全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽智能小車

1、全國(guó)電子設(shè)計(jì)大賽智能小車（C題）設(shè)計(jì)報(bào)告中文摘要： 采用C8051F020單片機(jī)為控制芯片控制小車的速度及轉(zhuǎn)向。其中小車驅(qū)動(dòng)由L298N驅(qū)動(dòng)電路完成，速度由單片機(jī)輸出的PWM波控制以實(shí)現(xiàn)小車在超速區(qū)的超速行駛，利用紅外對(duì)管檢測(cè)黑線和障礙物以實(shí)現(xiàn)小車的正常行駛和轉(zhuǎn)彎，避免在行駛過(guò)程中越界和碰撞。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52單片機(jī)； L298N；紅外對(duì)管目錄第一章 方案設(shè)計(jì)與論證 31.1 主控系統(tǒng)31.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊31.3 信號(hào)檢測(cè)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(jì) 42.1總體設(shè)計(jì)42.2 車體設(shè)計(jì) 52.3驅(qū)動(dòng)電路52.4 信號(hào)檢測(cè)與控制72.5 兩車

2、通信模塊7第三章 軟件設(shè)計(jì) 83.1主程序模塊 83.2信號(hào)檢測(cè)模塊 93.3超車區(qū)域 10第四章 測(cè)試與結(jié)果分析 10結(jié)束語(yǔ)11參考文獻(xiàn)11一、方案設(shè)計(jì)與論證1.1、主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)題。據(jù)此，擬定了以下兩種方案并進(jìn)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(shí)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(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫(xiě)開(kāi)發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非常快，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息

3、的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)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(jìn)而提出了第二種設(shè)想。方案二：采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，我們選用了C8051F020單片機(jī)。1.2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)方案一：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此

4、方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)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(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)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(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此我們選用了方案二。1.3、信號(hào)檢測(cè)模塊方案一：采用六只紅外對(duì)管，有中間向兩端依次均勻排列安置，當(dāng)兩側(cè)對(duì)管檢測(cè)到軌道邊緣2cm黑線時(shí)，避開(kāi)黑線沿軌道行駛，當(dāng)

5、所有對(duì)管檢測(cè)到1cm標(biāo)志線時(shí)實(shí)行轉(zhuǎn)彎，超車等功能。方案二：采用六只紅外對(duì)管，兩側(cè)依次緊密排列兩組對(duì)管，兩外兩組等距排列于中間位置，增加外圍紅外對(duì)管的密度，能更準(zhǔn)確地檢測(cè)到邊緣黑線的位置，可靠性更強(qiáng)，避免脫離軌道。通過(guò)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(duì)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(cè)，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(dá)1Mbps,高于藍(lán)牙，使用簡(jiǎn)單方便。在實(shí)際應(yīng)用中,配合USB進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線測(cè)量,數(shù)據(jù)速率達(dá)到500Kbps。可實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)字通信功能。通過(guò)比較方案二通信效果更好。1.5、電源模塊

6、方案一：采用實(shí)驗(yàn)室有線電源通過(guò)穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過(guò)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(shí)給單片機(jī)與與電機(jī)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(jī)與電機(jī)供電可解決方案二的問(wèn)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(lái)實(shí)現(xiàn)供電。第二章 硬件設(shè)計(jì)2.1總體設(shè)計(jì)NRF2401無(wú)線通信模塊PWM電機(jī)驅(qū)動(dòng)C8051020單片機(jī)紅外對(duì)管檢測(cè)信息圖2.1 主板設(shè)計(jì)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(jī)2只電阻若干集成電路芯片若干單片機(jī)1 塊二極管若干電容若干紅外對(duì)管9只鋰電

7、池6節(jié)電位器若干NRF2401無(wú)線通信模塊1只漆包線若干小車1個(gè)開(kāi)關(guān)一個(gè)2.2車體設(shè)計(jì)智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)，前輪左右兩邊各用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，調(diào)制前面兩個(gè)輪子的轉(zhuǎn)速起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬(wàn)象輪，起支撐的作用。車體材質(zhì)輕，減少對(duì)路面的損耗。2.3驅(qū)動(dòng)電路電機(jī)驅(qū)動(dòng)一般采用H橋式驅(qū)動(dòng)電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，從而可以采用L298N電路來(lái)驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過(guò)單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)來(lái)控制小車的速度，起停。其實(shí)物圖如2.2，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖2.3。圖2.2 L298N圖2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.4信號(hào)檢測(cè)與控制小車信號(hào)檢測(cè)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(duì)光

8、線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路”邊界黑線。我們?cè)谠撃K中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)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(diǎn)。在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到路面時(shí)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(hào)，再通過(guò)LM324作比較器來(lái)采集高低電平，從而實(shí)現(xiàn)信號(hào)的檢測(cè)，以便小車可以正常行駛，不脫離預(yù)定軌道。檢測(cè)電路如圖2.4。圖2.4 信號(hào)檢測(cè)模塊小車是由C8051F020為控制芯片，L298N為驅(qū)動(dòng)電路控制小車的速度和轉(zhuǎn)向。C8051F020具

9、有64個(gè)數(shù)字IO引腳，每個(gè)IO口都可以配置成推挽或漏極開(kāi)路輸出，數(shù)字交叉開(kāi)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(chǔ)器，4352字節(jié)的片內(nèi)RAM，5個(gè)通用的十六位定時(shí)器，5個(gè)捕捉|比較模塊的可編程定時(shí)器|計(jì)數(shù)器陣列，片內(nèi)看門狗定時(shí)器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。能有效地對(duì)小車進(jìn)行控制。2.5兩車通信模塊 小車是由nRF2401來(lái)實(shí)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(dá)1Mbps,高于藍(lán)牙，使用簡(jiǎn)單方便。在實(shí)際應(yīng)用中,配合USB進(jìn)行

10、遠(yuǎn)程無(wú)線測(cè)量,數(shù)據(jù)速率達(dá)到500Kbps；外圍元件極少，只需一個(gè)晶振和一個(gè)電阻即可設(shè)計(jì)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(guò)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(kāi)關(guān)電源）均有很好的通信效果。 （如圖2.5）圖2.5 nrf2401無(wú)線收發(fā)模塊第三章 軟件設(shè)計(jì)3.1啟動(dòng)前進(jìn)是否檢測(cè)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(cè)模塊轉(zhuǎn)彎開(kāi)始前進(jìn)是否檢測(cè)到黑線Y左邊 右邊右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)N圖3.2 信息檢測(cè)模塊框圖開(kāi)始3.3超車區(qū)域前進(jìn)N循跡Y是否檢測(cè)到黑線甲車左轉(zhuǎn)，乙車?yán)^續(xù)前行甲車加速前進(jìn)甲車

11、右轉(zhuǎn)是否檢測(cè)到超車標(biāo)志線前進(jìn)YN轉(zhuǎn)彎，與乙車通信圖3.3 超車模塊框圖第四章 測(cè)試與結(jié)果分析由于智能小車屬于移動(dòng)性高精度實(shí)時(shí)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(cè)試時(shí)將整個(gè)系統(tǒng)分為傳感器測(cè)試模塊，電機(jī)測(cè)試模塊，程序測(cè)試，總體測(cè)試。傳感器測(cè)試：作品采用了九對(duì)紅外對(duì)管用于信息檢測(cè)，六只用于檢測(cè)黑線，三只用于檢測(cè)障礙小車，測(cè)試過(guò)程中我們用白紙黑膠帶模擬測(cè)試，用其他物品模擬障礙物，調(diào)整電位器來(lái)調(diào)整需要的測(cè)試范圍。電機(jī)模塊測(cè)試：我們通過(guò)程序，給電機(jī)下載不同的指令，觀察電機(jī)是否按照設(shè)定的方試轉(zhuǎn)動(dòng)。程序測(cè)試：通過(guò)與傳感器模塊，電機(jī)模塊一起協(xié)同測(cè)試。整體測(cè)試：當(dāng)所有的模塊測(cè)試沒(méi)有問(wèn)題后，我們協(xié)力按照大賽要求制作了跑道，通過(guò)跑道進(jìn)一步進(jìn)行精確測(cè)試，認(rèn)真編寫(xiě)程序，通過(guò)分析、修改數(shù)據(jù)參數(shù)，以使實(shí)現(xiàn)小車能在行駛的時(shí)候遇到邊緣黑線躲避偏移，遇到轉(zhuǎn)彎標(biāo)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(yǔ) 進(jìn)過(guò)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(shí)現(xiàn)兩車交替領(lǐng)