有关电子智能玩具车的设计方案研究.docx

1、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

2、，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

3、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: Intellectual vehicle is one of t

4、he most typical topics that various kinds of electronic competitions hold. This program is to add up different kinds of sensors and MPU onto a ready-made toy vehicle, and to realize road condition checking as well as automatical control. And well finally work out a complete system of intellectual ve

5、hicle that is fully self-made. This essay is to focus on 1.）the designing and 3debugging of the motor of the intellective car. The motor, which includes the orientation control part and the speed control part, is the core part of the whole control board. The orientation control part is used for the

6、manipulation of the three moving sates, including moving in the positive direction, moving in the opposite direction as well as the stop. The speed control part is an patulous part, which is designed for the various need in various application circumstance. 2.）auxiliary devices, about how they work

7、and how they are utilized. It includes camera setting (ET21X111), Hall sensor (A2144), reflective optical sensor (TCRT500), and LCD display (RT1602C). 3.）the designing and debugging of the wireless communication part of the intellective car . The communication part is a key factor for the intellecti

8、ve car to have the ability to adapt to the environment automatically. Through the camera allocated in the ground where the car is moving ,which is connected to the computer, the computer can dispose these data received from the camera, and then transmit the order which is to manipulate the car to th

9、e car. 4.）computer image processing. Image processing is the core content control, mainly related to the control and direction of the car speed control two departments, It first judgment car and the relative position of the object. Chip then sent through different directions unlimited line of action

10、 to control the car. KEY WORDS: intellective car, motor control part, orientation control, speed control, Camera, Hall Sensor, Reflective Optical Sensor, LCD Display，wireless communication, image processing 41. 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 52. 系统的主要功能 2

11、.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。 2.4 LCD 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 RC1602C LCD

12、 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。 63. 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

13、计方案图 74. 电动机驱动电路的设计 4.1 H 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

14、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

15、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）： 4.2 H 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

16、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： 105. 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。 5.2 ET21X111 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.

17、3 摄像头数据流读取 数据流读取顺序为 Dummy STR - (0,0) - (0,1) - (0,30) - (0,31) - Dummy STR - (1,0) - (1,1) - (1,30) - (1,31) - Dummy STR - (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

18、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 GND 1 GND 2 EO7 3 EO6 4EO55 EO46 LED_EN 7 GND8 AGND 9 AVDD10 FS 11/STR 12 VRT 13 VRM 14 VR

19、B 15 VDD 16 X-IN 17 X-OUT 18VOUTS 19GND 20RS232 21/RESET 22VDD 23BG 24 NC 25NC26 NC27 NC28ETOMSET21X111U2ET21X1113.3V3.3V3.3VFSLED_ENC4 C0.1UC5 C0.1UC3 C0.1UC9C0.1UR1 10KRS2323.3VTP1 TP/STRC6C0.1UC7C0.1UC8C0.1UR4 8.2k3.3VY13.58MHzR51MC10 27PC11 27PEBC Q1 PSS8050CEBC Q2 PSS8050CR2 10KLED_ENR3 10K5VR1

20、0 4.7D1 LEDD2 LEDD3 LEDR6 4.7R7 4.7R8 4.7R9 4.5V3.3VVIN3 GND 1VOUT 2U1NIKO L1117-3.3 3.3V5VC1C0.1UC2 C0.1U+ C12EC10U+ C1310U1 2 3 4 5 6 7 8 9J6CON45Vrs232 电源摄像 头RS232 COM port 电脑LED lightReflet object Led 145.3.3 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 5.3.3.2 RS232 电路实物图 图 5.3.3.3 RS232 与摄像头接口连接图 G

21、ND GND 5V 5V NC SEN_EN RS232 interface 连接摄像 头电路 RS232 to PC COM port 1 2 3 4 5 6 7 8 91 2 3 4 5 6 7 8 91 2 GND GND 5V 5V NC NC RS232 NC NC RS232out GND RS232 1 接RS232 2接口 摄像头 GND GND 5V 5V NC NCRS232NC NCSensor + lens IR LED GND GND 5V 5V NC NC RS232 Frame signal interface 156. 霍尔传感器的原理及应用 6.1 主要功能以

22、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 6.3 A3144 工作原理 图 6.3.1 A3144 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 6.3.2 A44E 集成霍尔开关特性曲线图 6.4 霍尔

23、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） 177. 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

24、 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 198. LCD 屏幕（RT1602C）的原理及应用 8.1 RT1602C LCD 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

25、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)，64 x 16-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（Display clear）、光标归位（Return home）、 显示打开/关闭（Display on/off）、光标显示/隐藏（Cursor on/off）、显示字符闪

26、烁（Display character blink）、光标移位（Cursor shift）显示移位（Display shift）、垂直画面旋转（Vertical line scroll）、反白显示（By_line reverse display）、待命模式（Standby mode）。 8.2 RT1602C 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 8.2.1 RT1602C 指令传输时序图 RT1602C 数据传输时序图如下 20 图 8.2.2 RT1602C 数据传输时序图 8.3

27、 RT1602C 基本操作程序 /LCD 初始化程序 void LCD_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

28、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 char putchar (char c) static unsigned char flag = 0; if (!flag | c = 255) OUTI (0x80); flag = 0; 21 if (c = 255) return c;

29、 if (flag = 16) OUTI (0x80 + 0x40); OUTD (c); / 送一个字符显示 _nop_ (); flag+; / increment the line flag if (flag = 32) flag = 0; / 显示完之后清除 return(c); /时延函数 void delay (unsigned char time) unsigned char i; for (; time 0; time-) for (i = 0; i=100;i+) _nop_ (); /命令执行命令 void BWriteCommand () pc8255 = 0x00;/写

30、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 void BWriteData () 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 void OUTI (unsigned char oi) pb8255 = oi; BWriteCommand (); _nop_ (); _nop_ (); pc8255 = 0x02;/读忙 22 /数据行输出 void OUTD (unsigned char od) pb8255 = od; BWriteData (); _nop_ (); _nop_ (); pc8255 = 0x02;/读忙 239. ET13X330 无线通信芯片的原理与使用 2.1.1 功能描述 The ET13X330 is a CMOS integrated circuit intend for use as a low-cost AM/ASK receiver. The device is provided in 24-pin SSOP package and is designe