智能小车V2.0实训指导书.docx

智能小车实训指导书 武汉莱斯特电子科技有限公司致力于为电工电子竞赛、实训提供一站式服务智能小车实训指导书版本：Ver 2.0武汉莱斯特电子科技有限公司2013-2-1 目录第一部分 产品简介31主控IC32电路结构（电路原理图见附录）42.1电源模块42.2循迹模块42.3避障模块52.4测速模块52.5遥控模块52.6电机驱动模块62.7显示模块62.8模式选择模块63产品使用说明7第二部分 电路设计及组装81电源模块电路设计及装配（小车整体元件清单见附录2）82循迹模块电路设计及装配83避障模块电路设计及装配104测速模块电路设计及装配105遥控模块电路设计及装配126显示模块电路设计及装配137模式选择模块电路设计及装配148电机驱动模块电路设计及装配159主控IC模块电路设计及装配1510小车其他器件设计及装配16附录1 小车主板整理原理图20附录2 小车遥控器原理图20附录3 小车元件清单21第一部分 产品简介1 主控IC主控IC为STC89C52单片机，采用LQFP封装。此款单片机为STC公司推出的高速/低功耗/超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择；工作电压为3.3V5.5V，工作频率为040MHZ；8K程序存储器，512字节SRAM，具有内部看门狗功能；35个通用I/O口，8个中断源。设计有程序下载接口P2，可通过此接口进行程序下载。图1为主控IC部分引脚功能图 图1 2 电路结构（电路原理图见附录）2.1 电源模块本小车设计有两个电源输入端口，P30和P31，P30用于接电池盒的9V电源，P31用于外接9V电源，任选其中一个输入直流9V电源即可。电机驱动电路直接采用9V电源，其他模块均采用5V电源。注意：因P30和P31为直连，当外接9V电源时必须将电池取下，否则外部电源会对电池充电，普通电池禁止充电！充电电池也不能采取此种方法充电！电源模块配有L7805，用于将9V转换为5V。L7805为美国国家半导体公司推出的电流输出降压开关型集成稳压电路，具有完善的保护电路（电流限制及热关断电路）。只需极少的外围器件便可构成高效稳压电路，输出端电压稳定，纹波小。因电机驱动电流较大，若与其他控制电路共用5V电源则极易对其他电路产生干扰，且采用5V电源时电机转速较慢，所以本小车通过L7805将电机驱动电源与其他电路电源分开，并加入电容滤波，能大大降低电机大电流对5V电源的干扰。在电源电路中加入了1N5819二极管，防止电源接反。1N5819为肖特基二极管，正向管压降为0.3V左右，最大正向电流为1A，能满足设计要求，而普通的1N4007二极管正向管压降为0.7V左右。考虑当使用电池供电时，电压值下降较快，故采用1N5819二极管。1N5819二极管还用在了小车遥控器中，将在后文的遥控器章节中做进一步介绍。2.2 循迹模块循迹电路采用了反射式红外光电传感器，传感器内部由高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，红外发射管发出的红外光照射到物体上时根据颜色的不同会产生不同程度的反射，物体为白色时反射最强，为黑色时反射最弱，反射光照到光电晶体管，光电晶体管接收到不同强度的红外光会表现为不同阻值的电阻。通过改变发射管串联电阻可改变传感器检测距离，即原理图中的R63、R68、R73。本小车默认配置为360欧姆。本电路通过集成运放构成比较器，传感器输出的电压与门限电压进行比较，从而使比较器输出高电平或低电平给单片机判断。循迹电路配有电源开关S7，当不使用循迹功能时可关闭开关以节约电量。2.3 避障模块本电路采用了集成运放LM741和音频锁相环LM567。由LM567的内部振荡器提供方波信号，通过三极管使红外发射管发出一定频率的红外光，有障碍物时，红外光反射到红外接收管，接收管收到红外光后阻值变化，经电阻分压后表现为电压信号，此电压信号通过LM741进行放大，送到LM567进行判断，若此信号频率与LM567的方波信号频率相同，则8脚输出低电位，LED灯点亮，此电位信号送给单片机判断。LM567的方波信号频率由5脚和6脚所接的电阻电容值决定，本小车设计有电位器RP2、RP5、RP8，可通过调节电位器来改变方波频率。实际中，必须要使3个LM567的方波频率不同，以免相互干扰。具体频率可用示波器查看LM567的5脚。通过更改红外发射管串联的电阻可改变发射功率，即改变了检测距离。本小车中可改变RP1、RP4、RP7来改变相应的检测距离。信号除了可用LM741放大外，还可用三极管放大电路进行放大，通过改变跳线帽P1的位置，可在集成运放与单管放大之间切换。单管放大电路三极管的发射极配有两种阻值的电阻，可用拨动开关进行切换，默认配置为100欧和47欧，阻值不同则放大倍数不同，这两种阻值均能满足放大要求。读者可自行更改阻值，观察效果。避障电路配有电源开关S8，当不使用避障功能时可关闭开关以节约电量。2.4 测速模块测速电路与循迹电路原理相同，只是红外传感器不同，测速用的是直射式红外光电传感器，车轮上的码盘在转动过程中时传感器的电位不停变换，调节门限电压使比较器也输出不停变换的高低电平。此高低电平送单片机进行计数，以计算速度。测速电路中为减少计数干扰，加入了一个101电容。2.5 遥控模块小车配有红外遥控器，遥控器上采用PT2262-IR进行红外发射，小车采用PT2272-M4进行红外接收。设计有四路遥控：前进、后退、左转、右转。当按下相应遥控按钮后，若小车收到红外信号则指示灯LED38会点亮，PT2272上相应数据脚会置高，单片机通过不同管脚的高低电位进行动作判断为增加遥控距离，遥控器上用了两个红外发射管以增大发射功率，小车上也用了两个红外一体化接收头，摆放为不同方向以增强接收能力。实际中，可将红外一体化接收头向上仰60度左右，接收效果会更好。2.6 电机驱动模块电机驱动采用H桥式电路，单片机信号通过P521光耦隔离开关对驱动电路进行控制，可使两个电机正反转。因电机电流较大，小功率三极管容易烧坏，故桥式电路中采用了中功率三级管B772和D882。电机的转动会带来干扰，这对于整个系统的稳定是一个非常大的威胁，本小车中设计了多种减少干扰的方法，具体有：1. 在电机两级间加电容。每个电机的两级用两个102电容串联，具体为C36、C37、C55、C56。2. 分别在电机的两级与电机外壳上跨接104电容。这个电容没有在PCB板上体现出来，需要读者在电机上作业。3. 将电机外壳通过104电容接地。PCB板上有C58和C59，这两个电容的一端已接地，另一端空置，读者需要用电线将空置的一端与电机外壳短接。上述方法已很好的减少了电机干扰，保证了系统的稳定性。当然，读者也可自行探索其他的更好的抗干扰方法。2.7 显示模块本小车将测得的速度用数码管显示出来，单位为m/s。同时设计有方向灯，小车向某一方向移动时，相应方向灯会点亮。共阳数码管及LED方向灯采用两个移位寄存器74HC595级联，单片机通过三根数据线进行控制。改变R1R4的阻值可改变方向灯的亮度，改变R5R8的阻值可改变数码管的亮度。默认配置分别为360欧和4.7欧。读者若不满意亮度可自行修改相应阻值，阻值越小亮度越大。但是R1R4尽量不要低于100欧，R5R8最低可为0欧。2.8 模式选择模块此小车设计的循迹，避障，遥控三种功能相互独立，可通过改变拨码开关S2切换不同的功能。同时设计有高速和低速两种模式，也可通过拨码开关S2进行切换。拨码开关上标有“1234”四位，第123位组成8421码进行功能选择，低位在前，高位在后。第4位为速度选择位，为“ON”时则高速，为“OFF”时则低速。第123位具体设置方法见下表：功能第1位第2位第3位循迹OFFOFFOFF避障ONOFFOFF遥控OFFONOFF注意：开机状态下改动拨码开关后，必须按一下复位按键或者重启电源，改动才会生效。这三种模式下，测速功能均存在。当小车不属于这三种模式的任一模式时，小车不会动作。3 产品使用说明图2为小车整体实物图。 图2接入电源后，设置S2选择所需的模式和速度，打开电源开关S30，小车即按照设置的模式运行。当为循迹模式时，还需打开循迹模块电源开关S7，相应指示灯LED37点亮。当小车没有接触到黑线时，小车不动作。当中间的传感器对准黑色，两边的传感器对准白色时，小车开始前进，数码管显示速度，单位m/s，方向灯显示方向。当左边传感器检测到黑色时，左轮停止，小车右拐；当右边传感器检测到黑色时，右轮停止，小车左拐。当黑线结束，三路都为白色时，小车运行一段时间即自动停止。当为避障模式时，还需打开避障模块电源开关S8。当左中右三路都无障碍时，小车前进，当右路检测到障碍时，小车后退一段距离后左拐；当其他路检测到障碍物时，小车后退一段距离后右拐。数码管显示速度，单位m/s，方向灯显示方向。当为遥控模式时，不按遥控按键，小车静止；按下相应按键小车往相应方向运动；放开按键小车停止。数码管显示速度，单位m/s，方向灯显示方向。第二部分 电路设计及组装1 电源模块电路设计及装配（小车整体元件清单见附录2）图3为电源模块电路原理图 图3安装步骤：1) 对照原理图及元件清单找出并核对元件数量、封装，并用万用表粗略检测元件质量。2) 按照先低后高、先细后粗的顺序将元件一一焊接到PCB板相应位置。3) 用万用表检测，确认电源VCC和GND没有短路。4) 上电，观察电路有无表面异常，用万用表检测电压是否正确。2 循迹模块电路设计及装配图4为循迹模块电路原理图安装步骤：1) 对照原理图及元件清单找出并核对元件数量、封装，并用万用表粗略检测元件质量。2) 按照先低后高、先细后粗的顺序将元件一一焊接到PCB板相应位置。3) 将电源打开，分别用黑白纸靠近每一路光电传感器，用万用表分别检测 图4T1、T2、T4的电平变化。正常情况下，光电传感器在对准黑色和白色时T点的电位差不低于3V。4) 分别调节RP10、RP11、RP12，让比较器有合适的门限电压，使传感器对准黑线和白纸时比较器的输出端有灵敏的变化。（建议门限电压调节为1.7V左右，读者也可根据不同情况尝试不同的门限电压）。注意：焊接红外光电传感器时，不要将传感器的4个引脚剪短。焊接后，使传感器尽量多的靠近地面。一般情况下，传感器离地3cm以内均能准确的检测出黑色和白色 3 避障模块电路设计及装配图5为避障模块电路原理图，因图片较大，本节只剪贴右路避障电路，中路和左路避障电路结构与右路避障相同。 图5安装步骤：1) 对照原理图及元件清单找出并核对元件数量、封装，并用万用表粗略检测元件质量。2) 按照先低后高、先细后粗的顺序将元件一一焊接到PCB板相应位置。3) 将电源打开，将P1跳线为集成运放，用白纸遮挡红外发射管，改变白纸与红外发射管的距离，观察相应LED指示灯是否点亮。（指示灯亮表示检测到障碍物）。4) 将P1跳线为单管放大，用白纸观察避障效果。 5) 调节RP2，用示波器观察LM567的5脚信号频率是否发生改变。6) 调节RP1，用白纸检查电路检测障碍物的距离是否变化。7) 依次调节另两路的电位器，使三路红外的发射频率不相同，将三路障碍物检测距离调节到合适的参数。4 测速模块电路设计及装配图6为测速模块电路原理图。 图6图7为测速光电管安装实物图。 图7安装步骤：1) 对照原理图及元件清单找出并核对元件数量、封装，并用万用表粗略检测元件质量。2) 按照先低后高、先细后粗的顺序将元件一一焊接到PCB板相应位置。3) 将测速光电管按图7所示安装，注意发射和接收引脚的位置，确认无误后将引脚焊接在PCB板上。4) 将电源打开，用码盘在光电传感器的槽内摆动，用万用表检测T3的电平变化。正常情况下，光电传感器在遮挡和不遮挡时T点的电位差不低于3V。5) 调节RP13，让比较器有合适的门限电压，使传感器在遮挡和不遮挡时比较器的输出端有灵敏的变化。5 遥控模块电路设计及装配图8为遥控器的电路原理图 图8图9为小车上的遥控接收电路原理图 图9安装步骤：1) 对照原理图及元件清单找出并核对元件数量、封装，并用万用表粗略检测元件质量。2) 按照先低后高、先细后粗的顺序将元件一一焊接到PCB板相应位置。3) 按下遥控器的按键，用手机摄像头观察红外管是否发射红外线，将红外管对准一体化接收头，观察指示灯LED38是否点亮，点亮则表明有红外已被接收处理。4) 按下遥控按键时，用万用表检测PT2262-IR和PT2272的数据脚电位是否一致。当遥控器电压低于3.2V时，有可能按下遥控器的任意按键，PT2272的四个数据脚都置高，应避免此种情况发生。6 显示模块电路设计及装配图10为显示模块电路原理图 图10安装步骤：1) 对照原理图及元件清单找出并核对元件数量、封装，并用万用表粗略检测元件质量。2) 按照先低后高、先细后粗的顺序将元件一一焊接到PCB板相应位置。7 模式选择模块电路设计及装配图11为模式选择模块电路原理图 图11安装步骤：1) 对照原理图及元件清单找出并核对元件数量、封装，并用万用表粗略检测元件质量。2) 按照先低后高、先细后粗的顺序将元件一一焊接到PCB板相应位置。8 电机驱动模块电路设计及装配图12为电机驱动模块电路原理图，因图片较大，本节只剪贴B1电机电路，B2电机电路结构与B1相同。 图12安装步骤：1) 对照原理图及元件清单找出并核对元件数量、封装，并用万用表粗略检测元件质量。2) 按照先低后高、先细后粗的顺序将元件一一焊接到PCB板相应位置。3) 接通电源，将光耦开关OP1接P03的一端接地，用万用表检测B1两端的电压是否为9V左右。将OP2接P02的一端接地，用万用表检测B1两端电压是否为9V左右，且极性相反。4) 用相同的方法检测另一路电机电路是否正常。注意：安装完毕后，实际测试时，若发现电机转动方向不正确，可将电机的两根电源线互换，则电机的转动方向也会变换。9 主控IC模块电路设计及装配图13为主控单片机电路原理图 图13安装步骤：1) 对照原理图及元件清单找出并核对元件数量、封装，并用万用表粗略检测元件质量。2) 按照先低后高、先细后粗的顺序将元件一一焊接到PCB板相应位置。10 小车其他器件设计及装配其他器件包括电机、车轮、码盘、电机固定架、电池盒、万向轮等。图14为小车背面整体效果图，由图可看出整体的装配结构。 图14注意：小车在运动过程中，可能由于重心偏移或两个电机性能差异而使小车不能直线行驶，本小车的电池固定孔设计为两个槽式孔，可根据实际情况调整电池盒的位置，让小车重心尽量平衡，使小车趋近于直线行驶。图15为电机单元装配实物图，可照图装配。 图15图16重点突出了电容的接法，读者可按此法焊接电容，以减小电机干扰。 图16附录1 小车主板整体原理图 图17附录2 小车遥控器原理图 图18附录3 小车元件清单名称标号封装数量直流电机（带减速齿轮)个2车轮个2固定 支架套2测速码盘个1万向轮个1104 瓷片电容C10, C13, C14, C19, C22, C23, C28, C31, C32, C40，C51，C1, C2, C3, C4，C58，C59直插21103 瓷片电容C11, C20, C29直插3102 瓷片电容C36，C37，C55，C56直插4101 瓷片电容C57直插1105 独石电容C12, C21, C30直插330PF 瓷片电容C38,C39直插210UF 电解电容C15, C16, C24, C25, C33, C34，C8, C9, C18, C27直插1047UF 电解电容C17, C26, C35直插322UF 电解电容C40，C50,C53直插2220UF 电解电容C52直插11N4148 二极管D1, D2, D3, D4, D5, D6, D7, D8直插8红色LEDD20, LED1, LED2, LED3, LED4, LED5, LED6, LED7, LED8, LED9, LED10, LED11, LED12, LED13, LED14, LED15, LED16, LED17, LED18, LED19, LED20, LED21, LED22, LED23, LED24, LED25, LED26, LED27, LED28, LED29, LED30, LED31, LED32, LED33, LED35, LED36, LED37, LED38LED_#3直插381N5819 二极管D30直插1红外发射管F1, F3, F5直插3红外接收管F2, F4, F6直插3P521 光耦开关OP1, OP2, OP3, OP4直插4单排插针3pinP1，P2直插2跳线帽12pin端子，3.96mmP30, P31，B1，B2直插49014 三极管Q1, Q3, Q5直插38050Q2, Q4, Q6, Q23直插48550Q7, Q13, Q15, Q21直插49013Q8, Q14, Q17, Q22直插4B772 三极管Q9, Q11, Q16, Q18直插4D882 三极管Q10, Q12, Q19, Q20直插4560R 电阻 R83, R98, R99, R115,R78,直插510KR17, R18, R19, R20, R36, R50, R65, R70, R79, R84, R85, R86, R88, R92, R95,R126, R96, R97, R100, R101, R102, R104, R108, R112, R113, R114, R116, R119, R120，R22, R74直插31100KR25, R37, R39, R51, R53,R23直插6100RR21, R31, R46, R60, R66, R75, R76, R81080584.7KR28，R135, R136, R137, R117,R42, R56, R87, R94, R103, R110, R12108051215KR29, R33, R43, R45, R57, R580805647RR32, R47, R61080531KR38, R40, R52, R54, R122, R123, R12