智能小车循迹报告2

电子技术电子实习报告

智能寻迹小车制作

学院：

专业班级：

学生姓名：

学生学号：

指导教师：

完成时间：

成绩：

电子实习—智能寻迹小车

一.实验目的

（1）．利用所学过的基础知识，通过本次电子实习培养独立解决实际问题的能力；

（2）．巩固本课程所学的理论知识和实验技能；

（3）．掌握常用电子电路的一般设计方法，提高设计能力和实验、动手能力，为今后从事电子电路的设计、研制电子产品打下基础。

二.实习内容、安排

智能寻迹小车的制作，智能移动机器人平台以双电机轮式小车为底层移动平台，简单控制模块为控制核心，通过红外探测模块实现对行车路线的感知，电机驱动模块实现对直流电机的驱动控制，从而完成自动行驶的功能。

实习过程分为以下几个步骤：

（1）.硬件方面：焊接红外模块、驱动模块L298N、单片机模块并且应用合适的发动机和轮子，合理安排空间组装小车；

（2）.软件方面：编写能够使小车循迹的程序；

（3）.调试过程：软件与硬件的配合，调节红外模块的灵敏度，最终实现小车循迹的功能；

（4）.实现小车功能后，整理制作小车过程的思路，写实习报告。

三.实习的具体实现

1．系统概述

整个循迹小车可以分为几个部分，电源模块、红外模块、驱动模块、控制模块。电源模块为整个小车提供能量，红外模块负责探测前方的路线，根据前方地面的亮暗区分路线，控制模块接收到红外模块探测到的信息，并且传给驱动模块，驱动模块驱动发动机，进而使小车呈现不同的运动状态，实现小车智能循迹的过程。进一步也可以根据实际需要进行多模块扩展。使用金属探测模块完成对金属物体的探测，拓展超声波模块实现避障、测距功能，利用测温模块感知环境温度，采用无线传输模块实现数据的传输及无线遥控等。

2．单元电路设计与分析

（1）红外循迹模块：

智能机器人小车的设计中我们使用的是一体反射式红外对管，所谓一体就是发射管和接受管固定在一起，反射式的工作原理就是接收管接收到的信号是发射管发出的红外光经过反射物的反射后得到的，所以使用红外对管进行循迹时必须是白色地板加黑色引导条。

电路由一组红外对管、电位器、运算放大器和电阻组成的，R1起到限流的作用，用来控制反光管发出红外信号的强弱。接收管实际上是一个光敏三极管基极的光电流经过放大后流经电阻R2产生电压与电位器调节后得到的电压进行比较。A1与电阻组成一个比较器。在有红外信号返回时OUT端输出高电平，反之输出低电平。

（2）电机驱动模块：

OUT1与OUT2与小车的一个电机的正负极相连，OUT3与OUT4与小车的另一个电机的正负极相连，单片机通过控制IN1与IN2,IN3与IN4分别控制电机的正反转。ENA与ENB分别控制两个电机的使能。

L298有两路电源分别为逻辑电源和动力电源，上图中6V为逻辑电源， 12V为动力电源。J4接入逻辑电源，J6接入动力电源，J1与J2分别为单片机控制两个电机的输入端，J3与J5分别与两个电极的正负极相连。ENA与ENB直接接入6V逻辑电源也就是说两个电机时刻都工作在使能状态，控制电机的运行状态只有通过J1与J2两个接口。由于我们使用的电机是线圈式的，在从运行状态突然转换到停止状态和从顺时针状态突然转换到逆时针状态时会形成很大的反向电流，在电路中加入二极管的作用就是在产生反向电流的时候进行泄流，保护芯片的安全。

（3）电源模块：

LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有 3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。

该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需 4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。

LM2596 开关电压调节器是降压型电源管理单片集成电路，能够输出 3A 的驱动电流，同时具有很好的线性和负载调节特性。固定输出版本有 3.3V、5V、12V，可调版本可以输出小于 37V 的各种电压。该器件内部集成频率补偿和固定频率发生器，开关频率为 150KHz，与低频开关调节器相比较，可以使用更小规格的滤波元件。由于该器件只需 4 个外接元件，可以使用通用的标准电感，这更优化了 LM2596 的使用，极大地简化了开关电源电路的设计。其封装形式包括标准的 5 脚 TO-220 封装（DIP）和 5 脚 TO-263 表贴封装（SMD）。该器件还有其他一些特点：在特定的输入电压和输出负载的条件下，输出电压的误差可以保证在±4%的范围内，振荡频率误差在±15%的范围内；可以用仅 80μA的待机电流，实现外部断电；具有自我保护电路（一个两级降频限流保护和一个在异常情况下断电的过温完全保护电路）

特点※ 3.3V、5V、12V 的固定电压输出和可调电压输出 ※ 可调输出电压范围 1.2V～37V±4% ※ 输出线性好且负载可调节 ※ 输出电流可高达 3A ※ 输入电压可高达 40V ※ 采用 150KHz 的内部振荡频率，属于第二代开关电压调节器，功耗小、效率高 ※ 低功耗待机模式，IQ 的典型值为 80μA ※ TTL 断电能力 ※ 具有过热保护和限流保护功能 ※ 封装形式：TO-220（T）和 TO-263（S） ※ 外围电路简单，仅需 4 个外接元件，且使用容易购买的标准电感

注 2：典型值是指在 25℃下的数值，代表最常见的情况。注 3：所有的极限参数都必须适合于室温（用正常字体表示）和极限温度（用带下划线的粗斜体字表示），所有室温下的极限参数都是经过测试得出的，所有的极限温度下的极限参数都可以通过使用相关的标准静态质量控制方法来加以保证。注 4：二极管、电感、输入和输出端的电容以及调节输出电压的电阻等外接元件可能会影响开关调节器的系统性能。当 LM2596 用在如图 1 所示测试电路中时，其系统性能如电气特性中系统参量所示。注 5：当第二级电流极限功能启动时，开关频率会有所下降，下降的程度取决于过电流的严重程度。注 6：输出管脚不连接电感、电容或二极管。注 7：把反馈管脚和输出管脚断开，把反馈管脚连到 0V，以强制输出开关晶体管导通。注 8：把反馈管脚和输出管脚断开，把反馈管脚连到 12V（当 VOUT=3.3V、5V 或 ADJ 时）或 15V（当 VOUT=12V 时），以强制输出开关晶体管截止。注 9：VIN=40V 注 10：环境热阻（不外加散热片）是指 TO-220 封装的 LM2596 垂直焊接在覆盖有面积约为 1 平方英寸铜箔的 PCB 上所对应的值。注 11：TO-263 封装的 LM2596 垂直焊接在覆盖有面积约为 0.5 平方英寸铜箔的单面 PCB 上所对应的环境热阻。注 12：TO-263 封装的 LM2596 垂直焊接在覆盖有面积约为 2.5 平方英寸铜箔的单面 PCB 上所对应的环境热阻。注 13：TO-263 封装的 LM2596 垂直焊接在覆盖有面积约为 3 平方英寸铜箔的双面 PCB 上所对应的环境热阻，而 PCB 的另一面覆盖有面积约为 16 平方英寸铜箔。注14： LM2596T-3.3, LM2596T-5.0, LM2596T-12， LM2596T-ADJ为TO-220封装（DIP）； LM2596S-3.3, LM2596S-5.0,LM2596S-12， LM2596S-ADJ为TO-263封装（SMT）。

（4）简易控制模块：

利用单稳态触发电路实现小车的控制，设定电机驱动模块的IN2=IN4=0；

红外模块输出OUT1(OUT5)在未探测到轨迹时输出高电平,控制电路输出高电平，IN1(IN3)=1，小车前行；当有红外对管探测到轨迹时，即OUT1(OUT5)输出低电平触发信号，控制电路使得IN1(IN3)=0，小车左（右）转，由于是暂稳态，所转角度有限，避免超调，从而实现小车的基本循迹功能。

3．电路的安装与调试

测试分单模块测试与整体测试

1 电源模块：接入电源后测量5V电压输出；调节电位器测量Pe输出变化

在开关调节器中，PCB 版面布局图非常重要，开关电流与环线电感密切相关，由这种环线电感所产生的暂态电压往往会引起许多问题。要使这种感应最小、地线形成回路，图中所示的粗线部分在 PCB 板上要印制得宽一点，且要尽可能地短。为了取得最好的效果，外接元器件要尽可能地靠近开关型集成电路，最好用地线屏蔽或单点接地。最好使用磁屏蔽结构的电感器，如果所用电感是磁芯开放式的，那么，对它的位置必须格外小心。如果电感通量和敏感的反馈线相交叉，则集成电路的地线及输出端的电容 COUT 的连线可能会引起一些问题。在输出可调的方案中，必须特别注意反馈电阻及其相关导线的位置。在物理上，一方面电阻要靠近 IC，另一方面相关的连线要远离电感，如果所用电感是磁芯开放式的，那么，这一点就显得更加重要。

散热方面的一些考虑 LM2596 有两种封装形式，5 脚的 TO-220（T）和 5 脚的 TO-263（S）封装。一般情况下，TO-220（T）封装需要散热片。散热片的尺寸由输入电压、输出电压、负载电流和环境温度决定。图 18 示出了负载电流为 3A，输入电压和输出电压不同时 LM2596 的温度高出环境温度的有关曲线。这些数据是在 LM2596 作为开关调节器在环境温度为 25℃时测出的，这些温度上升的数据都是近似的，而且有许多因素可以影响这些温度，环境温度越高，需要散发的热量也就越多。

2 红外模块：接入5V电源，调节电位器使发光二级管接触白色时发光，黑线时灭。

3 电机驱动：检查二极管方向是否正确，引入不同的控制信号，测量输出电压变化

整体测试：按说明及标志接入电源和控制模块，测试是否沿黑线行走。

四．心得体会、存在问题和进一步的改进意见等

1．在课程设计中运用所学知识将其付诸实践，这并不是在课后看书过程中的深入理解，这需要的是一种理论联系实践的能力。理论知识往往都是在一些理想状态下的假设论，而实际的动手操作则完全不同，需要考虑实际中的很多问题。

2．在课程设计实习中通过对电路的连接懂得了如何通过设计的分析对所连电路的整体布局，如何更好的放置芯片在最合适的位置。在导线的连接上，如何选择导线走向是关键，我们应该尽量保证所连电路一清二楚，

3．我们在实验中遇到一些自己无法弄明白的问题，可以请教一些同学。在设计时和同学相互交流各自的想法也是很重要的，不同的人对问题的看法总有差异，我们可以从交流中获得不同的想法，其他人的设计一定有值得你借鉴的地方。

4．实现过程中不仅要求对知识的掌握要足够准确与精通，更要有绝对的耐心与细心。我在这次的实习中其实就有连错线的时候，很难检查出来，费了好长时间才检查出来

5.改进的方面：简单控制模块可以改装成单片机，这样可以便于改进，可以增加很多功能，例如，小车循迹时间的记录，用数码管输出，或者增加金属模块，可以让小车在行进的过程中识别铁片，并用电磁铁吸起来，当然同理也可以应用数码管输出一共吸起来的铁片的数量。

五．附录

红外模块器材表：