华中科技大学电信系智能循迹小车硬件课设报告

1、硬件类实验报告项目名称：智能汽车控制系统设计制造智能电动小车摘要： Basys2 板是一个电路设计和实现平台，任何人都可以使用它来获得构建真实数字电路的经验，Basys2 板提供了完整的、即用型的硬件，适用于托管从基本逻辑设备到复杂控制电路的所有内容。设备。 A 包含大量板载 I/O 设备和所有必要的 FPGA 支持电路，因此无需任何额外组件即可创建无数设计。该方案基于大赛组委会提供的BASYS2技术平台，采用Xilinx的FPGA芯片实现对智能智能汽车的控制功能。该任务语句系统以FPGA电路为控制核心，利用红外传感器检测路标，自动沿一定轨迹运动，并显示运动速度。关键词： FPGA ；红外检测

2、；电动智能车目录1 .概述52 .设计目标62.1项目目的 . . 62.2项目说明 . 62.3 任务要求 62.4 任务分工 . 6三、方案设计与论证73.1车身设计方案73.2模块设计方案 7四、系统设计与实现 94.1跟踪模块的设计94.2电源模块设计15五、实验题与结论 165.1 问题 . 165.2 试验总结 18一、概述智能作为现代的一项新发明，是未来科技的发展方向。所谓智能化，是指无需人工管理，即可在环境中按照预设模式自动运行的产品。可用于科学探索、危险情况下的无人操作等。本课程设计的智能电动车就是其中之一。本次设计的简易智能小车可以在12v移动电源下工作，实现一些基本的跟踪

3、、避障、寻光功能。具体而言，利用红外发射-接收管检测黑线运动线路，使小车在指定时间沿黑线显示的指定路径控制，准确到达目的地，不能偏离轨道。追踪;如果不使用跟踪轨道，小车可以在自由移动的过程中避开障碍物；此外，寻光模块设计有光敏电阻，使汽车在黑暗环境下也能驶向有光源的地方。本设计的主要控制是FPGA （ BASYS2为FPGA芯片提供了其外围电路，包括时钟、 ROM 、 LED二极管、开关、按钮、 7段显示器和16个I/O端口等）。设计中FPGA的开发环境采用ISE开发软件， FPGA的逻辑功能用VerilogHDL描述。智能小车的电机为直流减速电机，驱动电路模块主要采用L298 ，车前装有探测

4、运动路线的红外接收管和避障超声波发生器，寻光模块位于汽车前部上方。提供路线。除电机外的所有电路均提供5v直流电压，具体实现可由7805稳压器完成。总之，设计结构比较简单，容易实现，在一定程度上实现了智能化和自动化。2. 设计目标2.1 项目目的：硬件课程设计是华中科技大学电子与信息工程系本科生必修的实践教学环节。硬件课程设计的目的是使学生从选题、方案论证、电路设计、电路实现、装配调试、系统测试、总结报告等，系统地完成电子系统设计的基本过程，分析和理解理论熟悉数字逻辑电路、通信电子电路、微机原理等相关课程。引导学生将原理分析与工程设计实施相结合，掌握实用电子与通信系统设计的基本方法和通则，提高综

5、合运用所学理论知识的能力，培养学生的创新思维和实践能力。学习打下坚实的基础。2.2 项目说明：本项目需要设计并实现一个智能汽车自动控制系统，该系统可以根据外部传感器的输入信息自动沿着一定的轨迹运动。2.3 任务要求：2.3.1基本要求（1）各电路模块需自行设计完成，机械模块可外购；(2)利用对管的红外发射和接收，可以检测黑白线；(3) 可以控制两轮驱动汽车的自由移动；(4) 可控制小车在规定时间内沿直线和圆弧轨迹运动到停止，不能偏离轨道。2.3.2发挥作用(1)小车离开运动轨道后，可根据光源的指令向光源移动；（2）如果在运动路线上设置障碍物，小车可以避开障碍物，继续朝着光源前进；(3)提高小车

6、的运行速度；(4) 小车运行速度实时显示。2.4 任务分工该团队由三名学生组成，分别是： 交流*班U2010 *# , 通讯# U201 类# , 交流 1 # U20201 类#任务分工如下： # ：主要负责FPGA芯片的逻辑功能描述（VerilogHDL软件的设计）和自动寻光模块的设计。 # ：电机驱动模块和超声波设备等硬件设备的设计、制造和调试。 # : 红外探测装置的设计涉及到系统主要模块的生产和调试。三、方案设计与论证3.1 车身设计方案选项一：采用后轮直流电机驱动+前轮舵机转向，这台车的优点是可以获得很大的车速。由于转向采用的是舵机，缺点是必须有一定的转角才能转弯。选项二：采用直流

7、电机+万向轮的方式。这种车的优点是不需要拐弯，可以原地转弯。二是可以精确控制汽车的行驶路线。缺点是无法获得较大的速度。考虑到汽车的行驶空间有限，第一种方案很难转弯，所以选择第二种方案。3.2 模块设计方案根据设计任务的基本要求，并根据我们自己的需要确定附加功能，电路的整体框图可以分为以下几个基本模块，框图如下：由于我这次主要负责电源部分和红外检测部分，下面主要分析一下我在设计这两个模块时的思路。3.2.1跟踪模块选项一：采用简单的光电传感器结合外围电路进行检测，但实际效果并不理想。在使用过程中很容易出现问题，而且很容易因为这个组件而导致整个系统的不稳定。所以这个方案最终没有被采纳。选项二：采用

8、红外线对管（ST188），置于车身前下方。根据光电开关接收到白线和黑线的情况，控制汽车转向，调整汽车的方向。测试表明，只要正确安装光电开关，就可以很好地实现跟踪功能。相比之下，我选择第二种方案来实现跟踪。3.2.2电源模块选项一：使用实验室有线电源通过稳压芯片供电，优点是可以稳定提供5V电压，但占用资源过多。选项二：它由4节1.5V电池供电，7805的输出端通过连接输出5V电压，1.5A但是6V的电流太小，不能同时给单片机和电机供电。第三种解决方案：使用8节1.5V电池和双电源分别给单片机和电机供电，可以解决方案二的问题，让汽车完成其功能。因此，我选择了方案三来实现供电。4. 系统设计与实现4

9、.1 跟踪模块设计4.1.1检测路面黑线的基本原理：光线照射在路面上并反射。由于黑线和白纸的反射系数不同，所以可以根据接收到的反射光的强度来判断黑线。本模块主要使用ST188作为红外传感器。 ST188为四口元件，包括红外发射管和红外接收管。其中AK为红外发射管，C_E为红外接收管。它的检测距离可以调整到大圆周， 4mm 13mm。它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，采用非接触检测方式。该传感器能够满足系统设计要求中的跟踪功能要求。ST188 的简化模型如左图所示。当没有物体反射红外线时，ce截止，没有电流流过，输出电压为电源电压，高电平。当物体反射红外线时，be饱和，ce导

10、通，输出端相当于接地。输出电压低。另外，由于该电路在检测过程中会产生较大的死区电压，我们可以适当增加一个电压比较器作为辅助电路。测量灵敏度。有各种类型的比较器。对它，识别准确，反应灵敏，动作迅速，抗干扰能力强，并采取一定的保护措施，防止器件因过压或过流而损坏。比较器具有以下特点： = 1 * GB2 工作在开环或正反馈状态。为了在放大器和运算电路中实现稳定的性能并满足一定的精度要求，这些电路中的运放都引入了深度负反馈；并且为了提高比较器的响应速度和灵敏度，它使用的运放不仅不引入负反馈，有时甚至是正反馈。因此，比较器的性能分析方法不同于放大和运算电路。 = 2 * GB2 非线性。由于比较器中的

11、运放处于开环或正反馈状态，其两个输入端的电位差与开环电压放大的乘积通常会超过最大输出电压，导致部分管子进入饱和区或截止。因此，在大多数情况下，输出和输入都不是线性的，即放大和运算等电路中常用的计算方法不再适用于比较器。 = 3 * GB2 开关特性。比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此相当于一个输入信号控制的开关。当输入电压超过阈值时，开关动作使输出从一个电平跳到另一个电平。平坦的。由于比较器的输入信号是模拟量，其输出电平是离散的，所以电压比较器可以作为模拟电路和数字电路之间的过渡电路。由于比较器的上述特性，既不能像放大电路那样计算放大倍数，也不能像分析运算电路那样求解输出与输

12、入的函数关系，而应重点把握比较器的输出。比较器从一个电气转换到另一个电平的临界条件对应的输入电压值（阈值）来分析输入量和输出量之间的关系。如果一个理想阶跃信号加到比较器的输入端，那么比较器的输出也应该是理想条件下的理想阶跃电压，并且没有延迟。但实际集成运放的最大压摆率总是有限的，因此比较器输出电压的跃迁不可能是理想的阶跃信号。电压比较器的输出从低电平变为高电平所需的时间称为响应时间。响应时间越短，响应时间越快。减少比较器响应时间的主要方法有：(1)使输入信号尽可能接近理想情况，使阈值附近的变化接近理想阶跃，幅度足够大。(2)选择集成电压比较器。本模块主要使用LM234电压比较器。通过它测量反射

13、光强度，并将测量结果致给控制模块，判断路况。LM324是四运放集成电路，采用14脚双列直插塑封，引脚排列如左图。其部分包含四组相同形式的运算放大器。除共用电源外，四组运算放大器相互独立。每组运算放大器可用左图所示符号表示。它有5个引脚，其中“+”和“-”为两个信号输入端，“V+”和“V-”为正负电源。端子，“Vo”为输出端子。两个信号输入端中，Vi-(-)为反相输入端，表示运放输出端Vo的信号与输入端的相位相反； Vi+（+）为同相输入端，即运放输出端Vo处的信号。与此输入相同的相位。电压比较器可以被认为是放大率接近“无穷大”的运算放大器。当去掉运放的反馈电阻，或者反馈电阻趋于无穷大（即开环状

14、态）时，理论上认为运放的开环放大倍数也是无穷大（实际上非常大，如LM324运放开环状态）。放大倍数为 100dB，即 100,000 倍）。此时，运算放大器形成一个电压比较器，其输出为高电平 (V+) 或低电平（V- 或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。当正输入端电压低于负输入端电压时，运放输出高电平。4.ST188的供电电压为3.0V5.0V。 BASYS2开发板支持的供电电压为3.3V。因此，BASYS2开发板的电源可以直接用来给ST188供电。 LM324的供电电压为5.0V，也使用了BASYS2开发板的供电。进一步查阅ST188手册了解流过LED的电流（A_K电

15、流）最多不能超过50mA。根据这些特点，选择发射管的静态电流为20mA。典型电压降为 1.25v。如果电源电压为5V，那么此时发射管上需要串联一个电阻，电阻大小为R=(5-1.25)/0.02；即：R=187.5欧姆。取标称电阻，R=200，则此时电流小于20mA，但不影响结果。 C_E端子的电阻更灵活。毕竟是用来输出高低电平的。这里我们连接一个 2K 电阻。其实上面电路图中的有源压敏电阻并不是必须的，只是用来调节阈值电压，方便测试。智能汽车跟踪通常有 2、3 和 5 跟踪。与2跟踪相比，3跟踪可以提高小车的行进速度，5跟踪进一步提高了小车线路的可靠性。我们小组使用五向跟踪来提高汽车的性能。经

16、过计算，设计了如下图所示的单个红外传感器电路。由于在下载的multisim仿真软件中找不到ST188组件，所以使用高低电平代替ST188进行仿真。分析电路图，其中R1和接收管组成分压电路，和接收管的电压有关，这里是20k； R2为10k电位器，为比较器提供参考电压； R4为上拉电阻，影响输出端的高点值，一般取5-10k，这里取5k； R4和发光二极管构成检测电路。4.1.3实际调试和电路修改我们小组按照模拟，现在在面包板上放了一个简单的电路进行测试。设置好后，发现以下问题：A、无论ST188对着黑线还是白线，LED都会发光；B、在离地约高处20cm，发光二极管仍能发光；经过分析，猜测是ST18

17、8的发射功率太高，以至于即使是黑线也会有足够的反射光被接收管接收。发射功率太大，响应高度太高，不便于组装。经过反复调试，最终选择R为510欧电阻。此外，测试发现上拉电阻R3的有无对实验结果没有明显影响。为了节省时间和降低焊接复杂度，我们选择去掉上拉电阻R3。4.1.4跟踪策略两个放置在左右方向。四向轨迹检测用于控制电动汽车的行驶方向。当3号光电管检测到黑线时，控制直线；当2号光电管或3号和2号光电管同时检测到黑线时，控制转向电机左转；当检测到黑线时，应控制转向电机向左急转；当第4和第 5光电管都检测到黑线时，应控制转向电机向右急转。这套红外光电传感器固定在底盘前缘，贴近地面。正常行驶时，发射管

18、发射红外光照射地面，光经白纸反射后被接收管接收，输出低电平信号；当电动汽车通过黑线时，发射端发出的光被黑线吸收，接收端无法接收。当到达反射光时，传感器输出高电平信号，并致给控制模块进行处理，以确定执行哪个预编程程序来控制小车的行驶状态。前进时，驱动轮的直流电机正转。进入减速区时，由FPGA控制PWM变频调速，通过软件改变脉宽调制波形的占空比，实现调速。 （具体代码见附件）4.2.电源模块的设计4.2.1概述因为驱动电机需要比较大的电压和电流，一般5V的电压不能满足电机的快速转动，所以电源采用12v移动电源。我们组使用8节1.5v AA电池串联，电池安装在汽车底盘中间。电源输出的12v电压需要供

19、给5V的电路模块，如超声波、 BASYS版等，所以需要使用7805三端稳压电路。 7805三端正电源稳压电路的封装形式为TO-220 ，如右图。由于受到外部电流的限制，具有过热保护和安全工作区的保护，基本不损坏，应用广泛。的输出范围为4.8V5.2V ，输出电流为5mA 。线性调整率为4mV ；引脚1是输入电压（本设计中为 12V ），引脚 2 接地，引脚3是输出电压（ 5 V）。 7805具有热过载保护、短路保护、输出晶体管安全工作区保护等特性，其5v输出电压直接供给BASYS版等逻辑电路。4.2.2实际电路设计根据7805的引脚图，可设计如下电路图：它由四节干电池供电，构成输出5V的稳压电

20、源。5. 问题和结论5.1 问题实验完成后，虽然任务要求基本完成，但期间遇到的大大小小的问题，都算不上一笔财富。一方面，作为复习，我对这个课程设计有了更深入的了解。另一方面，也为以后的类似项目积累了宝贵的经验。具体来说，问题主要体现在以下几个方面：（1）汽车结构没有总体规划。直观上看，凌乱的布局严重影响了汽车的美观；更重要的是，考虑不周的布局对汽车的整体性能影响很大。以我们这次为例，跟踪模块的安装过于前倾，导致汽车重心前倾，使汽车显得不稳定。因此，对于跟踪模块的安装，凸出车身的长度是非常讲究的，在布置时必须加以考虑。第二个是电池的放置。由于电池的重量很重，电池的摆放位置直接影响到汽车的重心。尤其是在速度方面，考虑电池安装的位置尤为重要。(2)在设计传感器的排列方式时没有考