模数结合循迹避障小车 - 嘉立创EDA开源硬件平台

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专业版 模数结合循迹避障小车

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简介:使用LM393、74HC00N搭配红外对射管,组成简易巡线避障小车,方便理解更多电路知识

开源协议: Public Domain

(未经作者授权,禁止转载)

创建时间: 2023-10-08 10:49:43
更新时间: 2024-01-03 19:26:28
描述

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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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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。

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图8 巡线小车顶层走线图

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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

 

设计图
原理图
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PCB
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