全國電子設(shè)計(jì)大賽智能小車

1、全國電子設(shè)計(jì)大賽智能小車（ C 題）設(shè)計(jì)報(bào)告中文摘要：采用C805仆02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PW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，避免在行駛過程中越界和碰撞。關(guān)鍵詞：智能小車；STC89C5單片機(jī)；L298N；紅外對(duì)管目錄第一章方案設(shè)計(jì)與論證 3主控系統(tǒng) 3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 3信號(hào)檢測(cè)模塊 3兩車通信模塊 4電源模塊 4第二章硬件設(shè)計(jì) 4總體設(shè)計(jì) 4車體設(shè)計(jì) 5驅(qū)動(dòng)電路 5信號(hào)檢測(cè)與控制 7兩車通信模塊 7第三章軟件設(shè)計(jì) 8主程序模塊 8信號(hào)檢測(cè)模塊 9超車區(qū)域

2、10第四章測(cè)試與結(jié)果分析10結(jié)束語11參考文獻(xiàn) 11一、方案設(shè)計(jì)與論證、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EPM7128LC84-1)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、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，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

3、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)出來它的優(yōu)勢(shì)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(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C805仆020單片機(jī)。、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)的開或關(guān)進(jìn)行控制 , 通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整 . 此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單 , 缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢 ,易損壞, 壽命較短

4、, 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。、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)，避開黑線沿軌道行駛，當(dāng)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：

5、 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(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 簡單方便。在實(shí)際應(yīng)用中，配合USB進(jìn)行遠(yuǎn)程無線測(cè)量，數(shù)據(jù)速率達(dá)到500Kbps?？蓪?shí)現(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(shí)驗(yàn)室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點(diǎn)是可穩(wěn)定

6、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(shí)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(shí)現(xiàn)供電。第二章硬件設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì)NRF2401無IC8051020單片機(jī)/PWNfe機(jī)驅(qū)紅外對(duì)圖主板設(shè)計(jì)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只電阻若干集成電路H-R LJL心片若干單片機(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(gè)開關(guān)一個(gè)車體設(shè)計(jì)智能小車采用前輪驅(qū)動(dòng)

7、，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，后輪是萬象輪，起支撐的作用。車體材質(zhì)輕，減少對(duì)路面 的損耗。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電路來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。通過單片機(jī)給予L298N電路PWM&號(hào)來控制小車的速度，起停 其實(shí)物圖如，驅(qū)動(dòng)原理圖如圖。圖 L298N圖電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路信號(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)弱來判斷“道路”邊界一黑線。我們?cè)谠撃K 中利用了簡單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法一一紅外探測(cè)

8、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LM324作比較器來采集高低電平，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。圖信號(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具有64個(gè)數(shù)字10引腳，每個(gè)10 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I0和所需數(shù)據(jù)資

9、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。兩車通信模塊小車是由nRF2401來實(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，使用簡單方便。在 實(shí)際應(yīng)用中，配合USB進(jìn)行遠(yuǎn)程無線測(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)

10、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n rf2401無線收發(fā)模塊第三章軟件設(shè)計(jì)主程序框圖:超車區(qū)域1 V否NI開始信息檢測(cè)模塊框圖綜合控制、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 轉(zhuǎn)彎彎與乙車4是否檢測(cè)到超車由于智能小車屬于移動(dòng)性高精度實(shí)模塊，程序測(cè)試，總體測(cè)試。領(lǐng)域， 因左此各模塊必須具有精度高、傳感器傳感器測(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，三只用于甲車左檢測(cè)障礙小車，測(cè)試過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)整電位器來調(diào)整需要的測(cè)試范圍。甲車加速XT電機(jī)模塊測(cè)試：我們通過程序，給電止同的指令，觀察電機(jī)是否按照設(shè)定的方試轉(zhuǎn)動(dòng)。程序測(cè)試：通過與傳感器模塊,前進(jìn)循跡整體測(cè)試：當(dāng)所有的模塊測(cè)試沒有問題后，我們協(xié)力按照大賽要求制作了跑道，通過跑道進(jìn)一步進(jìn)行精確測(cè)試，認(rèn)真編寫程序，通過分析、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 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預(yù)定軌道實(shí)現(xiàn)兩車交替領(lǐng) 跑功能。在整個(gè)過