2011年車輛會(huì)車自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)(D題

1、 編號(hào)：031D003 學(xué) 校：棗莊學(xué)院參賽題目：車輛會(huì)車自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)（D題）參賽學(xué)生：王喜彬（） 于長(zhǎng)江（）王鵬超（）指導(dǎo)教師：鄭桂興摘 要 本系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為控制核心，充分利用了自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、光電傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和MOS管H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，并在系統(tǒng)供電電路上進(jìn)行了創(chuàng)新設(shè)計(jì)，取得了較好的效果。通過(guò)TCR5000光電對(duì)管傳感器自動(dòng)檢測(cè)黑色標(biāo)志線，單片機(jī)利用PID算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合處理得到相應(yīng)的控制信息，輸出對(duì)應(yīng)的PWM信號(hào)到MOS管H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)中進(jìn)而控制直流電機(jī)，實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)智能控制。光電開關(guān)采集兩車的距離，單片機(jī)利用無(wú)線模塊NRF24L01+進(jìn)行雙機(jī)交流，

2、智能化處理車輛會(huì)車的自動(dòng)控制。關(guān)鍵詞: STC12C5A60S2單片機(jī)；TCR5000；MOS管的H橋驅(qū)動(dòng)電路。AbstractThis system to STC12C5A60S2 single-chip microcomputer as control core, make full use of the automatic detection technology, photoelectric sensing technology, wireless communication technology and MOS tube H bridge motor drive circuit, p

3、ower supply circuit in the system and the innovation design, produced a good effect.Through the TCR5000 photoelectric pipe sensor automatic detection black marker, microcontroller using PID algorithm to integrate data processing to get the corresponding control information, output corresponding PWM

4、signal to MOS tube H bridge in motor drive and control dc motor, realize real-time intelligent control of the vehicle. Photoelectric switch acquisition two car distance, single-chip microcomputer using wireless module NRF24L01+ for double machine communication, intelligent processing passing vehicle

5、s automatic control. Keyword: STC12LE5A60SE；TCR5000；H-bridge driver circuit of MOS. 目 錄一、系統(tǒng)方案論證11.1系統(tǒng)方案11.2PID算法1二、測(cè)試與控制方案分析與器件選擇22.1主控芯片的選擇22.2電源的比較與選擇22.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇22.4 整流降壓模塊的選擇3三、電路與程序設(shè)計(jì)43.1電路設(shè)計(jì)43.1.1 MOS管H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路43.1.2整流升壓模塊電路圖43.1.3整流降壓模塊電路圖43.2程序流程圖5四、測(cè)試與控制結(jié)果54.1賽道的尺寸制作54.2小車發(fā)車模式與測(cè)試數(shù)據(jù)54.2.1 小車

6、行駛模式一54.2.2 小車行駛模式二64.2.3 小車行駛模式三64.2.4 小車行駛模式四6五、總結(jié)7創(chuàng)新點(diǎn)7六、參考文獻(xiàn)7七、附錄8附錄一 系統(tǒng)原理圖8附錄二 光電傳感器電路圖9附件三 無(wú)線模塊降壓電路圖9附錄四 整流升壓模塊原理圖10一、系統(tǒng)方案論證1.1系統(tǒng)方案車輛會(huì)車自動(dòng)控制系統(tǒng)以STC12C5A60S2單片機(jī)為核心控制器，通過(guò)光電對(duì)管采集信息并傳送給STC12C5A60S2單片機(jī)，單片機(jī)利用PID算法對(duì)信息進(jìn)行處理，輸出4路PWM波通過(guò)MOS管H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制4個(gè)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小車的智能行駛。單片機(jī)通過(guò)光電對(duì)管、光電開關(guān)采集信息，無(wú)線模塊用來(lái)雙機(jī)交流，利用PID算法處理數(shù)據(jù)，驅(qū)動(dòng)

7、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)小車智能行駛，小車的行駛又不斷更新采集到的信息到單片機(jī)上，從而實(shí)現(xiàn)小車會(huì)車自動(dòng)控制。智能小車控制如圖1。 1.2 PID算法PID控制是比例、積分、微分三者的控制有機(jī)結(jié)合。利用PID算法來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。PID控制具有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)PID算法蘊(yùn)含了動(dòng)態(tài)控制過(guò)程中過(guò)去、現(xiàn)在和將來(lái)的主要信息，控制過(guò)程快速、準(zhǔn)確、平穩(wěn)，具有良好的控制效果；(2)PID算法在設(shè)計(jì)過(guò)程中不過(guò)分依賴系統(tǒng)參數(shù)，系統(tǒng)參數(shù)的變化對(duì)控制效果的影響很小，控制的適應(yīng)性好，具有較強(qiáng)的魯棒性；(3)PID算法簡(jiǎn)單明了，便于用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。二、測(cè)試與控制方案分析與器件選擇2.1主控芯片的選擇方案一：采用現(xiàn)在比較通用的51系列單

8、片機(jī)。此系列單片機(jī)是8位機(jī)，處理速度較慢，I/O資源較少，程序存儲(chǔ)空間小，沒有控制PWM的寄存器，對(duì)電機(jī)控制不方便。而且其最小系統(tǒng)的外圍電路都要自己設(shè)計(jì)和制作，使用起來(lái)不方便。方案二：STC的一些芯片完全兼容MCS-51，新增兩級(jí)中斷優(yōu)先級(jí)，多一個(gè)外中斷，內(nèi)置EEPROM，512B內(nèi)存等。速度快812倍, 2路PWM,抗干擾強(qiáng)。具有與8051兼容的高速CIP-51內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設(shè)及其他功能部件；內(nèi)置FLASH程序存儲(chǔ)器、內(nèi)部RAM。片上I/O口資源豐富，拓展功能齊全。結(jié)合題目的要求，STC單片機(jī)的特點(diǎn)與實(shí)際的競(jìng)賽需求，本系統(tǒng)

9、選用方案二STC單片機(jī)作為主控芯片，實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)節(jié)控制。2.2電源的比較與選擇方案一：使用干電池。干電池價(jià)格便宜，隨處可買來(lái)使用，使用過(guò)程輕松無(wú)需護(hù)理。但是，因其內(nèi)阻相對(duì)較大，所以放電電壓特性較軟，也導(dǎo)致其輸出電流能力不及蓄電池。方案二：使用蓄電池。蓄電池一次性投資大，但多次使用可以彰顯其經(jīng)濟(jì)性，供電時(shí)內(nèi)阻小，電流電壓特性硬。比較以上兩種方案，方案二更好，使用7.2V蓄電池電壓更加穩(wěn)定，有利于智能小車的行駛。 2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的選擇方案一：采用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。L298內(nèi)部就是8個(gè)功率管加驅(qū)動(dòng)電路，使用起來(lái)電路簡(jiǎn)單。L298內(nèi)置兩個(gè)H橋，每個(gè)H橋提供1A的額定工作電流和最大3A的峰值

10、電流。方案二：采用三極管H橋驅(qū)動(dòng)。采用三極管NPN8050和PNP8550組成的H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。方案三：采用MOS管H橋驅(qū)動(dòng)。采用MOS管LM3205和LM4905組成的H橋電路作為驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)。MOS管是壓控元件，具有輸入阻抗大，所以對(duì)電壓源的負(fù)載輕。開關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象等特點(diǎn)，滿足高速開關(guān)動(dòng)作需求。比較以上三種方案，方案一的不足之處在于L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的驅(qū)動(dòng)馬達(dá)較小，單端驅(qū)動(dòng)方式性能比較差。方案二晶體管本身有導(dǎo)通電阻，在通過(guò)大電流時(shí)會(huì)明顯發(fā)熱，如果沒有散熱措施會(huì)很容易燒毀，這樣就會(huì)限制電路功率的增加。方案三MOS管的導(dǎo)通電阻值比普通三極管低，允許流過(guò)更大的電

11、流，而且MOS管都內(nèi)置有反向二極管來(lái)保護(hù)管子本身。所以，采用方案三MOS管連接H橋不但效率可以提高，電路也可以簡(jiǎn)化。2.4 整流降壓模塊的選擇方案一：采用三端固定式集成穩(wěn)壓模塊7805.此模塊是串聯(lián)型穩(wěn)壓電源，噪音小，壓差大，紋波較小，當(dāng)該穩(wěn)壓器輸入電壓為5.6V時(shí)，輸出電壓為5.0V，功耗為4.5W，功耗大，需要加散熱片。輸出電壓精度低。方案二：采用開關(guān)型穩(wěn)壓模塊2596.此模塊是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出3A的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器。壓差較小，紋波大，IC的發(fā)熱量小。輸出電壓的誤差可以保證在的范圍內(nèi)，振蕩頻率誤差在的范圍內(nèi)。方

12、案比較與選擇：方案一采用7805壓差大，雖然最小壓差為2V，7.2V電池電源降壓到5V時(shí)，輸出電壓不穩(wěn)，效率很低。功耗太大，對(duì)于用電池供電的小車來(lái)說(shuō)無(wú)疑是對(duì)電能的浪費(fèi)，大大減小了電池的可供電時(shí)間。方案二采用LM2596芯片很容易的解決了使用7805芯片帶來(lái)的不足之處，其壓差小、功耗低、輸出電壓穩(wěn)定、散熱小等特點(diǎn)。所以，采用方案二更加合理。三、電路與程序設(shè)計(jì)3.1電路設(shè)計(jì)3.1.1 MOS管H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖3.1.1MOS管H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路3.1.2整流升壓模塊電路圖系統(tǒng)由蓄電池供電，電池電壓的穩(wěn)定性不是很好，要實(shí)現(xiàn)對(duì)直流電機(jī)的精確控制，首先要控制直流電機(jī)的電壓穩(wěn)定，采用LM2577芯片的升壓

13、電路，把7.2V蓄電池升壓為8V直流電壓供給直流電機(jī)。整流升壓模塊的原理圖如附錄四3.1.3整流降壓模塊電路圖圖3.1.3整流降壓模塊電路圖3.2程序流程圖四、測(cè)試與控制結(jié)果4.1賽道的尺寸制作車長(zhǎng)車寬道路寬度會(huì)車區(qū)寬度會(huì)車區(qū)長(zhǎng)度甲車18.5cm16.0cm35.2cm51.2cm74.0cm乙車18.5cm16.0cm4.2小車發(fā)車模式與測(cè)試數(shù)據(jù)4.2.1 小車行駛模式一甲乙兩車分別從各自從發(fā)車區(qū)出發(fā)，正常行駛至對(duì)方的發(fā)車區(qū)停止的時(shí)間測(cè)試如表4.2.1. 試驗(yàn)車型12345平均甲車/時(shí)間s13.414.712.315.214.914.1乙車/時(shí)間s15.213.914.516.312.514

14、.5表4.2.14.2.2 小車行駛模式二兩車同時(shí)發(fā)車，以對(duì)方的發(fā)車點(diǎn)為終點(diǎn)行進(jìn)。其中甲車首先進(jìn)入號(hào)會(huì)車區(qū)避讓，待乙車通過(guò)后再繼續(xù)前進(jìn)。兩車同時(shí)發(fā)車為時(shí)間的起點(diǎn)，檢測(cè)甲乙兩車停止的時(shí)間。得到測(cè)試數(shù)據(jù)如表4.2.2 試驗(yàn)車型12345平均甲車/時(shí)間s26.728.425.628.530.527.9乙車/時(shí)間s14.313.614.615.714.614.6表4.2.24.2.3 小車行駛模式三甲車先開行，乙車后開行，且使之在2號(hào)路段相遇；相遇后，后出發(fā)的乙車后退進(jìn)入II號(hào)會(huì)車區(qū)避讓，會(huì)車后兩車?yán)^續(xù)前進(jìn)到達(dá)各自的終點(diǎn)。測(cè)試甲乙兩車到達(dá)終點(diǎn)的時(shí)間。測(cè)試結(jié)果如表4.2.3.試驗(yàn)車型12345平均甲車/

15、時(shí)間15.316.715.816.517.416.3乙車/時(shí)間24.523.625.723.725.724.6乙車是否退讓是是是是是是表4.2.34.2.4 小車行駛模式四任意指定一輛車先開行，另外一輛車后開行。相遇后，兩輛汽車能根據(jù)各自離開會(huì)車區(qū)的距離進(jìn)行避讓，離會(huì)車區(qū)距離近的車輛后退進(jìn)入會(huì)車區(qū)避讓，進(jìn)行會(huì)車，然后到達(dá)各自的道路終點(diǎn)。先發(fā)車輛發(fā)車即開始計(jì)時(shí)，并記錄后發(fā)車輛的發(fā)車時(shí)間（甲車的發(fā)車時(shí)間，乙車發(fā)車時(shí)間）和兩輛車的停止時(shí)間（甲車的停止時(shí)間，乙車的停止時(shí)間）以及退讓車輛的型號(hào)和總行駛時(shí)間，并判斷退讓車輛的型號(hào)是否正確。測(cè)試結(jié)果如表4.2.4 項(xiàng)目試驗(yàn)理論退讓車輛實(shí)際退讓車輛10.02.

16、015.330.2乙乙30.220.03.016.831.5乙乙31.531.00.028.914.7甲甲28.942.00.029.615.6甲甲29.653.00.026.214.9甲甲26.2表4.2.4五、總結(jié)創(chuàng)新點(diǎn)本設(shè)計(jì)采用STC12C5A60S2單片機(jī)為主控器，I/O資源豐富，指令執(zhí)行速度快。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用MOS管H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)，輸入阻抗大,開關(guān)速度快、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象,降低能耗，熱量散失少。綜合利用了自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)、光電傳感技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)以及經(jīng)典的PID算法，使得此車輛會(huì)車系統(tǒng)的精度更高。電源降壓模塊采用LM2596T-5.0（開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器）芯片，對(duì)7.2V蓄電池進(jìn)行降壓，輸出5V穩(wěn)定電壓對(duì)單片機(jī)進(jìn)行供電。利用AMS111