模数结合循迹避障小车 - 嘉立创EDA开源硬件平台

1 设计要求

      设计一个简易巡线避障小车，要求使用数字电路实现循迹功能，模拟电路分别实现避障功能。

2 总体设计方案

      根据设计要求，使用74HC00N与非门搭配红外对射管，通过判断是否检测到红外光线从而实现接收管是否导通，将信号输入与非门实现数字电路循迹；

      使用LM393比较器搭配红外对射管，同样是判断前方是否检测到红外光线从而实现接收管是否导通，将两组信号输入比较器进行比较实现模拟电路避障功能；

3 电路组成

3.1 电源电路

      采用两节5号干电池进行供电，每节干电池1.5V，两节串联则是3V，满足芯片最小供电需求，通过三档滑动开关实现循迹、避障功能的切换。C1、C3电容为滤波储能电容，当电机开始工作时，瞬态电流较大，100uF电容能够协助电池进行放电。

图1 电源电路

3.2 电机驱动电路

     电池的正极接入电机的正极，负极通过三极管进行控制导通，当数字循迹或模拟避障信号产生时，通过控制三极管的基极，从而实现控制左右轮胎的工作，实现循迹和避障功能。

图2 电机驱动电路

3.3 数字信号循迹

      U2、U3为红外发射管，LED3、LED4位对应的红外接收管，安装在车前轮的两侧。原理分析如下：

      1、当车开始运动碰到白纸时，红外光发生反射，被接收管接收，接收管导通，碰到黑线时红外光被吸收，接收管截止；

      2、74HC00N是与非门，当碰到黑线时，接收管截止，CNT1输出高电平，对应OUT1输出低电平，OUT3输出高电平；

      3、此时，OUT3输出的高电平会流经电机三极管，控制三级导通，电机旋转；

      车辆在地图路线上不断的碰到黑线和白线，从而不断的导通和截止三极管，实现绕黑线轨道巡线功能。

图3 数字信号循迹电路

3.4 模拟信号避障

      IR1、IR2为红外发射管，CGQ1、CGQ2为对应的红外接收管，安装在车前两侧。原理图分析如下：

      1、当车运行时，前方没有障碍物，红外发射信号不会被接收，接收管截止，393比较器同向输入端为电池电压，电压大于反相输入端，此时，393比较器输出高电平，控制车辆向前运行。

      2、当车前方有障碍物时，红外发射信号被接收管接收，接收管导通，393比较强同向输入端为低电平，电压小于反相输入端，此时，393比较器输出 低电平，对应车轮停止运行，从而实现转向。

图4 模拟信号循迹电路

4 PCB设计

      完成原理图设计之后先注意检查电路是否连接对，网络是否有缺失没有接上的情况。全部检查无误后点击原理图顶部菜单栏中的设计-原理图转PCB开始PCB的设计。

4.1 外形设计

       生成PCB后需要设定一个PCB外形，外形的大小需要根据元器件的数量大小以及外壳进行设计，秉承着大小合适、美观的原则，该项目在设计外形时，需要考虑电机以及轮胎的位置，确保轮胎和PCB板不会干涉。

图6 巡线小车外形图

4.2 元器件布局

      原理图中的器件转到PCB后元器件布局比较乱，在设计PCB的第二步需要对元器件进行分类和布局，分类的依据是将各个电路的器件放置在一起，使用嘉立创EDA提供的布局传递功能可以很快地对每个电路模块进行布局，注意红外对射管应放置在板子边缘，减少不必要的干扰。

图7 巡线小车布局图

4.3 PCB走线

      PCB走线在设计双层电路板时分为顶层走线和底层走线，其中顶层走线默认是红色，底层是蓝色，走线也就是在电路板中连接铜线。选择层与元素中的层，然后将两个相同网络的焊盘连接起来就可以了。看似简单的连接，也是需要不断调整优化的，元器件的摆放布局也会影响走线的难度，在布局时多考虑一点走线就会简单许多，在走线中提供以下几点参考建议：

      （1）电源线设置为40mil，信号线设置为10mil；

      （2）走线优先考虑顶层走线，顶层不能顺畅连接时再考虑底层走线；

      （3）GND不用走线，直接底层覆铜即可；

      （4）走线过程中优先走直线，需要拐弯的地方以钝角或圆弧拐弯为主；

      （5）完成走线后添加合适的丝印标记说明该PCB板的用途以及接口功能。

图8 巡线小车顶层走线图

图10 巡线小车底层走线图

5 调试注意

      1、在焊接完成后，先不要插入电池，先使用万用表通断档测试是否短路；

      2、当发现车辆运行不能实现目的时，通过调节可调电阻的值，从而改变灵敏度；

      3、可以通过万用表测试每一个输入电压值，从而更加清晰的知道对应的电压变化；

      4、在购买芯片时，需要注意3V电池是否满足芯片最小工作电压，如果不满足，可以尝试使用三节电池进行串联