全国大学生电子设计竞赛智能小车.docx

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全国大学生电子设计竞赛智能小车

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

摘要

本设计以STC89C52单片机为控制核心，小车具有循迹检测、超声波避障、电机驱动、无线通信等主要功能。

首先，两个电机分别单独控制左右两个车轮，通过调节两个电机的转速及转动时间，达到小车正常行驶及转向的目的。

车头的四个红外光电传感器通过对路况的检测反馈给单片机，控制小车行走路线，防止超出边界线。

与此同时通过超声波模块，检测前方是否有小车，并且将信息反馈给单片机，控制小车减速，防止出现撞车。

在第二圈超车过程中，两车相继进入超车区后，甲车减速后直线前进，乙车正常行驶并进入超车区，达到超车目的。

关键字：

控制；检测；反馈；STC89C52单片机；超车；

目录

1方案论证与比较1

2各模块方案选择1

2.1电源模块1

2.2系统控制模块2

2.3循迹模块2

2.4避障模块2

2.5无线通信模块3

2.6电机驱动模块3

3系统硬件设计3

3.1电源设计4

3.2驱动模块设计4

3.3循迹设计5

3.4超声波避障设计6

4系统软件设计6

5系统调试7

6结论8

7参考文献9

1方案论证与比较

方案一：

每辆小车分别用一片STC89C52单片机作为控制核心，控制小车全程行驶，包括循迹，躲避障碍物，无线通信，小车调速等功能。

方案二：

每辆小车分别用一片STC12C5410AD单片机作为主控芯片，STC12C5410AD单片机自带ＰＷＭ和ＡＤ功能。

可使程序编写更简洁，运行速度更快，但IO口相对较少，不能满足实际需求。

经分析以上两种方案，采用方案一。

2各模块方案选择

2.1电源模块

方案一：

将四节1.5V普通电池串联为整个系统供电，这种方法获取电源方便，且电源输出电流能力较大。

但电池放电受到自身影响大，若长时间使用，电池输出的电流会逐渐减小，不能较长时间为小车提供稳定的电流，导致电机速度较慢，不符合实际要求。

方案二：

使用四节1.5V南孚电池为整个系统供电，电压可达到6.5V，其中通过稳压芯片7805获取5V直流电源为单片机供电，6.5V电源为电机供电以获得较高速度，该电源输出电流能力较大，而且能较长时间为小车提供稳定的电流，使系统运行稳定，符合实际要求。

鉴于以上分析，选择方案二。

2.2系统控制模块

选择STC89C52单片机进行系统的控制。

该单片机具有IAP功能，运行稳定，保密性强，支持在线下载，且内部集成了EEPROM，STC98C52是我们比较熟悉的一种常用的单片机，指令系统和AT89C52兼容，价格便宜，较容易购买。

2.3循迹模块

采用反射式红外传感器作为循迹检测主要器件，利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。

由于黑白物体反射系数的不同，通过调节使光敏三极管就只能接收到白色物体反射回来的光束。

而对于黑色物体由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接收到反射光。

利用反射光可以使光敏三极管实现导通和关断，从而实现对黑白物体的分辨。

将循迹检测系统放在车前左右两侧，当检测到黑色边界线时，在红外反射管处得到低电平信号，在经过反相器74LS14后，能更加灵敏和精准输出高电平信号，单片机得到高电平信号后控制小车向相反方向行进。

2.4避障模块

方案一：

采用红外反射传感器，这种传感器使用方便但容易受到外界影响，而且这种传感器对不同颜色的反射程度不同，有效距离较短，当车速较快时，由于惯性，小车不能及时减速，易发生撞车，给调试带来不便。

方案二：

采用超声波传感器，使用简单，检测范围大，使用灵敏。

在非超车区时，超声波模块可避免两车相撞，在超车区时，可避免乙车出车道时与甲车相撞。

鉴于以上分析，采用方案二。

2.5无线通信模块

采用NRM24L01无线模块，该模块具有功耗低，通信传输速率高的特点。

该模块可控制在超车模式下，甲乙两车同时启动，保证开始时间准确。

同时又可在乙车超过甲车后，通过无线通信，使甲车提高速度，追赶乙车。

2.6电机驱动模块

方案一：

采用分立元件三极管组成的H桥PWM调速电路，用于实现对直流电机速度和方向的控制。

由于采用分立元件组成电动机逻辑驱动，故易造成驱动电路稳定性差的问题，且性价比高，不符合节能低功耗的要求。

方案二：

电动机驱动电路主要由双桥电动机驱动芯片L298和多个整流二极管组成，专用驱动芯片内部的压降一般较低，在驱动电路上功耗低，驱动电路相对简单，且一片L298可驱动两个电机，既满足单独控制左右轮行驶的要求又能保护直流电机。

鉴于以上分析，故采用方案二。

3系统硬件设计

如图3.1所示，系统主要包括电源设计、循迹检测设计、超声波避障设计、电机驱动设计、无线通信设计等。

图3.1系统总框图

3.1电源设计

由于小车运动时负载大，需要驱动力较大，且在运动时需要较大的稳定电流输出，以保证较长时间的行驶，故将性能较好的南孚电池通过稳压芯片7805，以获得稳定的5V电压输出。

如图3.1.1所示，电池电源通过7805的IN口，经OUT口输出，图中C1，C2，C3为滤波作用，同时分出的6.5V又可接电机以获得较大速度，在保证系统工作正常的同时使小车较快行驶。

图3.1.1电源原理图

3.2驱动模块设计

电机的左右轮分别由两个独立的电机驱动，通过控制两个电机正转时间的不同，实现小车的前进和左右的方向选择。

应用L298N进行电机驱动，如图3.2.1所示，IN1和IN2控制小车左轮并且通过ENA控制占空比，这样能控制小车的左轮驱动能力。

IN3和IN4控制小车右轮并且通过ENB控制占空比来控制小车右轮的驱动能力，以达到调节速度的要求。

输出端OUT1和OUT2接左轮，OUT3和OUT4接右轮，前进时，两轮驱动能力相同，左转时，右轮比左轮驱动力强，右转时，同理。

而二极管的引入能够起到保护电机的作用。

图3.2.1电机驱动原理图

3.3循迹设计

循迹采用反射式光电传感器，反射式光电传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检查方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收。

经处理之后，通过数字传感器接口返回微控制器，微控制器可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。

如图3.3.1所示，当遇到黑线时，图中三极管8050导通，反相器输入口处检测到低电平，经反相器后变为高电平，供单片机识别，同时指示灯被点亮，图中滑动变阻器，可方便改变光电传感器的输入电流，从而改变灵敏度，图中0.1uF电容，可减少电路中“毛刺”，以增加电路的抗干扰能力。

图3.3.1小车循迹电路

3.4超声波避障设计

甲乙两车分别装有超声波模块，通过超声波传感器对前面行驶的小车进行避障检测，从而控制小车的行驶速度。

超声波传感器能测量甲车与乙车的距离，当检测到前方一定距离内有小车时，车开始减速，已达到避免撞车的目的。

4系统软件设计

系统软件设计如图4.1所示，分为电源设计、循迹检测设计、超声波避障设计、电机驱动设计、无线通信模式设计。

图4.1系统软件总框图

进入循迹模式时，如图4.2所示，启动小车后，小车前进，当检测到黑线时，判断黑线位置，若检测到左边线，小车右转，若检测到右边线，小车左转。

图4.2循迹检测模式

进入超声波避障模式时，如图4.3所示，两小车正常行驶，当后面的小车检测到前方有小车时，小车减速，直到超声波模块检测不到前方有小车时，小车继续前进。

图4.3超声波避障模式

进入无线通信模式时，如图4.4所示，甲车发送起动信息，甲乙同时起动，在超车区，甲要超车，发出信息使乙车减速，之后都正常行驶。

接下来一圈时乙车超车，超车区的甲车发出信息使乙车超车，达到两车交替进行领跑的目的。

图4.4无线通信模式

5系统调试

1．循迹模块测试，循迹过程中不能及时准确的判别黑线，常随机将跑道上的某些点误判为黑线，导致小车路线错误。

经排查，由于自己铺设的跑道不够平整，导致红外光电传感器会受到影响，调试过程中，通过改变与接收管相关的电阻阻值的大小来改变接收能力，调试过后小车循迹正常。

2.超声波避障测试，行车时超声波不能及时收到正确的信息，供单片机识别，经改进在小车后部加一片挡板，反馈信息准确度明显提高。

3.整体调试后，得出电池电量低于4.5V时，会导致系统工作不稳定，传感器工作不正常，故需经常更换电池,只有小车电机在6.3V供电时，速度相对稳定，并且可以及时准确的循迹。

4.经测试，两辆小车绕圈一周的时间平均为40s，虽由于小车自身性能，走直线时会偏向一侧，但可通过循迹模块纠偏，系统相对稳定，行驶较平稳。

5.

测试结果记录

第一圈

第二圈

第三圈

平均

甲车

41s

38s

40s

39s

乙车

40s

42s

40s

41s

6结论

1.本设计以STC89C52单片机为控制核心，小车具有循迹检测、超声波避障、电机驱动、无线通信等主要功能

2．应用L298N进行电机驱动电机，电机的左右轮分别两个独立的电机驱动，通过控制两个电机正转时间的不同，实现小车的前进和左右的方向选择。

车头的四个红外光电传感器，通过对边界黑线的检测反馈给单片机，控制小车行走。

3．两小车同时行驶时，通过超声波检测，判断前方是否有小车，并将信息反馈给单片机，控制后面的小车减速，防止出现撞车。

4.超车过程中，甲车减速后直线前进，乙车正常行驶并进入超车区，达到超车目的。

5.由于小车电机和车轮的问题，在循迹等前进过程中不是很平稳，有些摇晃，走直线时会出现偏转，但整体能实现其所要的基础部分功能。

7参考文献

[1]郭天祥.51单片机C语言教程.北京：

电子工业出版社，2011.

[2]黄智伟.全国大学生电子设计大赛训练教程.北京：

电子工业出版社，2010.

[3]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.北京：

电子工业出版社，2009

[4]童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：

高等教育出版社，2010.

[5]阎石.数字电子技术基础.北京：

高等教育出版社，2010.