全國電子設(shè)計大賽智能小車

1、全國電子設(shè)計大賽智能小車（C題）設(shè)計報告中文摘要： 采用C8051F020單片機為控制芯片控制小車的速度及轉(zhuǎn)向。其中小車驅(qū)動由L298N驅(qū)動電路完成，速度由單片機輸出的PWM波控制以實現(xiàn)小車在超速區(qū)的超速行駛，利用紅外對管檢測黑線和障礙物以實現(xiàn)小車的正常行駛和轉(zhuǎn)彎，避免在行駛過程中越界和碰撞。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52單片機； L298N；紅外對管目錄第一章 方案設(shè)計與論證 31.1 主控系統(tǒng)31.2 電機驅(qū)動模塊31.3 信號檢測模塊 31.4 兩車通信模塊 41.5電源模塊4第二章 硬件設(shè)計 42.1總體設(shè)計42.2 車體設(shè)計 52.3驅(qū)動電路52.4 信號檢測與控制72.5 兩車

2、通信模塊7第三章 軟件設(shè)計 83.1主程序模塊 83.2信號檢測模塊 93.3超車區(qū)域 10第四章 測試與結(jié)果分析 10結(jié)束語11參考文獻11一、方案設(shè)計與論證1.1、主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，我認為此設(shè)計屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進行了綜合的比較論證，具體如下：方案一：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用VHDL語言進行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機有較大的劣勢。同時，CPLD的處理速度非?？?，而小車的行進速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息

3、的要求也就不會太高，在這一點上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進而提出了第二種設(shè)想。方案二：采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，我們選用了C8051F020單片機。1.2、電機驅(qū)動模塊設(shè)計方案一：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整.此

4、方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案三：采用L298N具有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此我們選用了方案二。1.3、信號檢測模塊方案一：采用六只紅外對管，有中間向兩端依次均勻排列安置，當(dāng)兩側(cè)對管檢測到軌道邊緣2cm黑線時，避開黑線沿軌道行駛，當(dāng)

5、所有對管檢測到1cm標志線時實行轉(zhuǎn)彎，超車等功能。方案二：采用六只紅外對管，兩側(cè)依次緊密排列兩組對管，兩外兩組等距排列于中間位置，增加外圍紅外對管的密度，能更準確地檢測到邊緣黑線的位置，可靠性更強，避免脫離軌道。通過比較，我們選用方案二。1.4、兩車通信模塊方案一：采用三只紅外對管置于小車前端，一只在前，另外兩只分與兩側(cè)，以便在超車區(qū)域兩車互相檢測，避免碰撞。方案二：采用集收發(fā)一體的nRF2401單芯片,且最高發(fā)送速率可達1Mbps,高于藍牙，使用簡單方便。在實際應(yīng)用中,配合USB進行遠程無線測量,數(shù)據(jù)速率達到500Kbps?？蓪崿F(xiàn)無線數(shù)字通信功能。通過比較方案二通信效果更好。1.5、電源模塊

6、方案一：采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。方案二：采用4支1.5V干電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時給單片機與與電機供電。方案三：采用6支1.5V鋰電池雙電源不僅分別給單片機與電機供電可解決方案二的問題且能讓小車完成其功能，而且節(jié)能減耗，可重復(fù)利用。所以，我選擇了方案三來實現(xiàn)供電。第二章 硬件設(shè)計2.1總體設(shè)計NRF2401無線通信模塊PWM電機驅(qū)動C8051020單片機紅外對管檢測信息圖2.1 主板設(shè)計框圖元件清單表2.1 元件清單元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量直流電機2只電阻若干集成電路芯片若干單片機1 塊二極管若干電容若干紅外對管9只鋰電

7、池6節(jié)電位器若干NRF2401無線通信模塊1只漆包線若干小車1個開關(guān)一個2.2車體設(shè)計智能小車采用前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個電機驅(qū)動，調(diào)制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用。車體材質(zhì)輕，減少對路面的損耗。2.3驅(qū)動電路電機驅(qū)動一般采用H橋式驅(qū)動電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動電路，從而可以采用L298N電路來驅(qū)動電機。通過單片機給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度，起停。其實物圖如2.2，驅(qū)動原理圖如圖2.3。圖2.2 L298N圖2.3 電機驅(qū)動電路2.4信號檢測與控制小車信號檢測原理是小車在邊緣有黑線的“路面”上行駛，由于黑線和路面對光

8、線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”邊界黑線。我們在該模塊中利用了簡單、應(yīng)用也比較普遍的檢測方法紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到路面時發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，則小車上的接收管接收不到信號，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測，以便小車可以正常行駛，不脫離預(yù)定軌道。檢測電路如圖2.4。圖2.4 信號檢測模塊小車是由C8051F020為控制芯片，L298N為驅(qū)動電路控制小車的速度和轉(zhuǎn)向。C8051F020具

9、有64個數(shù)字IO引腳，每個IO口都可以配置成推挽或漏極開路輸出，數(shù)字交叉開關(guān)允許用戶根據(jù)自己特定應(yīng)用選擇通用端口IO和所需數(shù)據(jù)資源的組合。具有高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051兼容的CIP-51內(nèi)核，全速、非侵入式的系統(tǒng)調(diào)試接口，64字節(jié)的可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器，4352字節(jié)的片內(nèi)RAM，5個通用的十六位定時器，5個捕捉|比較模塊的可編程定時器|計數(shù)器陣列，片內(nèi)看門狗定時器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。能有效地對小車進行控制。2.5兩車通信模塊 小車是由nRF2401來實現(xiàn)兩車通信的nRF2401單芯片集收發(fā)一體,且最高發(fā)送速率可達1Mbps,高于藍牙，使用簡單方便。在實際應(yīng)用中,配合USB進行

10、遠程無線測量,數(shù)據(jù)速率達到500Kbps；外圍元件極少，只需一個晶振和一個電阻即可設(shè)計射頻電路；發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟件設(shè)置；電源電壓范圍為.，功耗很低；芯片內(nèi)部設(shè)置有專門的穩(wěn)壓電路，因此，使用任何電源（包括開關(guān)電源）均有很好的通信效果。 （如圖2.5）圖2.5 nrf2401無線收發(fā)模塊第三章 軟件設(shè)計3.1啟動前進是否檢測到黑線偏移或轉(zhuǎn)彎兩車通信NY轉(zhuǎn)彎超車YN主程序框圖：圖3.1 系統(tǒng)總體框圖3.2 信息檢測模塊轉(zhuǎn)彎開始前進是否檢測到黑線Y左邊 右邊右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)N圖3.2 信息檢測模塊框圖開始3.3超車區(qū)域前進N循跡Y是否檢測到黑線甲車左轉(zhuǎn)，乙車繼續(xù)前行甲車加速前進甲車

11、右轉(zhuǎn)是否檢測到超車標志線前進YN轉(zhuǎn)彎，與乙車通信圖3.3 超車模塊框圖第四章 測試與結(jié)果分析由于智能小車屬于移動性高精度實時控制領(lǐng)域，因此各模塊必須具有精度高、傳感器綜合控制、智能控制等性能要求，所以測試時將整個系統(tǒng)分為傳感器測試模塊，電機測試模塊，程序測試，總體測試。傳感器測試：作品采用了九對紅外對管用于信息檢測，六只用于檢測黑線，三只用于檢測障礙小車，測試過程中我們用白紙黑膠帶模擬測試，用其他物品模擬障礙物，調(diào)整電位器來調(diào)整需要的測試范圍。電機模塊測試：我們通過程序，給電機下載不同的指令，觀察電機是否按照設(shè)定的方試轉(zhuǎn)動。程序測試：通過與傳感器模塊，電機模塊一起協(xié)同測試。整體測試：當(dāng)所有的模塊測試沒有問題后，我們協(xié)力按照大賽要求制作了跑道，通過跑道進一步進行精確測試，認真編寫程序，通過分析、修改數(shù)據(jù)參數(shù)，以使實現(xiàn)小車能在行駛的時候遇到邊緣黑線躲避偏移，遇到轉(zhuǎn)彎標志線正常轉(zhuǎn)彎，在超車區(qū)域?qū)崿F(xiàn)超車的功能。結(jié)束語 進過四天三夜的奮戰(zhàn)，智能小車終于能按照大賽需求在預(yù)定軌道實現(xiàn)兩車交