循跡競(jìng)速小車(chē)

1、Harbin Institute of Technology課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文）課程名稱(chēng)： 電子技術(shù)基礎(chǔ)課程設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)題目： 循跡競(jìng)速電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì) 院 系： 電氣學(xué)院 班 級(jí)： 1306152 設(shè) 計(jì) 者： 學(xué) 號(hào)： 指導(dǎo)教師： 張 剛 設(shè)計(jì)時(shí)間： 2015.12.18 哈爾濱工業(yè)大學(xué)哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū) 姓 名： 院 （系）：電氣學(xué)院 專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化 班 號(hào)：1306152 任務(wù)起至日期： 2015 年 12 月 13 日至 2015 年 12 月 25 日 課程設(shè)計(jì)題目：循跡競(jìng)速電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì) 已知技術(shù)參數(shù)和設(shè)計(jì)要求：小車(chē)從出發(fā)點(diǎn)開(kāi)始，必須預(yù)定沿軌跡運(yùn)動(dòng)。到達(dá)終點(diǎn)線時(shí)小車(chē)自行

2、后退。完成時(shí)間按小車(chē)從出發(fā)點(diǎn)到到達(dá)終點(diǎn)線所用時(shí)間計(jì)。每個(gè)小組的小車(chē)要按上述要求跑完全程，小車(chē)跑動(dòng)期間不能人為干預(yù)小車(chē)運(yùn)動(dòng)，直至小車(chē)到達(dá)終點(diǎn)線并一直后退。 工作量：三人一組，共同完成小車(chē)電源模塊、軌道監(jiān)測(cè)模塊、控制模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的搭建與調(diào)試，并接受驗(yàn)收和答辯；每人提交設(shè)計(jì)報(bào)告一份。 工作計(jì)劃安排：12月13日：查找資料，學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)和原理并設(shè)計(jì)出邏輯電路； 12月14日：搭建控制模塊和電源模塊并成功調(diào)試； 12月15日：搭建邏輯控制部分和電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分，并成功調(diào)試； 12月16日：對(duì)搭建的總電路在邏輯上進(jìn)行調(diào)試； 12月18日：安裝監(jiān)測(cè)模塊和安裝小車(chē)，并成功驗(yàn)收； 同組設(shè)計(jì)者及分工： XX（組

3、長(zhǎng)）：負(fù)責(zé)邏輯電路的設(shè)計(jì)和搭建，和整個(gè)電路的調(diào)試； XX ：負(fù)責(zé)控制模塊的搭建和整個(gè)電路的調(diào)試； XX ：負(fù)責(zé)電源模塊和電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的搭建和整個(gè)電路的調(diào)試； 指導(dǎo)教師簽字_ 年 月 日 教研室主任意見(jiàn)： 教研室主任簽字_ 年 月 日*注：此任務(wù)書(shū)由課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)教師填寫(xiě)。哈爾濱工業(yè)大學(xué)課程設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)（論文） 循跡競(jìng)速電動(dòng)車(chē)設(shè)計(jì)一、設(shè)計(jì)目的1.熟練掌握數(shù)字電路課程中常用芯片的使用方法；2.掌握控制邏輯電路的設(shè)計(jì)和電路調(diào)試技能；3.了解并掌握直流小電機(jī)的PWM控制思想。二、 設(shè)計(jì)要求1. 小車(chē)從出發(fā)點(diǎn)開(kāi)始，必須預(yù)定沿軌跡運(yùn)動(dòng)。到達(dá)終點(diǎn)線時(shí)小車(chē)自行后退。完成時(shí)間按小車(chē)從出發(fā)點(diǎn)到到達(dá)終點(diǎn)線所用時(shí)間計(jì)。每

4、個(gè)小組的小車(chē)要按上述要求跑完全程，小車(chē)跑動(dòng)期間不能人為干預(yù)小車(chē)運(yùn)動(dòng)，直至小車(chē)到達(dá)終點(diǎn)線并一直后退。2.三人一組，協(xié)同工作。三、 設(shè)計(jì)方案 圖1 設(shè)計(jì)方案模塊組成部分圖1、 軌道監(jiān)測(cè)模塊軌道監(jiān)測(cè)模塊主要由兩個(gè)一路循跡傳感器組成，它們分別用來(lái)監(jiān)測(cè)左右的白線和黑線，當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，輸出為低電平，檢測(cè)到白線時(shí)，輸出為高電平，當(dāng)車(chē)向左偏離軌道時(shí)，右傳感器監(jiān)測(cè)到黑線，輸出為低電平；當(dāng)車(chē)向右偏離軌道時(shí)，左傳感器監(jiān)測(cè)到黑線，輸出為低電平； 圖2一路循跡傳感器 圖3 一路循跡傳感器功能圖圖4 一路循跡傳感器電路圖2、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用PWM控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，輸入信號(hào)控制正反轉(zhuǎn)；用到的芯片為L(zhǎng)293B。此驅(qū)動(dòng)

5、模塊可同時(shí)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，其中2,7,10,15管腳為輸入端，3,6,11,14管腳為輸出端。當(dāng)2管腳輸入高電平時(shí)，7管腳輸入低電平。此時(shí)3管腳輸出高電平，6管腳輸出低電平，3,6管腳所連接的電機(jī)正轉(zhuǎn)，電機(jī)反轉(zhuǎn)同理可得。圖5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊引腳圖3、 電源模塊該模塊是由兩節(jié)鋰電池（8V）和LM7805三端集成穩(wěn)壓電路構(gòu)成。其中穩(wěn)壓電路實(shí)現(xiàn)的功能是輸出穩(wěn)定的五伏電壓，為整個(gè)數(shù)字電路提供5V的數(shù)字電路電壓，電機(jī)驅(qū)動(dòng)則直接接兩節(jié)鋰電池的8V電壓。圖6 LM7805實(shí)物圖圖7 7805三端集成穩(wěn)壓電路圖4、 控制模塊控制策略：控制模塊輸入為兩個(gè)紅外循跡傳感器，輸出端則可根據(jù)小車(chē)控制策略不同有兩種方案：1.

6、通過(guò)車(chē)輪速度差實(shí)現(xiàn)方向控制：輸出端接比較器的輸入，輸出到比較器的值可以改變比較器的輸出脈寬，進(jìn)而調(diào)節(jié)左右輪電機(jī)的速度。2.通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向控制：輸出的Ldir與Rdir可以作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片的輸入。 我們采用第二種方案，即控制正反轉(zhuǎn)來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向從而控制小車(chē)的轉(zhuǎn)向； 控制模塊組成：由NE555定時(shí)器連成的多諧振蕩器和74LS14施密特觸發(fā)器構(gòu)成的控制板時(shí)鐘，時(shí)鐘的周期和占空比可通過(guò)改變多諧振蕩器上的滑動(dòng)變阻器的電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)；圖8 控制板時(shí)鐘電路圖在74LS14的后面接一個(gè)74LS163計(jì)數(shù)器，并將74LS163計(jì)數(shù)器的輸出與74LS85比較器相連，通過(guò)調(diào)節(jié)74LS85的輸入端1，9，11，

7、14的電平可改變輸出方波的占空比，這樣就構(gòu)成一個(gè)PWM發(fā)生電路；比較器是74LS85，由于本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)選擇的方案是通過(guò)電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)方向的控制，電機(jī)左右輪的轉(zhuǎn)速始終相同，所以選擇相同的PWM信號(hào)，因此只需要一個(gè)74LS85芯片。芯片的A0A3輸入口分別接計(jì)數(shù)器Q0Q3輸出口，而B(niǎo)0B3輸入口分別接高電平或低電平。本次設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)設(shè)定的初值為B3B2B1B0=0111，可調(diào)節(jié)以改變轉(zhuǎn)速。 而芯片的P(A<B)輸出端接電機(jī)使能端。由74LS85功能表可得，當(dāng)A3A2A1A0<B3B2B1B0時(shí)，輸出高電平，當(dāng)A3A2A1A0B3B2B1B0時(shí)，輸出低電平，由此輸出占空比一定的矩形波。 圖9

8、 PWM電路圖圖10 控制模塊總電路圖注：上圖中，由于我們才用的是控制正反轉(zhuǎn)方式控制轉(zhuǎn)向，所以用同一個(gè)PWM端，所以只用到了一個(gè)74LS85，與上圖有些不同。5、 邏輯控制模塊使用車(chē)輪正反轉(zhuǎn)控制小車(chē)方向，轉(zhuǎn)速設(shè)為恒定值，在小車(chē)到達(dá)終點(diǎn)時(shí)檢測(cè)到長(zhǎng)黑線時(shí)一直后退，即到達(dá)終點(diǎn)后不再循跡?？墒褂肈觸發(fā)器作為小車(chē)目前狀態(tài)的寄存器。相當(dāng)于控制板輸入多了一個(gè)輸入變量，即觸發(fā)器的輸出狀態(tài)值。根據(jù)所要實(shí)現(xiàn)的_功能列出真值表，畫(huà)出卡諾圖，由卡諾圖化簡(jiǎn)出邏輯式。得到邏輯式為Rdir=Q+SR , Ldir=Q+SL然后，根據(jù)邏輯式設(shè)計(jì)出邏輯電路圖。此邏輯電路包含D觸發(fā)器和或門(mén)與門(mén)非門(mén)組成，有兩個(gè)輸入端和兩個(gè)輸出端，

9、還有一個(gè)時(shí)鐘，此時(shí)鐘可接控制板時(shí)鐘。其中兩個(gè)輸入端為傳感器的輸出端，兩個(gè)輸出端接電機(jī)驅(qū)動(dòng)的輸入端，實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的控制；首先要對(duì)D觸發(fā)器進(jìn)行清零處理，通過(guò)將CLR接低電平；然后將CLR置高電平；由邏輯圖可知當(dāng)SL和RL同時(shí)為0（到達(dá)終點(diǎn)）后，Q為1，輸出Ldir和Rdir一直為1，不再隨SL和SR變化，滿足設(shè)計(jì)要求； 圖11 邏輯電路的真值表 圖12 D觸發(fā)器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖13 D觸發(fā)器的功能圖 74HC74D c SL Ldir CLK Q ACLR SR Rdir PR 圖14 邏輯電路圖四、 調(diào)試與驗(yàn)收 圖15 電路搭建實(shí)物圖1 、電路調(diào)試用逐個(gè)模塊調(diào)試的方法進(jìn)行調(diào)試，對(duì)于PWM電路部

10、分，我們成功的調(diào)試出了一定占空比的方波，通過(guò)改變B0B3輸入口的值從而改變占空比；對(duì)于電源模塊，我們用實(shí)驗(yàn)室8V的直流電壓代替鋰電池接入電源模塊，得到了5V的電壓，調(diào)試成功；接下來(lái)我們對(duì)我們的邏輯部分進(jìn)行了調(diào)試，首先將PR端置1，將施密特觸發(fā)器的輸出方波接入到Clk，開(kāi)始時(shí)對(duì)D觸發(fā)器進(jìn)行清零處理，通過(guò)將CLR接低電平；然后將CLR置高電平；通過(guò)改變SL和SR的不同組合輸入，測(cè)量輸出的電平（Ldir、Rdir）高低，與設(shè)計(jì)的邏輯進(jìn)行比較，完全符合；最后我們對(duì)整個(gè)電路（包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊）的邏輯功能完成了調(diào)試。2、小車(chē)驗(yàn)收 在將電路調(diào)試成功之后，我們將搭好的電路安裝在小車(chē)上面，并將剩下的線路連好。裝

11、車(chē)后接上電源，首先要將觸發(fā)器清零，然后將傳感器緊貼白紙面，使小車(chē)傳感器貼著地面。此時(shí)小車(chē)兩只輪子向前轉(zhuǎn)。松手后，小車(chē)可循跡，到終點(diǎn)后退。分別將B3B2B1B0置為不同的值，逐漸增加小車(chē)的速度進(jìn)行調(diào)試，最后發(fā)現(xiàn)小車(chē)能循跡的最大值為0111，最快為12秒到達(dá)終點(diǎn)。 3、遇到的問(wèn)題 在電路調(diào)試和小車(chē)調(diào)試的過(guò)程中遇到的最大問(wèn)題就是小車(chē)剛放入監(jiān)測(cè)軌道時(shí)的不穩(wěn)定，很多時(shí)候在清零準(zhǔn)備放入軌道的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)小車(chē)已經(jīng)開(kāi)始往后退了。4、解決方法 我們分析出，應(yīng)該是小車(chē)在放入軌道前由于還沒(méi)檢測(cè)到白線（相當(dāng)于監(jiān)測(cè)到了兩條黑線），出現(xiàn)了一直后退的現(xiàn)象，所以我們?cè)诜湃胲壍狼跋葘⑿≤?chē)D觸發(fā)器清零，將監(jiān)測(cè)傳感器緊緊貼著地面，然后將清零端置1，慢慢放開(kāi)小車(chē)，在幾次試探之后，小車(chē)成功循跡前行。六、設(shè)計(jì)感悟與收獲首先，本次課程設(shè)計(jì)是對(duì)數(shù)字電子電路課程的一個(gè)很大的實(shí)踐，對(duì)于數(shù)電這門(mén)課的理解和掌握起到了一定的促進(jìn)作用，我一開(kāi)始覺(jué)得數(shù)電學(xué)起來(lái)很枯燥，都是一些理論知識(shí)，通過(guò)這次課設(shè)經(jīng)歷，才逐漸發(fā)現(xiàn)這門(mén)課的有趣和實(shí)用，對(duì)于我今后的學(xué)習(xí)起積極作用；在本次課設(shè)中，由于對(duì)原理要求要理解清晰，所以對(duì)于一些常用芯片和基本電路進(jìn)行了深入的了解和學(xué)習(xí)，對(duì)邏輯的設(shè)計(jì)也加強(qiáng)了我對(duì)于時(shí)序邏輯電路的設(shè)計(jì)的能