智能循迹小车

2016 年 TI 杯大学生电子设计竞赛自动循迹小车（C题）摘要本次设计的智能循迹小车是以单片机 MSP430F5529为主控制器运用TI 公司提供LDC1314和LDC1000电感数字装换器作为循迹传感器与速度监测模块。 将检测数据传回单片机进行处理，同时，用单片机产生 PWM 波来控制小车的行 进速度，并实时控制小车的行进状态。另外，在小车上还扩展了 LCD作为人机交 互界面，以便于实时了解小车各个监测传感器的状态机小车的实时数据， 由于本 次设计的是自动循迹小车， 整个任务过程无需人工的任何干预， 故而没有进行键 盘及遥控等的人工操作设备。 用多路传感器的实时监测和算法的紧密配合来保证 小车的顺畅完成任务。报告是以小车的总体设计为主要线索，包括小车的设计分析及发案论证、小车的软件设计、小车的硬件设计、以及总体的设计流程。共分为六章XXX小结。其中第一章主要是对小车总体设计及各个设计方案进行了论证， 第二章是对小车 硬件部分的设计做了详细的介绍， 第三章重点叙述了软件的设计及流程和各种相 关的算法， 第四章介绍了我们小车设计的开发流程， 第五章叙述了我们在设计过 程中遇到的问题和解决方法， 并对本次的设计活动做了总结报告和在本次活动中 的心得。The design of intelligent tracking car based on MCU msp430f5529 based controller using Ti provides LDC1314 and LDC1000 digital inductance loading converter as the tracking sensor and speed monitoring module. Will the detection data returned microcontroller for processing, at the same time, MCU to produce PWM waves to control the moving speed of the car, and real-time control of the car moving state. Also in the car also expanded the LCD as the man-machine interface, in order to facilitate the real-time data of real-time understanding of the car each monitoring sensor state machine car, because the design of the automatic vehicle tracking, the whole process of task without any manual intervention is required, and therefore no row keyboard and remote control and manual operation of the equipment. To ensure the smooth completion of the vehicle, the real-time monitoring and algorithm of the multi-channel sensor are closely combined to ensure the smooth completion of the task.The report is in the overall design of the car as the main clues, including the hardware design of the software design of the car design analysis and demonstration of incidence, the car, the car, and the overall design process. The total is divided into six chapters XXX summary. The first chapter is mainly the car overall design and various design schemes are discussed. Chapter two is, a detailed introduction of the car hardware design, in the third chapter, the author describes the software design and the various processes and related algorithms, chapter four introduces the development process of our car design, the fifth chapter describes the problems we encountered in the design process and the methods to solve, and of the design activities do the summary report and experience in the event.目录第一章：方案设计与分析一、设计要求本次比赛要求任务是，在规定的平面自动按顺时针方向循迹前进。 跑道的标识是一根直径为的细铁丝，按照图1的示意尺寸，用透明胶 带将其贴在跑道上。且半径为20cm 2cm.主办方提供比赛场地参考示意图如下图2m圈1跑道平意罔、总体设计11X1314LDClOOCgpwm 出液晶昴示1602蜂鸣器(1) 信息采集模块：信息采集部分是由LDC1314和LDC1OOO电感传感器检测和自制的距离监测模块，再把数据传入单片机进行处理(2) 控制处理模块：控制处理模块是一片 MSP430F552单片机为核心，单片机 将从采集到的信息进行判断后，按照预定的算法处理，把处理的结果送交 单片机的定时器输出PWh控制电机正反转,液晶显示模块和蜂鸣器，使之 做出相应的动作。(3)执行模块：执行模块是由液晶显示及电机、 蜂鸣器三部分组成。液晶主要是将单片机处理的结果进行实时显示，方便及时用户了解系统当前的状态，电机根据单片机的指令对4个电机(直流电机进行动作，使之能够根 据需要作出相应的加速、减速、转弯、停车等的动作，以达到预期的目的。 蜂鸣器主要是根据要求镍币在的位置作出出响应来报告位置。三、方案论证1. 小车主体设计方案_按照大赛要求，车体投影不超过 A4纸大小，并且小车自动运行后，不得有任 何人工干预小车运动行为，如遥控等，所以我制定了2种方案。1）三轮小车前方底部采用常规两轮，后面底部使用单个万向轮，而且车身长度只有四轮 车的2/3，车身更加轻盈，这样方便小车进行拐弯，但是稳定性较弱。2）四轮小车前后底部都使用常规两轮，车身长度更长，并且更加稳定，但是摩擦更大， 拐弯力度要求更高，不方便控制。根据性价比和方便使用，最后我们选择了三轮小车作为小车主体2. 电机设计方案1）自制电机驱动电机加减速以及正反转的典型电路是 H桥驱动电路，根据需要分析，可用 功率三极管或者emos管来搭建，这样有助于提高我们的动手能力和知识融汇通 的能力。但是要想得到两个理想的独立驱动， 必须选用参数尽量完全一致的管子 才行，而这些元件的制造工艺只能保障在一定的范围内一致，这样，给调试带来不少的麻烦，且抗外界干扰能力差，复杂化了电路的设计。2）使用配套的电机驱动板驱动芯片位1293d双h桥直流电机驱动芯片，供电范围为+5v到+16v，8口输入，耐温。连接方便轻松 .能驱动 4各直流电机和两个步进电机最后我们决定用配套的电机驱动板。3. 传感器使用设计方案1) LDC1000LDC100(是首款电感到数字式传感器。提供低功耗，小封装，低成本的解决方案。它的SPI接口可以很方便的连接 MCU而且只需要连接一个PCB线圈或者自制线 圈就可以进行电感检测。2) LDC1314同样是电感到数字式传感器，采用IC2接口连接MCU检测通道更多，数据量 更多，使用更多线圈。综合考虑， 我们根据需求选择了 LDC1000。4. 显示模块设计方案1) 1602 液晶显示液晶显示驱动简单，易于控制，功耗小，且显示信息量大，可以直观地观 测到小车的位置及速度信息。2) Led 数码管显示 数码管显示具有亮度高，色彩选择多的优点，但是数码管占用 I/O 资源多， 控制复杂，功耗较大，显示信息量较少且单一。3) TFT-LDC彩屏显示320 X 240的分辨率，16位真彩色，显示信息量大且突出，16位双向数据 线，但是功耗大占用 IO 口过多。综合考虑，我们选择 1602 液晶显示5. 电源设计方案1)方案一、使用12V航模电池。优点：电池容量大，放电倍数高，动力强劲。缺点：电池价格高，维护困难，重量大。2）方案二、小车专用电池优点：价格便宜，维护成本地，重量轻，充电方便缺点：电池电量小，动力低。小车重量本身并不大，而且 430的单片机耗电极低，我们采用 LDC1000芯片 制作的传感器，功耗相当低，所以我们采用了价格便宜，维护方便的小车专用锂 电池。四、单片机资源分配MSP430F5529拥有统一时钟系统 UCS 核心电压可以用集成式PWM 讲行编程，16位CPUXV2 GPIO带有上拉及下拉，CRC16真 正32位RTC后备电池带闹钟，连接方式由 USB,RF,USCIDMA高达8 位，ADC高达12位，晶振最高达 25MHz，还集成LDO,BOR,WDT等 强大的外设。为了合理调用单片机的资源，对单片机的资源分配如下图所示。IwGNDJlDCLKMT 卜Jsdi00卜十口GtoLI IlDCWOO I二山hUam* FjnrfiseuU二山hUam* Fjnrfiseuu15*WM1AW1Gnd五、电源分配电池电源提供给所有模块供电，电池电压使用 AMS1117转成供给单片机，LDC100Q与1602使用单片机提供的电压，电机驱动电压由直接提供FU池第二章：智能循迹小车硬件设计，、机械设计1.小车模块分布整体设计要求简单，便于拆装，直观，设计如图。2.小车传感器位置排布小车循迹的保证是传感器反映回正确的信息，所以传感器的合理排布是小 车能够圆满。完成任务的基本保证，经过反复的调试和实验，得出的最佳传感器分布图 如上图中所示。3.测速计程测速是用光电反射管接收发射信号进行计算的， 在车轮内加入黑白相间的码 盘，将车轮一周分为20次进行计算，这样便提高了测速和计程的精度。我们采用的两个输出端的，求其平均值，得到的结果更加稳定。轮子令步射骷此图位挡光小轮4.小车骨架设计于小车底板材料的选择上，由于三合板的耐用性太差，且容易受潮变形，不适合作为面向不断开发的产品。经过各种材质的对比, 亚克力板可以作为车板的材质，既有很好的光泽性，更有较好的强度， 且耐贮存。正好手头有一块大小合适的亚克力板材， 于是将其设计加 工成如下形状。为了驱动小车的电机方与电感线圈便把驱动线给连至U 单片机上，对车身底部打孔。、电路设计1.驱动本L293D驱动模块，采用ST公司原装全齋的L293D芯片.釆用SMT工艺稳定桂高，采用高质量岛电解电容，使电路稳定工作.可以 直接驱动4路3-16V t流电机并提供了 5V输出接口（输入聂低只要6Y ）可以给5Y单片机电路系统供电（低纹波系教）支持3. 3V MCUARM控制可以方便的担制直涼电机途度和方荷.也可以控制2相步进电札5线4相步进电机.是智能小车必备利臥tttBffn分甥为X GXD 11 1X212 17 其*5GND A电lib 可|、2 时KM电WH.IM IN*对应直淹电机的CMA7FA. AM7FX.关抻电片入山塞入以为侥取电丿EM 电*13PU M 入12 九*机4PU MBA电机口I以为按红外這 烧机弄却I iM)anttth池龙电.常的方*电机8. IW3 IM tfttlM电飢2的霆MtA. M 为感机1 FU M AEM *电机2 F V1 入sttHM步时、 电机口二 r r *w1，fld四组信弓信统 TI入片机eie iiie ei eiocaBL、V y/ /f / ) X * 、AM!血询倉竟电机，直沦QU电铀戒m岀动岀动也动岀池績入LAOC口砂凫入电池充电2.LDC1000LDC1000由SPI通讯 MCU.需要连接控制口 .电路如下VIf-,gS 口SCLk CSB-L 1SOI 3rBivisSDOEXibLDCFA PADINTO XDUT TIM-LA rin*VW I GMDMBINAIfe KTL 工 TTloclic叮10Cfr 北世 IiufLDCIMIOXH2-M-2 HaJGisgVCC厶MTIrsBi SDO Iq4r 但3.1602液晶显示由于其内部集成了显液晶由单片机控制，实时显示小车行驶的时间和路程, 示处理模块，所以外围电路十分简单。LCD16021 n4.蜂鸣器蜂鸣器用于小车位置指示，用三极管驱动，由单片机口控制，小车到站后,FMQ单片机给蜂鸣器一个方波信号，蜂鸣器鸣叫提示。电路图如下5.单片机单片机采用了 MSP430F552,亥芯片的应用电路于其他51单片机完全一样 介于小车各部分功能均为模块实现。三、元件清单元件数量元件数量元件数量小车1万向轮1小马达2车轮2杜邦线若十电池1f5529单片机1LDC10001线圈1蜂鸣器1电机控制板11602液晶1第三章：智能循迹小车软件设计、主函数流程图主函数液曙化_ PWM初始化传感器机始化J初始 $电感值O4始化定时器扁1、循环函数流程图控制函数第四章：总结与心得一、开发与调试在整个开发过程中，我们按照总一一分一一总的总体思想来展开的， 整个开 发过程主要分为以下几个阶段进行。1总体方案论证和确立在这一阶段。我们主要任务是根据大赛要求对小车的总体结构进行初步的规 划设计，对系统进行模块化，对各部分资源做出分配。确定软件的主要思路框架 这一阶段上主要解决的问题有：1）确定小组各成员的分工，各取所长，分头进行前期资料的准备2）确定小车的开发流程，规划小车的开发进度；3）将电气部分划分为了电源、驱动、单片机和 LDC1OO0专感器四大模块，并确 定各模块的方案。4）分配各模块资源，确定各模块的主要参数。5）采购所需元器件，为下一阶段做准备2各分立模块调试在这一阶段，我们的主要任务是，完成各个模块的搭建，并调试使之达到预 定的参数指标。根据大赛的要求我们确定的各部分模块的参数，制作出各部 分模块，并对其进行了调试确定其各方面性能均能达标。3.总体测试LDC1000检测到金属返回MCUI勺值会变小，且镍币的返回值会更小，所以 我们依据这个原理设计了如下两个方案。方案一：判断是否检测到金属线，检测到就前进，否则左右扫描，来判断 是否转弯，当LDC1000返回值到达最低值说明发现硬币，控制蜂鸣器发声。方案二：设定一个初始方向，检测到铁线就反方向延时拐弯，这个延时需 要现场调试确定时间，然后再反方向拐弯去监测有无铁线， 其他方案与方案- 样。、典型问题举例1.电感切割铁线产生电流切割磁感线电荷累计到一定量产生放电影响到LDC1000的数据传感器线圈太小无法大面积感应铁丝手动缠绕线圈，计算线圈大小比较困难3. 小车驱动转向问题选择四轮驱动小车还是三轮驱动小车三、总结与展望小车各方面的步完善。在这次比赛中我们完成了比赛指标， 但是由于比赛时间有限， 性能还有待提高，设计方案还可以进一步扩展，这些需要我们以后进