電子設(shè)計(jì)大賽循跡小車設(shè)計(jì)報(bào)告

1、2012年山東省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽參賽編號(hào):004D012設(shè)計(jì)題目:車輛會(huì)車自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)參賽學(xué)生姓名：孫帥 張炳文 丁士強(qiáng)所屬專業(yè)：電子信息科學(xué)與技術(shù)指導(dǎo)老師：劉懷強(qiáng)目錄一、系統(tǒng)方案選擇和論證 . -3- 1、核心控制單片機(jī)模塊的選擇. -3 - 2、自動(dòng)尋跡模塊. . -3 - 3、會(huì)車避障模塊. . . - 4- 4、電動(dòng)機(jī)的選擇. . . - 4 - 5、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊. . . - 4- 6、測(cè)距模塊的論證與選擇. . - 4- 二、系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn). . . - 4- 1、硬件電路的設(shè)計(jì). . - 5 1.1、控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案. - 5 -1.2、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 . - 5 -

2、 1.3、循跡模塊電路 . . . - 5- 1.4、霍爾測(cè)距模塊電路 . - 5- 1.5、兩車通信模塊. . - 5 2、程序的設(shè)計(jì). - 52.1、程序功能描述與設(shè)計(jì)思路. 6-2.2、程序流程圖. . 6-三、測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果. 6- 1、測(cè)試方案. . - 6 2、測(cè)試條件與儀器. - 6 3、測(cè)試結(jié)果及分析. . - 6 3.1、測(cè)試數(shù)據(jù). . -6 -3.2、分析與結(jié)論 . . - 7- 四、設(shè)計(jì)總結(jié) . . - 8 -五、參考文獻(xiàn). . -8 - 附錄一：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖. - 9- 附錄二：BFD1000五路循跡傳感器. -9 -附錄三：主程序流程圖. -10 -附錄四

3、：會(huì)車避讓前行. -11 -附錄五：B車后退避讓. -12 - 附錄六：系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求. -13 附錄七：部分原程序. . -14- 車輛會(huì)車自動(dòng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（D題）摘要:本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)控制的自動(dòng)控制小車系統(tǒng)，包括小車系統(tǒng)構(gòu)成軟硬件設(shè)計(jì)方法。小車以MSP430為控制核心,利用紅外光電傳感器對(duì)路面黑色軌跡進(jìn)行檢測(cè),并將路面檢測(cè)信號(hào)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析判斷,及時(shí)控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠沿著黑色軌跡行駛并使兩車能自動(dòng)會(huì)車,實(shí)現(xiàn)車輛會(huì)車自動(dòng)控制的目的。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)MSP430；紅外傳感器；直流電機(jī)；會(huì)車自動(dòng)控制一、系統(tǒng)方案選擇和論證 1.核心控制單片機(jī)模

4、塊的選擇方案一：AT89C51 單片機(jī)。采用Atmel 公司的AT89C51 單片機(jī)作為主控制器。價(jià)格便宜，控制簡(jiǎn)單，為我們平時(shí)實(shí)驗(yàn)所熟用；但其運(yùn)算速度慢，片內(nèi)資源很少，存儲(chǔ)器容量也小，難以作較復(fù)雜的程序設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的算法。方案二：MSP430單片機(jī)。MSP430系列單片機(jī)是由TI公司開(kāi)發(fā)的16位單片機(jī)，其特點(diǎn)是超低功耗，集成度高，存儲(chǔ)量大，外部擴(kuò)展能力強(qiáng)，控制功能強(qiáng)。16位RISC指令集處理器，14個(gè)雙向I/O口，每個(gè)I/O口均可作為中斷源?；谝陨戏治觯瑪M選用方案二。2.自動(dòng)尋跡模塊方案一：采用多路陣列式光敏電阻組成的光電探測(cè)器。因?yàn)楣饷綦娮杼綔y(cè)到黑線時(shí)，黑線上方的電阻值發(fā)生變化，經(jīng)過(guò)電

5、壓比較器比較將信號(hào)送給單片機(jī)處理，從而控制物體做相應(yīng)的動(dòng)作。但由于光敏電阻對(duì)環(huán)境光的識(shí)別，容易受到外界環(huán)境光的影響。，方案二：采用紅外反射式探測(cè)，即用已調(diào)的紅外線垂直射到板面，經(jīng)反射后轉(zhuǎn)換為電信號(hào)送入單片機(jī)處理。采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測(cè)方式，由于使用的是紅外線，不受外界自然光的影響，尋跡效果好。基于上面的討論，選用了抗干擾能力強(qiáng)的方案二。3.會(huì)車避障模塊方案一：HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，包括超聲波發(fā)射器，接收器與控制電路。但必須提供一個(gè)10us以上脈沖觸發(fā)信號(hào)，由于會(huì)車避障系統(tǒng)對(duì)精度要求不高，同時(shí)避

6、免程序冗雜。方案二：LM324N紅外避障傳感器對(duì)環(huán)境光線適應(yīng)能力強(qiáng)，具有一對(duì)紅外線發(fā)射與接收管，發(fā)射管發(fā)射出一定頻率的紅外線，當(dāng)檢測(cè)方向遇到障礙物時(shí)，紅外線反射回來(lái)被接收器接收，經(jīng)過(guò)比較器電路處理，綠色指示燈亮起，同時(shí)信號(hào)輸出接口輸出一個(gè)低電平信號(hào)，以此作為兩車相遇會(huì)車時(shí)的標(biāo)志?；谝陨嫌懻?，選用簡(jiǎn)單方便的方案二。4.電動(dòng)機(jī)的選擇電機(jī)采用直流減速電機(jī)，直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生較大扭力。最大速度可達(dá)30cm/s ,能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求。5.電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊  方案一：驅(qū)動(dòng)模塊采用專用

7、芯片L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，其響應(yīng)頻率高，一片L298N可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，具有輸出電流大，功率強(qiáng)，過(guò)流保護(hù)等特點(diǎn)，并且使用方便。方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)與關(guān)進(jìn)行控制，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)的切換速度實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)電路的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)不可用于高速、頻繁的開(kāi)關(guān)切換操作，易損壞，壽命較短，可靠性不高。通過(guò)比較，為了保證電機(jī)正常穩(wěn)定工作，我們選擇方案一L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。6.測(cè)距模塊的論證與選擇方案一：通過(guò)紅外傳感器光電槽來(lái)實(shí)現(xiàn)，當(dāng)光電槽被遮擋之后，紅外接收管接收不到信號(hào)，接收管不導(dǎo)通；當(dāng)光電

8、槽沒(méi)有被遮擋著，則接收管導(dǎo)通，系統(tǒng)通過(guò)檢測(cè)接收管輸出脈沖，計(jì)脈沖的個(gè)數(shù)就可以轉(zhuǎn)化為速度與距離等信息，但是由于車身齒輪大小限制，在小車上安裝較為困難。方案二：通過(guò)開(kāi)關(guān)型霍爾傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)，霍爾傳感器高磁場(chǎng)時(shí)低電平，低磁場(chǎng)時(shí)高電平，并且電平變換速度快，此方法安裝方便并且適合小車電機(jī)齒輪的減速倍率，具有較好的測(cè)速效果。通過(guò)比較，霍爾開(kāi)關(guān)使用安裝方便，精度高，因此我們選擇方案二作為測(cè)速模塊。二、系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)1、硬件電路的設(shè)計(jì)（1）控制系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案會(huì)車自動(dòng)控制系統(tǒng)由主控制電路模塊、電源模塊、紅外檢測(cè)模塊、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊等部分組成,控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1 所示。電源模塊主控芯片MSP430L29

9、8N減速電機(jī)光電傳感器電壓比較器圖1 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖 1.主控制電路模塊：用MSP430單片機(jī)、復(fù)位電路，時(shí)鐘電路2紅外檢測(cè)模塊：紅外避障傳感器LM324N,BFD-1000集成五路循跡傳感器3.電機(jī)及驅(qū)動(dòng)模塊:電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N、直流電機(jī)4.電源模塊：電池盒提供（2）電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊采用雙電源對(duì)單片機(jī)和減速電機(jī)單獨(dú)供電，從面使電機(jī)流暢運(yùn)轉(zhuǎn)，采用了光耦隔離模塊，減小了控制電路對(duì)L298N模塊產(chǎn)生的干擾。L298N集成模塊可以單獨(dú)控制兩個(gè)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。用單片機(jī)的四個(gè)I/O口控制兩路電機(jī)的四個(gè)輸入端，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、停止。（電路圖見(jiàn)附錄一）（3）循跡模塊電路BFD-100

10、0反射式光電傳感器，對(duì)管所接電阻值分別和發(fā)光的強(qiáng)度和接收管的靈敏度有關(guān)，一體化紅外發(fā)射接收IRT中的發(fā)射二極管導(dǎo)通，發(fā)出紅外線，經(jīng)反射物體反射到光敏接收管上，使接收管的集電極與發(fā)射極之間的電阻變小，輸入端電位變低，輸出高電平。當(dāng)紅外光線照射到黑色條紋時(shí)，反射到IRT中接收管上的光量減小，接收管的集電極與發(fā)射極之間的電阻變大，輸出低電平。運(yùn)用電壓比較器對(duì)光電器件輸出電壓進(jìn)行比較，參考電壓可對(duì)循跡模塊的靈敏度進(jìn)行調(diào)節(jié)，上拉電阻能夠提高整個(gè)模塊的穩(wěn)定性。（模型見(jiàn)附錄二）(4)霍爾測(cè)距模塊霍爾傳感器是一個(gè)磁敏原件，安裝在車輪轉(zhuǎn)軸附近，其中上拉電阻可以明顯提高模塊的穩(wěn)定性。電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，轉(zhuǎn)到磁鐵的地方發(fā)出

11、信號(hào)?；魻朒的1腳接5v，2腳接地，為霍爾提供5v電源。當(dāng)磁場(chǎng)B從小到大到達(dá)18MT，3腳由5v跳變?yōu)?v。當(dāng)磁場(chǎng)B從大到小到達(dá)12.5MT，3腳由0v跳變?yōu)?v。根據(jù)電機(jī)轉(zhuǎn)速，I/O口可以輸出標(biāo)準(zhǔn)數(shù)字電路高低電平的個(gè)數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的測(cè)量。（5）兩車通信模塊 兩車通信通過(guò)紅外傳感器實(shí)現(xiàn)，兩車通信出現(xiàn)在會(huì)車過(guò)程中，當(dāng)紅外傳感器有信號(hào)輸出時(shí)，控制小車自動(dòng)停止或繼續(xù)前行，并順利到達(dá)終點(diǎn)。2、程序的設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。C語(yǔ)言本身帶有各種庫(kù)函數(shù)，運(yùn)算能力較強(qiáng)，而本系統(tǒng)的軟件中算數(shù)運(yùn)算比較多，利用C語(yǔ)言編程可以體現(xiàn)出一定優(yōu)勢(shì)。程序是在Window7環(huán)境下采用IAR Embedded

12、 Workbench 軟件編寫的，可實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的精確控制，對(duì)傳感器輸入信號(hào)的處理、對(duì)按鍵輸入的查詢以及聲光提示等功能。（1）程序功能描述與設(shè)計(jì)思路1、程序功能描述鍵盤實(shí)現(xiàn)功能：獨(dú)立鍵盤用于實(shí)現(xiàn)智能車運(yùn)行模式的切換，有模式1自由行進(jìn)，模式2會(huì)車行進(jìn)，模式3-A車避讓，模式-4B車后退避讓，模式5后退避讓。2、程序設(shè)計(jì)思路使用紅外循跡傳感器進(jìn)行沿黑線前進(jìn)，利用紅外避障和霍爾傳感器的信號(hào)，控制小車實(shí)現(xiàn)車輛會(huì)車自動(dòng)控制的功能。（2）程序流程圖1.主程序流程圖（見(jiàn)附錄三）;2.會(huì)車避讓前行（見(jiàn)附錄四）;3.B車后退避讓（見(jiàn)附錄五）;三測(cè)試方案與測(cè)試結(jié)果1.測(cè)試方案(1)、硬件測(cè)試 分別對(duì)每個(gè)模塊做相應(yīng)的

13、測(cè)試。(2)、軟件仿真測(cè)試 使用IAR Embedded Workbench 軟件進(jìn)行仿真。(3)、硬件軟件聯(lián)調(diào) 對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的測(cè)試是在一個(gè)自制的符合設(shè)計(jì)任務(wù)要求的場(chǎng)地中測(cè)試的，逐步按要求進(jìn)行測(cè)試。2. 測(cè)試條件與儀器測(cè)試條件：電池供電，符合系統(tǒng)要求的跑道。測(cè)試儀器：自制跑道，高精度的數(shù)字毫伏表，模擬示波器，數(shù)字示波器，數(shù)字萬(wàn)用表，指針式萬(wàn)用表，秒表等。3.測(cè)試結(jié)果及分析（1）測(cè)試結(jié)果(數(shù)據(jù))基本要求：1)AB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。測(cè)試如下：測(cè)試次數(shù)是否正常行駛行駛時(shí)間1是35s2是20s3是19s4是40s5是18s2) 兩車同時(shí)發(fā)車，以對(duì)方的發(fā)車點(diǎn)為終點(diǎn)

14、行進(jìn)（會(huì)車時(shí)可以在非會(huì)車區(qū)域會(huì)車）。測(cè)試結(jié)果如下：測(cè)試次數(shù)是否實(shí)現(xiàn)會(huì)車是否碰撞行駛時(shí)間1是是44s2是否26s3是否40s4是否60s5是否27s3) 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A車首先進(jìn)入號(hào)會(huì)車區(qū)避讓，待B車通過(guò)后再繼續(xù)前進(jìn)。測(cè)試結(jié)果如下：測(cè)試次數(shù)是否實(shí)現(xiàn)會(huì)車是否碰撞行駛時(shí)間1是是45s2是否50s3是否52s4是否40s5是否57s 發(fā)揮部分1）A車先開(kāi)行，B車后開(kāi)行，且使之在2號(hào)路段相遇；相遇后，后出發(fā)的B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)終點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果如下：測(cè)試次數(shù)是否實(shí)現(xiàn)會(huì)車是否碰撞行駛時(shí)間1是否75s2是否66s3是是77s4是否84s5是否86

15、s 2）任意指定一輛車先開(kāi)行，另外一輛車后開(kāi)行。相遇后，要求兩輛汽車能根據(jù)各自離開(kāi)會(huì)車區(qū)的距離進(jìn)行避讓，即離會(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，到達(dá)各自的道路終點(diǎn)。測(cè)試結(jié)果如下：測(cè)試次數(shù)是否實(shí)現(xiàn)會(huì)車是否碰撞行駛時(shí)間1是否75s2是否98s3是否85s4是是88s5是否97s3）用LCD12864液晶顯示來(lái)按鍵顯示；（2）測(cè)試分析與結(jié)論根據(jù)上述測(cè)試數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：1、小車能夠較好的完成基本功能和發(fā)揮功能。2、小車完成任務(wù)的時(shí)間較快，且保持了比較好的穩(wěn)定性。四設(shè)計(jì)總結(jié)我們的作品完成了基本功能及部分發(fā)揮的功能，AB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，能在會(huì)車區(qū)和

16、非會(huì)車區(qū)自動(dòng)避讓會(huì)車，且能實(shí)現(xiàn)小車后退入指定會(huì)車區(qū)避讓，能在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)達(dá)到題目的要求。系統(tǒng)使用MS430單片機(jī)，功能強(qiáng)大，速度較快，能較好的完成題目要求。但整個(gè)系統(tǒng)也有不足之處，比如說(shuō)電池電量不斷減小，小車速度越來(lái)越慢，這樣延時(shí)不精確便很容易掉出賽道，并且別的功能也很難控制，另外兩輛小車的速度也還有提升的空間。五. 參考文獻(xiàn)1 謝楷 趙建 編著MSP430系列單片機(jī)系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)與實(shí)踐機(jī)械工業(yè)出版社，2009.72 黃智偉 編著全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì)（第2版）北京航空航天大學(xué)出版社，2011.23 康華光 主編電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分和數(shù)字部分（第五版）高等教育出版2010.54 楊和平

17、編著單片機(jī)原理與應(yīng)用機(jī)械工業(yè)出版社，2009.7程序和附錄：附錄一：電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖附錄二：BFD1000五路循跡傳感器附錄三：主程序流程圖選擇模式自由行進(jìn)會(huì)車行進(jìn)A車避讓B車后退避讓后退避讓達(dá)到要求開(kāi)始結(jié)束初始化附錄四：會(huì)車避讓前行開(kāi)始尋跡尋找黑線是否會(huì)車是否會(huì)車區(qū)停止避讓等待另一小車超過(guò)后繼續(xù)前行到達(dá)終點(diǎn)結(jié)束附錄五: B車后退避讓開(kāi)始尋跡尋找黑線是否相遇是否B車后退進(jìn)入會(huì)車區(qū)避讓回車后兩車?yán)^續(xù)前行到終點(diǎn)結(jié)束A車先行B車后行附錄六：系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求1、任務(wù)A、B 兩輛汽車相對(duì)開(kāi)行，并能按指定要求到達(dá)對(duì)方的發(fā)車點(diǎn)。行車道路示意圖如圖1所示，道路兩側(cè)各有1.52厘米寬的黑色邊沿線；道路的寬度為A

18、、B兩車的寬度之和的1.1倍；會(huì)車區(qū)路段的寬度為A、B兩車的寬度之和的1.6倍，會(huì)車區(qū)路段的長(zhǎng)度是兩車車長(zhǎng)之和的2倍；道路中間不允許有任何導(dǎo)行線。2、要求：1.基本要求（1）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。要求兩車分別能在50秒之內(nèi)到達(dá)終點(diǎn)。（2）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)（會(huì)車時(shí)可以在非會(huì)車區(qū)域會(huì)車）。要求兩車在60秒之內(nèi)到達(dá)各自的道路終點(diǎn)，且無(wú)碰撞或刮擦。（3）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A車首先進(jìn)入號(hào)會(huì)車區(qū)避讓，待B車通過(guò)后再繼續(xù)前進(jìn).要求兩車在60秒之內(nèi)到達(dá)各自的道路終點(diǎn)，且無(wú)碰撞或刮擦。2.發(fā)揮部分（1）A車先開(kāi)行，B車后開(kāi)行，

19、且使之在2號(hào)路段相遇；相遇后，后出發(fā)的B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)，要求兩車在90秒之內(nèi)到達(dá)各自的道路終點(diǎn)，且無(wú)碰撞或刮擦。（2）任意指定一輛車先開(kāi)行，另外一輛車后開(kāi)行。相遇后，要求兩輛汽車能根據(jù)各自離開(kāi)會(huì)車區(qū)的距離進(jìn)行避讓，即離會(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，兩車應(yīng)在90秒之內(nèi)到達(dá)各自的道路終點(diǎn)，且無(wú)碰撞或刮擦。（3）其他附錄七：部分源程序#include <msp430x14x.h>#define uint unsigned intvoid QIANJIN(void);void HOUTUI(void);void LEFT(void);/vo

20、id LEFT2(void);void RIGHT(void);/void GIGHT2(void);void STOP(void);void JIANCE(void);void KAISHI(void);void DAOCHE(void);void JIANCE1(void);void delay(int m);uint i,j,x,y,z;unsigned char a;void delay(int m) for(i=0;i<1000*m;i+);void main(void) P2DIR = 0XFF;P2OUT = 0XFF; P3DIR = 0X00;P3OUT = 0XFF; P6DIR = 0XFF;P6OUT = 0XFF; WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; while(1) if(P3IN&