循迹竞速小车

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1、Harbin Institute of Technology课程设计说明书（论文）课程名称：电子技术基础课程设计设计题目：循迹竞速电动车设计院系：电气学院班级：1306152设计者：学号：指导教师：设计时间：2015.12.18哈尔滨工业大学哈尔滨工业大学课程设计任务书姓名：院（系）：电气学院专 业：电气工程及其自动化班号：1306152任务起至日期：2015年12月13日至 2015年12月25日课程设计题目：循迹竞速电动车设计已知技术参数和设计要求：小车从出发点开始，必须预定沿轨迹运动。到达终点线时小车自行后退。 完成时间按小车从出发点到到达终点线所用时间计。每个小组的小车要按上述要求跑完

2、全程，小车跑 动期间不能人为干预小车运动，直至小车到达终点线并一直后退。工作量：三人一组，共同完成小车电源模块、轨道监测模块、控制模块、电机驱动模块的搭建与调 试，并接受验收和答辩；每人提交设计报告一份。工作计划安排：12月13日：查找资料，学习相关知识和原理并设计出逻辑电路;12月14日：搭建控制模块和电源模块并成功调试；12月15 日 :搭建逻辑控制部分和电机驱动部分，并成功调试；12月16日：对搭建的总电路在逻辑上进行调试；12月18日：安装监测模块和安装小车，并成功验收；同组设计者及分工：XX （组长）：负责逻辑电路的设计和搭建，和整个电路的调试;XX ：负责控制模块的搭建和整个电路的

3、调试；XX ：负责电源模块和电机驱动模块的搭建和整个电路的调试；指导教师签字年 月 日教研室主任意见：教研室主任签字*注：此任务书由课程设计指导教师填写。循迹竞速电动车设计一、设计目的1. 熟练掌握数字电路课程中常用芯片的使用方法；2. 掌握控制逻辑电路的设计和电路调试技能；3. 了解并掌握直流小电机的PWM控制思想。二、设计要求1. 小车从出发点开始，必须预定沿轨迹运动。到达终点线时小车自行后退。完成 时间按小车从出发点到到达终点线所用时间计。每个小组的小车要按上述要求 跑完全程，小车跑动期间不能人为干预小车运动，直至小车到达终点线并一直 后退。2三人一组，协同工作。三、设计方案图1设计方案

4、模块组成部分图1、轨道监测模块轨道监测模块主要由两个一路循迹传感器组成，它们分别用来监测左右的白 线和黑线，当检测到黑线时，输出为低电平，检测到白线时，输出为高电平， 当车向左偏离轨道时，右传感器监测到黑线，输出为低电平；当车向右偏离轨 道时，左传感器监测到黑线，输出为低电平；图2一路循迹传感器路寻迹传感器工作电压：5VVCC： :W电源正极GND： 5V电源负扱OUT：数字量电平信号输出（白线高电平，黑线低电平）有效距离10mm左右，越贴近地而，寻迹的精度越髙图3 一路循迹传感器功能图图4 一路循迹传感器电路图2、电机驱动模块电机驱动采用PWM控制电机转速，输入信号控制正反转；用到的芯片为

5、L293B。此驱动模块可同时驱动两个电机，其中2,7,10,15管脚为输入端， 3,6,11,14管脚为输出端。当2管脚输入高电平时，7管脚输入低电平。此时3 管脚输出高电平，6管脚输出低电平，3,6管脚所连接的电机正转，电机反转 同理可得。3、电源模块该模块是由两节锂电池（8V）和LM7805三端集成稳压电路构成。其中稳压 电路实现的功能是输出稳定的五伏电压,为整个数字电路提供5V的数字电路电 压，电机驱动则直接接两节锂电池的8V电压。LM7805图6 LM7805实物图Vaut(3)o-InpulMC7BXX/LM73XXO OutpulGND (2)务Figure 5. DC Param

6、eters图7 7805三端集成稳压电路图4、控制模块控制策略：控制模块输入为两个红外循迹传感器，输出端则可根据小车控制策略不同有 两种方案：1. 通过车轮速度差实现方向控制：输出端接比较器的输入，输出到比 较器的值可以改变比较器的输出脉宽，进而调节左右轮电机的速度。2. 通过电机正反转实现方向控制：输出的Ldir与Rdir可以作为电机 驱动芯片的输入。我们采用第二种方案，即控制正反转来控制电机的转向从而控制小车的转向；控制模块组成：由NE555定时器连成的多谐振荡器和74LS14施密特触发器构成的控制板 时钟，时钟的周期和占空比可通过改变多谐振荡器上的滑动变阻器的电阻来实 现； 5VCrll

7、D图8控制板时钟电路图在74LS14的后面接一个74LS163计数器，并将74LS163计数器的输出与 74LS85比较器相连，通过调节74LS85的输入端1, 9，11，14的电平可改变输 出方波的占空比，这样就构成一个PWM发生电路；比较器是74LS85,由于本 次设计实验选择的方案是通过电机正反转实现方向的控制，电机左右轮的转速 始终相同，所以选择相同的PWM信号，因此只需要一个74LS85芯片。芯片 的A0A3输入口分别接计数器Q0Q3输出口，而B0B3输入口分别接高电平 或低电平。本次设计实验设定的初值为B3B2B1BO=O111,可调节以改变转速。 而芯片的P(AvB)输出端接电机

8、使能端。由74LS85功能表可得，当 A3A2A1A0VB3B2B1B0 时，输出高电平，当 A3A2A1A0三B3B2B1B0 时，输 出低电平，由此输出占空比一定的矩形波。NE555PTls丄厶；J74LS163-*0的值的不同応 以使得比较器输 出脉宽不同,实 现脉宽调制。H I- rL!lV5!4*1 II74LS35I if*(01 U 屮心I iffiOil 巾I iH H图9 PWM电路图图10控制模块总电路图Your Logic Control :疔？悴禹口川*力4dd b rriotorhw-fl注：上图中，由于我们才用的是控制正反转方式控制转向，所以用同一个PWM 端，所以

9、只用到了一个74LS85，与上图有些不同。5、逻辑控制模块使用车轮正反转控制小车方向，转速设为恒定值，在小车到达终点时检测到 长黑线时一直后退，即到达终点后不再循迹。可使用D触发器作为小车目前状态的寄存 器。相当于控制板输入多了一个输入变量，即触发器的输出状态值。根据所要实现的功能列出真值表，画出卡诺图，由卡诺图化简出逻辑式。得到逻辑式为 Rdir=Q+SR,Ldir=Q+SL然后，根据逻辑式设计出逻辑电路图。此逻辑电路包 含D触发器和或门与门非门组成，有两个输入端和两个输出端，还有一个时 钟，此时钟可接控制板时钟。其中两个输入端为传感器的输出端，两个输出 端接电机驱动的输入端，实现对电机转速

10、的控制；首先要对D触发器进行清零处理，通过将CLR接低电平；然后将CLR 置高电平；由逻辑图可知当SL和RL同时为0 （到达终点）后，Q为1,输 出Ldir和Rdir 一直为1,不再随SL和SR变化，满足设计要求；输入输出小车运动QSLSRLdirRdir0 0 01 1后退0 1 00 1右转前进1 0 01 1后退后退1 1 01 1后退图11逻辑电路的真值表图12 D触发器的内部结构图InputsOutputsPRCLHCLKDQ窈LHXXHLHLXXLHLLXXH*H*HHtHHLHHTLLHHHLXoSo图13 D触发器的功能图调试与验收图15电路搭建实物图1、电路调试用逐个模块调试

11、的方法进行调试，对于PWM电路部分，我们成功的调试出 了一定占空比的方波，通过改变 B0B3 输入口的值从而改变占空比；对于电源 模块，我们用实验室8V的直流电压代替锂电池接入电源模块，得到了 5V的 电压，调试成功；接下来我们对我们的逻辑部分进行了调试，首先将 PR 端置 1,将施密特触发器的输出方波接入到Clk,开始时对D触发器进行清零处理， 通过将CLR接低电平；然后将CLR置高电平；通过改变SL和SR的不同组合 输入，测量输出的电平（Ldir、Rdir）高低，与设计的逻辑进行比较，完全符 合；最后我们对整个电路（包括电机驱动模块）的逻辑功能完成了调试。2、小车验收在将电路调试成功之后，

12、我们将搭好的电路安装在小车上面，并将剩下的 线路连好。装车后接上电源，首先要将触发器清零，然后将传感器紧贴白纸面， 使小车传感器贴着地面。此时小车两只轮子向前转。松手后，小车可循迹，到 终点后退。分别将 B3B2B1B0 置为不同的值，逐渐增加小车的速度进行调试， 最后发现小车能循迹的最大值为 0111，最快为 12 秒到达终点。3、遇到的问题在电路调试和小车调试的过程中遇到的最大问题就是小车刚放入监测轨道 时的不稳定，很多时候在清零准备放入轨道的时候，发现小车已经开始往后退 了。4、解决方法我们分析出，应该是小车在放入轨道前由于还没检测到白线（相当于监测 到了两条黑线），出现了一直后退的现象

13、，所以我们在放入轨道前先将小车 D 触发器清零，将监测传感器紧紧贴着地面，然后将清零端置1，慢慢放开小车， 在几次试探之后，小车成功循迹前行。六、设计感悟与收获首先，本次课程设计是对数字电子电路课程的一个很大的实践，对于数电 这门课的理解和掌握起到了一定的促进作用，我一开始觉得数电学起来很枯 燥，都是一些理论知识，通过这次课设经历，才逐渐发现这门课的有趣和实用， 对于我今后的学习起积极作用；在本次课设中，由于对原理要求要理解清晰， 所以对于一些常用芯片和基本电路进行了深入的了解和学习，对逻辑的设计也 加强了我对于时序逻辑电路的设计的能力和认识；其次，在电路的搭建和调试 过程中遇到了一些问题，比如说如何合理科学的排布面包板上的电路线，如何 正确的调试一个复杂的电路，如何去查找一个复杂电路的问题 在这个过程 中学会了对待科学要认真和严谨，任何小小的错误都可能导致你前功尽弃；最 后最重要的一点是，在这次课设过程中我学会了如何与他人合作，互相帮助， 共同进步，这不仅对于以后的学习有帮助，对我的人生也是一次很好的经历。