D21型循迹小车的设计毕业论文.docx
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D21型循迹小车的设计毕业论文
学校代码10126学号0145124334
电工电子综合课程设计论文
题目D2-1型巡线小车的设计
院系内蒙古大学鄂尔多斯学院
专业名称电子信息科学与技术
年级2014级
学生姓名王馨毓
指导教师白晓磊
2016年07月10日
D2-1型巡线小车的设计
摘要
寻迹智能小车生动有趣具有结构简单、原理清晰、趣味性强等特点。
还牵涉到机械结构、电子基础、传感器原理、自动控制甚至单片机编程等诸多学科知识，通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力，制作完成后的产品，能沿预定的轨道自动前进，生动、有趣，深受初学者喜爱。
而且智能小车还是一个很好的硬件平台，只要增加一些控制电路就能完成循迹小车、救火机器人、足球机器人、避障机器人、遥控汽车等课题。
关键词：
小车，智能，循迹，光敏电阻
ThedesignofD2-1typepatrolcar
Abstract
Author：
WangXinyu
Tutor：
BaiXiaolei
Trackingsmartcarinterestingwithasimplestructure,theprincipleofclear,stronginterestandsoon.Alsoinvolvesmechanicalstructure,electronicbased,sensor,automaticcontrolandmicrocontrollerprogrammingandsoonmanydisciplineknowledge,throughhands-onpracticecangreatlyimprovetheabilitytosolvepracticalproblems,afterthecompletionoftheproductionofproducts,alongapredeterminedpathautomaticallyadvance,vivid,interesting,lovedbybeginners.Andsmartcaroragoodhardwareplatform,aslongastheincreaseinsomecontrolcircuitcancompletetrackingcar,firefightingrobot,robotsoccer,avoidobstaclerobot,remotecontrolcarsandothertopics.
Keywords:
car,intelligenttracking,photosensitiveresistance
前言
智能的出现，为我们的生活和生产带来了很大的便利，同时也是以后的发展方向，智能就是可以在一个特定的环境中按照我们前面设定好的模式去自动的运作，它并不需要我们去人为的管理，就可以达到我们前面设定的第3页共13页第3页共13页目标，它的应用领域很广，如可以应用于工业控制、科学勘探、智能家居等领域。
而智能循迹小车就是智能的一个简单的应用，智能循迹小车就是智能化玩具中的一种，由于这类智能玩具具有较好的交互性，可控性，能够按照人们设定的模式去自动运作也深受人们的喜欢。
另外，智能循迹小车还可以应用于危险搜索、机器人等许多方面，尤其在机器人方面具有很好的发展前景。
因此，智能化循迹小车的研究不仅具有很大的现实意义，还具有极为广阔的应用前景和市场价值。
随着素质教育的越来越被重视，很多同学都把制作循迹小车作为首选课题，循迹小车生动有趣，还牵涉到机械结构、电子基础、传感器原理、自动控制甚至单片机编程等诸多学科知识，学生通过动手实践能大大提高解决实际问题的能力，而且循迹小车还是一个很好的硬件平台，只要增加一些控制电路就能完成救火机器人、足球机器人、避障机器人、遥控汽车等课题。
在白色的场地上有一条15毫米宽的黑色跑道，我们的循迹小车能沿着黑色跑道自动行驶，不管是跑道如何弯曲小车都能自动行驶。
我们都知道知道，当光源射到白色物体和黑色物体上时的反光率是不同的，这里用红色的LED作为光源，光线通过地面反射到光敏电阻上，通过检测光敏电阻阻值变化，能判断小车是否行驶在白色区域上，如果检测到是黑色跑道，说明小车跑偏，这一侧的电机就会减速甚至停转这一侧的绿色的LED熄灭，驱动小车向相反方向行驶，这样小车就能始终沿着跑道行驶了。
1.设计目的
（1）通过D2-1型循迹小车的电路图，对小车行安装，焊接和调试，了解类似电子产品的装配过程，掌握电子元器件的识别方法培养自己的实践技能。
（2）了解常用电子器件的类别、型号、规格、性能及使用范围，能查阅有关的电子器件，能够正确的识别和选用常用的电子器件。
（3）利用所给材料制作一台循迹小车，要求循迹小车能沿着黑色跑道自动行驶，不管是跑道如何弯曲小车都能自动行驶。
（4）熟悉手工焊接的常用工具的使用及维修，熟练掌握手工电烙铁的焊接技术。
（5）了解电子产品的焊接，调试与维修方法。
2．设计要求
1.完成电路最小系统设计；
2.完成外围应用电路（包括系统供电单元、运动控制单元、循迹检测单元）的设计和实现；
3.完成软件对硬件检测和调试工作；
4.查阅国内外的研究动态和发展前沿信息，阅读相关外文文献；
3．主要器材
（1）D2-1型循迹小车套件一套。
（2）电烙铁：
由于焊接的元件多，所以使用的是外热式电烙铁，功率为30w。
（3）螺丝刀、镊子等必备工具。
（4）松香和锡，由于锡它的熔点低，焊接时，焊锡能迅速散步在金属表面焊接牢固，焊点光亮美观。
（5）元器件清单
表3.1循迹小车元器件清单
4.元器件介绍及其工作原理
4.1套件概况：
套件名称：
D2-1型循迹小车套件型号：
D2-1型
工作电压：
3v
4.2主要元器件介绍
1.光明电阻器件
图4.1光敏电阻
这就是光敏电阻，它能够检测外界光线的强弱，外界光线越强光敏电阻的阻值越小，外界光线越弱阻值越大，当红色LED光投射到白色区域和黑色跑道时因为反光率的不同，光敏电阻的阻值会发生明显区别，便于后续电路进行控制。
2.LM393比较器集成电路
LM393是双路电压比较器集成电路，由两个独立的精密电压比较器构成。
它的作用是比较两个输入电压，根据两路输入电压的高低改变输出电压的高低。
输出有两种状态：
接近开路或者下拉接近低电平，LM393采用集电极开路输出，所以必须加上拉电阻才能输出高电平。
3.带减速齿轮的直流电机
直流电机驱动小车的话必须要减速，否则转速过高的话小车跑得太快根本也来不及控制，而且未经减速的话转矩太小甚至跑不起来，带减速齿轮的直流电机集成了减速齿轮，适合循迹小车的使用。
4.3工作原理：
D2-1型循迹小车整机的工作原理图，电路由线路检测电路、电压比较电路、驱动电路和执行电路组成.LM393是双路电压比较器集成电路，由两个独立的精密电压比较器构成。
它的作用是比较两个输入电压，根据两路输入电压的高低改变输出电压的高低。
输出有两种状态：
接近开路或者下拉接近低电平，LM393采用集电极开路输出，所以必须加上拉电阻才能输出高电平。
LM393随时比较着两路光敏电阻的大小来实现控制的。
高亮度发光二极管发出的光线照射在跑道上，当照于白上时反射的光线较强，这时光敏电阻可以接收到较强的反射光，表现的电阻值较低，而当照射于黑色纸，反射光较弱，表现的电阻值较高，循迹小车就是根据这一原理作为轨道识别而工作的。
工作前将小车中心导向轮放于轨道中心，两侧探测器位于两侧白处，当小车偏离跑道时，必有一侧探测器照到黑色跑道上，以LED1为例，此时R3阻值变大，这一变化使得IC1的2、5脚电压升高，当5脚电压高于6脚时，运放的7脚便输出高电平，VT2截止，M2停止工作，由于两侧轮子一只停转，小车便向轮子停转侧弯转，使得LED1、R3这对探测器离开黑跑道，光线又照回白纸处，此时M2又工作，当另一侧探测器照到黑跑道时，原理与前述类似，小车在整个前进过程中就是在不断重复上述动作，不断修正轨迹，从而实现沿跑道前进的目的。
4.4电路图及其系统框图
图4.2循迹小车内部电路图
循迹小车系统框图如下：
图4.3系统设计框图
5．原件识别
5.1主要元件功能
音乐盒在焊接前要对所有元件进行测量，以鉴别其好坏优劣，对二极管要区分开正负极，否则要把元件焊到线路板后再查找问题，就困难了，元器件测量包括电阻，二极管，三极管。
电阻是电路的重要组成部分。
半导体类如：
二极管其特性为单向导电性（反向截止）；三极管存在基极、集电极、发射极。
无源蜂鸣器需要我们给它提供一个震荡源，也就是一个交流信号。
由于无源蜂鸣器没有内部驱动电路。
无源蜂鸣器工作的理想输入信号是方波信号，如果给予直流信号，蜂鸣器是不响应的，因为磁路恒定，钼片不能振动发音。
5.1.1电阻识别：
根据色差法对电阻进行分类。
具体方法如下：
棕
红
橙
黄
绿
蓝
紫
灰
白
黑
金
银
1
2
3
4
5
6
7
8
9
0
5%
10%
表5.1颜色分类表
电阻值计算方法：
在实物电阻中，第一二种颜色所对应的数字代表电阻值的前两位数字，最后一种颜色所对应的数字代表电阻值中从第三位开始数，“0”的个数。
5.1.2三极管：
三极管使用前必须分清该管的极型（是ＮＰＮ管还是ＰＮＰ管）及引脚（即Ｅ、Ｂ、Ｃ），用万用表判别晶体管极性和引脚的方法见本教材的实验四，些外用万用表Ω档还能比较晶体管β值和穿透电流的大小，方法是：
对于ＮＰＮ管，黑表笔接集电极Ｃ、红表在集电极和基极间垮接一支数百ＫΩ以上的电阻（偏置电阻）时，表针向右偏转角越大（ＩＣ大）该管的β值越高，对于ＰＮＰ管测量时，正表笔接Ｃ，负表笔接Ｅ，其它方法相同。
5.1.3集成电路:
LM393是双路电压比较器集成电路，使用集成电路前，必须认真查对和识别集成电路的引脚，确认电源、地、输入、输出及控制等相应的引脚号，以免因错接而损坏器件。
引脚排列的一般规律为：
双列直插型集成电路：
识别时，将文字符合标记正放（一般集成电路上有一缺口，将缺口或圆点置于左方），由顶部俯视，从左下脚起，按逆时针方向数，依次为1，2，3，4……。
双列直插型广泛应用于模拟和数字集成电路。
图5.1LM393方框图
6设计及组装过程
通过对D2-1型循迹小车元件，焊接、组装的过程。
进一步增加了我们的动手能力及对电子电路设计这门课程的认识。
6.1组装前的准备：
（1）三极管的检查
分清高频管与小功率低频管。
测量各三极管β值，再以β值决定决定某级配用三极管。
尽量地选
小的三极管
（2）电阻检查
电阻阻值有用数字表示的，有用颜色码表示的，但都要用万用表一一测量，阻值误差10%左右照常选用，不必强求原来的标称值。
选用的功率应大于在电路中耗散功率2倍以上，以防止电阻过热、变值乃至烧毁。
因受热而损伤的电阻不能再用，带开关的电位器也要按其在电路中的功能要求检测。
6.2装配说明：
6.2.1电路装配
（1）按电路图和电路板上的标示符一次将色环电阻，8脚IC座，开关，电位器，三极管，电解电容，3.0发光二极管焊接在电路板上，注意IC座的方向不要焊错，为了调试方便，芯片暂不安装。
（2）将电池盒按照电路板上的穿线孔和标示符的位置安装在电路板上，注意电源焊盘的极性不要焊反，通常红色导线为电源正极。
（3）将电路板正面向上，万向螺丝穿入孔中，并旋入万向螺母和万象轮，拧紧。
（4）将电路板底面向上，将板子上标示符为5.0发光二极管和光敏电阻焊接在板子上，要求发光二极管和光敏电阻距离万向轮球面5mm左右即可。
（5）在电池盒内装入2节AA电池，开关拨在“ON”位置上，此时传感器的2个发光二极管应当发光，如果不发光，即可能将二极管接反，这时请将极性对调，开关拨在“OF”上断电待用。
6.2.2机械零部件装配
（1）将硅胶轮胎套在车轮上
（2）将车轮用螺丝固定在减速电机轴上
（3）将连接导线分成2截后上锡，分别焊接在2台减速电机上待用
（4）按电路板上的标示符将电机粘结在电路板上
（5）按标示符将电机上的引线焊接在电机板上
7焊接及调试
7.1焊接过程简介
（1）电路焊接部分比较简单，焊接顺序按照元件高度从低到高的原则，首先焊接8个电阻，焊接时务必用万用表确认阻值是否正确，焊接有极性的元件如三极管、绿色指示灯、电解电容务必分清楚极性，焊接绿色LED时注意引脚长的是正极，并且焊接时间不能太长否则容易焊坏，D4.D5.R13.R14可以暂时不焊，集成电路芯片可以不插，初步焊接完成后请务必细心核对，防止粗心大意。
（2）两对线路检测传感器的安装顺序在全部电子元件的最后，其他元件焊接完成后，将万向轮装上，传感器元件焊接时与其他元件相反，装于线路板的焊接面，其高度应根据万向轮螺栓高度来定，装时可以将线路板焊接面朝上，然后元件顶面与半个导向圆螺母齐平为宜，此时实际工作时传感器与地面距离约为5mm左右。
7.2初步调试
（1）为了方便调试，先不装电机，取一张白纸，画一个黑圈，接通电源，可看到两侧指示灯点亮，将小车放于白纸上，让探测器照于黑圈上，调节本侧电位器，让这一侧的灯照到黑圈时指示灯灭，照到白纸时亮，反复调节两侧探测器，直到两侧全部符合上述变化规律。
（2）两只电机转向与电流方向有关，焊好引线后先不要把电机粘于线路板上，装上电池，打开开关，查看电机转向，必须确保装上车轮后小车向前进的方向转动，若相反，应将电机两线互换，无误后撕去泡沫胶上的纸，将电机粘于线路板上，粘时尽量让两电机前后一致，且要保证两车轮的灵活转动。
7.3整车调试
（1）试测驱动电路，开关拨在“ON”位置上，将8脚IC的第一脚，第七脚，第四脚连接。
这时的减速电机应当向着前方转动，否则调换相应电机的引线位置即可。
如果电机不转，请检查三极管是否焊反，基极电阻阻值（10欧姆）是否正确。
（2）断电将LM393芯片插入8脚IC座上，上电后调节相应的电位器使小车能够在黑线上正常运走且不会跑出黑线的范围。
（1）为了保证小车的正常运行，跑道的制作也很重要，跑道的宽度必须小于两侧探测器的间距，一般以15--20mm较为合适，跑道可以是一个圆，也可以是任意形状，但要保证转弯角度不要太大，否则小车容易脱轨，制作时可取一张A3白纸，先用铅笔在上面画好跑道的初稿，确定好后再用毛笔沿铅笔画好的跑道进行上色加粗，注意画时尽量让整条线粗细均匀些，等画完后让纸在阴凉处阴干，这样自己设计的跑道便制作完成了。
上跑道实际通电试车时，适当调整两对传感器的间跑，以适应跑道，达到自动识别跑道并准确无误工作为止。
（2）实际试车时，若发现小车跑到某个地方动不了了，只要看到轮子还在转，就说明跑道纸不平整，轮子转动时出现了打滑现象，这时可适当增加小车的重量来解决，具体可以在小车的电池上装载一点重物，让车轮处重量增加，这样车轮就不会打滑了。
图7.1焊接好的循迹小车
8.特色与创新
（1）硬件方面：
采用带减速齿轮的直流电机，利于车转向，利用光敏电阻与电压比较器之间的信号传输与转换，实现电动车的智能化。
（2）软件方面：
光敏电阻在检测到白色物体时，输出信号会发生变化，让电压比较器只对此规律的信号作出反应，减少了数据处理量，缩短了系统反应时间，并简化了程序，提高了系统的控制精度。
整个运行过程中通过实时信息采集，利用查询，实现对信号的实时检测和处理。
9．课程设计体会
通过这次对D2-1型循迹小车的设计的焊接与组装，使我们对电子工艺的理论有了更进一步的了解。
我们了解到了焊普通元件与电路元件的技巧、印制电路板图的设计制作与工艺流程、循迹小车的工作原理与组成元件的作用等。
这些知识不仅在课堂上有效，对以后的电子工艺课的学习有很大的指导意义。
在日常生活中更是有着现实意义，也对自己的动手能力是个很大的锻炼。
实践出真知，没有足够的动手能力就奢谈在未来的科研尤其是实验研究中有所成就。
在实习中我们锻炼了自己动手技巧提高了自己解决问题的能力。
比如做循迹小车的组装与调试时，好几个焊盘的间距特别小，稍不留神就焊在一起，但是我还是完成了任务。
虽然在实践中会遇到难题，但是我从中学到了很多，使自己的动手能力也有所提高，我想在以后的理论学习中我就能够明白自己的学习方向，从而增进专业知识的强化。
D2-1型循迹小车的顺利完成不但增强了我对电子技术知识学习与运用的兴趣，也让我认识理论必须要有实践的结合我们才能更好地运用我们所学的知识，此外我们必须要端正科学的态度认真对待，做事要认真仔细要谨慎遵循规律循序渐进不能马虎，更不能急于求成。
在以后的学习生活中我们更应该加强动手能力，让自己能更好地发展，而不是局限于理论的学习，对于我们电气专业而言，能够把理论运用到实践中去才是真正学到了知识。
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