全國電子設(shè)計大賽智能小車

1、全國電子設(shè)計大賽智能小車（C題）設(shè)計報告中文摘要：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)動由L298N 驅(qū)動電路完成，速度由單片機(jī)輸出的PWM波控制以實現(xiàn)小車在超速區(qū)的超速行駛，利用紅外 對管檢測黑線和障礙物以實現(xiàn)小車的正常行駛和轉(zhuǎn)彎，避免在行駛過程中越界和碰撞。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C52單片機(jī)；L298N；紅外對管目錄 TOC o 1-5 h z 第一章方案設(shè)計與論證3主控系統(tǒng)3電機(jī)驅(qū)動模塊3 HYPERLINK l bookmark4 o Current Document 信號檢測模塊3 HYPERLINK l bookmark6 o Current

2、 Document 兩車通信模塊4 HYPERLINK l bookmark8 o Current Document 電源模塊4第二章硬件設(shè)計4總體設(shè)計4 HYPERLINK l bookmark13 o Current Document 車體設(shè)計5 HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 驅(qū)動電路 5 HYPERLINK l bookmark17 o Current Document 信號檢測與控制7 HYPERLINK l bookmark19 o Current Document 兩車通信模塊7第三章軟件設(shè)計8主程序模塊8信號檢測模塊9超車區(qū)域

3、 10第四章測試與結(jié)果分析 10 HYPERLINK l bookmark21 o Current Document 結(jié)束語11 HYPERLINK l bookmark23 o Current Document 參考文獻(xiàn)11一、方案設(shè)計與論證、主控系統(tǒng)根據(jù)設(shè)計要求，我認(rèn)為此設(shè)計屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問題。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、開發(fā)周期短等優(yōu)點，可利用VHDL語言進(jìn)行 編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大

4、的劣勢。同時，CPLD的處理速度非?？?，而 小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對系統(tǒng)處理信息的要求也就不會太高，在這一點上，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)作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能 指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機(jī)就 顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢一一控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源 豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，我們選用了 C8051F020 單片機(jī)。

5、、電機(jī)驅(qū)動模塊設(shè)計方案一：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整. 此方案的優(yōu)點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢,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)只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般的電動 機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(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、過載能力大，能承受頻 繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此我們選用了方案二。、信號檢測模塊方案一：采用

6、六只紅外對管，有中間向兩端依次均勻排列安置，當(dāng)兩側(cè)對管檢測到軌道邊 緣2cm黑線時，避開黑線沿軌道行駛，當(dāng)所有對管檢測到1cm標(biāo)志線時實行轉(zhuǎn)彎，超車等 功能。方案二：采用六只紅外對管，兩側(cè)依次緊密排列兩組對管，兩外兩組等距排列于中間位置， 增加外圍紅外對管的密度，能更準(zhǔn)確地檢測到邊緣黑線的位置，可靠性更強，避免脫離軌 道。通過比較，我們選用方案二。、兩車通信模塊方案一：采用三只紅外對管置于小車前端，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，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 簡單方便。在實際應(yīng)用中，配合USB進(jìn)行

7、遠(yuǎn)程無線測量,數(shù)據(jù)速率達(dá)到500Kbps?？蓪崿F(xiàn)無 線數(shù)字通信功能。通過比較方案二通信效果更好。、電源模塊 方案一：采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用 資源過大。方案二：采用4支干電池單電源供電，但6V的電壓太小不能同時給單片機(jī)與與電機(jī)供電。方案三：采用6支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，我選擇了方案三來實現(xiàn)供電。第二章硬件設(shè)計總體設(shè)計NRF2401 無C8051020單片機(jī) 1 PWM電機(jī)驅(qū)紅外對圖主板設(shè)計框圖元件清單表元件清單元件數(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

8、電路芯片若干單片機(jī)1塊二極管若干電容若干紅外對管9只鋰電池6節(jié)電位器若干NRF2401 無線通信模塊1只漆包線若干小車1個開關(guān)一個車體設(shè)計智能小車采用前輪驅(qū)動，前輪左右兩邊各用一個電機(jī)驅(qū)動，調(diào)制前面兩個輪子的轉(zhuǎn)速 起停從而達(dá)到控制轉(zhuǎn)向的目的，后輪是萬象輪，起支撐的作用。車體材質(zhì)輕，減少對路面 的損耗。驅(qū)動電路電機(jī)驅(qū)動一般采用H橋式驅(qū)動電路，L298N內(nèi)部集成了 H橋式驅(qū)動電路，從而可以采 用L298N電路來驅(qū)動電機(jī)。通過單片機(jī)給予L298N電路PWM信號來控制小車的速度，起停。 其實物圖如，驅(qū)動原理圖如圖。圖 L298N圖電機(jī)驅(qū)動電路信號檢測與控制小車信號檢測原理是小車在邊緣有黑線的“路面”上

9、行駛，由于黑線和路面對光線的 反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷“道路”邊界一黑線。我們在該模塊 中利用了簡單、應(yīng)用也比較普遍的檢測方法一一紅外探測法。紅外探測法，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。 在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到路面時發(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，再通過LM324作比較器來采集高低電平，從而實現(xiàn)信號的檢測，以便小車可以正常行 駛，不脫離預(yù)定軌道。檢測電路如圖。圖信號檢測模塊小車是由C8051F020為控制芯片，L298N為驅(qū)動電路控制小車的速度

10、和轉(zhuǎn)向。C8051F020具有64個數(shù)字IO弓|腳，每個IO 口都可以配置成推挽或漏極開路輸出，數(shù) 字交叉開關(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存儲器，4352字節(jié)的片內(nèi)RAM, 5個通用的十六位定時器，5個捕捉 |比較模塊的可編程定時器|計數(shù)器陣列，片內(nèi)看門狗定時器，VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。 能有效地對小車進(jìn)行控制。兩車通信模塊小車是由nRF2401來實現(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

11、簡單方便。在 實際應(yīng)用中，配合USB進(jìn)行遠(yuǎn)程無線測量,數(shù)據(jù)速率達(dá)到500Kbps；外圍元件極少，只需一 個晶振和一個電阻即可設(shè)計射頻電路；發(fā)射功率和工作頻率等所有工作參數(shù)可全部通過軟 件設(shè)置；電源電壓范圍為1. 93.6V,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DC/DC開關(guān)電源）均有很好的通信效果。（如圖）圖nrf2401無線收發(fā)模塊第三章軟件設(shè)計主程序框圖:信息檢測模塊框圖綜合控制、智能控制等性能要工，所以測試時將整個系統(tǒng)分為傳感器測試模塊，電機(jī)測試 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎與乙車綜合控制、智能控制等性能要工，所以測試時將整個系統(tǒng)分為傳感器測試模塊，電機(jī)測試 轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)彎與乙車模塊，程

12、序測試，總體測試。傳感器測試：作品采用了九對紅外對管用于信息檢測，六只用于檢測黑線，三只用于 甲車左檢測障礙小車，測試過程中我們用白紙黑膠帶模擬測試，用其他物品模擬障礙物，調(diào)整電位器來調(diào)整需要的測試范圍。甲車加速電機(jī)模塊測試：我們通過程序，給電機(jī)下載不同的指令，觀察電機(jī)是否按照設(shè)定的方甲車右I試轉(zhuǎn)動。程序測試：整體測試：當(dāng)所有的模塊測試沒有問題后，我們協(xié)力按照大賽要求制作了跑道，通過循跡試轉(zhuǎn)動。程序測試：整體測試：當(dāng)所有的模塊測試沒有問題后，我們協(xié)力按照大賽要求制作了跑道，通過循跡跑道進(jìn)一步進(jìn)行精確測試，認(rèn)真編寫程序，通過分析、修改數(shù)據(jù)參數(shù)，以使實現(xiàn)小車能在行駛的時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)束語進(jìn)過四天三夜的奮戰(zhàn)，智能小車終于能按照大賽需求在