)程無(wú)需人工的任何干預(yù)， 故而沒(méi)有進(jìn)行鍵 盤(pán)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)和算法的緊密配合來(lái)保證 小車(chē)的順暢完成任務(wù)。報(bào)告是以小車(chē)的總體設(shè)計(jì)為主要線(xiàn)索，包括小車(chē)的設(shè)計(jì)分析及發(fā)案論證、小車(chē)的軟件設(shè)計(jì)、小車(chē)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(chē)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(chē) 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(chē)設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)流程， 第五章敘述了我們?cè)谠O(shè)計(jì)過(guò) 程中遇到的問(wèn)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 msp430f5529 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 car, 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 whole 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 the 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 chapters 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 four 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?lè)较蜓E前進(jìn)。 跑道的標(biāo)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)11X1314LDClOOCgpwm 出液晶昴示1602蜂鳴器(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(hù)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)需要作出相應(yīng)的加速、減速、轉(zhuǎn)彎、停車(chē)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(chē)主體設(shè)計(jì)方案_按照大賽要求，車(chē)體投影不超過(guò) A4紙大小，并且小車(chē)自動(dòng)運(yùn)行后，不得有任 何人工干預(yù)小車(chē)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(chē)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(chē)身長(zhǎng)度只有四輪 車(chē)的2/3，車(chē)身更加輕盈，這樣方便小車(chē)進(jìn)行拐彎，但是穩(wěn)定性較弱。2）四輪小車(chē)前后底部都使用常規(guī)兩輪，車(chē)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?xún)r(jià)比和方便使用，最后我們選擇了三輪小車(chē)作為小車(chē)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) LDC1000LDC100(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(xiàn)圈或者自制線(xiàn) 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(xiàn)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(chē)的位置及速度信息。2) Led 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(xiàn)，但是功耗大占用 IO 口過(guò)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(chē)專(zhuān)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(chē)重量本身并不大，而且 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(chē)專(zhuān)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。IwGNDJlDCLKMT 卜Jsdi00卜十口GtoLI IlDCWOO I二山hUam* FjnrfiseuU二山hUam* Fjnrfiseuu15*WM1AW1Gnd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(chē)硬件設(shè)計(jì)，、機(jī)械設(shè)計(jì)1.小車(chē)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(chē)傳感器位置排布小車(chē)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(chē)能夠圓滿(mǎn)。完成任務(wù)的基本保證，經(jīng)過(guò)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， 在車(chē)輪內(nèi)加入黑白相間的碼 盤(pán)，將車(chē)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(chē)骨架設(shè)計(jì)于小車(chē)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(kāi)發(fā)的產(chǎn)品。經(jīng)過(guò)各種材質(zhì)的對(duì)比, 亞克力板可以作為車(chē)板的材質(zhì)，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(chē)的電機(jī)方與電感線(xiàn)圈便把驅(qū)動(dòng)線(xiàn)給連至U 單片機(jī)上，對(duì)車(chē)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 MCUARM控制可以方便的擔(dān)制直涼電機(jī)途度和方荷.也可以控制2相步進(jìn)電札5線(xiàn)4相步進(jìn)電機(jī).是智能小車(chē)必備利臥tttBffn分甥為X GXD 11 1X212 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12 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 AEM *電機(jī)2 F V1 入sttHM步時(shí)、 電機(jī)口二 r r *w1，fld四組信弓信統(tǒng) TI入片機(jī)eie iiie ei eiocaBL、V y/ /f / ) X * 、AM!血詢(xún)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)?lt;LAOC口砂鳧入電池充電2.LDC1000LDC1000由SPI通訊 MCU.需要連接控制口 .電路如下VIf-,gS 口SCLk CSB-L 1SOI 3rBivisSDOEXibLDCFA PADINTO XDUT TIM-LA rin*VW I GMDMBINAIfe KTL 工 "TTloclic叮10Cfr 北世 IiufLDCIMIOXH2-M-2 HaJGisgVCC厶MTIrsBi 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(chē)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。LCD16021 n4.蜂鳴器蜂鳴器用于小車(chē)位置指示，用三極管驅(qū)動(dòng)，由單片機(jī)口控制，小車(chē)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(chē)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(chē)1萬(wàn)向輪1小馬達(dá)2車(chē)輪2杜邦線(xiàn)若十電池1f5529單片機(jī)1LDC10001線(xiàn)圈1蜂鳴器1電機(jī)控制板11602液晶1第三章：智能循跡小車(chē)軟件設(shè)計(jì)、主函數(shù)流程圖主函數(shù)液曙化_ PWM初始化傳感器機(jī)始化J初始 $電感值O4始化定時(shí)器扁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(kāi)發(fā)與調(diào)試在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，我們按照總一一分一一總的總體思想來(lái)展開(kāi)的， 整個(gè)開(kāi) 發(fā)過(guò)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(chē)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(wèn)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）確定小車(chē)的開(kāi)發(fā)流程，規(guī)劃小車(chē)的開(kāi)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(zhuān)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：判斷是否檢測(cè)到金屬線(xiàn)，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(xiàn)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(xiàn)， 其他方案與方案- 樣。、典型問(wèn)題舉例1.電感切割鐵線(xiàn)產(chǎn)生電流切割磁感線(xiàn)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(xiàn)圈太小無(wú)法大面積感應(yīng)鐵絲手動(dòng)纏繞線(xiàn)圈，計(jì)算線(xiàn)圈大小比較困難3. 小車(chē)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向問(wèn)題選擇四輪驅(qū)動(dòng)小車(chē)還是三輪驅(qū)動(dòng)小車(chē)三、總結(jié)與展望小車(chē)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)