比賽設(shè)計(jì)報(bào)告(模板).doc

2011年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽報(bào)告XXXXXXXXXXXXX（X題）【SCJ-b-本-c】2011年9月6日智能小車【摘 要】本設(shè)計(jì)提出了一種智能小車互逐模型，以MSP430F149作為系統(tǒng)的微控制器芯片，包含小車尋跡、防撞和無線通信等電路模塊，不僅實(shí)現(xiàn)了兩車自主地在指定區(qū)域直行、轉(zhuǎn)彎，及交替超車并且不會碰撞及駛出場地的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)具有速度顯示，和超車聲、光提示的功能?！娟P(guān)鍵詞】MSP430F149；無線通信；交替超車；測速；目 錄1 方案設(shè)計(jì)與論證11.1 信號測量、調(diào)理方案11.2 二線制電流變送、接收方案12 理論分析與計(jì)算22.1 電流變送與接收電路分析與計(jì)算22.2 測量精度控制23 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)33.1 電源電路33.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)44 系統(tǒng)測試及結(jié)果54.1 測試儀器54.2 測試方法64.3 性能指標(biāo)65 總結(jié)6參考文獻(xiàn)7智能小車（C題）1 方案設(shè)計(jì)與論證任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在指定區(qū)域內(nèi)，完成自主直行、轉(zhuǎn)彎和交替超車的智能小車模式。并要求不能碰撞和駛出指定區(qū)域。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。圖1：系統(tǒng)整體框圖1.1 控制模塊方案方案一：選用通用的51系列作為單片機(jī)的系統(tǒng)控制器。運(yùn)用比較廣泛，上手很快，但是本課題的程序量大，運(yùn)算比較復(fù)雜，使用的I/O較多，這些對于51，實(shí)現(xiàn)起來相對較難。方案二：采用TI公司的MSP430s149的16位單片機(jī)。具有處理能力強(qiáng)，運(yùn)算能力強(qiáng)特點(diǎn)，同時(shí)具有低功耗I/O多，和自帶A/D、存儲等優(yōu)點(diǎn)，這大大簡化了系統(tǒng)的開發(fā)和調(diào)試的復(fù)雜度?；谝陨戏治鑫覀冞x取方案二。1.2 電壓模塊方案采用4節(jié)鋰電池串聯(lián)成14v，在通過LM317三端穩(wěn)壓芯片，以并行方式穩(wěn)壓到12v、9v、5v、3.3v。LM317具有輸入電壓大（40v），輸出電流最大為1.5A，輸出電壓可調(diào)等特點(diǎn)。其輸出電壓V=1.25(1+)。1.3 顯示和語音模塊方案選用12864液晶顯示器做顯示，和msp430單片機(jī)自帶的語音功能，不需添加語音芯片。1.4 轉(zhuǎn)彎、超車檢測模塊方案方案一：顏色傳感器，穩(wěn)定性高，靠干擾性也強(qiáng)，測量能精確達(dá)2mm。但是測量距離只有12mm，價(jià)格也較貴。還有對機(jī)械的設(shè)計(jì)要求高，因?yàn)樗陌l(fā)射模塊和接收模塊是分開的。方案二：光電對管傳感器穩(wěn)定性一般，容易受到外間光線的影響，檢測距離能到達(dá)20cm，工作電壓在312V，功率65毫安。靈敏度可以調(diào)節(jié)，價(jià)格較為便宜。但是延時(shí)時(shí)間在0.3s左右。方案三：紅外接發(fā)管穩(wěn)定性好，38KHz特制載波，有效的減小了外界干擾。檢測距離為70cm，并且可調(diào)。接收端接收到的電壓與障礙物的距離趨近線性變化，即可壁障，添加A/D后也可以測距。綜合考慮，最終采用TRCT5000用于轉(zhuǎn)彎、超車線的檢測，用5mm的紅外接收管防止小車碰撞和測距。1.5 電機(jī)驅(qū)動模塊方案首先選用的小車是履帶式的小車地盤，其自帶直流減速電機(jī)。方案一：選用L298驅(qū)動芯片，L298芯片一種高壓，大電流（3A）的雙橋式驅(qū)動器。本課題使用一塊此芯片就能夠獨(dú)立地驅(qū)動兩個(gè)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。并添加光耦隔離。方案二：選用uln2003驅(qū)動芯片，使用廣泛，上手很快。最大輸出電流為500mA。綜合考慮，采用方案二。1.6 無線模塊方案方案一：nrf24l01是一款工作通用頻段的無線收發(fā)器芯片，其內(nèi)部集成有頻率發(fā)生器、放大、振蕩、調(diào)制、解調(diào)和輸出一體的芯片，并支持SPI通信，但是對程序要求復(fù)雜。方案二：選用由PT2262/2272組成的無線收發(fā)模塊，其自帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都是TTL電平，直接接單片機(jī)口，大大簡化了軟件程序。工作電壓3v16v，有效距離最大為1000m，工作電流小于5mA。綜合考慮，采用方案二。1.7 測速模塊采用ST130槽式開關(guān)型光耦，對小車轉(zhuǎn)盤計(jì)數(shù)，不僅安裝方便，而且程序也簡化。2 理論分析與計(jì)算2.1 信號檢測與控制通過常用的光電對管，就能簡單的實(shí)現(xiàn)小車對黑帶信號的檢測，即可完成小車轉(zhuǎn)彎。關(guān)于小車如何檢測到超車標(biāo)志區(qū)，小車可以通過記錄檢測到黑線的次數(shù)來判斷，但是行駛多圈后，會出現(xiàn)累計(jì)誤差，尤其是在黑線密集的超車標(biāo)志區(qū)?？紤]到超車標(biāo)志區(qū)黑線密集的特點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采取尋黑線和判斷采集到兩次黑線的時(shí)間，共同來判斷超車標(biāo)志區(qū)，具體為在相距很短的時(shí)間內(nèi)，如果次尋到黑線，則為超車標(biāo)記區(qū)。2.2傳感器布局與行駛分析傳感器的布局如圖所示，矩形為防止兩車碰撞的5mm紅外收發(fā)管，車頭45度角的紅外防碰撞傳感器，能有效避免轉(zhuǎn)彎時(shí)正前方傳感器盲區(qū)的問題。而右側(cè)的紅外收發(fā)管，即可防碰撞，可判斷小車是否完成超車。三角形為尋黑線的TRCT5000光電對管，正前方的 用于尋轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線，右側(cè)的兩列并排的光電對管，用于小車沿車道外沿行駛的控制，具體為一排并排的傳感器有兩個(gè)及其以上檢查到黑線，則小車向左轉(zhuǎn)一定角度。2.3兩車通信方法本設(shè)計(jì)的通信選用的自帶地址數(shù)據(jù)編碼的無線首發(fā)模塊，工作電流小到5mA和有效距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。其輸出的是TTL電平，直接與單片機(jī)口相接，大大優(yōu)化了程序。當(dāng)后車要超車是會向前車發(fā)出一個(gè)信號，前車接到信號后，會作出不加速，讓道等動作。2.4系統(tǒng)節(jié)能考慮首先選用的微控制器MSP430就具低功耗特點(diǎn)，另外在體統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不僅盡量少使用不必要的外圍器件如指示燈，而且將一些傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)需要它時(shí)才打開。3系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1.1電源電路 本電源采用4片LM317以并聯(lián)的方式，提供所需的12v、9v、5v、3.3v電壓需求。LM317能夠提供1.5A的負(fù)載，增加散熱片以確保其穩(wěn)定性，如圖3所示。圖2：電源電路3.1.2尋跡、防碰撞檢測設(shè)計(jì) 尋跡模塊采用TRCT5000光電對管，而防碰撞模塊選用5mm紅外收發(fā)管，二者的原理相似，電路則是通用。將其接收管接收到的信號，經(jīng)LM339比較后直接與單片機(jī)口相連。電路設(shè)計(jì)如下圖所示。圖3：光電對管電路3.1.3 距離檢測設(shè)計(jì) 距離檢測模塊同樣采用5mm紅外收發(fā)管，它的檢測距離可達(dá)80cm，并且其接收管接收到電平的大小與被檢測的距離趨近線性變化，通過MSP430自帶的A/D,就能夠?qū)崿F(xiàn)兩車的距離檢測。傳感器測量數(shù)據(jù)如下。圖4：5mm接發(fā)管測試數(shù)據(jù)3.1.4 驅(qū)動電路設(shè)計(jì) 選用一片L298驅(qū)動芯片， L298芯片一種高壓，大電流（3A）的雙橋式驅(qū)動器。添加光耦隔離和二極管后，能夠很好地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)驅(qū)動直流電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。電路圖如下。圖5：電機(jī)驅(qū)動電路32統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.2.1 主程序框圖圖6：主程序流程圖 說明：4系統(tǒng)測試及結(jié)果4.1測試儀器和方法選用1mm精度的直尺和秒表作為測試工具，用自制的電源為本系統(tǒng)所有設(shè)備供電，通過精度為0.01s的秒表和小車控制系統(tǒng)自帶的秒表，來完成各種條件下，甲、乙各自行駛完一圈的時(shí)間。4.2性能指標(biāo)4.2.1基本要求測試分別將甲、乙兩車放在場地上的起跑線，單獨(dú)測量其行駛一周的時(shí)間。表1:甲乙小車獨(dú)立完成行駛一圈的時(shí)間第幾次測量12345甲車行駛一圈時(shí)間（s）甲車行駛一圈時(shí)間（s）通過以上測試，小車能正常行駛，轉(zhuǎn)彎，不會駛出規(guī)定區(qū)域。4.2.2基本要求乙超甲測試將甲車放在距離乙車上的起跑線，兩車同時(shí)出發(fā)，完成乙車超甲車，單獨(dú)測量其行駛一周的時(shí)間。表2:乙超甲二者行駛一圈的時(shí)間第幾次測量12345甲行駛一圈時(shí)間乙行駛一圈時(shí)間通過以上測試，甲乙兩車都能完成在指定區(qū)域直行、轉(zhuǎn)彎，和在指定區(qū)域完成乙測超過甲，并不會相撞。第幾次測量12345甲車行駛一圈時(shí)間（s）甲車行駛一圈時(shí)間（s）4.2.3發(fā)揮部分甲乙交替超車測試在完成以上基本要求后，繼續(xù)測量甲乙兩車交替領(lǐng)跑期間，甲乙兩車各自完成行駛一圈的的時(shí)間表2:乙超甲二者行駛一圈的時(shí)間第幾次測量12甲超乙乙超甲甲超乙甲超乙乙超甲甲超乙甲車完成一周時(shí)間甲車完成一周時(shí)間4.3.4甲車離起始位置40cm內(nèi)甲乙兩車完成交替超車的行駛時(shí)間完成以上所有要求后，將甲車放在距離起跑線30cm出，分別測量甲乙每一圈的時(shí)間。表3: 甲、乙小車完成每圈行駛的時(shí)間第幾次測量第一圈乙車超甲第二圈甲車超乙第三圈乙車超甲第四圈甲車超乙甲完成時(shí)間（s）乙完成時(shí)間（s）甲完成時(shí)間（s）乙完成時(shí)間（s）甲完成時(shí)間（s）乙完成時(shí)間（s）甲完成時(shí)間（s）乙完成時(shí)間（s）12345經(jīng)過以上測試，兩車不僅能完成防碰撞，而且還能實(shí)現(xiàn)在規(guī)定區(qū)域行駛、轉(zhuǎn)彎和交替超車。5 總結(jié)通過測試結(jié)果，本課題不僅完成了課題的有要求，甲乙兩車能在規(guī)定場地實(shí)現(xiàn)交替超車，和不發(fā)生任何碰撞，而且成功率較高。程序偶爾出現(xiàn)跑飛現(xiàn)在，主要是因?yàn)樾≤嚨男旭倳r(shí)間長，出現(xiàn)電量不夠。另外增加了超車聲、光等人性化設(shè)置。參考文獻(xiàn)1 譚博學(xué), 苗匯靜.集成電路原理及運(yùn)用（第二版）.電子工業(yè)出版社2010年5月2 毅剛, 彭喜元.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社2010年5月 TP368.1 3 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社 2006年12 月4 黃智偉.全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電路設(shè)計(jì).北京