大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽分析方案(C-智能小車)

1、- 10 - / 19智能小車設(shè)計(jì)報(bào)告摘要： 隨著智能控制技術(shù)和檢測傳感技術(shù)的飛速發(fā)展，智能小車在工業(yè)生產(chǎn)和 家庭生活中得到了廣泛應(yīng)用。智能小車控制系統(tǒng)采用 STC89C52單片機(jī)作為檢測 和控制核心，使用反射式紅外光電傳感器檢測路面的標(biāo)志線，采用紅外蔽障傳 感器控制兩車之間的距離。小車驅(qū)動采用前輪雙驅(qū)動，利用減速直流電機(jī)控制 小車的轉(zhuǎn)向和速度。通過不斷對單片機(jī) I/O 口進(jìn)行掃描來監(jiān)測傳感器的狀態(tài)， 根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)控制兩輛小車循線、轉(zhuǎn)彎、交換速度和切道等動作，最終實(shí)現(xiàn)兩 小車按預(yù)定軌道行駛，并在規(guī)定區(qū)域超車的功能。系統(tǒng)相當(dāng)于一個簡單的車輛 自動駕駛系統(tǒng)，經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)后可應(yīng)用在智能交通和無人探測

2、等方面。關(guān)鍵字 ：智能小車；單片機(jī)；傳感器；減速直流電機(jī)；循線目錄方案論證與比較 - 1 -總體方案設(shè)計(jì)與比較 - 1 -電機(jī)的比較與選擇 - 2 -電機(jī)驅(qū)動模塊的比較與選擇 - 2 -理論分析與計(jì)算 - 3 -信號檢測與控制 - 3 -轉(zhuǎn)彎與前進(jìn)信號的檢測與控制 - 3 -加速減速 （超車信號的檢測與控制 - 4 -發(fā)揮部分切換跑道交換速度信號的檢測與控制 - 4 -兩車之間的通信方法 - 5 -關(guān)于節(jié)能的設(shè)計(jì) - 6 -電路與程序設(shè)計(jì) - 6 -電路設(shè)計(jì) - 6 -單片機(jī)最小系統(tǒng) - 6 -電機(jī)驅(qū)動模塊 - 6 -循線模塊 - 7 -兩車通信模塊 - 8 -程序設(shè)計(jì) - 8 -程序流程圖

3、- 8 -源程序- 9 -系統(tǒng)測試 - 9 -測試方法 - 9 -小車轉(zhuǎn)彎的測試方案與測試條件 - 9 -順利超車的測試方案與測試條件 - 9 -發(fā)揮部分換道與速度交換測試方案與測試條件 - 9 - 4.2 測試結(jié)果 - 10 -結(jié)論- 10 - 參考文獻(xiàn) - 10 - 附錄- 11 -方案論證與比較總體方案設(shè)計(jì)與比較方案一：采用 STC89C52單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元。以 STC89C52單片機(jī)為核心的控制電路，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用反射 式紅外光電檢測傳感器、紅外蔽障傳感器組成不同的檢測電路，實(shí)現(xiàn)小車在行 駛中轉(zhuǎn)彎、加速、減速、超車等問題。并將測量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理， 然后由單

4、片機(jī)根據(jù)所檢測的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對電動小車的智能化控制。電源模塊在本系統(tǒng)中， 1）小車左側(cè)反射式紅外光電傳感器檢測板的內(nèi)邊界線，然 后將信號傳送到單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，使行駛在后方的小車沿板的內(nèi)邊界線自 主行走，從而使小車走完整個賽道；單片機(jī)通過檢測小車左側(cè)光電傳感器的輸 出信號，確定汽車是否過于接近跑道左側(cè)擋板，從而發(fā)出電機(jī)驅(qū)動信號，對汽 車運(yùn)動方向?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)彎與糾偏，避免跑出賽道。 2）小車右側(cè)的反射式紅外光電 傳感器檢測板的外邊界線，使行駛在前方的車小車沿板的外邊界線自主行走， 并且可避免小車從右側(cè)掉下賽道。 3）小車正前方的反射式紅外光電傳感器檢 測小車通過的黑線的條數(shù)，從而控制兩輛小車在正常行

5、駛、超車時分別行使在 不同的賽道。并且可控制行駛在前邊的小車何時減速以便后邊的車能順利超 過。并且在發(fā)揮部分檢測標(biāo)志線，實(shí)現(xiàn)發(fā)揮部分的交替超車與領(lǐng)跑。 4）小車 前方的紅外蔽障傳感器信號用作兩車之間的通信信號，在超車部分，若小車甲 檢測到前方已超過它的乙車，甲車便加速前進(jìn)。縮短完成整個賽道的時間。電機(jī)驅(qū)動模塊超車模塊ATC89C52速度控制模塊兩車通信模塊圖 1 智能小車運(yùn)行基本原理圖框圖方案二：采用 STC89C52單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元，轉(zhuǎn)彎、加速、減速、 超車全部用軟件來實(shí)現(xiàn)利用賽道上的標(biāo)志線，通過單片機(jī)識別標(biāo)志線，編程讓其在轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線處 延時后轉(zhuǎn)彎，在超車部分，對標(biāo)志線的條數(shù)進(jìn)行計(jì)數(shù)

6、，計(jì)夠條數(shù)后進(jìn)行超車處 理。由于此種方案不定因素很多，比如說電池電量不斷減小，小車速度越來越 慢，這樣延時不精確便很容易掉出賽道，并且別的功能也很難控制。方案三：選用一片 CPLD 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。同時，CPLD 的處理速度非常快，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，若采用該方案，必 將在控制上遇到很多不必要增加的難題綜合考慮了傳感器、電機(jī)的驅(qū)動等諸多因素，方案一簡潔、靈活、可擴(kuò)展 性好，并且我們對單片機(jī)掌握的比較好，且能達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求

7、，因此本設(shè) 計(jì)采用方案一來實(shí)現(xiàn)，充分利用 STC89C52 的單片機(jī)資源。電機(jī)的比較與選擇 方案一：采用步進(jìn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)的一個顯著特點(diǎn)就是具有快速啟停能力 , 如果負(fù)荷不超過步進(jìn)電機(jī) 所能提供的動態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即使步進(jìn)電機(jī)啟動或反轉(zhuǎn)。另一個顯著特點(diǎn) 是轉(zhuǎn)換精度高，正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)控制靈活。方案二：采用減速直流電機(jī)。 直流電動具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣；過載能力 強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)；能滿 足生產(chǎn)過程自動化系統(tǒng)各種不同的特殊運(yùn)行要求。由于普通直流電機(jī)更易于購買，并且電路相對簡單，所以采用直流電機(jī)作為動力源。電機(jī)驅(qū)動模塊的比較與選擇電機(jī)

8、驅(qū)動模塊的主要作用是控制小車的正轉(zhuǎn)、前進(jìn)、加速、減速、轉(zhuǎn)彎和停車。由以下方案：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動機(jī)的分壓。但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴，且 可能存在干擾。最重要的問題是，一般電動機(jī)的電阻很小，電流很大，分壓不 僅降低效率，而且難以實(shí)現(xiàn)。方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制。 這個電路的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間長，易損壞， 壽命較短，可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的 H 型 PWM電路。PWM電路由四個大功率晶體管組成 H 橋式電路構(gòu)成，四個晶體管分為兩 組，交替導(dǎo)通和截止，用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在開關(guān)狀

9、態(tài)，根據(jù)調(diào)整 輸入控制脈沖的占空比，精確調(diào)整電動機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于管子工作只有飽 和和截止?fàn)顟B(tài)下，效率非常高。但是 H型 PWM電路必須要用分立元件搭起來， 所以比較麻煩。方案四：采用直流電機(jī)專用驅(qū)動芯片 L298。L298作為驅(qū)動的原理與 H型 PWM電路相同，只是將這些分立元件集成在一 塊芯片內(nèi)部，方便適用。從硬件和電路的工作量，以及成本考慮，選擇方案四。理論分析與計(jì)算信號檢測與控制轉(zhuǎn)彎與前進(jìn)信號的檢測與控制根據(jù)題目要求，我們設(shè)計(jì)后邊的小車正常情況下沿賽道內(nèi)外邊沿行駛，在 車左側(cè)裝 3 個紅外對管，車沿軌道，向左偏離軌道，向右偏離軌道時通過單片 機(jī)識別比較器輸出端經(jīng)過編碼的信號控制兩個電

10、機(jī)便可實(shí)現(xiàn)后邊小車的轉(zhuǎn)彎與 前進(jìn)。前邊的小車正常情況下沿賽道外邊沿行駛，在車右側(cè)裝兩個紅外對管， 車沿軌道，向左偏離軌道，向右偏離軌道時通過單片機(jī)識別比較器輸出端經(jīng)過 編碼的信號控制兩個電機(jī)便可實(shí)現(xiàn)前邊小車的轉(zhuǎn)彎與前進(jìn)。沿賽道內(nèi)側(cè)行走時，由于轉(zhuǎn)彎處角度有銳角、鈍角、直角，根據(jù)三個紅外 對管分別是否檢測到反射信號，并將信號通過比較器后編碼，經(jīng)分析可能出現(xiàn) 的情況如下：1)000： 偏左 右轉(zhuǎn)2)001： 偏左 右轉(zhuǎn)3)010： 不存在4) 011： 偏右 左轉(zhuǎn)5)100： 不存在6)101： 由于在轉(zhuǎn)銳角彎時，車直接轉(zhuǎn)彎會掉到賽道外，所以讓前進(jìn)一 定時間后左轉(zhuǎn)7)110： 不存在8) 111：

11、偏右 左轉(zhuǎn)沿賽道外側(cè)行走時，轉(zhuǎn)彎處角度只有直角，根據(jù)兩個紅外對管分別是否檢 測到反射信號，并將信號通過比較器后編碼，經(jīng)分析可能出現(xiàn)的情況如下：1) 00：偏右 左轉(zhuǎn)2) 01：偏右 左轉(zhuǎn)3)10：前進(jìn)信號的檢測與控制小車正前方光電傳感器檢測經(jīng)過標(biāo)志線的條數(shù)，在到達(dá)超車區(qū)域前，總共 經(jīng)過 8 條標(biāo)志線，通過單片機(jī)計(jì)數(shù)，計(jì)數(shù)值到 8，前邊小車延時一定時間后停 止，等待后邊的車超過。小車正前方蔽障傳感器檢測到后車跑到它前邊，便延時一定時間后加速， 并順利通過整個賽道。發(fā)揮部分切換跑道交換速度信號的檢測與控制發(fā)揮部分換道速度標(biāo)志發(fā)揮部分換道與交換速度標(biāo)志圖 2 賽道圖形發(fā)揮部分要完成甲車追乙車必須進(jìn)行

12、準(zhǔn)確換道與交換速度，如圖 2 所示， 兩個箭頭所指標(biāo)志線分別為兩輛小車的換道與交換速度標(biāo)志，小車正前方的紅 外對管通過計(jì)標(biāo)志線條數(shù)檢測這兩道標(biāo)志，以完成準(zhǔn)確換道與交換速度。兩車之間的通信方法 兩車通信通過紅外蔽障傳感器實(shí)現(xiàn)，兩車通信出現(xiàn)在超車過程中，當(dāng)后車 超過前車時，被超過的前車通過紅外蔽障傳感器檢測到后車跑到它前邊，利用 單片機(jī)延時一定時間后加速，以便順利通過整個賽道。紅外蔽障傳感器的靈敏度要能很好的控制，否則極易受到干擾，會把別的 物體檢測成另一輛小車。關(guān)于節(jié)能的設(shè)計(jì) 經(jīng)反復(fù)實(shí)驗(yàn)與檢測小車行進(jìn)時的功率很小，并且我們小車前端伸出的傳感 器模塊全部用廢舊的電路板焊接拼制而成，不僅制成了我們所

13、需要的形狀，而 且達(dá)到節(jié)能的目的。電源部分我們選擇可充電電池，可以反復(fù)利用，達(dá)到節(jié)能環(huán)保目的。電路與程序設(shè)計(jì)電路設(shè)計(jì)單片機(jī)最小系統(tǒng)電機(jī)驅(qū)動模塊圖 4 電動機(jī)驅(qū)動模塊原理圖電機(jī)驅(qū)動模塊采用雙電源對單片機(jī)和減速電機(jī)單獨(dú)供電，從面使電機(jī)流暢L298 模塊產(chǎn)生的干擾。 L298PWM 對 ENA,ENB使能端進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，采用了光耦隔離模塊，減小了控制電路對集成模塊可以單獨(dú)控制兩個電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，采用 調(diào)制從而對電機(jī)速度進(jìn)行控制。用單片機(jī)的四個 I/O 口控制兩路電機(jī)的四個輸入端，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向、前進(jìn)、停止。 L298 真值表如下：ENIN1IN2電機(jī)狀態(tài)ENIN1IN2電機(jī)狀態(tài)0XX停止110倒轉(zhuǎn)10

14、0停止111急剎101正轉(zhuǎn)循線模塊循線模塊的電路原理圖如下圖所示，其中 LM339集成塊內(nèi)部裝有四個獨(dú)立的電壓比較器，類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器，每個比較器有兩個輸入端和 一個輸出端。兩個輸入端一個稱為同相輸入端，用“ +”表示，另一個稱為反相輸入端，用“”表示，用作比較兩個電壓時，任意一個輸入端加一個固定電 壓做參考電壓 也稱門限電壓），另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“ +”端 電壓高于“”端時，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng)“”端電壓高于 “+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。 R1，R3，R5 為限流電阻， R2，R4，R6為上拉電阻，紅外對管的發(fā)射二極管發(fā)射出的紅外線若接

15、受二極管 可以接收到， T1，T2，T3 輸出低電平，否則輸出高電平， T1，T2，T3接到比較 器反相輸入端，如果比門限電壓低， OUT 輸出高電平；如果比門限電壓高 OUT 輸出 0。這樣根據(jù) OUT1， OUT2， OUT3輸出的高低電平進(jìn)行編碼，便可控制 小車左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)前進(jìn)，發(fā)射二極管發(fā)射出的紅外線照到黑線或距離反射物很遠(yuǎn) 時不反射，對應(yīng)的接收二極管接收不到；沒照到時被反射，對應(yīng)的接收二極管 接收到。小車右側(cè)兩個紅外對管和正前方的紅外對管的工作原理跟左側(cè)的三個紅外 對管工作原理一樣。圖 5 循線模塊原理圖兩車通信模塊兩車通信通過紅外蔽障傳感器實(shí)現(xiàn)，兩車通信出現(xiàn)在超車過程中，當(dāng)后車超過

16、前車時，被超過的前車通過紅外蔽障傳感器檢測到后車跑到它前邊，便延時一 定時間后加速，并順利通過整個賽道。程序設(shè)計(jì)程序流程圖開始檢測賽道邊側(cè)與賽道上標(biāo)志線右轉(zhuǎn) 前進(jìn) 左轉(zhuǎn)檢測通過標(biāo)志線的條數(shù)執(zhí)行相關(guān)操作結(jié)束源程序源程序見附錄部分。系統(tǒng)測試測試方法小車轉(zhuǎn)彎的測試方案與測試條件小車沿內(nèi)圈走時分別檢測其通過銳角、直角、鈍角時的情況，不斷調(diào)整傳 感器的位置，修改程序，調(diào)整其延時時間，調(diào)整電機(jī)速度，直到通過所有彎為 止。檢測要在不同的電壓條件下進(jìn)行，這樣便可以對更多的情況進(jìn)行提前的把 握。順利超車的測試方案與測試條件前邊小車到達(dá)超車區(qū)域后，每次檢測停的位置不一樣，不斷檢測，不斷調(diào) 整其延時的時間，直到其停

17、在最佳位置。當(dāng)其被后面車追上后，其開始走的時 間也要不斷調(diào)整，走的太早會碰到另一輛車，走的太晚檢測不到另一輛車已追 上它，會一直停在原地不動。發(fā)揮部分換道與速度交換測試方案與測試條件檢測換道與交換速度要準(zhǔn)確對賽道上的標(biāo)志線進(jìn)行計(jì)數(shù)，測試時，有時計(jì) 標(biāo)志線條數(shù)不準(zhǔn)，這就需要多此進(jìn)行模擬檢測，以便檢測到是軟件的問題還是 硬件的問題。4.2 測試結(jié)果測試沿內(nèi)賽道行進(jìn)時，轉(zhuǎn)過銳角便轉(zhuǎn)不過鈍角，改變傳感器位置后，兩種 彎道都能順利跑過。測試超車環(huán)節(jié)時，前邊的小車停的位置隨著延時時間長短停的位置不一 樣，對軟件進(jìn)行不斷優(yōu)化最終讓小車位置合適，準(zhǔn)確進(jìn)行超車。經(jīng)反復(fù)測試并調(diào)試軟硬件后，發(fā)揮部分也能正常完成。結(jié)

18、論我們的作品完成了基本功能及發(fā)揮部分的功能，兩輛小車第一圈分別跑一 圈后，第二圈兩輛車一前一后并且在超車區(qū)域成功超車，后車超過前車后，當(dāng) 前車通過兩車通信模塊檢測到被后車超過后便加速跑過剩余路程。在乙車超過 甲車后，兩輛小車換道并交換速度，實(shí)現(xiàn)第二次甲車超乙車，并能交替進(jìn)行， 達(dá)到題目要求的基本部分和發(fā)揮部分。整個系統(tǒng)也有不足之處，車子前邊加的傳感模塊不對稱，力矩不同導(dǎo)致小 車前進(jìn)時不穩(wěn)，還需要加改，另外兩輛小車的速度也還有提升的空間。 參考文獻(xiàn)張紅潤，智能技術(shù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)，北京航空航天出版社， 2007.2溫志明，運(yùn)動控制系統(tǒng)分析與應(yīng)用，國防工業(yè)出版社， 2008.2楊 剛，電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)與

19、實(shí)踐，電子工業(yè)出版社， 2009.3何希才，新型實(shí)用電子電路 400例, 電子工業(yè)出版社 ,2000.8陳伯時，電力拖動自動控制系統(tǒng) ,第二版, 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社 ,2000.6劉少強(qiáng)，傳感器設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)例，中國電力出版社， 2008.3附錄#include #include #define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*sbit in1=P00。sbit in2=P01。sbit in3=P02。sbit in4=P03。P33 用來測避障P32 用來計(jì)黑線條數(shù)；*/uchar num。/num 計(jì)黑線條數(shù) uint cou

20、nt 。 /count 用來計(jì)時 sbit ena=P04。sbit enb=P05。sbit flag=P30。/用來檢測檔位 1沿外圈， 0 沿內(nèi)圈 sbit p32=P32。sbit p33=P33。sbit p34=P34。/ 用來檢測檔位bit flag1=0。/ 用來檢測前車是否可以繼續(xù)行駛； void delay(uint z。void xj_nei(。void xj_wai(。void init( 。void delay_us(uint z。void main(if(p34=1delay(5。if(p34=1while(1xj_wai(。elseinit( 。flag=1。if

21、(flag=1delay(5。if(flag=1EX0=1。while(1 xj_wai(。 if(num=5TR0=1。EX0=0。 num=0。 while(count xj_wai(。 TR0=0。 count=0。ena=0。enb=0。EX1=1。while(!flag1 。 flag1=0。 while(1 xj_wai(。if(flag=0delay(5。if(flag=0 while(1 P0=0 xfa。delay(1000。delay(1500。 while(1 xj_nei(。void init(EA=1。EX0=0。IT0=1。EX1=0。IT1=1。TMOD=0X01

22、。TH0=(65536-50000/256。TH0=(65536-50000%256。ET0=1。TR0=0。void delay(uint zuint x,y。for(x=z。x0。x- for(y=115。 y0。y-。void delay_us(uint zuint x,y。for(x=z。x0。x- for(y=100。 y0。y-。void xj_nei(uchar a。 a=P2&0 x07。 switch (a Case 0 x00: P0=0 xfb。ena=0。enb=0。delay_us(16。 ena=1。enb=1。 delay_us(10。 break。/ 偏左 右轉(zhuǎn)case 0 x01: P0=