有关电子智能玩具车的设计方案研究.docx
《有关电子智能玩具车的设计方案研究.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《有关电子智能玩具车的设计方案研究.docx（22页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
有关电子智能玩具车的设计方案研究
上海交通大学PRP学生研究论文
项目名称：
智能玩具小车设计
论文题目：
智能玩具小车设计报告
学生姓名：
陈俊全
学生学号：
5040309472
所在院（系）：
电子信息与电气工程学院
指导教师：
张士文
承担单位：
电工电子实验中心
2
智能玩具小车设计报告
作者信息：
学生学院电子信息与电气工程学院学生姓名小组成员陈俊全邱靖邦王凌云鲁国起吕越指导教师所在学院电子信息与电气工程学院指导教师姓名张士文
摘要：
智能小车是各类电子竞赛的经典题目。
本项目在现有的玩具小车的基础上加装各类传感器及微处理器，实现对路况的识别及小车的控制，并最终实现智能小车电路板的开发设计，完成一套完整的自设计智能小车体系。
本论文主要叙述1.）智能玩具小车控制板的电机驱动模块的原理图设计及调试。
电机驱动控制模块是整个控制板的核心内容，主要涉及到电机方向控制单元和速度控制单元两大部分。
方向控制单元负责小车电机的正转、反转和停止三态控制，速度控制单元是扩展单元，是为了适应不同的场合需求而设置的。
2.）着重讨论智能小车辅助设备的原理与运用，包括摄像头设备（ET21X111），霍尔传感器（A3144），光电对管（TCRT5000），LCD液晶屏幕（RT1602C）等。
3.）本文主要论述智能玩具小车控制板的无线通信模块的原理图设计及调试。
无线通信模块是智能玩具小车得以实现智能化的重要因素，电脑通过架设在场地上的摄像头，处理得到的数据，同时把控制小车的指令通过无线通信模块传送给小车，达到控制小车的目的。
4.）智能玩具小车控制的总后台，即电脑的图象处理程序。
图象处理是整个控制的核心内容，主要涉及到小车方向控制和速度控制两大部，它首先判断小车和目标的相对位置，然后通过无限芯片发送不同的指令来控制小车的行动路线。
关键词：
智能玩具小车，电机驱动模块，方向控制，速度控制，摄像头，霍尔传感器，光电对管，LCD液晶屏幕，无线通信，图象处理
ABSTRACT:
Intellectualvehicleisoneofthemosttypicaltopicsthatvariouskindsofelectroniccompetitionshold.ThisprogramistoaddupdifferentkindsofsensorsandMPUontoaready-madetoyvehicle,andtorealizeroadconditioncheckingaswellasautomaticalcontrol.Andwe’llfinallyworkoutacompletesystemofintellectualvehiclethatisfullyself-made.Thisessayistofocuson1.）thedesigningand
3
debuggingofthemotoroftheintellectivecar.Themotor,whichincludestheorientationcontrolpartandthespeedcontrolpart,isthecorepartofthewholecontrolboard.Theorientationcontrolpartisusedforthemanipulationofthethreemovingsates,includingmovinginthepositivedirection,movingintheoppositedirectionaswellasthestop.Thespeedcontrolpartisanpatulouspart,whichisdesignedforthevariousneedinvariousapplicationcircumstance.2.）auxiliarydevices,abouthowtheyworkandhowtheyareutilized.Itincludescamerasetting（ET21X111）,Hallsensor（A2144）,reflectiveopticalsensor（TCRT500）,andLCDdisplay（RT1602C）.3.）thedesigninganddebuggingofthewirelesscommunicationpartoftheintellectivecar.Thecommunicationpartisakeyfactorfortheintellectivecartohavetheabilitytoadapttotheenvironmentautomatically.Throughthecameraallocatedinthegroundwherethecarismoving,whichisconnectedtothecomputer,thecomputercandisposethesedatareceivedfromthecamera,andthentransmittheorderwhichistomanipulatethecartothecar.4.）computerimageprocessing.Imageprocessingisthecorecontentcontrol,mainlyrelatedtothecontrolanddirectionofthecarspeedcontroltwodepartments,Itfirstjudgmentcarandtherelativepositionoftheobject.Chipthensentthroughdifferentdirectionsunlimitedlineofactiontocontrolthecar.
KEYWORDS:
intellectivecar,motorcontrolpart,orientationcontrol,speedcontrol,Camera,HallSensor,ReflectiveOpticalSensor,LCDDisplay，wirelesscommunication,imageprocessing
4
1.系统总述
1.1系统组成
图1.1.1智能玩具小车系统组成示意图
单片机
路线/转速检测
电动机驱动
路况检测
无线传输
LCD显示
电脑处理
5
2.系统的主要功能
2.1单片机子系统
通过无线传输设备接收电脑输出的命令并执行；连接电动机进行简单转速控制运算；进行小范围内路线自动控制；输出当前状态至LCD显示。
本系统采用ATS9852芯片。
2.2电动机驱动子系统
采用两步进电机，接收来自单片机信号，通过电机前后转动组合实现小车前向、后向以及左右运动。
2.3路线/转速检测子系统
利用光电对管对小车进行自动路线纠正；利用霍尔传感器进行小车速度检测并反馈到单片机内进行小范围内速度调控。
2.4LCD显示子系统
从单片机获取当前小车动态数据以数字形式在LCD屏幕显示，方便实时监控小车状态并检测调试。
本系统采用RC1602CLCD屏幕显示。
2.5无线传输子系统
接收来自电脑处理所得的命令并发送到单片机。
本系统采用ET13X330/ET3X340无限发送接收模块。
2.6电脑处理子系统
接收摄像头路况图像并进行处理，将处理后命令通过无线模块发送至单片机执行。
2.7路况检测子系统
利用连接到电脑上的摄像头进行路况摄像，所得图像经电脑处理成为小车控制命令。
本系统采用ET21X111摄像头。
6
3.主系统的硬件设计
3.1主要功能及设计目标
将电动机驱动电路以及单片7机控制电路整合在同一电路中，实现单片机对小车的基本操作，包括前后运动以及左右转向。
3.2电路设计方案
图3.2.1电路设计方案图
7
4.电动机驱动电路的设计
4.1H桥电路简介
下面详细地介绍一下H桥的工作原理：
众所周知H桥有四个臂分别为B1、B2、B3、B4，分别对应图4.1.1中的Q2、Q3、Q7、Q8。
四个臂分为两组Q2、Q3和Q7、Q8，每一组的两个臂都是同时导通，同时关断的。
如果让Q2、Q3导通Q7、Q8关断，电流会流经Q3、负载、Q2组成的回路，加在负载Load两端的电压左正右负，如图4.1.2所示，此时电机正转；如果让Q7、Q8导通Q2、Q3关断，电流会流经Q8、负载、Q7组成的回路，加在负载Load两端的电压为左负右正，此时电机反转，对应图4.1.3所示。
另外如果让Q2、Q3关断Q7、Q8也关断，负载Load两端悬空，此时电机停转。
这样就实现了电机的正转、反转、停止三态控制。
图4.1.1图4.1.2由于Q2、Q3，Q7、Q8的导通和关断是通过Q1、Q6控制，而Q1、Q6的导通和关断又是通过MOT1（IOB10）、MOT2（IOB11）控制的，所以电机的状态还是通过I/O端口来控制的。
表2.1描述了IOB10和IOB11所控制电机运行状态与端口数据的对应关系
注意：
由H桥的工作原理可知，H桥的四个臂不能同时导通，一旦四个臂同时导通会出现类似短路的现象，在H桥的每一个臂上都会有很大的电流流过。
如图4.1.3，Q2、Q3、Q7、Q8同时导通时，就会形成Q3、Q7回路和Q2、Q8回路，就会有很大的电流经过这4个三极管，严重时会烧毁三极管甚至引起电源爆
8
图4.1.3
以上分析的是两个H桥电路的其中之一，另外一个H桥的电路结构和工作原理是完全一样，在这里就不再赘述。
小车的运动是靠轮子带动的，而轮子的转动是靠电机带动的，所以在确定了电机的运行状态之后就能够推断出小车的运行状态。
下面是小车运行状态与61板端口数值对照表（表2.2）：
4.2H桥电路的保护电路设计
为了避免出现上述情况，我们设计了以下逻辑电路（图4.1.4），从而避免了出现四个臂同时导通的情况。
9
图4.1.4
4.3最终电路图设计
最终电路图设计如下：
10
5.摄像头设备的原理及使用
5.1主要功能以及设计目标
进行实时图像采集并将采集数据通过电脑处理后向小车发送操作命令。
本部分利用ET21X111摄像头通过RS232串口与电脑连接。
5.2ET21X111摄像头基本工作原理
5.2.1摄像头原理框图
图5.2.1.1摄像头原理框图
5.2.2摄像头像素构成
摄像头由32*32矩阵组成。
最外围有一圈保护圈，为无效方块。
摄像头矩阵如下
11
图5.2.2.1摄像头矩阵图
5.2.3摄像头数据流读取
数据流读取顺序为DummySTR->（0,0）->（0,1）->……（0,30）->（0,31）->DummySTR->（1,0）->（1,1）->……（1,30）->（1,31）->……………………………………………………………DummySTR->（31,0）->（31,1）->……（31,30）->（31,31）->stop摄像头数据流时序图如下
图5.2.3.1摄像头数据流时序图
5.2.4摄像头感光系统
摄像头靠像素单元对光敏感程度所产生的相对电平高低来判断吸收光的颜色。
摄像头像素单元对光敏感程度见下图
12
图5.2.4.1摄像头像素单元对光敏感程度对照图可见光波长范围是380nm至780nm，故在可见光范围内摄像头基本能够清除辨认颜色。
5.2.5摄像头芯片及其外围引脚
图5.2.5.1摄像头芯片图
5.3摄像头的应用
5.3.1摄像头外围设备连接
利用LED在物体上反射光进入摄像头成像，通过RS232串行端口将数据传输进电脑进行处理。
13
图5.3.1.1摄像头外围设备连接框图
5.3.2摄像头外围电路布局
图5.3.2.1摄像头外围电路布局图
GND1GND2EO73EO64
EO55EO46LED_EN7GND8AGND9AVDD10FS11
/STR12VRT13VRM14VRB15VDD16X-IN17X-OUT18
VOUTS19GND20RS23221/RESET22VDD23BG24NC25
NC26NC27NC28
ETOMS
ET21X111
U2
ET21X111
3.3V
3.3V
3.3V
FS
LED_EN
C4C0.1U
C5C0.1U
C3C0.1U
C9
C0.1U
R110K
RS232
3.3V
TP1TP
/STR
C6
C0.1U
C7
C0.1U
C8
C0.1U
R48.2k
3.3V
Y1
3.58MHz
R5
1M
C1027P
C1127P
E
B
CQ1PSS8050C
E
B
CQ2PSS8050C
R210K
LED_EN
R310K
5V
R104.7
D1LED
D2LED
D3LED
R64.7
R74.7
R84.7
R94.
5V
3.3V
VIN3GND1
VOUT2
U1
NIKOL1117-3.33.3V5V
C1
C0.1U
C2C0.1U
+C12
EC10U
+C13
10U
123456789
J6
CON4
5V
rs232电
源
摄像头
RS232COMport电
脑
LEDlight
Reflet
object
Led
14
5.3.3摄像头电路及RS232电路实物图
图5.3.3.1摄像头电路实物图
图5.3.3.2RS232电路实物图
图5.3.3.3RS232与摄像头接口连接图
GND
GND
5V
5V
NC
SEN_EN
RS232
interface
连接摄像头电路
RS232toPCCOMport
123456
789
123456
789
12
GNDGND5V5VNCNCRS232
NC
NC
RS232out
GND
RS2321接
RS2322接口摄像头
GNDGND5V5VNCNC
RS232
NCNC
Sensor+lensIRLED
GND
GND
5V
5V
NC
NC
RS232
Framesignal
interface
15
6.霍尔传感器的原理及应用
6.1主要功能以及设计目标
利用霍尔传感器直接反馈到小车上单片机进行简单运算，实现小车自动微速调节以及前后轮平衡运作。
本系统采用A3144元件。
6.2霍尔传感器工作原理
如图5.2.1所示，在一块通电的半导体薄片上，加上和薄片表面垂直的电场B，在薄片的横向两侧会出现一个电压，如图中VH，这种现象以1879年发现这种现象的科学家爱德华·霍尔命名为霍尔效应。
图6.2.1霍尔传感器工作原理图
6.3A3144工作原理
图6.3.1A3144基本构造图其中A44E集成霍尔开关属于单稳态型，其特性曲线如下
16
图6.3.2A44E集成霍尔开关特性曲线图
6.4霍尔传感器的使用
霍尔传感器可按照以下电路进行连接使用
图6.4.1霍尔传感器外部电路连接图
电平输出（接单片机）
17
7.光电对管的原理及应用
7.1主要功能以及设计目标
利用光电对管实现对路况的简单判断，并将反馈数据直接输入单片机处理，对小车路线进行微调正。
本系统采用TCRT5000元件。
7.2光电对管原理
光电对管由发光二极管以及光敏三极管组成。
三极管依靠二级管发射的光经地面反射以后的光形成相应大小的电流。
由此电流即可判断出地面黑白情况。
在赛道上有指定路径情况下，小车可按照赛道路径进行自动微调。
光电对管俯瞰图如下
图7.2.1光电对管俯瞰图
7.3光电对管的使用
在使用光电对管的时候，可以用下面的电路进行测试
图7.3.1光电对管测试电路图在实际使用的时候，在二级管上串联一适合大小的电阻，并将三极管与另外的电阻串联形成分压电路即可。
其电流转移特性如下
18
图7.3.2光电对管电流转移特性
19
8.LCD屏幕（RT1602C）的原理及应用
8.1RT1602CLCD屏幕介绍
RT1602C可以显示字母、数字符号、中文字型及图形，具有绘图及文字画面混合显示功能。
提供三种控制接口，分别是8位微处理器接口，4位微处理器接口及串行接口（OCMJ4X16A/B无串行接口）。
所有的功能，包含显示RAM，字型产生器，都包含在一个芯片里面，只要一个最小的微处理系统，就可以方便操作模块。
内置2M-位中文字型ROM（CGROM）总共提供8192个中文字型（16x16点阵），16K-位半宽字型ROM（HCGROM）总共提供126个符号字型（16x8点阵），64x16-位字型产生RAM（CGRAM），另外绘图显示画面提供一个64x256点的绘图区域（GDRAM），可以和文字画面混和显示。
提供多功能指令：
画面清除（Displayclear）、光标归位（Returnhome）、显示打开/关闭（Displayon/off）、光标显示/隐藏（Cursoron/off）、显示字符闪烁（Displaycharacterblink）、光标移位（Cursorshift）显示移位（Displayshift）、垂直画面旋转（Verticallinescroll）、反白显示（By_linereversedisplay）、待命模式（Standbymode）。
8.2RT1602C指令/数据传输时序图
RT1602C有8位指令/数据口，本系统中均采用并行传输，其开启时序各有不同。
RT1602C指令传输时序图如下
图8.2.1RT1602C指令传输时序图RT1602C数据传输时序图如下
20
图8.2.2RT1602C数据传输时序图
8.3RT1602C基本操作程序
//LCD初始化程序voidLCD_INIT（void）{OUTI（0X38）;//设接口数据位数（DL）,显示行数（L）,及字型（F）delay（60）;OUTI（0X38）;//设接口数据位数（DL）,显示行数（L）,及字型（F）delay（50）;OUTI（0X38）;//设接口数据位数（DL）,显示行数（L）,及字型（F）delay（50）;OUTI（0X38）;//设接口数据位数（DL）,显示行数（L）,及字型（F）delay（50）;OUTI（0X0F）;//设整体显示开关（D）,光标开关（C）,及光标位的字符闪耀（B）delay（50）;OUTI（0X01）;//清屏指令delay（50）;OUTI（0X06）;//设光标移动方向并指定整体显示是否移动delay（50）;OUTI（0X80）;//设DDRAM地址,设置后DDRAM数据被发送和接收delay（50）;}
//重定义std库内putchar，以printf调用charputchar（charc）{staticunsignedcharflag=0;if（!
flag||c==255）{OUTI（0x80）;flag=0;
21
if（c==255）{returnc;}}if（flag==16）{OUTI（0x80+0x40）;}OUTD（c）;//送一个字符显示_nop_（）;flag++;//incrementthelineflagif（flag>=32）{flag=0;}//显示完之后清除return（c）;}
//时延函数voiddelay（unsignedchartime）{unsignedchari;for（;time>0;time--）{for（i=0;i<=100;i++）_nop_（）;}}
//命令执行命令voidBWriteCommand（）{pc8255=0x00;//写命令pc8255=0x04;//读忙，E为1_nop_（）;pc8255=0x00;//读入数据，执行命令}
//数据写入命令voidBWriteData（）{pc8255=0x01;//写数据pc8255=0x05;//读入数据，执行命令_nop_（）;pc8255=0x01;//读忙，E为1}
//命令行输出voidOUTI（unsignedcharoi）{pb8255=oi;BWriteCommand（）;_nop_（）;_nop_（）;pc8255=0x02;//读忙}
22
//数据行输出voidOUTD（unsignedcharod）{pb8255=od;BWriteData（）;_nop_（）;_nop_（）;pc8255=0x02;//读忙}
23
9.ET13X330无线通信芯片的原理与使用
2.1.1功能描述
TheET13X330isaCMOSintegratedcircuitintendforuseasalow-costAM/ASKreceiver.Thedeviceisprovidedin24-pinSSOPpackageandisdesigne
升级会员 