开题报告(最新)

南京理工大学

科研训练开题报告

姓名：李涛 张恒 荣剑

题目：

指导教师：

学号：1004330113 1004330133 1004330121 可变速寻迹小车 谷亚林

一：项目简介

项目是要做出一辆可寻迹小车。小车是一个由微处理器控制的，集感知、判断、行走功能于一体，能够自动寻线到达目的地的微型机器人。它可以自动感知白线，以最快的速度到达目的地。寻迹小车由参赛者自制，一个完整的小车应包含有机身、电源、传感器、微处理器、马达及驱动等部分。小车的传感器可感知白色路面中的黑色轨迹，在马达的控制下，能够完成直行、转弯、掉头以及加减速等动作。

二：项目任务

要求设计的小车能够使用多种不同功能的传感器模块，完成以下任务： （1）自动寻迹小车从安全区域启动。

（2）小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，实现灵活前进、转弯等功能，在轨道上划出设定的地图。 （3）能显示出小车车轮转动圈数，计算出路线长度。 （4）小车完成指定运行任务后，停止在终点位置上。

三：项目内容

小车的设计具体涉及到控制器模块、电源和稳压模块、显示模块、寻迹传感器模块、电机模块等！

（1）首先，控制器模块的核心是单片机，单片机是单片微型计算机的简称，是把微处理器（CPU）、一定容量的程序存储器（ROM）和数据存储器（RAM）、输入/输出接口（I/O）、时钟及其它一些计算机外围电路，通过总线连接在一起并集成在一个芯片上，构成的微型计算机系统。

PIC18具有RISC体系结构和其他标准特征，如片上程序ROM、数据RAM、数据EEPROM、定时器、ADC、USART和I\\O端口。虽然该系列不同型号芯片在程序ROM、数据RAM、数据EEPROM和I/O端口的大小上不尽相同，但是他们都有定时器、ADC和USART等外围设备。

在微控制器中，ROM是用来存储程序的，因此又被称作程序或代码存储器。PIC18系列的程序ROM的类别也有几种，如闪存，OTP和掩模ROM。而PIC18F4580就是典型的使用闪存的芯片，采用ＰＩＣ１８Ｆ的微控制系统需要有支持闪存的ＲＯM烧录器，但并不需要ＲＯＭ擦除器，因为闪存是ＥＥＰＲＯＭ。值得注意的是，要重新编程前，必须把ROM的所有内容都删除。

如果说ROM是用来存储程序的，那么RAM就是用来存储数据的。PIC18的最大RAM容量从256B到4096B不等。用于数据缓存的RAM是没个PIC18芯片必备的，而EEPROM则是可选的，不是所有的PIC18芯片都有的。 至于微控制器的I/O引脚，PIC18芯片有数量为16到72 个不等的I/O引脚。引脚的数目取决于芯片自身的封装形式。目前PIC18的引脚数目从18到80不等。

PIC微控制器的外围设备。PIC18的所有芯片都以模数转换器、定时器。通用同步/异步收发器作为标准的外围设备。PIC18最多可以有包括监视器定时器在内的4个定时器。通用同步/异步收发器用于将基于PIC18的系统连接到串行端口。大部分的PIC18芯片都有I*IC总线和CAN总线。

我们准备采用PIC18F4580单片机。这是一种8位FLASH微控器，带有SPI等多种外设资源，将复杂的软件命令操作改为对相关寄存器的赋值，简化了设计进程。PIC18F4580是Microchip公司生产的8位FLASH微控器。片上自带32 K编程空间、1 536 bytes的SRAM和256bytesEEPROM，同时具有mW级低功耗技术，睡眠模式下只消耗0．2μA的工作电流。片上自带系统时钟可达到32 MHz的处理速度，可完全替代外部晶振，简化电路板设计。此外还带有SPI，USART，TIMER等多种外设资源，将复杂的软件命令操作改为对相关寄存器的赋值，简化了设计进程。在软件调试和编程方面，只需占用4个I／O引脚就可以完成程序的下载及在线调试，大大减少在底层硬件调试上花费的时间

。

（2）电源和稳压模块采用的是可充电式镍氢电池组供电。镍氢电池具有容量大、无记忆效应和对环境危害小等优点。由于电子器件要求持续稳定的工作电压，所以需要使用直流稳压器件来解决。要求稳压器的输出电压可调整并具有短路保护功能，可以将稳压器的输出电压调至实际使用值，连接5m以下的长导线，导线的内芯应更粗，以减少大电流工作时的线损。导线颜色应与机器人相连插头和适配器相同 （3）显示模块采用LCD显示器实现。LCD，或称液晶显示器（Liquid Crystal Display），为平面超薄的显示设备，它由一定数量的彩色或黑白像素组成，放置于光源或者反射面前方。液晶显示器功耗很低，因此倍受工程师青睐，适用于使用电池的电子设备。它的主要原理是以电流刺激液晶分子产生点、线、面配合背部灯管构成画面。

LCD显示采用QC12864B汉字图形点阵液晶显示模块，采用并行连接的方式。液晶工作电压及背光电源为5 V供电，数据线DB0-DB7与IC181 74580的RA口相连，控制线RS、RW、E与RE口相连。用来显示相关调试结果，加上单片机的部分RB口作为按键的输入组成人机界面。USART电路采用MAX232进行电平转换以实现PIC18F4580与上位机之间电压及驱动电流的匹配。在实际调试中，需要通过USART接口向上位机发送数据以调试单片机的实际工作状态以及对AD采样数据进行分析和测试。最终实现在显示器上显示出小车车轮转过的圈数。

（4） 小车避障的原理同蝙蝠相似，都是通过发出一定频率的超声波，当遇到障碍物时反射回来，通过接收该反射波，再根据发射和接收的时间差获得障碍物位置信号确定障碍物位置，但超声波探测在近距离表现欠佳，因为属机械波，发射时产生的振动会影响接收器，所以有一定的盲区。而红外探测解决了这个问题，红外探测是根据反射发出特定频率的红外线确定物体距离的，具体测量过程是这样的，在小车运动过程中先调节距离旋钮使其探测距离达到所用超声波探测器的盲区最大值，用程序控制探头发射信号，然后捕捉反射信号，若无反射信号说明无障碍，如有反射信号说明有障碍，信号从上拉电阻的OC门取出。 传感器一般由敏感元件和转换元件组成。其中命案元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。

红外传感器的输出信号一般很微弱，若要有效的利用这种信号，必须对传感器采取适当的偏置并且将信号放大。所谓传感器的偏置是指通过偏置电路对传感器加上一定的偏置电压或电流，使传感器在正常状态下工作，发挥出最好的性能。所谓信号放大，是指将一偏置状态下的传感器与前置放大器耦合，以便将微弱信号电压幅度或功率予以放大。 红外发光二极管：

使用E18-B0 24路红外传感器探测行进路线。规格参数为：VCC: 6V----36V(典型12V)、工作电流: 小于300mA、输出形式: NPN三极管OC输出。该传感器有一个灵敏度调节旋钮，可以调节传感器触发的距离。随供电电压不同，最远探测距离在5-60cm可调。虽然红外传感器的功能有限，但恰恰与超声波的功能互补，所以为了寻迹小车更好的执行任务，红外传感器是必不可少的。小车前端将安装三个红外传感器，通过这三个传感器不断探测白色轨迹路线并不断修正小车前进方向，使小车顺利沿指定路线到达终点！

开机启动后，通过一个直流电源给各个模块供电，小车开始沿着固定的路线行走，当左边的传感器检测到黑线时，把信号传给单片机系统，系统通过调整电机的转动，使小车沿着黑线右转，当右边的传感器检测到黑线时，同理。当左右传感器没有检测黑线时，小车处在黑线上方，小车快速行驶，当左右传感器都检测到黑线时，小到车停止行驶。

(5) 电机模块采用步进电机（见图1）。规格型号为

步进电机通常被称为无刷电机，因为它的磁体装在转子或者是转轴上，绕组装在机

壳上，没有电刷，轮子自由地转动，与任何构件都没有电气上的接触（见图2）。步进电机本质上是一种低速电机，被设计用来实现精确运动，一旦到达指定位置后就能保持在那里。步进电机的最佳工作转速为50~100r/min，这对于机器人移动来说恰好也是最合适的工作转速。

步进电机其实是轮流地从一个特定位置转到下一个特定位置来实现旋转的。旋转一

周所需要行进的次数是步进电机的一项技术指标，通常称之为步数或者步距角。很多个绕组在机壳内被规则有序的排列就是为了转子能够由一个位置精确地转到下一个位置。绕组被安装到定子上。定子的电机加上电压后，转子将被定子上相反的磁极相吸引而转动。转子是由大量的永磁体组成的，当定子上的绕组通上电流后，这些永磁体将趋向于和绕组对组成一条直线。转子上突出的磁极称为齿，转子所具有的最重要的特征便是其所具有的齿数。沿着机壳圆周，定子的绕组被重复的、等间距的以交错的形式布置。

步进电机有两种基本类型：单极性步进电机和双极性步进电机，同样尺寸的步进电

机，双极性与单极性比较，功率既强劲，速度又快，然而双极性步进电机要求其绕组两端的电压可以变换方向又使得驱动器的电路要复杂得多。要步进电机平稳地转动，其步距角最大不超过3.6°，否则从视觉效果上都能观察到冲击。步进电机的主要性能指标是起动转矩、保持转矩和加速转矩。起动转矩是指步进电机从一个齿位转到下一个齿位时所具有的转矩，保持转矩是指步进电机在静止状态或处于某工况点时维持在该平衡位置的能力。此寻迹小车体积较小且要求可变速，而步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件,在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响，即给电机加一个脉冲信号，电机则转过一个步距角。这一线性关系的存在，加上步进电机只有周期性的误差而无累积误差等特点。使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。

电机驱动部分采用专用芯片L298N（见图3）。L298N是专用驱动集成电路，其输出

电流增大，功率增强。可以驱动感性负载，特别是其输入端可以与单片机直接相联，从而很方便地受单片机控制。当驱动直流电机时，可以直接控制步进电机，并可以实现电机正转与

反转，实现此功能只需改变输入端的逻辑电平。一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。（该芯片的一些参数如下：(1) 逻辑部分输入电压：6～7V(2) 驱动部分输入电压Vs：4.8～46V(3) 逻辑部分工作电流Iss：≤36mA(4) 驱动部分工作电流Io：≤2A(5) 最大耗散功率：25W（T=75℃）(6) 控制信号输入电平：高电平：2.3V≤Vin≤Vss，低电平：-0.3V≤Vin≤1.5V(7) 工作温度：-25℃～＋130℃(8) 驱动形式：双路大功率H桥驱动）

图1.步进电机 图2.步进电机工作原理

图3.电机驱动模块：芯片L298N

四：系统原理及理论分析

1：单片机最小系统组成

单片机系统是整个智能系统的核心部分，它对各路传感信号进行采集、处理、分析及对各部分进行整体调整。主要组成是：单片机pic18F4580、模数转换芯片ADC0809、小车驱动系统芯片L293D、数码管显示的译码芯片74LS47、74LS138及各路的传感器件。 2：计数原理

通过计算车轮的转数间接测量距离，在车轮均匀打上透光小孔，当车轮转动时，红外光投射过去，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来。 3：黑带检测原理

利用光的反射原理，当光照射在白纸上时，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。由于各路传

感器会对单片机产生一定的影响，使信号发生错误。因此，采用一级射级输出方式对信号进行隔离，这样系统对信号的判断就比较正确。

五：方案论证与比较

1：数据存储比较

方案一：采用外接ROM进行存储

采用外接ROM进行存储是保存实验数据的惯用方法，起特点是在单片机断电后仍然能保存住数据，但无疑讲增大软硬开销和事件开销。

方案二：直接用单片机内部的RAM进行存储

虽然不能再断电后保存数据，但可以再实验结束后根据案件显示相应值，而且本实验的数据存储不大，采用RAM可以减少IO接口的使用，使用IO接口分配，故此方案具有成本低，易实现的优点，更符合实际要求。

综合比较，采用方案二。 2：刹车机构功能方案比较 方案一：自然减速式

当系统发出停止信号时停止给驱动电机供电，利用摩擦力减速。因车轮滑行造成的误差较大，无法实现精确制动的目标。 方案二：反转式

当小车需要停车时给驱动电机以反转信号，利用轮胎与跑道的摩擦力抵消惯性效应，由于车速是渐减的，反向驱动信号长度也要渐减，否则小车可能反向行驶，使用此方案后全速刹车反应时间较短。

本系统中采用方案二。

六：项目需要的软件及开发平台

Cadence（pcb）仿真软件

完成此项任务还需要用到Cadence软件。Cadence 是一个大型的EDA 软件，它几

乎可以完成电子设计的方方面面，包括ASIC 设计、FPGA 设计和PCB 板设计。Cadence 在仿真、电路图设计、自动布局布线、版图设计及验证等方面有着绝对的优势。Cadence 包含的工具较多几乎包括了EDA 设计的方方面面，在此我们使用Cadence PCB板设计功能！

Cadence的PCB设计仿真技术与Cadence的从前端到后端PCB设计流程无缝集

成，使用于仿真和PCB设计的单独，统一的设计环境的实现成为可能。使用Cadence原理图设计输入技术，可从超过18,000个符号和模型的库中选择以进行设计仿真，它提供许多特性，使得原理图输入和模拟仿真设计变得容易，这两项集成都包括一键仿真和交叉探测和许多其他的仿真工具。使用可参数化描述的内置函数或用鼠标手绘分段线性，PWL，信号来创建任意形状的激励，为信号，时钟和总线创建数字激励，单击并拖动以引入和移动转换。用户可以很容易地建立和运行仿真，然后从Probe交叉探测仿真结果，Probe是一个业界标准的波形观察器，对多种仿真profile的支持使用户可以在同一原理图上调用并运行不同的仿真，仿真偏置结果可以在原理图上直接进行观察，包括节点电压，器件功率计算，管脚和支路电流，对检查点重启的支持，允许设计师在同一电路以很少的改变进行多次仿真时，减少仿真的次数。 MPLAB 集成开发环境（IDE）

MPLAB 集成开发环境（IDE）是综合的编辑器、项目管理器和设计平台，适用于使用Microchip 的PICmicro® 系列单片机进行嵌入式设计的应用开发。MPLAB IDE 是适用于PICmicro® 系列单片机和dsPICTM 数字信号控制器，基于Windows® 操作系统的集成开发环境。MPLAB C18 编译器是适用于PIC18 PICmicro 单片机的独立而优化的ANSI C 编译器。仅在ANSI 标准X3.159-1989 与高效的PICmicro 单片机支持有冲突的情况下，此编译器才会与ANSI 标准有所偏离。 此编译器是一个32 位Windows 平台应用程序，与Microchip 的MPLAB IDE 完全兼容，它允许使用MPLAB ICE 在线仿真器、MPLABICD 2 在线调试器或MPLAB SIM 软件模拟器进行源代码级调试。

七：项目进度安排

2012.4.8~4.15：完成前期准备

4.16~4.30：整理材料，编写开题报告并做好前期准备 5.1~7.1：巩固以前学习的编程知识，学习单片机的相关知识 7.2~11.2：学习相关接口技术的知识并熟悉传感器 11.3~1.31：学习传感器知识并完成小车的传感器模块 2.1~3.1：设局电路图并根据电路图进行仿真设计

3.2~8.1完成小车制作并进行检测调试

8.2~9.1最终调试并结题

八：任务分布

李涛：学习pic单片机C语言编程 学习Cadence软件并设计电路板 学习安装LCD显示器

张恒：学习pic单片机开发环境Mplab IDE并负责单片机对电机、显示器、传感器等外部模块的控制设置 学习红外传感器

学习步进电机 荣剑：红外传感器

步进电机 电源稳压模块

九：主要参考文献

（1）陈继荣 主编，智能电子创新制作----机器人制作入门，科学出版社 ,2007.10

(2) 丹尼斯。欧拉克、迈克尔。欧文斯（美） 著作，机器人设计与控制，科学出版社，2004.5

（3）迈克。普瑞德科（美） 主编，机器人控制器与程序设计，科学出版社，2004.5 (4) 汪晓军 主编， 光电传感与检测技术，机械工业出版社，2011.6

（5）周佩玲、彭虎、傅忠谦 编著，微机原理与接口技术，电子工业出版社，2005.4 （6）蒋蓁、罗骏、谢少荣 编著，微型传感器及其应用，化学工业出版社，2005.8 （7）吕泉 编著，现代传感器原理及应用，清华大学出版社，2006.6

（8）Muhammad Ali MAzidi、Rolin D.McKinlay、Danny Causey 著，PIC技术宝典，人民邮电出版社，2008.10

（9）蔡自兴 编著，机器人原理及应用，中南工业大学出版社，1988.8

（10）吴红星 主编，电机驱动与控制专用集成电路及应用，中国电力出版社，2006.6