工程实践与科技创新1 自动控制小车原理与演示程序说明 上海交通大学电工电子实验教学中心 上海交通大学电子信息与电气工程学院 电工电子实验教学中心 2012年6月
工程实践与科技创新 1 ——自动控制小车原理与演示程序说明 上海交通大学电子信息与电气工程学院 电工电子实验教学中心 2012 年 6 月
目录 一概述 3 1.1部件清单 4 1.2接线图 5 二电路原理与电路板 7 2.1电路板上元器件规范 .7 2.2部分元器件封装说明 7 2.3注意事项 2.4电路原理与元器件清单 8 2.4.1车头、车尾触碰检测板 8 2.4.2充电板 2.4.3行进控制板 ,12 2.4.4电机驱动板 三演示(demo) 程序及其流程图 .17 主程序(main): 17 T0中断服务程序： 19 SW0-SW3按键处理子模块： 21 LED显示处理子模块： 22 时间处理子模块： 23 AD采样： .23 电机PWM调速： 23 上海交通大学电
目 录 一 概述................................................................................................................3 1.1 部件清单.................................................................................................................... 4 1.2 接线图........................................................................................................................ 5 二 电路原理与电路板........................................................................................7 2.1 电路板上元器件规范................................................................................................ 7 2.2 部分元器件封装说明................................................................................................ 7 2.3 注意事项.................................................................................................................... 7 2.4 电路原理与元器件清单............................................................................................ 8 2.4.1 车头、车尾触碰检测板..................................................................................................... 8 2.4.2 充电板.................................................................................................................................. 9 2.4.3 行进控制板....................................................................................................................... 12 2.4.4 电机驱动板....................................................................................................................... 14 三 演示（demo）程序及其流程图.................................................................17 主程序（main）：........................................................................................................... 17 T0 中断服务程序：........................................................................................................ 19 SW0-SW3 按键处理子模块：....................................................................................... 21 LED 显示处理子模块： ................................................................................................ 22 时间处理子模块：......................................................................................................... 23 A/D 采样：..................................................................................................................... 23 电机 PWM 调速： ......................................................................................................... 23
一概述 自动控制小车由金属车身、塑料车轮、带变速箱的直流电机和控制电路板等构成，自动控制小 车为前驱动，有两个直流驱动电机。两个电机分别由控制电路中的左、右部分独立控制。车头和车 尾安装有触碰检测板，每个板上分别有左、右检测开关：该4个开关可以在程序中定义为其他功能， 如自动控制小车的启动和停止等。 自动控制小车的电路部分由车头触碰检测板、车尾触碰检测板、充电板、电机驱动板和行进控 制板共5个电路模块组成（如下图所示）。各部分电路功能和原理简述如下： 右 玩具电机(2) 车 行进控制 触 碰 电机驱动 充电器 尾触碰 充电电池 测 5.0V 检测 玩具电机(1) 左 左 电路结构示意图 车头触碰检测板：用于检测前进方向的障碍物，设计为2个按钮开关： 车尾触碰检测板：用于检测倒退方向的障碍物，设计为2个按钮开关： 充电器板：可以给4节1.2V可充电池充电：充电器电路的输入电压为直流12VDC,输出为6V, 充电电流约为120mA; 电机驱动板：驱动电机正转（前进）、反转（倒退）或停止： 行进控制板：获取车头/车尾触碰检测开关信号，发控制指令给电机驱动电路，让电机正转（前 进)、反转（倒退）或停止。 CONTROL 自动控制小车模型图
3 一 概述 自动控制小车由金属车身、塑料车轮、带变速箱的直流电机和控制电路板等构成，自动控制小 车为前驱动，有两个直流驱动电机。两个电机分别由控制电路中的左、右部分独立控制。车头和车 尾安装有触碰检测板，每个板上分别有左、右检测开关；该 4 个开关可以在程序中定义为其他功能， 如自动控制小车的启动和停止等。 自动控制小车的电路部分由车头触碰检测板、车尾触碰检测板、充电板、电机驱动板和行进控 制板共 5 个电路模块组成（如下图所示）。各部分电路功能和原理简述如下： 电路结构示意图 车头触碰检测板：用于检测前进方向的障碍物，设计为 2 个按钮开关； 车尾触碰检测板：用于检测倒退方向的障碍物，设计为 2 个按钮开关； 充电器板：可以给 4 节 1.2V 可充电池充电；充电器电路的输入电压为直流 12VDC，输出为 6V， 充电电流约为 120mA； 电机驱动板：驱动电机正转（前进）、反转（倒退）或停止； 行进控制板：获取车头/车尾触碰检测开关信号，发控制指令给电机驱动电路，让电机正转（前 进）、反转（倒退）或停止。 自动控制小车模型图 充电器 充电电池 5.0V 电机驱动 右 车 头 触 碰 检 测 左 行进控制 右 车 尾 触 碰 检 测 左 玩具电机（1） 玩具电机（2）
1.1部件清单 序号 部件名称 数量 备注 1 车体 1(套) 包括：车架1个、电机固定件4个、透明P℃板1 个 2 电机 2 3 车轮 1(套) 2个前轮，2个后轮： 4 EI连接线 1(套) 5 4节AA电池盒 1 6 AM镍氢可充电池 4 7 AC/DC转换器 1 50Hz变压器型，输出12VDC、500mA: 8 螺柱、螺杆、螺丝、垫片 1(套) 9 车头触碰检测电路板 空电路板 10 车尾触碰检测电路板 1 空电路板 11 充电器电路板 空电路板 12 行进控制电路板（直插版） 1 空电路板 13 行进控制电路板（贴片版） 空电路板 14 电机驱动电路板 1 空电路板 15 电子元器件 1(套) 上海交通大学电工电子 4
4 1.1 部件清单 序号 部件名称 数量 备注 1 车体 1（套） 包括：车架 1 个、电机固定件 4 个、透明 PC 板 1 个； 2 电机 2 3 车轮 1（套） 2 个前轮，2 个后轮； 4 EH 连接线 1（套） 5 4 节 AA 电池盒 1 6 AA 镍氢可充电池 4 7 AC/DC 转换器 1 50Hz 变压器型，输出 12VDC、500mA； 8 螺柱、螺杆、螺丝、垫片 1（套） 9 车头触碰检测电路板 1 空电路板 10 车尾触碰检测电路板 1 空电路板 11 充电器电路板 1 空电路板 12 行进控制电路板（直插版） 1 空电路板 13 行进控制电路板（贴片版） 1 空电路板 14 电机驱动电路板 1 空电路板 15 电子元器件 1（套）
1.2接线图 车头触碰检测 行进控制板 验15a 15cm 充电板 电机驱动板 15cm 10cm 10cm 电机(1) 电机(2) 车尾触碰检测 上海交 自动控制小车系统接线图
5 1.2 接线图 自动控制小车系统接线图
二电路原理与电路板 2.1电路板上元器件规范 序号 标号 器件类型 备注 1 R** 电阻 2 C*** 非电解电容 3 E** 电解电容 包括钽电解和铝电解： L*本* 电感或磁珠 5 U*率 集成电路 6 J**来 连接器 7 JT*** 晶体 8 FU*** 保险丝 9 D*** 二极管 10 Q*** 开关管 包括三极管、场效应管等 11 TP*** 测试点 12 FM*** 光学点 电路板机器焊接用的基准光学点，不用焊接元器件 13 MH*** 机械定位孔 用于电路板固定的定位孔，不用焊接元器件 2.2部分元器件封装说明 AXIAL-350R:通用14W直插电阻： AXⅪAL-400R:通用14W直插电阻： AXIAL-400DS:通用二极管，如1N4001: TO-92B:通用直插三极管，如C9013: SW PUSH:侧面按钮的按键开关（参见右侧图）： TESTP:测试点，不用焊接电子元器件： 0805R:0805的电阻： 0805C:0805的电容： 0805L:0805的电感或磁珠： 0805LED:0805的发光二极管： 学电工 其他如1206封装识别方法类似： 2.3注意事项 钽电解电容和铝电解电容有“正/负”极性，不可以装反，否则会爆裂： 二极管也有“正负”极性，不可以装反，否则相关电路工作不正常： 6
6 二 电路原理与电路板 2.1 电路板上元器件规范 序号 标号 器件类型 备注 1 R*** 电阻 2 C*** 非电解电容 3 E*** 电解电容 包括钽电解和铝电解； 4 L*** 电感或磁珠 5 U*** 集成电路 6 J*** 连接器 7 JT*** 晶体 8 FU*** 保险丝 9 D*** 二极管 10 Q*** 开关管 包括三极管、场效应管等 11 TP*** 测试点 12 FM*** 光学点 电路板机器焊接用的基准光学点，不用焊接元器件 13 MH*** 机械定位孔 用于电路板固定的定位孔，不用焊接元器件 2.2 部分元器件封装说明 AXIAL-350R：通用 1/4W 直插电阻； AXIAL-400R：通用 1/4W 直插电阻； AXIAL-400DS：通用二极管，如 1N4001； TO-92B：通用直插三极管，如 C9013； SW_PUSH：侧面按钮的按键开关（参见右侧图）； TESTP：测试点，不用焊接电子元器件； 0805R：0805 的电阻； 0805C：0805 的电容； 0805L：0805 的电感或磁珠； 0805LED：0805 的发光二极管； 其他如 1206 封装识别方法类似； 2.3 注意事项 钽电解电容和铝电解电容有“正/负”极性，不可以装反，否则会爆裂； 二极管也有“正/负”极性，不可以装反，否则相关电路工作不正常；
2.4电路原理与元器件清单 2.4.1车头、车尾触碰检测板 sW100 SW PUSH 8 J100 R100 SWO 标注：SW0蓝色 TP100 100 LEFT 标注：GND黑色 TESIP X 标注：GND EH2 SW PUSH 8 ) 101 R101 标注：SW1蓝色 100 RIGHT 标注：GND黑色 EH2 车头触碰检测板原理图 日920T6002:A38 ON9 OMS ON9 TMS OOTHN TOTHW 9 OOTH toTH 车头触碰检测板PCB板器件位置图 电路原理： 无障碍时，碰触开关SW100或SW101断开，此时开关电路因为行进控制板的上拉电阻而输出高 电平；遇到障碍时碰触开关与“地电位”接通，输出低电平。特别提示：本教程中所提到的低电平电 压小于0.8V,高电平电压大于2.4V: 车头、车尾触碰检测原理相同，电路板相同。 电子元器件清单： 元件标号 参数 封装 R100 100 AXIAL-350R R101 100 AXIAL-350R J101 EH2 EH2 J100 EH2 EH2 SW100 SW PUSH SW PUSH SW101 SW PUSH SW PUSH 个
7 2.4 电路原理与元器件清单 2.4.1 车头、车尾触碰检测板 车头触碰检测板原理图 车头触碰检测板 PCB 板器件位置图 电路原理： 无障碍时，碰触开关 SW100 或 SW101 断开，此时开关电路因为行进控制板的上拉电阻而输出高 电平；遇到障碍时碰触开关与“地电位”接通，输出低电平。特别提示：本教程中所提到的低电平电 压小于 0.8V，高电平电压大于 2.4V； 车头、车尾触碰检测原理相同，电路板相同。 电子元器件清单： 元件标号 参数 封装 R100 100 AXIAL-350R R101 100 AXIAL-350R J101 EH2 EH2 J100 EH2 EH2 SW100 SW_PUSH SW_PUSH SW101 SW_PUSH SW_PUSH
2.4.2充电板 名目 語B吉 器 。 3日 至至至百 充电板原理图 8
8 2.4.2 充电板 充电板原理图
Tp300 MH303 MH302 FM101 P301 300 ■■ 83 U300 DD NC GND U301 R38 D304 FM100○ FU300 J300 E300 D300 D306 ☐□0300 C300 MH300 VDD NC GND FM102 ● EV:2011/09/15A MM301 充电板PCB元器件位置图 电子元器件清单： 元件标号 参数 封装 EH3 J304 EH3 0.01uF C301 0805C EH3 J305 EH3 0.01uF C302 0805C EH3 J306 EH3 0.01uF C300 0805C EH3 J303 EH3 1N5819 D302 SMA DO-214AC EH4 J302 EH4 1N5819 D306 SMA DO-214AC SW-LR J301 SW-LR 1N5819 D301 SMA DO-214AC USB-MINI-A J308 USBD-MINI LED-G D305 0805LED MTD2955E Q300 T0-252 LED-R D304 0805LED 10/0.5W R303 1812R TSMA15A D300 SMA DO-214AC 100K R305 0805R TSMA6.8A D303 SMA DO-214AC 20K R301 0805R 220uF/25V E301 ECAP SMDE 390K R304 0805R 47uF/25V E300 ECAP SMDD 5K1 R302 0805R SMD1812P035TF FU301 1812F 5K1 R300 0805R SMD1812P035TF FU300 1812F 5K1 R306 0805R DC Jack J300 PWR JACKO 3P LM311 U300 S0-8 EH2 J307 EH2 LM4041-1.2 U4 SOT23-3U 电路原理： 开关管Q300,比较器LM311和电压基准LM4041-1.2组成DC/DC电路，将从连接器J300输 入的12V的直流电压转换为6V左右的直流电压，给4节5号可充电池充电。R304和R305为分压 电路，当输出电压高于6.1V左右时，R305上获得的分压电压高于电压基准值1.2V,比较器LM311 输出高电平，Q300截止，充电指示灯D304熄灭：否则，当输出电压低于6V左右时，R305上获 得的分压电压低于电压基准值1.2V,比较器LM311输出低电平，Q300通道，充电指示灯D304亮： 增加的电容E？提供电路的时间常数，以保持输出电压的稳定。 J301为电池的放电开关，当J301拨向右边位置时，电池供电回路接通，指示灯D305点亮， 此时电池向J303、J304、J305和J306供电。 9
9 充电板 PCB 元器件位置图 电子元器件清单： 元件标号 参数 封装 0.01uF C301 0805C 0.01uF C302 0805C 0.01uF C300 0805C 1N5819 D302 SMA_DO-214AC 1N5819 D306 SMA_DO-214AC 1N5819 D301 SMA_DO-214AC LED-G D305 0805LED LED-R D304 0805LED TSMA15A D300 SMA_DO-214AC TSMA6.8A D303 SMA_DO-214AC 220uF/25V E301 ECAP_SMDE 47uF/25V E300 ECAP_SMDD SMD1812P035TF FU301 1812F SMD1812P035TF FU300 1812F DC_Jack J300 PWR_JACK0_3P EH2 J307 EH2 EH3 J304 EH3 EH3 J305 EH3 EH3 J306 EH3 EH3 J303 EH3 EH4 J302 EH4 SW-LR J301 SW-LR USB-MINI-A J308 USBD-MINI MTD2955E Q300 TO-252 10/0.5W R303 1812R 100K R305 0805R 20K R301 0805R 390K R304 0805R 5K1 R302 0805R 5K1 R300 0805R 5K1 R306 0805R LM311 U300 SO-8 LM4041-1.2 U4 SOT23-3U 电路原理： 开关管 Q300，比较器 LM311 和电压基准 LM4041-1.2 组成 DC/DC 电路，将从连接器 J300 输 入的 12V 的直流电压转换为 6V 左右的直流电压，给 4 节 5 号可充电池充电。R304 和 R305 为分压 电路，当输出电压高于 6.1V 左右时，R305 上获得的分压电压高于电压基准值 1.2V，比较器 LM311 输出高电平，Q300 截止，充电指示灯 D304 熄灭；否则，当输出电压低于 6V 左右时，R305 上获 得的分压电压低于电压基准值 1.2V，比较器 LM311 输出低电平，Q300 通道，充电指示灯 D304 亮； 增加的电容 E？提供电路的时间常数，以保持输出电压的稳定。 J301 为电池的放电开关，当 J301 拨向右边位置时，电池供电回路接通，指示灯 D305 点亮， 此时电池向 J303、J304、J305 和 J306 供电
2.4.3行进控制板 行进控制板以单片机STC12C2052AD/STC12C5052AD为核心，通过软件编程实现自动控制小 车的状态检测和行进控制。 轄 薯 盖 程 指 用 兰用 H BE 100SM R611 韭 MDI EN# STC12C5052AD XTALI XTAL2 P3.6/RST# PWMO/P3.7 P10 SS/PI > 11 MDO EN IS LEDEO 16 SWo GHT 里 MDI_DIR 器器 部酷 行进控制板电路原理图 10
10 2.4.3 行进控制板 行进控制板以单片机 STC12C2052AD/STC12C5052AD 为核心，通过软件编程实现自动控制小 车的状态检测和行进控制。 行进控制板电路原理图