信息与通信]基于光电传感器自动循迹小车设计

信息与通信]基于光电传感器自动循迹小车设计内容摘要：

位或者拼接成 4路 16位 ,2个 10位 8通道 A/D转换器， 8通道输入捕捉 /输出 比较定时器， 2 个异步串行通信接口 SCI,1个同步串行通信接口 SPI,1个 1 Mb/s的 CAN总线模块，兼容 A/B等等。 利用片内资源结合具体模块的功能要求具体实现技术路线如下： （ 1)电源管理：核心板最小系统供电、传感器供电、舵机供电和直流电机供电。 要求：（ a) 低压差，实现 ～ 电池到 5V转换；（ b)可提供足够电流输出，驱动发射光电管，并考虑一定的安全余量；（ c) 考虑芯片散热的问题，提供热关断、短 路保护和安全操作保护等功能。 （ 2)舵机控制：模块化模型舵机利用信号输入端的占 空比不同调节转角，可以通过单片机芯片内置 PWM模块配合编程实现。 （ 3)直流电机驱动：采用 PWM 驱动。 要求：（ a) 开断电流能力强，驱动功率大，质量可靠；（ b) 具有过流保护、欠压保护、热关断的能力，各种功能使用方便。 结合集成功率芯片选择要求和直流电机运行参数，选用大功率电机驱动模块 ZNCD1043 江西理工大学 2020届本科生 毕业设计 9 电源模块的设计 电源是一个智能车系统得以运行的关键及动力所在。 根据 “ 硬件设计最简 ”的原则，需要完善电源设计方案。 整个智能车的电源是由一块 2020mAh Nicd蓄电池 提供，为了使 智能车系 统各部件能正常的工作，故需对 2020mAh Nicd蓄电池进行电压调节。 其中，中央控制系统（最小系统）、路径识别的光电传感器和接收器电路、需要 5V电压，伺服电机工作电压范围 6V根据多次调试决定使用 5V电源给供电，直流电机可以使用 2020mAh Nicd蓄电池直接供电。 电源供电部分关系到整个系统工作的稳定性，由于采用的是镍镉电池供电，内阻比较大，电机启动或者突然加速的瞬间，电池输出的电流很大，电池两端电压突然会降低。 为了保证单片机和其他模块工作正常，所以在对电源供电的设计方面，要求电路工作效率高，输出电压稳定。 而且随着车子在跑道上跑，随着电池电量的消耗，电池两端的电压也会慢慢降低，这就要求稳压芯片的选取要工作压差小。 本系统所需电压有 5V、 ，其中 ，可由电池直接提供； 5V 部分为路径识别模块，舵机控制模块，串口通信模块，单片机最小系统模块等。 系统电源供电分配 如图 32 所示： 7 . 2 V 蓄 电 池L D O 低 压 差 稳 压 芯 片 L M 2 94 0高 效 率 开 关 电 源 稳压 芯 片 L M 2 5 9 6直 流 电 机单 片 机 最 小 系 统 模 块 ，串 口 通 信 模 块 ， 速 度 测量 模 块 等路 径 识 别 模 块 ， 舵机 控 制 模 块 等 图 32 系统电源供电分配框图 5V电源是整个智能车系统电源模块中电流需求最大的一个部分。 要求大电流、低压差 、低噪声等特性。 在此将根据各种不同稳压芯片的特性选款符合此智能小车各个模块的工作要求。 根据不同的工作原理可将电源分成两类：线性稳压电源、开关稳压电源。 线性稳压电源： 江西理工大学 2020届本科生 毕业设计 10 一般的线性稳压电源的输入电压与输出电压之间的电压差大，稳压电源内部的调整管上的损耗大，效率低。 但近年来开发出各种低压差（ LDO）的新型线性稳压器 IC，效率也有较大的提高，线性稳压电源还有一个优点就是外围元件最少、输出噪声最小、静态电流最小，价格也便宜。 开关稳压电源： 开关稳压电源中有一个工作在开关状态的晶体管（一般是 MOSFET），故称为 开关电源开关管工作于饱和导通及截止两种状态，所以开关管管耗小并且与输入电压大小无关，相对于线性稳压电源一个明显的优点是工作效率高，一般可达80%～ 95%。 稳压芯片选择： 方案一：普通常用稳压芯片 LM7805。 优点：价格便宜。 缺点：效率低，发热量大。 压差大，外部供电要在 5V 方案二：开关稳压芯片 LM2575/LM2596。 优点：工作效率高，发热量小，输出电流大，约 3A。 工作电压可以低至。 缺点：外围电路复杂，成本高，由于是开关稳压，稳压后的波纹大。 方案三：低压差线性稳压芯 片 LM2940。 优点：低压差，工作压差可以小于,在电池两端的电压降到 5V的电压，电压波纹小，可以给单片机稳定的供电。 外围电路简单，需要的滤波电容小。 经过分析，最终决定设计两路 5V稳压电路，其中一路采用 LM2940 稳压后独立为单片机供电，另外一路是为系统其他模块提供 5V供电，采用了更大的输出电流的稳压芯片 LM2596。 LM2940 供电电路 LM2940 是一个输出电压固定的低压差三端稳压器；输出电压 5V；输出电流 1A；输出电流 1A 时，最小输入输出电压差小于 ；最大输入电压 26V；工作温度 40～ +125℃；内含静态电流降低电路、电流限制、过热保护、电池反接和反插入保护电路等功能。 其封装形式有标准的 3 脚直插 TO220 与 3 脚表贴封装 SOT223 两种。 由于稳压芯片 LM2940 是属于 LDO(低压差 )线性稳压器，即使电池电压下降到 5V电压供给单片机保证单片机能正常的工作，使智能车能正常的行驶，同时 LM2940 输出的电压纹波也很小，这样干扰也大大减小 ，能减少单片机没必要的复位， 符合单片机的供电要求。 同时由于 LM2940 也能输出高达 1A 左右的 电流，故让此电源同时给串口通信模块，测速测量模块等其他模块给予供电，达到电源的充分利用。 江西理工大学 2020届本科生 毕业设计 11 LM2940 供电电路 如图 33所示 ： 图 33 LM2940 供电电路 LM2596 供电电路 LM2596开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。 固定输出版本有 、 5V、12V，可调版本可以输出 ～ 37V 之间的各种电压。 该器件内部集成频 率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。 由于该器件只需 4个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。 其封装形式包括标准的 5脚 TO220 封装（ DIP）和 5脚 TO263表贴封装 （ SMD）。 该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出 电压的误差可以保证在 177。 4%的范围内，振荡频率误差在 177。 15%的范围内；可以用仅80μ A的待机电流， 实现外部断电；具有自我保护 电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）。 特点 ：  、 5V、 12V 的固定电压输出和可调电压输出  可调输出电压范围 ～ 37V177。 4%  输出线性好且负载可调节  输出电流可高达 3A  输入电压可高达 40V  采用 150KHz的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小  低功耗待机模式， IQ的典型值为 80μ A  TTL 断电能力  具有过热保护和限流保护功能  封装形式： TO220（ T）和 TO263（ S） 江西理工大学 2020届本科生 毕业设计 12  外围电路简单，仅需 4个外接元件 ，且使用容易购买的标准电感应用 领域 LM2596供电电路 如图 34所示 ： 图 34 LM2596供电电路 由于两排 15 对光电传感器与舵机的功耗太大，因此电源输出的电流要足够大才能满足这些负载的需求，由于 LM2596 的输出电流可达 3A 左右，通过大概计算符合我们的设计要求，故我们选用 LM2596。 上图为 LM2596 输出的 5V 电源给舵机供电的截图。 电机驱动模块 本设计 采用 大功率电机驱动模块 ZNCD1043 对电机进行驱动。 模块介绍 ZNCD1043 大功率直 流电机驱动板专为小型大功率直流电动机设计，具有内阻低，驱动电流大，和发热极低等特点， H 桥电路，可使电机四象限运行，驱动电压范围为 ，能明显提高电动机的加速和制动效果。 它内部同 MC33886一样具备各种保护措施，该模块在驱动芯片与信号输入端之间加装了隔离电路，可有效保护单片机。 如 表 31 所示， 以下为 ZNCD1043 的具体参数。 表 31 ZNCD1043 电机驱动模块具体参数 通态内 阻 16 毫欧 驱动电 流 043 安培 工作电 压 工作频 率 025Khz 驱动类 型 MOSFET 板卡尺 寸 * 江西理工大学 2020届本科生 毕业设计 13 使用说明 (1)引脚说明 （ a） ZNCD1043的功率接口如图 35所示 ： 图 35 ZNCD1043的功率接口 其中电源正接 DCIN，电源负接 GND，电源电压不得超过 10V；电机两端接 OUT1 和 OUT2，电机的正反转与 PWM 输入相对应，该模块在 OUT1，OUT2 安装有谐波吸收电容。 （ b） ZNCD1043 的信号接口如图 36所示 ： 图 36 ZNCD1043 的信号接口 江西理工大学 2020届本科生 毕业设计 14 其中 IN1,IN2 为 PWM 信号输入端， IN1 对应 OUT1,IN2 对应 OUT2； +5V 和 GND 之间要加 5V 电源以给板上隔离电路供电。 EE1,EE2 为模块过流或短路报错输出信号， 可不接。 上图左侧 EN 为使能设置跳线，将 电阻焊至上侧带圆点处为默认使能，焊至下侧则为默认不使能，上图右侧 EN 为单片机控制使能输入引脚，单片机输出高电平则模块使能，输出低电平则不能使用。 (2)安装步骤 首先用信号线将模块信号输入端子与 5V 电源与单片机 PWM 输出引脚接好，其次将电池和电机接线插入功率 接口并用螺丝刀旋紧，注意电池与电池引线线径要足够粗以保证大电流顺利通过，最后输出相应 PWM 信号即可驱动电机。 板上有四个 3mm 标准螺丝孔，可以方便的安装在平台或地盘上，注意安装时保证板背面良好的绝缘性和散热性。 电压电流测试结果 (1)启动波形，电源电压： 8V，负载：纯阻性 10 欧姆，以下是波形，其中黄线为电压波形，紫色为电流波形如下图： 图 37 ZNCD1043 启动时的电压电流波形 (2) 短路波形，电源电压： 8V，负载阻抗 欧姆，以下是波形，其中黄线为 负载电压波形，紫色为负载电流波形，蓝色为报错输出波形，可以看到模块短路情况下开始周期的关断输出以防止模块过热烧坏，并且在报错输出引脚输出 高电平。 ZNCD1043 短路时的电压电流波形 如图 38 所示： 江西理工大学 2020届本科生 毕业设计 15 图 38 ZNCD1043 短路时的电压电流波形 舵机控制模块 舵机主要是用来控制智能车的运动方向，通过调节小车前轮转动的角度来改变小车运动方向的。 智能车的角度控制是通过单片机输出 PWM 信号对舵机进行控制的，舵机内部有一个基准电路， 能产生周期为 20ms，宽度为 的基准信号，当 PWM 信号输入到舵机时，舵机内部产生一个直流偏置电压，此电压与电位器的电压比较，将获得电压差输出，最后，电压差的正负输出到电机驱动芯片决定舵机的正反转。 因此，当单片机输出一定占空比的 PWM 光电 时，舵机就会转动一定的角度。 舵机的转角与 PWM 脉宽的关系 如图 39所示： 1 1 0 0 1 5 0 0 1 9 0 0—45 +45脉 宽 — 转 角 （ + 顺 时 针 方 向 ）脉 宽 / u s e c转 角 / （ 度 ） 图 39 舵机转角与 PWM 脉宽的关系 江西理工大学 2020届本科生 毕业设计 16 路径识别模块 路径识别模块是智能车系统的关键模块之一，路径识别 方案的好坏，直接关系到最终性能的优劣。 我们组选择的是光电组。 传感器的收发距离对于车子的前瞻性有着直接的影响。 参考过往届光电组的设计报告，发觉大多数采用的传感器都是红外传感器，说明相对于。