【導(dǎo)讀】方面，而根據(jù)地面特定標識自動尋跡在工業(yè)自動化生產(chǎn)及汽車工業(yè)中也得到廣泛應(yīng)用。錄時間、里程以及行駛速度。涉及到傳感器位置檢測，直流電機調(diào)速控制及計算機應(yīng)用等多方。避障礙，并恢復(fù)對路線的尋跡。說明：1本表一式二份，一份由學(xué)生裝訂入附件冊，一份教師自留。2帶*項可根據(jù)學(xué)科特點選填。采用直流電機驅(qū)動小車的后輪，用。利用舵機控制小車的行駛方向，采用PWM技術(shù)調(diào)。節(jié)占空比以此來控制電機的轉(zhuǎn)速，使小車實現(xiàn)自動尋跡避障的功能。度、里程的顯示用一塊1602LCD。

　　

【正文】 298N 可驅(qū)動 2 個電動機， OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間可分別接電動機，本實驗裝置我們選用驅(qū)動一臺電動機。 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉(zhuǎn)。 ENA， ENB 接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn) [10]。 表 為 L298N 的邏輯控制表，其中 C、 D 分別為 IN IN2 或 IN IN4； L為低電平， H 為高電平， ※ 為不管是低電平還是高電平。 表 L298N 對直流電機控制的 邏輯功能表 電機驅(qū)動電路的設(shè)計 本設(shè)計采用高電壓，大電流的 L298N 全橋驅(qū)動芯片，其外圍電路設(shè)計如圖 所示，它響應(yīng)頻率高，一片 L298N 可以分別控制兩個直流電機。兩個電機的四個正方向信號和兩個 PWM 信號經(jīng) L298N后能夠很好的控制電機的正反轉(zhuǎn)和較大范圍的控制電機電壓。 VEN C D 輸 出 H H H L 正 轉(zhuǎn) L H 反 轉(zhuǎn) L ※ ※ 沒有輸出，電機不工作 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 16 VS4O U T I2O U T 23O U T 313O U T 414E N B15E N A1N15N27N310N412E N A6E N B11G N D8V S S9U2L 2 9 8 NM1M2D2D1 D4D3D5 D6 D7 D8C70 . 1 u FC41 0 0 u FC50 . 1 u FC61 0 0 u FV C C +9D J A 1D J A 2D J B 1D J B 2E N AE N B 圖 L298N 電機驅(qū)動電路 如圖 所示，本設(shè)計中 L298N OUT1， OUT2 和 OUT3， OUT4 之間各接一個小直流電動機。 VSS 9 腳接經(jīng)過穩(wěn)壓后的 +5V， VS 4 腳直接接 +9V 電源。 1， 5， 8腳都接地。 5， 7， 10， 12 腳接輸入控制信號 (控制信號從單片機 ， ， ， 發(fā)出，經(jīng)光耦 TLP5214 后接 L298N 的 5， 7， 10， 12 腳輸入 )，控制電機的正反轉(zhuǎn)。單片機的兩個端口（ ， ）給出 PWM 信號直接與 ENA， ENB 相連控制使能端，從而達到控制電機直行 、 加減速 、 倒退等動作 [11]。在該模塊設(shè)計中，我們采用了小周期信號，通過改變小車的占空比對小車的速度進行調(diào)節(jié)。將小車速度分為 20 個檔，這樣就可以讓 小車在調(diào)試過程中得到一個合理的速度 ， 使其行駛在對穩(wěn)定的狀態(tài)。 尋跡模塊設(shè)計 反射型光電探測器 RPR359F工作原理 RPR359F 發(fā)是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管 [12]。 RPR359F 采用 DIP4 封裝，發(fā)射器和接收器都有兩根引出腳，其中長腳為正極，西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 17 短腳為負極。其具有如下特點： a. 塑料透鏡可以提高靈敏度。 b. 內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。 c. 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。 d. 集電極功耗小，僅為 80mW。 該小車在鋪有約兩厘米寬黑紙的路面行駛，路面可以近似看為白色。 當發(fā)光二極管對地發(fā)射紅外線，當?shù)孛鏋楹谏珪r，無反射，三極管不導(dǎo)通，輸出高電平；當?shù)孛鏋榘咨珪r，有紅外線反射回來使得接收的三極管導(dǎo)通，輸出為低電平。 四路運算放大器 LM324 和雙運算放大器 LM358 設(shè)計中預(yù)采用六組反射式紅外光電探測器來檢測尋跡線路，即小車尋跡過程中檢測電路與電位器的輸出共有六組。故需要用到運算放大器。我們選擇 LM324 和LM358 來做尋跡檢測電路的電壓比較器。 LM324 系列器件為價格便宜的帶有真差動輸入的四運算放大器。 與單電源應(yīng)用場合的標準運算放大器相比，它們有一些顯著優(yōu)點。該四運算放大器可以工作在低到 或者高到 32V 的電源下，靜態(tài)電流大致為 MC1741 的靜態(tài)電流的五分之一（對每一個放大器而言）。共模輸入范圍包括負電 源，因而消除了在許多應(yīng)用場合中采用外部偏置元件的必要性， 輸出電壓范圍也包含負電源電壓 [12]。 LM358 內(nèi)部包括有兩個獨立的、高增益、內(nèi)部頻率補償?shù)碾p運算放大器，適合于電源電壓范圍很寬的單電源使用，也適用于雙電源工作模式，在推薦的工作條件下，電源電流與電源電壓無關(guān)。它的使用范圍包括傳感放大器、直流增 益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運算放大器的場合。 LM358 的封裝形式有塑封 8 引線雙列直插式、貼片式和圓形金屬殼封裝等。 尋跡光電對管電路的設(shè)計 本設(shè)計的光電對管檢測電路如 圖 所示。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 18 圖 光電對管檢測電路 由于給此電路供電的電池的壓降較小，而且尋跡檢測電路的作用是只是用來分辨地面的尋跡黑線，不需要很遠的檢測距離，使用電壓比較器便可以滿足本設(shè)計要求，因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與調(diào)理電路。 當反射型紅外光電探測器 RPR359F 的發(fā)光二極管對地面發(fā)射紅外線打到尋跡黑線上時 ，由于黑色的引導(dǎo)線對紅外線無反射，此時光電三極管不能接收到反射回來的紅外線，三極管不導(dǎo)通，經(jīng)過比較器后輸出高電平。反之，當打到白色的地面時，有紅外線反射使得三極管導(dǎo)通，經(jīng)過比較其后輸出低電平。 本畢業(yè)設(shè)計尋跡線路檢測處理模塊的總體電路設(shè)計原理圖如 圖 所示。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 19 O U T 27N 2 6N 2 +5V C C4N 1 +3N 1 2O U T 11O U T 414I N 4 13N 4 +12G N D11N 3 +10N 3 9O U T 38U 1 0L M 3 2 4O U T 11I N 1 ( )2I N 1 ( + )3G N D4I N 2 ( + )5I N 2 ( )6O U T 27V C C8U 1 1L M 3 5 8U4R P R 3 5 9 FU5R P R 3 5 9 FU7R P R 3 5 9 FU6R P R 3 5 9 FU9R P R 3 5 9 FU8R P R 3 5 9 FR32 0 0R 1 02 0 kR52 0 0R92 0 kR 1 22 0 kR62 0 0R82 0 0R 1 42 0 kR72 0 0R42 0 0R 1 12 0 kR 1 32 0 kR 1 51KR 1 61KR 1 71KR 1 81KR 1 91KR 2 01KV C CI N 6 +I N 6 I N 5 +I N 5 I N 4 +I N 4 I N 3 +I N 3 I N 2 +I N 2 I N 1 +I N 1 O U T 1O U T 5I N 5 I N 5 +I N 6 +I N 6 O U T 6I N 1 I N 1 +I N 2 +I N 2 O U T 2 O U T 3I N 3 I N 3 +I N 4 +I N 4 O U T 4 圖 尋跡檢測模塊電路原理圖 尋跡光電對管的安裝 正確選擇檢測方法和傳感器件是決定尋跡效果的重要因素，而且正確的器件安裝方法也是尋跡電路好壞的一個重要因素。從簡單、方便、可靠角度出發(fā)，同時在車體頭部底盤裝設(shè) 6 個紅外反射式光電傳 感器，進行三級方向糾正控制，將大大提高其尋跡的可能性。設(shè)計中，具體光電對管的安裝位置及分布示意圖如 圖 所示 。 圖 反射型光電探測器位置分布及安裝示意圖 A管 B管 C管 F管 E管 D管 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 20 圖中光電傳感器全部在一條直線上。其中 C、 D 兩個為第一級方向傳感器， B、E 為第二級方向傳感器， A、 F 為第三級方向傳感器，并且同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進時，始終沿著黑色引導(dǎo)線行進，黑線始終在中間這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到 黑線，發(fā)光二極管發(fā)出的信號不能從黑線上發(fā)射回來，此時三極管不能導(dǎo)通，從而使LM324 或 LM358 中的一個電壓比較器的同相端電壓為高，電壓比較器輸出高電平。同時檢測的信號送給單片機處理，單片機發(fā)出信號對小車軌跡予以糾正。 若小車回到了軌跡上，即六個探測器都檢測到白紙，發(fā)光二極管發(fā)出的信號不能從白紙上發(fā)射回來，此時三極管導(dǎo)通，從而使 LM324 或 LM358 中的一個電壓比較器的同相端電壓為低，電壓比較器輸出低電平，同時檢測的信號送給單片機 處理，單片機發(fā)出信號給電機驅(qū)動模塊控制小車電機使小車會繼續(xù)前進 ， 第二級方向探測器實際上是第一級的后備保護，同理第三級方向探測器是第二級的后備保護，它的存在實際是考慮到小車的慣性過大會偏離軌道，再次對小車的運動進行糾正，從而提高了小車尋跡的可靠性。 超聲波檢測處理模塊設(shè)計 超聲波測距原理 本設(shè)計中小車采用超聲波檢測障礙物。超聲波檢測的原理是：超聲波發(fā)生器 T發(fā)出超聲波信號，當這個信號遇到障礙物時反射回來，被接收器 R 收到。小車則可以根據(jù)接收到的信號做出相應(yīng)的避障反應(yīng)。 超聲波傳感器是利用超聲波在空氣中的定向傳播和固體反射特性，通過接受自身發(fā)射的超聲波反射信號，根據(jù)超聲波的發(fā) 出和接受回波的時間差及傳播速度，計算出傳播距離，從而得到障礙物的距離信息。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法 TOF（ time of flight），首先測出超聲波從發(fā)射到遇到障礙物返回所經(jīng)歷的時間，再乘以超聲波的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。 由于超聲波在空氣中的傳播速度為 v=340m/s，根據(jù)定時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離，即： s = v﹒ t/2。 超聲波測距模塊 HCSFR05 HCSFR05 超聲波測距模塊可提供 2cm~450cm 的非接觸式距離感測功能 ，測距精度可達高到 3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。實物如圖 所示。 (1) 電源電壓： DC5V； 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 21 (2) 靜態(tài)電流：小于 2mA； (3) 電平輸出：高 5V，低 0V； (4) 感應(yīng)角度：不大于 15 度 ； (5) 測量精度： ； (6) 探測距離： 2cm450cm； (7) 工作溫度： 20℃ ～ +60℃ 。 圖 超聲波模塊實物圖 b. 引腳功能 (1) VCC:電源端 ； (2) Trig:觸發(fā)控制信號輸入 ； (3) Echo:回響信號輸出 ； (4) Out:開關(guān)量輸出端 ； (5) GND:公共地 。 基本工作原理：單片機通過 I/O 口向超聲波模塊觸發(fā)控制端 TRIG 給至少 10us的高電平信號，該模塊自動發(fā)送 8 個 40kHz的方波，在發(fā)射的同時單片機啟動定時器 T1 開始計時，接收端自動檢測是否有信號返回；若有信號返回，通過 ECHO 輸出一個高電平，同時定時器 T1 停止定時， ECHO 端變?yōu)榈碗娖綍r啟動外部中斷 0，等待下一次檢測。高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間 [13]。測試距離=(高電平時間 *聲速 (340m/s))/2。 超聲波時序圖如圖 所示 。 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 22 圖 超聲波時序圖 轉(zhuǎn)速檢測接口設(shè)計 霍爾傳感器工作原理 霍爾傳感器檢測主要通過霍爾效應(yīng)來實現(xiàn)的，磁鐵在接近霍爾傳感器時傳感器會產(chǎn)生一個高電平，通過檢測一定時間內(nèi)高電平的個數(shù)，再與車輪的周長經(jīng)過計算可得出對應(yīng)的速度量。將霍爾傳感器安裝在靠近車輪的固定位置上，并在車輪上分別安裝上 4 個磁鐵，當磁鐵轉(zhuǎn)到霍爾元件附近時，霍爾元件的輸出端輸出高電平信號。當轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動時，單片機通過霍爾元件感應(yīng)磁鐵來產(chǎn)生脈沖 (當霍爾元件在離磁場較近時輸出會是高電平，其它時候是低電平 )，計算一秒所得的脈沖數(shù)，從而計算出一秒小車輪 子轉(zhuǎn)動圈數(shù)，再測量出小車車輪周長即可計算出小車當前速度，累加可得到當前路程。 磁鐵在車輪上的安裝示意圖 如 圖 所示 。 圖 磁鋼安裝示意圖 西安工業(yè)大學(xué)北方信息工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計（論文） 23 A44E 霍爾測速模塊 A44E 是 Allegro Micro systems 公司生產(chǎn)的寬溫，開關(guān)型的霍爾器件，其工作電壓范