电子设计大赛智能小车论文.docx

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20XX年全国大学生电子设计竞赛

智能小车（C题）

参赛队员：

 本科生 张振

本科生 郝正辉

本科生 赵双领

20XX年9月3日

摘要

本设计为以STC12C5A60S2为主控制器的智能小车控制系统。

每个小车系统由光电循迹模块、L298N电机控制模块、小车系统通讯模块、电源模块组成。

小车循迹模块由两个光电开关和一个RPR220光电对管构成，两个光电开关检测车道边沿信号，防止小车冲出行车道；RPR220光电对管检测转弯标志，三个传感器相结合使小车实现循迹功能。

通讯模块由一个光电开关与超声波传感器相结合组成，实现小车实时通讯。

两个小车供电系统采用电池组供电。

本次设计的小车系统经过测试运行比较稳定，基本实现两车交替循环超车功能，达到预期目的。

关键词：

STC12C5A60S2、循迹、两车交替循环超车

目录

0引言 1

1 系统方案设计分析 2

1.1 控制器的选择 2

1.2 光电循迹模块的论证与选择 3

1.3 小车系统通讯模块的选择 3

1.3.1 光电开关检测模块 3

1.3.2 超声波模块 3

1.45V直流电机与L298N电机控制模块的论证与选择 3

1.5电源模块的选择 4

2 理论分析与计算 4

2.1信号检测与控制 4

2.1.1 光电开关检测计算与控制 4

2.1.2RPR220检测计算与控制 5

2.1.3 超声波信号检测与控制 5

2.2两车之间的通信方法 6

2.3节能 6

3 硬件设计 6

3.1RPR220检测电路 6

3.2 光电开关检测电路 7

3.3L298N驱动电路 7

3.4 超声波收发电路 7

4 程序设计与流程 8

4.1程序功能描述与设计思路 8

4.1.1 程序功能描述 8

4.2.2 程序设计思路 8

4.2程序流程图 9

5 测试方法与测试结果 11

5.1测试方案 11

5.2 测试条件与仪器 11

5.3 测试数据与结果分析 11

5.3.1PWM调速 11

5.3.2 超车时间控制 12

6 总结 12

6.1 设计小结 12

6.2 设计收获 12

参考文献 13

附录1：

系统原理图 14

附录2：

部分源程序 15

0引言

在本设计中，要求甲车车头紧靠起点标志线，乙车车尾紧靠边界，甲、乙两辆小车同时起动，先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。

跑道如图1 。

图0-1 小车跑道

具体要求如下所示：

1. 基本要求

（1）甲车和乙车分别从起点标志线开始，在行车道各正常行驶一圈。

（2）甲、乙两车按图 1 所示位置同时起动，乙车通过超车标志线后在超车

区内实现超车功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。

（3）甲、乙两车在完成

（2）时的行驶时间要尽可能的短。

2. 发挥部分

（1）在完成基本要求

（2）后,甲、乙两车继续行驶第二圈，要求甲车通过超

车标志线后要实现超车功能，并先于乙车到达终点标志线，即第二圈完成甲车超

过乙车，实现了交替领跑。

甲、乙两车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。

（2）甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈，并交替领跑；两车行驶的时间要尽可能的短。

（3）在完成上述功能后，重新设定甲车起始位置（在离起点标志线前进方向 40cm 范围内任意设定），实现甲、乙两车四圈交替领跑功能，行驶时间要尽可能的短。

基于以上要求，我们运用PWM调速，采用光电开关检测轨道两侧边沿，控制小车沿指定轨道行驶，采用红外对管检测转弯标志线，用超声波控制两车之间距离，并结合光电开关实现两车交替超车、领跑。

1 系统方案设计分析

本设计由于有两个小车，所以每个小车系统都要含有以上的外接模块电路，以便使控制器控制两小车。

每个小车系统由光电循迹模块、L298N电机控制模块、小车系统通讯模块、电源模块组成。

系统总体框图如图1-1所示。

图1-1 小车系统框图

下面分别对这几个模块的进行选择：

1.1 控制器的选择

在本设计系统中中，我们选择STC12C5A60S2为两个小车的控制器。

因为STC12C5A60S2单片机处理数据的速度是普通单片机的8-12倍，内部自带SPI、ADC、eepromPWM及双UART等。

1.2 光电循迹模块的论证与选择

方案一：

采用3个RPR220循迹。

此方案运用三个RPR220检测转弯标志及跑道两侧的边沿标志。

，它测量距离近，但反应灵敏、准确。

方案二：

采用光电开关循迹。

小车跑道两侧均有一定的高度差，可以通过控制光电开关的灵敏度实现边沿检测，实现小车的循迹。

方案三：

采用一个RPR220检测控制电机转弯，两个光电开关循迹相结合控制电机实现其循迹功能。

在本设计中在转弯处都有两厘米宽度的黑胶带，无论小车前端走到何处，都可以利用RPR220很灵敏的检测到转弯标志，由于跑道两侧的高度差，采用光电开关寻两侧效果相比RPR220更容易控制小车，防止小车冲出跑道。

因此，综合以上三种种方案，选择方案三。

1.3 小车系统通讯模块的选择

小车系统模块有两个部分组成：

1.3.1 光电开关检测模块

本设计中采用与循迹模块一样的光电开关。

当位于后面的小车，在超车区超越前面小车时，位于前面小车右侧的光电开关检测到超越信号，告知前面小车后车已经超越，从而实现了两个小车的通讯。

1.3.2 超声波模块

本模块采用一对声波收发头，通过程序控制使单片机输出一定的频率信号，驱动发射头发出声波信号，当遇到障碍物的时候，声波反射回来接收头收到信号。

通过计时，计算出两障碍物之间的距离。

1.45V直流电机与L298N电机控制模块的论证与选择

方案一：

采用继电器对电机的开关进行控制，可以完成电机的正转，反转，调速，但继电器响应时间慢，使小车运动灵敏度降低，增加了避障的难度。

而且机械结构易磨损，可靠性不高。

它适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机则极不经济。

方案二：

采用L298N控制芯片，通过单片机I/O口输入改变控制端的电平，即可实现5V直流电机正反转、停止的操作。

运用此方案可以很好的利用单片机程序控制达到控制电机的目的。

基于以上两种的方案的比较，选择方案二。

1.5电源模块的选择

整个电路系统我们采用电池组供电，能够满足系统要求。

我们采用以STC12C5A60S2为小车控制器，利用两个光电开关实现小车轨道循迹，一个RPR220红外对管检测轨道转弯标志及一个光电开关、超声波实现两小车的相互通讯。

2 理论分析与计算

2.1信号检测与控制

2.1.1 光电开关检测计算与控制

在本设计中我们运用的光电开关E18-B03N1是一种灵敏度可调，可以根据不同高度进行调节以使其响应检测信号。

控制方法原理：

把光电开关接入TTL电平，根据光电开关长度与小车的高度，我们设计把光电开关放到离地面高度20cm的位置，调节光电开关旋钮，直到光电开关指示灯亮，此时光电开关只对这一位置高度产生信号反应（指示灯亮），其他位置不做反应（指示灯不亮）。

因此把光电开关以某一斜度放置在小车前端，保证光电开关能检测到一定的高度信号，控制如图2-1所示（光电开关检测到的最高距离为20cm，检测到边沿距离为b）

图2-1 光电开关放置斜度图

计算过程：

我们设光电开关放置斜度为X，测得光电开关探测头高度a=10cm，根据上图得：

cosX==14/20=0.7

计算得X大约50左右，因为我们固定光电开关的时,在高10cm处以45度倾角固定光电传感器，从而能够使光电开关检测到车道边沿的高度差，实现信号反馈。

位于小车右侧的光电开关也采用与此一样的控制原理。

2.1.2RPR220检测计算与控制

RPR20的工作原理与光电的工作原理相同。

通过调节如图2-2的滑线变位器，可使RPR20的检测高度最高达到4cm,为了保证RPR20检测信号的可靠性，我们把RPR220与轨道面的高度确定在1.5cm。

图2-2RPR220与地面垂直高度

2.1.3 超声波信号检测与控制

超声波模块发出的超声波为球面状，对很小的障碍物都能反射回信号。

通过检测，可以把超声波模块的有效作用距离为调整到1m。

行驶过程中，前车接收不到超声波，可以判断出接收不到超声波的车为前车。

后车通过超声波可以计算出与前车的距离。

当两车距离大于30cm时，后车加速；当两车距离小于15cm时，后车减速；

图2-3 超声波发射接收状态图

2.2两车之间的通信方法

由于超车区轨道为80cm,我们把前车左侧的光电开关的有效探测距离调到60cm，可以保证后车超车过程中达到两车平行时，前车一定能接受到此时后车位置的信号，即实现了两车通讯。

2.3节能

电机功耗计算：

直流电机功率=机械效率*电压*电流

扭矩=9.55*（功率/转速）

机械效率=输出功率/输入功率

输入功率=电压*电流

我们需要运用的电机是直流，并且为了方便应用于单片机，选电压值为5v。

要求电机的扭矩在一定值范围内。

由于小车要循迹和超车，小车的速度要求也比较小，通过以上直流电机功率计算公式可知：

选用5v直流电机，电机的功率小，并且机械效率高。

3 硬件设计

3.1RPR220检测电路

当红外传感器检测到黑胶带时，会传送给控制器一个跳变信号，从而使控制器实行相关操作。

电路如图3-1所示

图3-1 RPR220检测电路

3.2 光电开关检测电路

本系统采用的光电开关直接接单片机TTL电平，信号输出端接单片机I/O口，电源线直接接单片机电源，即可达到检测信号的目的。

检测灵敏，性能稳定。

3.3L298N驱动电路

电路如图3-2所示，即可通过单片机I/O直接口至电机转动。

图3-2 L298N驱动电路

3.4 超声波收发电路

把超声波模块设计成独立的电路模块，当发射头发射40MHZ的脉冲信号时，接头接收发射回来的声波信号。

此电路能够准确测量距离。

超声波收发电路如图3-3所示。

图3-3 超声波收发模块电路图

4 程序设计与流程

4.1程序功能描述与设计思路

4.1.1 程序功能描述

1、当单片机接收到光电开关与RPR220的检测到信号后，控制电机左转右转，实现循迹

2、编制程序使单片机驱动超声波模块检测前方小车距离，调整后车的车速，使两小车之间距离保持在15cm至25cm之间，并判断出哪辆车为前车。

3、光电开关程序实现两个小车之间的相互通信，实现超车、领跑功能

4.2.2 程序设计思路

1、循迹转弯设计思路

当左右两边光电开关都接收检测到信号时，两光电开关都输出低电平，小车直行；当左右光电开关分别为接收不到信号、接收到信号时，左右光电开关分别输出高、底电平，小车右拐；当左右光电开关分别为接收到信号、接收不到信号时，左右光电开关分别输出底、高电平，小车左拐；

当中间RPR220检测到拐弯标志线时，输出为高电平，并实现对标志线计数功能，作为小车起始、拐弯、超车标志，实现小车的起始、拐弯与超车。

2、两车车距控制思路

前车超声波传感器接收不到超声波，后车超声波传感器接受超声波，通过程序计算实现后车加、减速，来控制两车距离

3、小车超车程序设计思路

两车正常行驶，前车接受不到后车的信号。

继续行驶，直到前车进入超车区行驶道中间位置时，前车停止，等待5.5秒。

只有当超车过程中两车平行时，前车才能接收到后车信号。

此时前车开始定时7.6秒，7.6秒后后车超车结束，前车再继续开始行驶。

4.2程序流程图

1、主程序流程图

图4-1 主程序流程图

2、循迹子程序流程图

图4-2 循迹子程序流程图

3、超车子程序流程图

在超车子程序编写时，使用时间控制的原理控制小车直走转弯的时间进行控制。

其流程图如图4-3所示。

图4-3 超车子程序流程图

5 测试方法与测试结果

5.1测试方案

一、硬