電子設計大賽報告模板

1、簡易智能小汽車隊長：黃洋 隊員：尹志軍 梁榮新賽前輔導老師：臧春華文稿整理輔導老師：摘要設計分為5個模塊：前輪PWM驅動電路、后輪PWM驅動電路、軌跡探測模塊、障礙物探測模塊、光源探測模塊。前輪PWM驅動電路用于轉向控制；后輪PWM驅動電路用于方向和速度控制；探測模塊利用三個光感元件，對黑色軌道進行尋跡；障礙物探測模塊用于對兩個障礙物進行探測；光源探測模塊利用三個光敏電阻制成，用于尋光并確定光源角度，以期獲得較為精確的轉向值。繞障方案利用障礙物較低這個重要條件，在C點出發(fā)后，先利用光敏電阻獲得光源的方向是本設計的一大特色。一、方案論證與比較1軌跡探測模塊設計與比較方案一、使用簡易光電傳感器結合

2、外圍電路探測。由于所采用光電傳感器實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為 該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二、利用兩只光電開關。分別置于軌道的兩側，根據(jù)其接受到白線的先后來控制小車轉向來調(diào)整車向，但測試表明，如果兩只光電開關之間的距離很小，則約束了速度,如果著重于小車速度的提升，則隨著車速的提升，則勢必要求兩只光電開關之間的距離加大，從而使得小車的行駛路線脫離軌道幅度較大，小車將無法快速完成準確的導向從而有可能導致尋跡失敗。方案三、用三只光電開關。一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側，當

3、小車脫離軌道時，即當置于中間的一只光電開關脫離軌道時，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調(diào)整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復正向行駛?，F(xiàn)場實測表明，雖然小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺（因為所購小車的內(nèi)部結構決定了光電開光之間的距離到達不了精確計算值1厘米），但只要控制好行駛速度就可保證車身基本上接近于沿靠軌道行駛。綜合考慮到尋跡準確性和行駛速度的要求，采用方案三。2數(shù)據(jù)存儲比較方案一、采用外接ROM進行存儲。采用外接ROM進行存儲是保存實驗數(shù)據(jù)的慣用方法，其特點是在單片機斷電之后仍然能保存住數(shù)據(jù)，但無疑將增大軟硬開銷和時間開銷。方案二、直接用單片機內(nèi)部的RAM進

4、行存儲。雖然不能在斷電后保存數(shù)據(jù)，但可以在實驗結束后根據(jù)按鍵顯示相應值。而且本實驗的數(shù)據(jù)存儲不大，采用RAM可以減少IO接口的使用，便利IO接口分配，故此方案具有成本低、易實現(xiàn)的優(yōu)點，更符合實際需求。鑒于方案二的以上優(yōu)點，綜合比較，本方案采用方案二。3障礙探測模塊方案分析與比較考慮到在測障過程中小車車速及反應調(diào)向速度的限制，小車應在距障礙物40CM的范圍內(nèi)做出反應，這樣在順利繞過障礙物的同時還為下一步駛入車庫尋找到最佳的位置和方向。否則，如果范圍太大，則可能產(chǎn)生障礙物的判斷失誤；范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實現(xiàn)理想定向方案。方案一、采用一只紅外傳感器置于小車中央。一只

5、紅外傳感器小車中央安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉向反應。方案二、采用二只紅外傳感器分置于小車兩邊。二只紅外傳感器分別置于小車的前端兩側，方向與小車前進方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準確的判別和及時反應。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外傳感器用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三、采用一只紅外傳感器置于小車右側并與小車前進方向呈一固定角度?；趯點后行車地圖中光源及障礙物尺寸、位置的分析，我們采用了從C點出發(fā)即獲得光源對行車方向的控制，在向光源行駛的過程之中檢查障礙物

6、并做出相應的反應，這樣不僅只使用一只紅外傳感器就實現(xiàn)了避障，而且避免因小車自然轉彎而導致的盲目方向控制，同時為后面以最簡單直接的路線和在最短時間內(nèi)駛入車庫創(chuàng)造了機會。智能小車應以準確、智能見優(yōu)，采用方案三。4尋找光源方案分析與比較方案一、采用多只方向性較強的光敏二極管作光源定位器。若干定位器在水平面上按不同角度展開，在尋找光源時根據(jù)每個定位器接收到的光線強弱（有無）得出實時車庫方位。該方案若采用方向性較強的光敏二極管作為光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是難以檢測到光源的方向。方案二、采用一個光源定位器。用深色不透光材料與光敏電阻制成的光源定位器有較理想的定向測試效果，2.5米之外就可以確

7、定電源的方向。當小車繞過障礙物之后，通過不停地旋轉使定位器獲得最大光線照射以確定光源方向，這種方案有一定的可行性，但尋找光源的過程必定帶來不必要的大量時間開銷，且尋找過程盲目性太大，不利于控制，又增加了一個電機，增大的電源方案選擇或安裝的難度。方案三、利用多只光源定位器。在方案二所得數(shù)據(jù)的基礎上，結合光敏電阻的敏感性，只用三到五只光敏電阻就可以達到目的，只是因其對光非常敏感，所以必需為每只光敏電阻加上黑色隔離板。雖然制作有一定難度，但其能見長度和相對簡明的控制措施顯示了很大的優(yōu)越性。綜合考慮以上方案，方案三更具準確性和獨創(chuàng)性，故我們采用方案三。5距離檢測方案比較方案一、通過測試得出小車平均速度

8、v，在行駛過程中將行駛時間與其乘積tv作為駛過的距離。但該方案受電池電量、路面介質等因素的影響，在大多數(shù)情況下均暴露出誤差較大的缺點。故不予采用。方案二、在后輪內(nèi)側勻距貼上m個磁鋼，車廂內(nèi)裝上霍爾開關。對輪子轉速進行測量，由于低速下輪子與地面接觸良好，設輪周長為c，可以用霍爾開關輸出脈沖數(shù)n乘以c/m得出行駛距離。只要磁鋼在后輪上的位置足夠精確，霍爾開關固定牢靠，就可以獲得較好的測試效果。但車子顛簸時，穩(wěn)定性較差。方案三、在齒輪箱中安裝透射式光電開關，測出變速齒輪的每秒轉速，用變速比和車輪周長計算出線速度，積分求行駛距離。但在齒輪箱中使用光電開關，要求有足夠的安裝位置，不能影響傳動機構的機械動

9、作。其優(yōu)點是工作穩(wěn)定。綜合以上方案優(yōu)劣和小車的結構特點，本系統(tǒng)采用了方案二。6剎車機構功能方案比較方案一、自然減速式。當系統(tǒng)發(fā)出停止信號時停止給驅動電機供電，小車在無動力狀態(tài)因阻力而自然變?yōu)殪o止。由于慣性，小車全速行駛時需1.8秒后才能停止，因車輪滑行造成的誤差較大。無法實現(xiàn)精確制動的目標。方案二、反轉式。當小車需要停車時給驅動電機以反轉信號，利用輪胎與跑道的摩擦力抵消慣性效應。由于車速是漸減的，反向驅動信號長度也要漸減，否則小車可能反向行駛。使用此方案后全速剎車反應時間減少為0.5s。本系統(tǒng)中采用方案二。7.金屬探測方案比較方案一、使用探測線圈和探測儀構成的金屬探測器。此類金屬探測器利用探測

10、線圈產(chǎn)生的交變磁場在接近金屬材料時產(chǎn)生微弱變化這一原理，將變化信號放大處理進而實現(xiàn)探測金屬的目的。由于該探測器結構復雜，在短期內(nèi)不可能完成制作，為節(jié)省時間，我們放棄了該方案。方案二、使用電感式接近開關代替金屬探測器。電感式接近開關本身就是理想的傳感器。當金屬物體接近開關的感應區(qū)域，開關就能無接觸，無壓力、無火花、迅速作出反應。用它作為本次小車的金屬傳感器，簡單易行、準確且抗干擾性能優(yōu)越。本系統(tǒng)中采用方案二。二、硬件設計1總體設計1.1設計模塊圖如圖1示：1.2 根據(jù)圖1，本設計需要器件清單見表1。單片機（52）前輪轉彎PWM控制后輪速度控制三只光電開關尋跡模塊紅外傳感器測距探障模塊五只光敏尋找

11、光源模塊特色鍵盤與顯示模塊整流模塊電源分壓聲光顯示 探測金屬片模塊圖1元件數(shù)量元件數(shù)量元件數(shù)量接近開關1只電位器若干二極發(fā)光管若干光電開關5只單片機最小系統(tǒng)板一塊12M晶振只霍爾開關1只光電二極管若干51系列89C52芯片一塊玩具電動小車1輛集成電路芯片若干電阻，電容若干蜂鳴器一個表12原理分析和說明2.1鍵盤顯示模塊說明見圖2該設計使得原本需要14個IO接口的鍵盤顯示少用了9個單片機IO接口,雖然該設計的優(yōu)勢在本實驗中沒有完全體現(xiàn)出來,但若在現(xiàn)代工業(yè)設計中應用此方案,在對引腳需要較大的產(chǎn)品中其優(yōu)點將體現(xiàn)得淋漓盡致。.8 8 8 8 8 8164138P1.2DP1.0P1.3P1.4P1.1

12、ABCEDATA位選P1.2P1.0P1.3P1.1E7F269845310圖22.2元件安裝方位圖。（ 圖4 ）前后尋跡光電開關金屬探測器測障光電開關轉向燈車體中心光敏電阻蜂鳴器跳絢霓虹燈圖42.3光敏電阻分布位置圖。（圖5）在各光敏電阻間用隔板隔開如此擺放可以很好的解決探測光源方位的難題，從而正確控制小車的轉向當小車行駛方向朝向光源時，中間電阻阻值為低，當小車偏移光源方向時，由于光敏電阻間擋板的遮攔作用，兩側的電阻定有一側為低，此時可根據(jù)不同的情況作出轉向調(diào)整，且通過測試，小車尋找光源的路徑準確，合理。2.4小車動力系統(tǒng)：為達到滿意的控速性能，動力系統(tǒng)中的驅動電路使用了自制的PWM模塊并配

13、以組合門電路加以保護。在行駛過程中有可能變熱的部分電路也涂上了低熔點膠給予保護，有效的保證了整套系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。2.5車頂狀態(tài)彩燈：直接由單片機控制的車頂狀態(tài)彩燈簡單易行，卻使得小車更加人性化。圖52.6 四電源供電系統(tǒng)： 為確保在行駛過程小車各部件均能正常工作且相互之間不收影響，我們使用了四組電源為不同模塊提供工作電壓。其中：三組9V電源分別為測距光電開關供電，經(jīng)整流穩(wěn)壓后單獨為單片機最小系統(tǒng)及其附屬部件供電，及為霍爾開關、尋跡光電開關供電，一組6V電源為電機供電。如此安排滿足了多次測試大量用電的需求。2.7 結合實際的傳感器采集方式安排：鑒于小車使用的傳感器較多，不可能也沒必要讓所有的傳

14、感器都采用中斷方式，由于霍爾傳感器和金屬探測器應用于實時檢測，我們安排它們工作在中斷方式下，讓應用于分時檢測的其他傳感器工作在查詢方式下。這樣不僅貼合實際，更有效地節(jié)省了單片機的引腳空間。2.8 獨具自動返回跑道能力的尋跡方式：小車的尋跡模塊采用三只光電開關。一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側，當置于中間的一只光電開關檢測不到黑線且外側兩傳感器任一只檢測到黑線后，做出相應的轉向調(diào)整，直到中間的光電開關重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復正向行駛。這種尋跡方式的獨到之處在于，當小車因車速過快而使所有傳感器脫離軌道時小車能根據(jù)最近一次轉彎記錄自動判別正確的運動軌跡，從而自動返回軌道。三、軟件設計1

15、軟件設計特色說明1.1 不同占空比脈沖驅動電動機以往方案都是用事先定義好的0、1脈沖置于ROM中以查表獲得脈沖的方法，但是這種辦法不但不方便于操作，還占用了ROM單元，在使用上不具優(yōu)越性。而本次方案在軟件設置上，每個全脈沖都由40個10ms脈沖組成，前面全都是1，后面都是0，高脈沖，即1的個數(shù)由RAM中5AH單元中擺放的數(shù)值來決定，所有脈沖均通過計數(shù)器中斷來控制，中斷每10ms詢查一下5BH單元，當5BH中數(shù)小于5AH中數(shù)時，脈沖置1，否則置0，每次5BH中數(shù)值加1，加到40就清0。這樣就減少了許多ROM空間的使用，減少了軟件延時控制的麻煩，通過設置5AH單元中的數(shù)來設置檔，即我們有40個檔可

16、調(diào)。1.2 越障程序的設計特色之處在于，本設計充分利用了障礙物高度為6cm且光源高20cm這個重要條件，在從C點出發(fā)之初就尋找光源，以通過查詢?nèi)齻€光敏電阻的阻值變化來確定車身與光源的方位，在無其它參照物的情況下通過光源來確定小車的運動方向控制。在這個過程中首先不斷追蹤光源的方位，鎖定光源后立即檢測前方是否有障礙物，當檢測到障礙物時即刻放棄追蹤光源而左轉躲避，直至不再探測到障礙物又重新追蹤光源，如此循環(huán)，就可達到安全迅速地進入車庫的目的。在一開始就將探測障礙物與尋找光源同時進行，經(jīng)計算和實驗論證，本方案能大幅度提高避障和尋光源的速度，降低尋找路線的盲目性。1.3 主程序分段無論是在網(wǎng)上還是在一些

17、參考資料上，許多軟件大多的運行控制都是由一個主程序的循環(huán)來進行的，但本軟件在主程序上也采取了分段的方式。在主程序間根據(jù)不同的功能區(qū)間來進行跳轉，很明確很直觀地將主程序進行了功能分段，為子程序的設計、程序的控制提供了很大方便，同時增強的程序的可讀性。1.4 時鐘控制所有倒計時，計時都通過計時器1中斷控制，根據(jù)RAM單元中相應的控制位選擇不同的工作。在計時器計到90秒時，顯示時鐘，停車，并跳轉到HOME程序段，以確定用戶按鍵從而顯示不同的數(shù)值供查詢使用。1.5 軟件降溫在長轉彎過程中通過設置前端轉向電機間隙停轉以達到降溫的目的。1.6 轉彎加速由于本設計前后電機采用同一電源供電，在前輪轉向時，后輪

18、速度將有所降低，此時即通過軟件表象加速來彌補其電流的降低，從而提高了小車在彎道的行駛速度。1.7 進彎道前減速行駛分別采用不同的速度來控制直道與彎道的行駛，可以使得在直道區(qū)盡可能加速，以節(jié)省時間；在彎道區(qū)減速，有更多的時間來尋軌，避免脫離軌道，也使得小車以比較直的方向進入C點以后區(qū)域2總體流程圖初始化靜6秒，倒計時，跳轉另一主程序查找尋跡開關是否要轉彎有雷區(qū)標志嗎轉到位否調(diào)快調(diào)低速關光電和小嗽叭差不多C點過了嗎停車，軟延0.2秒顯示中點距和雷數(shù)并保存中點距和長度置標志，保存時間，關時鐘2，調(diào)用倒計時模塊，查詢標志，完成后跳轉，置標志位，前行。前方有障礙物嗎YYYNNNNNYY剛過雷區(qū)嗎有雷區(qū)標

19、志嗎YN向光源越進繞障到車庫了嗎？Y停車并接受查詢（key+led）Y 四、調(diào)試 由于本次實驗需要捍接的器件較多，各器件對于電源電流的需要極大，我們先以雙電源開始調(diào)試，發(fā)現(xiàn)所有的開關器件很難穩(wěn)定地給單片機送正確值，只有當更換新電池或小車剛剛啟動時才會很準確，經(jīng)過思考，這都是開關元件消耗電量很大的原因，一旦電池電量不足其工作將會萎靡不振，于是我們將所有開關器件劃成一個部分，由一塊電池專門供電。 在前輪PWM驅動轉向電路運行中，我們發(fā)現(xiàn)，電機只給一個轉向力，但保持長期轉向時，電機的轉動由于受到強行制動而處于一種相對靜止的狀態(tài)，導致PWM驅動電路產(chǎn)生大量的熱量，我們既利用軟件使其盡量減少長期單向轉動

20、狀態(tài)，又在硬件上，在PWM驅動板上涂上了一層散熱膠，即使發(fā)熱，也不會燒壞PWM驅動電路。 在安裝上避障用光電開關之后，其與其它所有開關元件共用同一電源，在運行時發(fā)現(xiàn)三個用于尋跡用的開關元件不能全部正常工作了，據(jù)分析，避障用光電開關由于探測距離遠，功率大，很可能影響其他元件改用單一電源供電后，小車正常工作。 在所有電源開啟后，系統(tǒng)即進入6秒鐘倒計時狀態(tài)，6秒鐘倒計時完畢之后，有時后輪電機不能正常啟動。經(jīng)分析，這是屬于正常情況，因為其啟動需要克服很大的慣性，而其電源又不能在瞬間提供很大的電流，所以就沒有動靜。此時，關掉單片機電源，再重新打開后即可進入正常狀態(tài)去正常運行。五、測試數(shù)據(jù)速度測試：（m/