全国电子设计大赛智能小车.docx

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全国电子设计大赛智能小车

全国电子设计大赛智能小车（C题）设计报告

中文摘要：

采用C8051F020单片机为控制芯片控制小车的速度及转向。

其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机输出的PWM波控制以实现小车在超速区的超速行驶，利用红外对管检测黑线和障碍物以实现小车的正常行驶和转弯，避免在行驶过程中越界和碰撞。

关键词：

智能小车；STC89C52单片机；L298N；红外对管

第一章方案设计与论证…………………………………………………………………3

1.1主控系统………………………………………………………………………………3

1.2电机驱动模块…………………………………………………………………………3

1.3信号检测模块………………………………………………………………………3

1.4两车通信模块………………………………………………………………………4

1.5电源模块……………………………………………………………………………4

第二章硬件设计…………………………………………………………………………4

2.1总体设计……………………………………………………………………………4

2.2车体设计……………………………………………………………………………5

2.3驱动电路……………………………………………………………………………5

2.4信号检测与控制………………………………………………………………………7

2.5两车通信模块…………………………………………………………………………7

第三章软件设计………………………………………………………………………8

3.1主程序模块……………………………………………………………………………8

3.2信号检测模块…………………………………………………………………………9

3.3超车区域…………………………………………………………………………10

第四章测试与结果分析…………………………………………………………………10

结束语………………………………………………………………………………………11

参考文献……………………………………………………………………………………11

一、方案设计与论证

1.1、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：

选用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。

CPLD具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用VHDL语言进行编写开发。

但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。

同时，CPLD的处理速度非常快，而小车的行进速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU就已经可以胜任了。

若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。

为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。

方案二：

采用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，我们选用了C8051F020单片机。

1.2、电机驱动模块设计

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具有调速特性优良、调整平滑、调速围广、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。

因此我们选用了方案二。

1.3、信号检测模块

方案一：

采用六只红外对管，有中间向两端依次均匀排列安置，当两侧对管检测到轨道边缘2cm黑线时，避开黑线沿轨道行驶，当所有对管检测到1cm标志线时实行转弯，超车等功能。

方案二：

采用六只红外对管，两侧依次紧密排列两组对管，两外两组等距排列于中间位置，增加外围红外对管的密度，能更准确地检测到边缘黑线的位置，可靠性更强，避免脱离轨道。

通过比较，我们选用方案二。

1.4、两车通信模块

方案一：

采用三只红外对管置于小车前端，一只在前，另外两只分与两侧，以便在超车区域两车互相检测，避免碰撞。

方案二：

采用集收发一体的nRF2401单芯片,且最高发送速率可达1Mbps,高于蓝牙，使用简单方便。

在实际应用中,配合USB进行远程无线测量,数据速率达到500Kbps。

可实现无线数字通信功能。

通过比较方案二通信效果更好。

1.5、电源模块

方案一：

采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供5V电压，但占用资源过大。

方案二：

采用4支1.5V干电池单电源供电，但6V的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。

方案三：

采用6支1.5V锂电池双电源不仅分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能，而且节能减耗，可重复利用。

所以，我选择了方案三来实现供电。

第二章硬件设计

2.1总体设计

图2.1主板设计框图

元件清单

表2.1元件清单

元件

数量

元件

数量

元件

数量

直流电机

2只

电阻

若干

集成电路芯片

若干

单片机

1块

二极管

若干

电容

若干

红外对管

9只

锂电池

6节

电位器

若干

NRF2401无线通信模块

1只

漆包线

若干

小车

1个

开关

一个

2.2车体设计

智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用。

车体材质轻，减少对路面的损耗。

2.3驱动电路

电机驱动一般采用H桥式驱动电路，L298N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。

其实物图如2.2，驱动原理图如图2.3。

图2.2L298N

图2.3电机驱动电路

2.4信号检测与控制

小车信号检测原理是小车在边缘有黑线的“路面”上行驶，由于黑线和路面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”边界—黑线。

我们在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，当红外光遇到路面时发生漫发射，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LM324作比较器来采集高低电平，从而实现信号的检测，以便小车可以正常行驶，不脱离预定轨道。

检测电路如图2.4。

图2.4信号检测模块

小车是由C8051F020为控制芯片，L298N为驱动电路控制小车的速度和转向。

C8051F020具有64个数字IO引脚，每个IO口都可以配置成推挽或漏极开路输出，数字交叉开关允许用户根据自己特定应用选择通用端口IO和所需数据资源的组合。

具有高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51核，全速、非侵入式的系统调试接口，64字节的可在系统编程的FLASH存储器，4352字节的片RAM，5个通用的十六位定时器，5个捕捉|比较模块的可编程定时器|计数器阵列，片看门狗定时器，VDD监视器和温度传感器。

能有效地对小车进行控制。

2.5两车通信模块

小车是由nRF2401来实现两车通信的

nRF2401单芯片集收发一体,且最高发送速率可达1Mbps,高于蓝牙，使用简单方便。

在实际应用中,配合USB进行远程无线测量,数据速率达到500Kbps；外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路；发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置；电源电压围为１.９～３.６Ｖ，功耗很低；芯片部设置有专门的稳压电路，因此，使用任何电源（包括ＤＣ／ＤＣ开关电源）均有很好的通信效果。

（如图2.5）

图2.5nrf2401无线收发模块

第三章软件设计

3.1主程序框图：

图3.1系统总体框图

3.2信息检测模块

图3.2信息检测模块框图

3.3超车区域

图3.3超车模块框图

第四章测试与结果分析

由于智能小车属于移动性高精度实时控制领域，因此各模块必须具有精度高、传感器综合控制、智能控制等性能要求，所以测试时将整个系统分为传感器测试模块，电机测试模块，程序测试，总体测试。

传感器测试：

作品采用了九对红外对管用于信息检测，六只用于检测黑线，三只用于

检测障碍小车，测试过程中我们用白纸黑胶带模拟测试，用其他物品模拟障碍物，调整电位器来调整需要的测试围。

电机模块测试：

我们通过程序，给电机下载不同的指令，观察电机是否按照设定的方

试转动。

程序测试：

通过与传感器模块，电机模块一起协同测试。

整体测试：

当所有的模块测试没有问题后，我们协力按照大赛要求制作了跑道，通过跑道进一步进行精确测试，认真编写程序，通过分析、修改数据参数，以使实现小车能在行驶的时候遇到边缘黑线躲避偏移，遇到转弯标志线正常转弯，在超车区域实现超车的功能。

结束语

进过四天三夜的奋战，智能小车终于能按照大赛需求在预定轨道实现两车交替领跑功能。

在整个过程中，我们不仅在通力合作中体会到了团结的重要性。

还将理论与实践结合了起来，培养了一定的科研能力，拓宽了知识面。

展望未来，智能车技术必将在更广阔的领域广泛应用。

参考文献：

C8051F020混合信号ISPFLASH微控制器数据手册（琢金译）；

8051系列单片机C程序设计完全手册（科技）；

新编MCS-51单片机应用设计（毅刚等编著）。