智能小车设计报告.docx

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智能小车设计报告

2011年全国大学生电子设计竞赛

智能小车（C题）

【本科组】

2011年9月3日

智能小车设计报告

刘帅王军帅樊芬芳

摘要

本系统为智能小车模拟超车行驶，即两车在行车道同向而行，实现交替超车领跑功能。

设计方案分为两大部分，一部分为行驶轨道识别系统，采用光电传感器识别路径，并加载在履带式小车上，该部分以STM32单片机作为核心，通过产生信号控制小车行驶方向；另一部分为模拟超车系统，该部分采用声音进行两车通信，两车自动判别自身相对位置，实现超车功能。

本方案具有硬件实现简单、稳定可靠等优点。

经测试，该系统达到了题目的各项要求。

关键词：

STM32光电传感器两车通信

This system as a smart car was driving that car cut in the driveway, with the implementation will overtake on the run. design features divided into two parts, some of the running track of the system, the photo electric sensors to identify the path and to load the car on the part, tracked with stm32 monolithic integrated circuits, as the core by a control signal the car for the other direction ； for simulating overtake on a sound system, the part of a car, two cars are automatic judge their own position and function. this cut with a hardware to a simple, reliable, are virtues. the test, the system to the subject of the claim.

Keywords:

STM32photosensorcommunicate

一．方案设计与论证3

1、主控系统3

2、电机驱动模块3

3、电源3

4、光电传感器模块4

二、系统硬件的设计与实现4

1、电机驱动4

2、光电传感器模块5

3、主控系统5

三、系统软件的设计及实现7

四、测试数据及误差结果分析8

1、测量仪器：

计时表、UT52数字万用表、YB4320F双踪模拟示波器，3米卷尺8

2、测量内容：

小车车速、响应时间、再次运动时间8

3、系统功率9

4、误差原因分析及解决方案9

五、调试过程中遇到的问题及解决方案9

1、电源的磁场干扰9

2、模块之间的串扰9

六、总结10

七、参考文献10

一．方案设计与论证

为了达到题目中两车在行车道同向而行，实现交替超车领跑功能，如何有效地识别标志位、实现两车通信以及相应的算法控制是本系统的关键所在。

系统的设计分为主控系统电源模块、电机驱动控制、光电传感器模块、四个模块。

单片机（小车）通过光电传感器检测行驶路径与标志位，实现小车在固定轨道内行驶。

超声波模块测距检测两车距离，判别两车相对位置。

驻极体话筒与后级放大电路构成声音接收器，在检测到声音信号后，输出脉冲信号至单片机（监控站）的中断口。

从而小车就能实现两车交替超车领跑功能。

1、主控系统

根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。

据此，拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：

方案一：

采用51单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。

充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势——控制简单、方便、快捷。

这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。

因此，这种方案是一种较为理想的方案。

方案二：

采用ARM系列的32位处理器STM32，其处理速度快，可实现多级中断嵌套，可对行驶轨道进行实时扫描，高速、精确地完成题目要求。

综合考虑，选用方案二。

2、电机驱动模块

方案一：

采用继电器对电动机的开或关进行控制,通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。

方案二：

采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。

但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。

更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。

方案三：

采用L298N驱动。

L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。

用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

且由L298N结合单片机可实现对小车速度的精确控制。

这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。

因此决定采用L298N控制直流电机，即采用方案三。

3、电源

稳定的供电电源是实现各种功能的基础，由于小车上的蜂鸣器需要12V供电，电路需要3.3V供电，而小车的锂电池只能提供12V的电压，所以必须设计降压转换电路，保证各功能模块的供电要求。

通过LM7808、LM7805、1117逐级稳压电路能够很好地将电池电压稳在3.3V。

4、光电传感器模块

方案一：

采用简易光电传感器结合外围电路探测，但实际效果并不理想，对行驶过程中的稳定性要求很高，且误测几率较大、易受光线环境和路面介质影响。

在使用过程极易出现问题，而且容易因为该部件造成整个系统的不稳定。

故最终未采用该方案。

方案二：

采用两只红外对管，分别置于小车车身前轨道的两侧，根据两只光电开关接受到白线与黑线的情况来控制小车转向来调整车向，测试表明，只要合理安装好两只光电开关的位置就可以很好的实现循迹的功能。

（参考文献[3]）

方案三：

采用五只红外对管，一只置于车体中间，四只置于车体外侧，当小车脱离轨道时，即当置于中间的一只光电开关脱离轨道时，等待外面任一只检测到黑线后，做出相应的转向调整，直到中间的光电开关重新检测到黑线（即回到轨道）再恢复正向行驶。

现场实测表明，通过比较，我选取第三种方案来实现循迹。

二、系统硬件的设计与实现

1、电机驱动

电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N内部集成了H桥式驱动电路，从而可以采用L298N电路来驱动电机。

通过单片机给予L298N电路PWM信号来控制小车的速度，起停。

采用简单易控的直流电机。

履带式小车的左右履带分别用两个直流电机独立控制，配合L298完成电机的驱动控制。

电路图如图1所示：

图1电机驱动电路

2、光电传感器模块

小车循迹原理是小车在画有黑线的白纸“路面”上行驶，由于黑线和白纸对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”—黑线。

该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法——红外探测法。

红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。

在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色地面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号，再通过LM393作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测。

市面上有很多红外传感器，在这里我选用RPR220型光电对管。

图2光电传感器电路

3、主控系统

本系统的控制器采用STM32最小系统板，该芯片为3.3V供电，为低功耗的ARM系列单片机，所以对外围电路的要求比较高，本方案采用光电耦合器（TLP521）使最小系统与外围电路隔离，实现保护低功耗单片机的作用。

图3主控系统图

三、系统软件的设计及实现

图4甲车程序流程图

图5乙车程序流程图

四、测试数据及误差结果分析

1、测量仪器：

计时表、UT52数字万用表、YB4320F双踪模拟示波器，3米卷尺

2、测量内容：

小车车速、响应时间、再次运动时间

（1）、实际测试光电对管反应延迟和小车由运动转入停止的时间，通过编程命令小车遇到黑线停止前进，测试发现，小车停止于黑线靠近小车的边缘，证明光电对管反应延迟和小车机械停止两者时间总和对整个系统没有影响。

（2）、在地面测量100.00cm直线距离，并在中点处放置一条黑线，调整小车位置，使小车直线走过此距离，并通过编程，控制小车在检测黑线后精确延时2s后再前进，行进到终点处计时表停止计时，测试结果如下表2

表2

平均值

时间/S

9.42

9.08

9.65

9.53

9.32

9.41

减去精确延时的2s和小车的直线运行时间，即9.41-2-6.55=0.86，可得到小车机械停止于机械启动总时间为0.86s。

3、系统功率

由于系统采用STM32最小系统板，该芯片为3.3V供电，为低功耗的ARM系列单片机，主芯片工作功率只有几毫到几十毫瓦，故系统功率极低。

系统主要电量消耗在小车驱动电路，由电能转换成机械能，驱动小车前进。

4、误差原因分析及解决方案

由于电机启动时对光电传感器采集信号的干扰，使单片机无法准确的判别它的位置，导致小车乱走。

通过设定延时可以很好地解决这个现象。

五、调试过程中遇到的问题及解决方案

1、电源的磁场干扰

设计降压转换电路，保证各功能模块的供电要求。

通过LM7808、LM7805、1117逐级稳压电路能够很好地将电池电压稳在3.3V。

在测试过程中发现，小车的定位更加精准。

2、模块之间的串扰

各个独立模块由于用同一电源供电，很容易通过传输线串扰影响其他模块的正常工作，尤其是由于驱动电路的电量需求较大，小车在行进过程中总电源电源很不稳定，在各个稳压模块处并联大的极性电容，效果十分明显，各模块都能独立正常工作。

为了进一步减小干扰，系统在单片机与各个模块之间尽可能的设计了光耦接口电路，利用光耦的电气隔离特性，保证各模块工作独立正常。

六、总结

有付出就会有收获。

在这暑假一个多月里，我们放弃回家和去玩的机会，选择留在学校学习和做设计。

功夫不负有心人，我们成功地完成了四天三夜的全国大学生电子设计竞赛。

在本次竞赛的过程中，遇到了许多事先未曾预料的事情和各种困难，设计制作曾几度中断，但通过查找资料、仔细分析和自我调整讨论后解决了问题。

在设计的过程中，我们团队团结合作，努力奋斗，在大家的共同努力下我们成功的完成了这次的竞赛。

在整个过程中我们深刻得体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己发现问题，分析问题，解决问题的能力。

本系统以单片机STM32F103VBT6为核心部件，利用光电传感器和自动控制，配合一套独特的编程控制实现了小车速度控制、转弯标志、超车标志等功能，最终使小车完成竞赛题目中要求的各项任务。

在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。

当今社会，科学技术日新月异，信息技术革命的深入和计算机技术的飞速发展，时代前进的步伐越迈越宽，虽然这是人类科技的进步，但是对于我们大学生，触动还是很大的，我们也希望依靠我们的智慧和毅力，对于人工智能慢慢的研究，而此全国大学生电子设计竞赛则给了我们很好的机会。

七、参考文献

[1]刘全忠，等.电子技术（第二版）.北京：

高等教育出版社,2003年.

[2]蔡菲娜，等.单片微型计算机原理和应用.浙江：

浙江大学出版社，2003年.

[3]康华光.电子技术基础（模拟部分）[M].北京：

高等教育出版社，2002年.

[4]黄智伟.ARM嵌入式系统应用设计与实践.北京：

北京航空航天大学出版社，2009年

[5]刘军.例说STM32.北京：

北京航空航天大学出版社，2011年

[6]彭刚.基于ARMCortex-M3的STM32系列嵌入式微控制器应用实践，电子工业出版社

[7]里科.C和指针.美国：

人民邮电出版社

[8]韩国栋.AltiumDesigner电路设计入门与提高,化学工业出版社