【《基于PLC控制的智能小车系统硬件设计案例》3200字（论文）】

基于PLC控制的智能小车系统硬件设计案例目录TOC\o"1-3"\h\u29064基于PLC控制的智能小车系统硬件设计案例 1153691.1智能小车整体设计 1151801.2核心控制器 26061.2.1微处理器简介 2314911.2.2STM32最小系统 346601.3其他硬件模块选型 5187401.1.1舵机转向模块 5283311.1.2电机驱动模块 677551.1.3超声波测距模块 7289421.1.4线性CCD自主循迹模块 81.1智能小车整体设计智能小车硬件的选择和设计是智能小车能否稳定、高效运行的直接原因。若将本次设计的智能小车看作一个运动系统，我们需要实现的功能就是小车能够按照指定轨迹运行，运行速度可控，再前车通过直线或曲线时，后车可以稳定地安全的跟随，避免发生两车相撞。要实现上述功能，我们必须保证各硬件与核心控制器之间能进行信息交互，并且通过控制器将改变的信息重新发送到各硬件从而实现实时控制。智能小车硬件整体控制结构如图1.1，表3-1所示为各个硬件模块的规格和属性参数。图1.1小车整体硬件结构硬件系统各模块主要功能如下∶（1）电源模块需要提供电压给各个模块使其正常工作，但是各硬件所需要的电压各不相同，所以我们需要用到稳压电路和升降压电路等。（2）接口电路可以将已经调试编译好的程序通过串口烧录到STM32单片机里，对小车进行调试。（3）超声波测量模块的作用是测量前车与后车之间的距离，通过单片机控制电机转速，以保证小车能够以安全距离跟随。（4）电机驱动模块的作用是驱动小车后轮的转动，通过程序可以控制电机正转、反转和转速。（5）舵机驱动模块的作用是控制舵机的转向角度，前提是轨迹不是直线，如此单片机才能产生不同的PWM信号发送给舵机进而转向。（6）自主循迹模块通过线性CCD传感器对不同轨迹的识别和轨迹提取，通过循迹算法由单片机控制达到自主循迹的目的。表1.1平台搭载的硬件规格、属性等参数TSL1401CL图像传感器尺寸25*30mm，摄像头直径3mm，工作电压1.3V~5VSTM32RCT6核心控制板尺寸12*12mm，主频72M，48引脚，工作电压3~5V转向舵机尺寸51.5*22*32.5mm，最大角度180°，扭矩20Kg.cm，质量55g，反应速度0.14sec/60°，工作电压2.8~7V直流减速电机（带测速编码器）最大直径37mm，减速比30：1，质量150g，功率2.32W，额定电压12VHC-SR40超声波传感器频率40kHz，最远测试距离4米，精度0.5厘米，额定电压5V1.2核心控制器1.2.1微处理器简介 相比较学习单片机时接触的AT89C51系列单片机外，STM32系列单片机也是现在的主流控制器。STM32系列专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用设计的ARMCortex®-M0，M0+，M3,M4和M7内核，所以它比51单片机运行速度更快，功能更加强大。本次设计选用STM32F103C8T6为核心控制器，其中32代表其为芯体位宽为32bit的MCU，F代表其产品类型为通用基础型，103代表其芯片为增强型系列，C代表其引脚数量为48个，8代表其闪存容量的大小为64KB，T代表其封装类型为LQFP封装，6代表的是工作温度范围为-40度-85度。其中包括电源电路，晶振复位电路和串口通信电路。STM32f103C8T6引脚如图1.2所示图1.2STM32f103C8T6引脚图1.2.2STM32最小系统(1)电源电路 核心控制板由锂电池提供电压，但锂电池电压过大，通过AMS1117-1.3正向低压降稳压器将输出电压稳定在1.3V。电路如图1.3所示，从图中我们可以看出输入和输出都接了电容，这样接的目的是对输入和输出进行滤波，同时可以增加输出电压的稳定性。图1.3AMS1117-1.3正向低压降稳压电路(2)复位电路主控芯片是低电平复位(引脚NRST)，一共有三种复位方式：硬件按键复位、软件复位，看门狗计数终止复位。其中的电容的目的是防止在按键刚刚接触/松开时的电平抖动引发误动作。电路图如图1.4所示图1.4复位电路(3)串口通信电路本系统选用的STM32处理器是简洁型的主控制器，在核心板上只有USB接口，而没有通信串口，为了便于通信测试，系统采用芯片CH340G实现USB转串口。CH340G芯片转串口电路图如图1.5所示。图1.5串口通信电路1.3其他硬件模块选型1.1.1舵机转向模块本文选择的转向伺服舵机也属于电机的一种，其内部装有小型直流电机和电位器，再与外部的齿轮连接实现转向，本次设计的舵机转向范围为0~180°。所需要转动的角度通过输入信号可以精确的给定，其工作原理是电机控制板接收STM32C8T6核心控制器的PWM脉冲控制信号，并驱动小型直流电机转动，齿轮组将电机的转速减小，将电机的扭矩增大后输出；电位器与齿轮组的末级一起转动，测量舵机输出轴转动的角度，最后齿轮末端带动横向拉杆运动实现转向控制。如图1.6所示图1.6转向舵机与前车轮的安装要使舵机正常工作，通过舵机的电流和加在舵机两端的电压需要保持在额定参数，根据选用舵机的规格参数，我们选择将电压控制在6V。由于锂电池输出为12V电压，所以我们选用XL4015开关稳压电路，将12V电压稳定在6V输出。保证了舵机工作在额定功率下正常运行。如图1.6所示为XL4105稳压电路，芯片内部还集成了过流、过温和短路保护等电路，因此可以放心使用。图1.6XL4105稳压电路1.1.2电机驱动模块直流电机的转速很高，通常每分钟可达几千、几万转，所以一般需要安装减速器，减速器也称为齿轮减速箱，它是一种相对精密的机械传动部件，并且内置了多组传动齿轮。使用的目的就是减小转速，增加转矩，从而增强可控性；本文研究的直流电机减速器体积较小但传递的扭矩很大，减速比为30∶1。如图1.7所示图1.7直流编码器电机 由于直流电机是大功率感性负载，STM32控制器不能直接控制电机的运转，所以我们需要功率放大电路来驱动电机的转动。前车通过人为修改代码数据再通过编译之后由核心控制器产生PWM信号通过驱动电路进行信号放大才能控制电机的运转，包括正向、反向运动，电机转速等。本次设计选用的是A4590单H桥电机驱动芯片，此电路内置了过温、过流和短路保护电路。图1.8A4590电机驱动电路1.1.3超声波测距模块本次设计选择了HC-SR40超声波传感器，它能提供2厘米-400厘米的测距功能，测距精度最高为3毫米，工作电压为5伏。该模块的组件包括超声波发射器、超声波接收器及其控制电路，控制电路中有VCC电源阴极、GND电源阴极、TRIG出发控制信号输入针和ECHO返回信号接收针等4个针和单片机连接。在移动机器人跟随运动过程中，要不断检测与前车之间的距离，做出适当的运动决定。这个过程主要是根据超声波传感器对前车之间距离的检测，预测运动路径是否安全，根据反馈自主控制电机速度，防止与前车发生冲撞。图1.9HC-SR04超声波模块HC-SR04超声波模块的接口除了电源和接地引脚外，还有TTL触发信号输入引脚和回波信号输出引脚。微控制器计时器生成的PWM触发信号由超声波模块的触发信号输入引脚输入超声波发射电路，回波信号由超声波接收电路输出，进入微控制器的另一个计时器。微控制器通过计时器的PWM输出模式配置通用输入输出引脚，转换为TTL级信号，然后为超声波测距模块提供超过10微秒的高电平触发信号。超声波模块发送8个频率为40kHz的超声波脉冲信号。超声波信号遇到反射物体，再反射回超声波模块时，超声波传感器接收特定时间段(脉宽)的回波信号。回声的时间可以看作是超声波往返时间。超声波传感器接收到达高平的信号，输入微控制器的计时器输入引脚，由计时器的捕获/比较寄存器完成输入信号的捕获，获得信号上升和下降时间，从而获得回波的脉冲宽度。在与单片机的连接中，VCC连接到电源阳极、GND和单片机。TRIG和ECHO分别接收单片机的两个通用IO端口。需要超声波工作时，给触发引脚超过10s的高电平信号，单片机会将8个40kHz周期电平作为标记发送，返回信号接收引脚，接收波动信号时可以计算距离。可以通过计算信号持续时间来获得距离。超声波传感器的驱动电路和线性CCD传感器共用一个驱动电路。1.1.4线性CCD自主循迹模块 自主循迹方法有红外线传感器循迹和线性CCD循迹，本次设计选择线性CCD循迹方法，TSL1401CL传感器如图1.10所示。现在主流的线性CCD传感器为TSL1401CL，它含有128个感光单元呈线性排列，每一个感光单元可以读取环境的光线强度并转换为电压输出，光线越强电压值越高，TSL1401CL与STM32C8T6数据传送的接口信息如表1.2所示。图1.10TSL1401CL线性CCD传感器表1.2TSL1401CL与STM32RCT6数据传送接口说明TSL1401CL接口接口功能与STM32RCT6的对接引脚说明VDD电源正极，输入电压DC1.3-5V，连接STM32RC6的5V接口AO模拟输出，连接STM32RCT6ADC接口执行对图像的数据获取CLK时钟管脚，控制电荷转