課程設計-- 智能小車循跡控制系統(tǒng)

1、<p>　　**大學能源與動力工程學院</p><p><b>　　本科生課程設計</b></p><p>　　題 目： 智能小車循跡控制系統(tǒng) </p><p>　　課 程： 電子技術 </p><p>　　專 業(yè)： 測

2、控技術與儀器 </p><p>　　班 級： 測控1101 </p><p>　　學 號： ********** </p><p>　　姓 名： **** </p><p>　　指導教

3、師： **** </p><p>　　完成日期： 2013年11月26 日 </p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　1、任務及要求……………………………………………………………………3</p><p>　　2、整體方

4、案及特點…………………………………………………………..4</p><p>　　3、各組成部分的電路結構及工作原理………………………………..4</p><p>　　4、系統(tǒng)硬件電路設計（各模塊的硬件連接關系）……………..9</p><p>　　5、CPLD控制模塊內各單元模塊的設計……………………………..10</p><p>　　6、C

5、PLD控制模塊的頂層電路圖………………………………………..13</p><p>　　7、系統(tǒng)總裝配圖……………………………………………………………..14</p><p>　　8、實驗結果分析……………………………………………………………..14</p><p>　　9、調試中出現(xiàn)問題的解決………………………………………………..15</p><

6、;p>　　10、改進意見及收獲體會…………………………………………………..15</p><p>　　11、器件與器材………………………………………………………………..16</p><p>　　12、使用儀器設備……………………………………………………………..17</p><p>　　13、參考文獻…………………………………………………………………..17

7、</p><p><b>　　一、任務及要求</b></p><p>　　1、課程任務及其功能</p><p>　　設計智能小車循跡控制系統(tǒng)</p><p>　?。?）小車可完成前進、轉向等行駛方式；</p><p>　?。?）小車在底盤安裝四組紅外傳感器；</p><p>

8、;　?。?）系統(tǒng)根據紅外傳感器提供的信息測算小車與地面深色路徑的偏離程度；</p><p>　?。?）當小車偏離地面深色路徑時自動以轉小彎、轉大彎的運動方式調整小車的行進軌跡,完成自動循跡的運動方式。 </p><p><b>　　2、設計要求</b></p><p>　?。?）要求用可編程邏輯器件（FPGA/CPLD）設計實現(xiàn)；</p

9、><p>　?。?）在實驗箱上或印刷電路板上安裝、調試出所設計的電路；</p><p>　　（3）在EDA編程實驗系統(tǒng)上完成硬件系統(tǒng)的功能仿真；</p><p>　?。?）寫出設計、調試、總結報告。</p><p>　　3、課程設計的時間安排</p><p>　　1）方案設計；(1.5天)</p><p

10、>　　根據設計任務書給定的技術指導和條件，進行調查研究、查閱參考文獻，進行反復比較和可行性論證，確定出方案電路，畫出主要單元電路，數(shù)據通道，輸入、輸出及重要控制信號概貌的框圖。</p><p>　　2) 電路設計：(2天)</p><p>　　根據方案設計框圖，并畫出各單元電路的詳細電路圖及總體電路圖。</p><p>　　3) 電路仿真：（2.5天）<

11、/p><p>　　熟悉EDA工具，在EDA軟件平臺上修改設計的電路，給出正確的仿真結果。</p><p>　　4) 裝配圖設計：(1天)</p><p>　　根據給定的元器件，結合邏輯電路圖，設計出電路制作的具體裝配圖(即繪出組件數(shù)量，管腳號以及器件布置的實際位置)。同時配以必要的文字說明。</p><p>　　5）電路制作：(2天)</p

12、><p>　　對選定的設計，按裝配圖進行裝配，調試實驗。</p><p>　　6) 總結鑒定：(1天)</p><p>　　考核樣機是否全面達到現(xiàn)定的技術指標，能否長期可靠地工作，并寫出設計總結報告。</p><p><b>　　整體方案及特點</b></p><p>　　1、智能小車循跡總體方案&l

13、t;/p><p>　　2、設計的思路及其特點</p><p>　　在智能尋跡小車控制系統(tǒng)的設計中，以CPLD為核心，用L298N驅動兩個減速電機，當產生信號驅動小車前進時，是通過尋跡模塊里的紅外對管是否尋到黑線產生的電平信號通過電壓比較器LM339返回到CPLD，然后CPLD根據程序設計的要求做出相應的判斷送給電機驅動模塊，讓小車來實現(xiàn)前進、左轉、右轉、停車等基本功能。</p>

14、<p>　　三、各組成部分的電路結構及工作原理</p><p>　　1、紅外尋跡模塊的設計</p><p><b>　?。?）電路結構</b></p><p>　　發(fā)射部分 接收部分</p><p><b>　?。?）工作原理</b></p>

15、<p>　　該系統(tǒng)中的尋線模塊我們采用的是紅外傳感器。它有一個發(fā)射管（白色）和一個接收管（黑色），一般情況下接收管能收到發(fā)射管發(fā)送的紅外光，但當遇到吸光介質（如黑色物體）時接收管便不能收到發(fā)射管的紅外光。因為傳感器輸出端得到的是模擬電壓信號，所以在輸出端增加了電壓比較器LM339，先將輸出電壓與2.5V進行比較（檢測到黑線時輸出低電平，發(fā)光二極管不亮；檢測到白線時輸出高電平，發(fā)光二級管亮），再送給CPLD處理和控制。本設計中，

16、為使小車尋線穩(wěn)定，最好選擇差異較大的環(huán)境，例如在白地板上貼上黑線，可使紅外尋線模塊工作更加靈敏穩(wěn)定。</p><p><b>　　2、電源模塊的設計</b></p><p>　　利用L298穩(wěn)壓管輸出一路電壓，供給單片機和電機驅動，還供給尋跡模塊。L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙

17、全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。</p><p>　　3、CPLD控制模塊設計</p><p>　　此部分是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有的運行狀態(tài)作用。采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實現(xiàn)各種復雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適

18、合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心</p><p><b>　　1) 正常前進</b></p><p>　　當尋跡板中間兩個傳感器檢測到白線，小車都正常前進。</p><p><b>　　2）左小拐彎</b></p><p>　　當只有左端第2個傳感器檢測到黑線，其余3個傳感器檢測到白色時，小車應左小拐

19、彎。</p><p><b>　　3）左大拐彎</b></p><p>　　當只要左端第1個傳感器檢測到黑線，右端2個傳感器檢測到白色時，小車應左大拐彎。</p><p><b>　　4) 右小拐彎</b></p><p>　　當只有右端第2個傳感器檢測到黑線，其余3個傳感器檢測到白色時，小車應右小

20、拐彎。</p><p><b>　　5) 右大拐彎</b></p><p>　　當只要右端第1個傳感器檢測到黑線，左端2個傳感器檢測到白色時，小車應右大拐彎。</p><p><b>　　6）停車</b></p><p>　　當4個傳感器同時檢測到黑線或其他情況，小車停車。</p>&

21、lt;p><b>　　4、驅動模塊設計</b></p><p><b>　?。?）電路圖</b></p><p><b>　?。?） 工作原理</b></p><p>　　從CPLD輸出信號功率很弱，即使在沒有其它外在負載是也無法帶動電機，所以在實際電路中我們加入了電機驅動芯片提高輸入電機信號的

22、功率，從而能夠根據需要控制電機轉動。根據驅動功率大小以及連接電路的簡單化要求選擇L298N為直流電機驅動芯片。L298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以下的電機。其引腳排列如下圖所示，1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號。L298N可驅動2個電機，OUTl、OUT2和OUT3

23、、OUT4之間分別接2個電動機。（5、10）、（7、12）腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA，ENB接控制使能端，控制電機的停轉。L298N的邏輯功能如表1所示。</p><p>　　表1 L298N邏輯功能表</p><p>　　其引腳圖如圖1所示:</p><p><b>　　引腳介紹：</b></p><p&

24、gt;　　第1、15腳：可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感信號，也可直接接地。</p><p>　　第2、3腳：A電機輸出端口。</p><p>　　第4腳：接邏輯控制的+5V電源。</p><p>　　第6腳：A橋使能端口。</p><p>　　第5、7腳：輸入標準TTL電點平對A橋的輸出OUT1、OUT2進行控制。</p&g

25、t;<p><b>　　第8腳：接電源地。</b></p><p>　　第9腳：接電機驅動電源，最高可達50V。</p><p>　　第11腳：B橋使能端口。</p><p>　　第10、12腳：輸入標準TTL電平對B橋的輸出OUT3、OUT4進行控制。</p><p>　　第13、14腳：B電機輸出端口。

26、</p><p><b>　　5、直流電機</b></p><p><b>　　（1）實物圖</b></p><p><b>　?。?）原理</b></p><p>　　因為一個驅動芯片L298N可驅動兩個直流電機，可我們這次購買的小車有四個直流電機，所以我們采用兩兩并聯(lián)的方法

27、，即左側兩個并聯(lián)，右側兩個并聯(lián)。這樣就可以使每一側的兩個電機步調一致起來，便于控制。</p><p>　　系統(tǒng)硬件電路設計（各模塊的硬件連接關系）</p><p>　　CPLD控制模塊內各單元模塊的設計</p><p>　　1、PWM（脈沖寬度調制）</p><p>　　(1) VHDL程序</p><p>　　LI

28、BRARY IEEE;</p><p>　　USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;</p><p>　　USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;</p><p>　　USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;</p><p>　　ENTITY PWMA IS</p>&l

29、t;p><b>　　PORT </b></p><p>　　( CLK :IN STD_LOGIC; </p><p>　　C:IN STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);</p><p>　　PWM:OUT STD_LOGIC</p><p><

30、;b>　　);</b></p><p><b>　　END PWMA;</b></p><p>　　ARCHITECTURE example OF PWMA IS</p><p>　　SIGNAL COUNT:STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0);</p><p><b>

31、　　BEGIN</b></p><p>　　PROCESS(CLK)</p><p><b>　　BEGIN </b></p><p>　　IF CLK'EVENT AND CLK='1' THEN</p><p>　　IF COUNT="1001" THEN&l

32、t;/p><p>　　COUNT<="0000";</p><p><b>　　ELSE</b></p><p>　　COUNT<=COUNT+1; </p><p><b>　　END IF;</b></p><p>　　IF COUNT<

33、C THEN PWM<='1';</p><p>　　ELSE PWM<='0';</p><p><b>　　END IF;</b></p><p><b>　　END IF;</b></p><p>　　END PROCESS;</p>

34、<p>　　END example;</p><p><b>　　(2)原理圖</b></p><p><b>　　(3)仿真波形</b></p><p><b>　　2、主要控制模塊</b></p><p><b>　　原理和功能</b><

35、;/p><p>　　根據小車前面的四個紅外傳感器所檢測到的信號控制兩端電機的轉速。</p><p>　　當小車需要正常前進時，左側兩個電機的轉速應等于右側兩個電機的轉速。</p><p>　　2）當小車需要左小拐時，左側兩個電機的轉速應略小于右側兩個電機的轉速。</p><p>　　3）當小車需要左大拐時，左側兩個電機的轉速應比右側兩個電機的轉速

36、小得多。</p><p>　　4）當小車需要右小拐時，左側兩個電機的轉速應略大于右側兩個電機的轉速。</p><p>　　5）當小車需要右大拐時，左側兩個電機的轉速應比右側兩個電機的轉速大得多。</p><p>　　6）當小車需要停止時，左側兩個電機的轉速和右側兩個電機的轉速應都為零。</p><p><b>　　VHDL程序<

37、;/b></p><p>　　LIBRARY IEEE;</p><p>　　USE IEEE.STD_LOGIC_1164.ALL;</p><p>　　USE IEEE.STD_LOGIC_UNSIGNED.ALL;</p><p>　　USE IEEE.STD_LOGIC_ARITH.ALL;</p><p&g

38、t;　　ENTITY control IS</p><p><b>　　PORT</b></p><p>　　(p1,p2,p3,p4:IN STD_LOGIC;</p><p>　　A,B: OUT STD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0)</p><p><b>　　);</b>

39、</p><p>　　END control;</p><p>　　ARCHITECTURE behave OF control IS</p><p><b>　　BEGIN</b></p><p>　　PROCESS(p1,p2,p3,p4)</p><p>　　VARIABLE TEMP: S

40、TD_LOGIC_VECTOR(3 DOWNTO 0):="0000";</p><p><b>　　BEGIN </b></p><p>　　TEMP:=p1&p2&p3&p4;</p><p>　　IF (TEMP="0000")THEN</p><p>

41、;　　A<="1000";</p><p>　　B<="1000";</p><p>　　ELSIF(TEMP="0010")THEN</p><p>　　A<="1000";</p><p>　　B<="0011";&

42、lt;/p><p>　　ELSIF(TEMP=("0001")OR TEMP=("0011"))THEN</p><p>　　A<="1000";</p><p>　　B<="0001";</p><p>　　ELSIF(TEMP="0100&q

43、uot;)THEN</p><p>　　A<="0011";</p><p>　　B<="1000";</p><p>　　ELSIF(TEMP=("1000")OR TEMP=("1100"))THEN</p><p>　　A<="0

44、001";</p><p>　　B<="1010";</p><p><b>　　ELSE</b></p><p>　　A<="0000";</p><p>　　B<="0000";</p><p><b

45、>　　END IF;</b></p><p>　　END PROCESS;</p><p>　　END behave;</p><p><b>　　原理圖</b></p><p><b>　　仿真波形</b></p><p>　　CPLD控制模塊的頂層電路圖

46、</p><p><b>　　1、原理圖</b></p><p><b>　　2、仿真波形</b></p><p><b>　　系統(tǒng)總裝配圖</b></p><p><b>　　實驗結果分析</b></p><p>　　一開始小車總

47、是左大拐彎拐不過去，經過分析，一是程序中小車的速度調的太快，二是左右輪在左大拐彎時左右輪的速度差太小。最后將小車左右輪的左右輪速度差調大，之后小車順利沿著黑線走了，也不會壓著黑線走。</p><p>　　調試中出現(xiàn)問題的解決</p><p>　　在調PWM程序時，由于不熟悉VHDL語言，總是在語法上出錯，少了一兩個字母什么的，最后熟悉了就好。在快要成功時，我們組的小車在左大轉彎的地方總會沖

48、出跑道，因此要不斷的修改小車左右輪速度的大小。比較麻煩的就是取下CPLD集成塊，每次都要拿起拔器一遍遍取下，不小心也會把邊上的管腳弄壞。嘗試了好多次，最后將左大拐彎時左右輪的速度差調成1和11才成功，并且拐的很好。</p><p><b>　　改進意見及收獲體會</b></p><p><b>　　1、改進意見</b></p>&l

49、t;p>　　（1）由于時間和經歷的限制，小車最終只實現(xiàn)了地面黑白循跡，按照預定地圖給定的軌跡行進，沒有加入路程記錄，聲控，壁障等功能。</p><p>　　(2) 沒有考慮干擾問題，現(xiàn)在的小車只是在圓弧型的軌道上跑，換到別的跑道估計有些困難，比如全是直角的循跡跑道上，又是直角又是圓弧，或者是拐的角度較大。</p><p><b>　　2、收獲體會</b><

50、/p><p>　　經過幾個禮拜的忙碌，在大家共同的努力下，終于給智能循跡 小車畫上了句號。雖說不上是完美，但總算成功了。剛開始接觸 這個項目，我們組兩個人對其一點也不了解，無從下手。后來從一個個模塊慢慢開始，先了解其原理，也算知道個大概。在知道做什么之后，開始一步步跟著大家的步伐做設計。</p><p>　　理論知識往往都是在一些理想狀態(tài)下的假設論，而實際的動手操作則完全不

51、同，需要考慮實際中的很多問題。在課程設計實習中通過對電路的連接懂得了如何通過設計的分析對所連電路的整體布局，如何更好的放置芯片在最合適的位置。在導線的連接上，如何選擇導線走向是關鍵。我們組根據所需線長進行剪線焊接。</p><p>　　我們在實驗中遇到一些自己無法弄明白的問題，多次請教同學。在此也謝謝班里的女生，教會了我好多。在設計時和同學相互交流各自的想法的確很重要，不同的人對問題的看法總有差異，我們可以從交流

52、中獲得不同的想法，其他人的設計一定有值得你借鑒的地方。比如遇到左大拐彎拐不過去的問題，經過和與同學的交流與自己多次嘗試，原來在程序上調節(jié)左右輪速度有問題，速度差不夠明顯，車子也就很難轉過來。還有些接線問題，自己一個人悶在那檢查會蒙在那，一個簡單的錯誤都沒看出來，這次的CLK信號接錯管腳了，查了幾遍沒查出來，還是女生幫忙看出來的。經過多次的嘗試和改進，也不負多天的努力，結果挺好的。</p><p>　　當然，也得感

53、謝老師學校給了我們這次機會做設計，確實蠻有趣的，而且還學到了好些東西，感覺自己動手能力還不錯。希望鄭老師多帶我們做這種課程設計。</p><p><b>　　十二 、器件與器材</b></p><p>　　1、CPLD EPM7128SLC84-6</p><p>　　2、

54、FPGA EPF10K10</p><p>　　3、只讀存儲器 EPROM 2732A</p><p><b>　　4、穩(wěn)壓降壓模塊</b></p><p><b>　　5、小車</b>&l

55、t;/p><p><b>　　6、L298驅動板</b></p><p><b>　　7、紅外傳感器</b></p><p><b>　　8、測速碼盤</b></p><p>　　9、施密特觸發(fā)器 74LS14</p&

56、gt;<p>　　10、A/D轉換器 ADC0804、ADC0809</p><p>　　11、D/A轉換器 DAC0832</p><p>　　12、振蕩分頻器 CD4060</p><

57、p>　　13、石英晶體(4M、2 M、32768 HZ)</p><p><b>　　14、萬能板</b></p><p>　　15、微動開關、撥盤開關、繼電器、LED(紅、綠、藍)、電阻、電容、二極管、三極管、光敏二、三極管、導線……等。</p><p>　　16、工具(鑷子、剪刀、萬用表、電烙鐵……)</p><p

58、><b>　　十三、使用儀器設備</b></p><p>　　穩(wěn)壓電源(±5V，±15V)；</p><p><b>　　實驗電路箱；</b></p><p><b>　　信號發(fā)生器；</b></p><p><b>　　示波器</b&

59、gt;</p><p><b>　　數(shù)字萬用表</b></p><p>　　PC機（裝有MAX+PLUSII或QuartusII軟件）；</p><p>　　EDA編程系統(tǒng)實驗箱等。</p><p><b>　　十四、參考文獻</b></p><p>　　1、“模擬電子技術基