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1、 华中科技大学电子与信息工程系华中科技大学电子与信息工程系硬件课设实验报告硬件课设实验报告项目名称：项目名称：智能小车控制系统智能小车控制系统班班 级：级： 通信通信 # 班班 学学 号：号： U20101#U20101# 姓姓 名：名： 指导老师：指导老师： # # # # # # 2013.7.32013.7.32课题名称：智能小车自动控制系统课题名称：智能小车自动控制系统 摘要摘要：未来，随着FPGA 从可编程逻辑芯片升级为可编程系统级芯片，其在电路中的角色已经从最初的逻辑胶合延伸到数字信号处理、接口、高密度运算等广阔的范围， 应用领域也从通信延伸到消费电子、汽车电子、工业控制、医疗电子
2、等更多领域。 Basys2 开发板是任何人都通过它的应用过程能够积累实际数字电路设计的经验的FPGA 电路设计应用平台，Basys2 开发板给主机电路提供完整、准备使用的硬件支持，以便从简单的逻辑电路实现复杂的控制。而且包含了许多I/O 接口和的完整的FPGA 支持电路，所以不需要任何其他组件也可以实现很多设计。 本设计基于竞赛组委会提供的BASYS2 技术平台，利用xilinx 公司FPGA 芯片实现了智能小车的控制等的功能。本系统以任务书的要求为目的，采用FPGA 逻辑门为控制核心，利用红外线传感器检测道路上的标志，自动沿着一定的轨迹运动。本设计还利用了超声波模块实时的检测前边的障碍物，并
3、实现了臂章功能。 关键词关键词: : FPGA,红外线检测，电动小车3Design and create an intelligence electricity motive small carAbstract：The Basys2 board is a circuit design and implementation platform that anyone can use to gain experience building real digital circuits,the Basys2 board provides complete,ready-to-use hardware su
4、itable for hosting circuits ranging from basic logic devices to complex controllers.A large collection of on-board I/O devices and all required FPGA support circuits are included,so countless designs can be created without the need for any other components. The plan is based on BASYS2 technology pla
5、tform that the committee of competition team is supplied，use FPGA chip of Xillinx company to achieve the function of control intelligence smart car. The system requirements of the mission statement for the purpose,FPGA circuit as control core,use infrared sensor to detect road mark,and automatically
6、 move along certain trajectory,and display moving speed.KeywordsKeywords：FPGA；Infrared detection；Electric smart car4目录目录 1概述 5 2设计目标 6 2.1 项目目的6 2.2 项目描述6 2.3 任务要求62.4 任务分工63方案设计与论证 7 3.1 车体设计方案7 3.2 模块设计方案7 4 系统设计与实现9 4.1 循迹模块的设计9 4.2 电源模块的设计15 5 实验问题与总结16 551 问题16 52 试验总结18 1 1概述概述智能作为现代的新发明，是未来科技
7、的发展方向，所谓智能，是指可以按照预先设定的模式在一个环境里自动的运作，不需要人为的管理的产品。可应用于科学勘探，危险情况下的无人操作等用途。此次课程设计所做的智能电动车就是其中的一个体现。本次设计的简易智能小车能够工作在12v的移动电源下，实现了循迹、避障、寻光的一些基本功能。具体来讲，采用红外线发射接收管检测黑线运动线路，使得能够在规定的时间内控制小车沿着黑色线显示的规定路径，准确地到达目的地，不能偏离轨道；如果不采用循迹轨道，小车在自由运动过程中能够避开障碍物；另外，使用光敏电阻设计寻光模块，使小车在较暗的环境里，能朝着有光源的地方行驶。本设计的主要控制由FPGA（BASYS2 提供FP
8、GA芯片以及其外围电路，包括时钟、ROM、LED二极管、开关、按钮、7段显示器以及16个I/O口等）。设计中作为FPGA的开发环境利用了ISE开发软件，用VerilogHDL描述了FPGA的逻辑功能。 智能小车的电机为直流减速电机，器驱动电路模块主要使用L298，检测运动路线的红外线接收管和避障的超声波发生器装在小车的前面，寻光模块位于小车前部的上方，给控制模块提供路线的情况。除了电机以外的所有电路供 5v 的直流电压，具体实现可由7805 稳压源来完成。6总之，本设计结构较简单，而且容易实现，一定程度上实现了智能化、自动化。 2 2设计目标设计目标2.1 项目目的：项目目的：硬件课程设计是华
9、中科技大学电子与信息工程系相关专业本科学生必修的实践性教学环节。硬件课程设计的目的在于使学生通过硬件课程设计教学环节较系统地完成电子系统设计从选题、方案论证、电路设计、电路实现、装配调试、系统测试、总结报告等基本过程，加深对模拟电路、数字逻辑电路、通信电子电路、微机原理等相关课程理论知识的分析理解。引导学生把原理分析与工程设计实现相结合，掌握实际电子与通信系统设计的基本方法和一般规则，提高综合应用所学理论知识的能力，培养学生的创新思维和实践能力，为后续专业课程的学习打下坚固的基础。2.2 项目描述：项目描述：本项目要求设计并实现一个智能小车自动控制系统，该小车能够根据外部传感器的输入信息，自动
10、沿着一定的轨迹运动。2.3 任务要求：任务要求：2.3.1 基本要求基本要求（1）各个电路模块需自行设计完成，机械模块可以购买；（2）能够利用红外线发射及接收对管检测黑白线；（3）能够控制二驱小车自由运动；（4）能够在规定的时间内控制小车沿着具有直线和弧线的轨迹7运动到停止处，不能偏离轨道。2.3.2 发挥部分发挥部分（1）小车在离开运动轨迹后能够根据光源的指示，运动到光源处；（2）若在运动线路中设置障碍物，小车能够避开障碍物，继续朝着光源前进；（3）提高小车的运行速度；（4）实时显示小车的运行速度。2.4 任务分工任务分工本团队有三个学生组成，分别是：通信*班U2010* #，通信#班 U2
11、01# #，通信 1#班U20201# # 任务分工如下： #：主要负责 FPGA 芯片的逻辑功能描述(VerilogHDL 软件的设计） 、自动寻光模块的设计。#：电机驱动模块以及超声波装置等硬件装置的设计、制作以及调试。 #：红外线检测装置的设计，以及系统的主要模块的制作及调试。 3 3方案设计与论证方案设计与论证3.1 车体设计方案车体设计方案8方案一：方案一：采用后轮直流电机驱动+前轮舵机转向的方式，这种小车的优点在于可以获得很大的速度，由于转向采用的是舵机，所以缺点就在于要想转弯一定要有一定的转角。方案二：方案二：采用的是采用直流电机+万向轮的方式，这类的小车的优点在于转弯不需要转角
12、，可以原地转弯，其次是可以精确控制小车行进路线，缺点是无法获得很大是速度。考虑到小车行驶空间有限，方案一转弯存在一定困难，所以选择方案二。3.2 模块设计方案模块设计方案根据设计任务基本的要求，并且根据我们自己的需要而决定附加的功能，该电路的总体框图可分为如下几个基本的模块，框图如下所示：由于这次我主要负责的是电源部分和红外检测部分，所以下面主要分析一下我设计这两模块时的思路。3.2.1 循迹模块循迹模块方案一：方案一：9采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。在使用过程极易出现问题，而且容易因为 该部件
13、造成整个系统的不稳定。故最终未采用该方案。方案二：方案二：采用红外对管(ST188)，置于小车车身前底部，根据光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。通过比较，我选取第二种方案来实现循迹。3.2.2 电源模块电源模块方案一：方案一：采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供 5V 电压，但占用资源过大。方案二：方案二：采用 4 支 1.5V 电池单电源供电，通过连线使 7805 输出端输出5V 电压，1.5A 电流但 6V 的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。方案三：方案三：采用 8 支 1.5
14、V 电池双电源分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能。所以，我选择了方案三来实现供电。4 4系统的设计与实现系统的设计与实现104.1 循迹模块的设计循迹模块的设计 4.1.1 综述综述 探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断黑线。 本模块主要选用 ST188 做红外线传感器， ST188 是一个四端口元件，包括了一只红外发射管和红外接收管，用塑料外壳将对管封装起来，实物图如左。其中，A-K 为红外发射管， C_E 为红外接收管。它的检测距离可调整范围大，4mm13mm。采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光晶体管组成，采用非接触检测方法。本传感器可以满足系统设计要求中的循迹功能的要求。ST188 内部简化模型如左图所示。当没有物体反射红外线时，ce 之间截止，无电流流过，输出电压为电源电压，高电平。当有物体反射红外线时，be 饱和导通 ce 也就导通了，输出端就相当于接地。输出电压为低电平。除此之外，由于此电路在检测过程中会出现较大的死区电压，故我们可以适当的加上电压比较器做辅助电路，于此同时，也可以11通过调节比较电压的大小改变 ST188 的测量灵敏度。比较器有各种不同的类型。对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的
