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电子设计大赛论文
1．系统设计方案4
1.1.路面标志线检测方案的选择与论证4
1.2.控制芯片选择5
1.3．电机的选择5
1.4.电机驱动方案的选择与论证6
1.5．探测前方小车方案选择6
2.理论分析与计算6
2.1信号检测与控制6
2.1.1寻迹电路分析6
2.2两车之间的通信9
2.2.1基本设想9
2.2.2.无线通信原理9
2.2.3.数据计算10
2.3节能11
3.系统具体设计与实现12
3.1系统总体概况12
3.1.1各模块电路设计12
3.2系统的软件设计15
3.2.1软件的主要特色15
3.2.2主程序软件流程15
4、系统调试与测试方法17
4.1.测试方案及测试条件17
4.2测试结果18
4.3测试结果分析18
5.结论与展望18
智能小车
摘要：
本设计以Freescale-MCS12作为智能小车控制核心，电路分为路面黑线检测模块、电机驱动模块、超声探测模块、小车车速和方向控制模块、无线通讯等几部分。
路面检测采用激光传感器来检测黑线；超声波传感器用来检测并保持小车之间的安全距离；采用PWM技术控制电机驱动，灵活方便地对车速及方向进行控制。
各探头的信号经单片机综合分析处理对小车的轨迹进行控制分析。
基于可靠的硬件设计和抗干扰的电路设计，加之采用稳定而且独特的软件编程，实现了小车在行进过程中路线的精确控制，附加的彩灯指示等功能使得本设计更加完善和人性化。
关键词：
智能小车超声探测电机驱动无线通讯
Abstract
Inthisdesign,thecontrollerofthesmartcarisbasedonFreescale-MCS12.Thecircuitiscomposedofthefollowingmodules:
detectingtheblackTrackline,motordrivemodule,Ultrasoundprobemodule,carspeedanddirectioncontrolmodule,RFWirelessDataCommunicationModuleetc..ThedetectionofblacklineontheroadisrealizedbyreflectionLasersensor;theUltrasonicsensorisusedtodetectandmaintainthesafedistancebetweencars;ThemotordrivemoduleadoptsPWMtechnologytocontrolthecar’sspeedflexiblyandconveniently.TheFreescale-MCS12syntheticallyprocessestheinformationcollectedfromallthedetectingheads.Theaccuratecontrolofthecar’sadvancingrouteisbasedonreliablehardwaredesign,alongwiththestableandspecialsoftwareprogramming.Additionalfeaturessuchaslanternindicateamoresophisticatedanduser-friendlydesign.
Keyword：
smartcar，Ultrasoundprobe，RFWirelessDataCommunication，motordrive
1．系统设计方案
1.1.路面标志线检测方案的选择与论证
路面标志线检测包括检测边界线、起点/终点标志线、转弯标志线和超车标志区线段。
探测路面黑线的基本原理是：
光线照射到路面并反射，由于黑线和白木板对光的反射不同，所以可以根据接收到的反射光强弱来判断黑线。
可实现的方案有以下几种：
方案一：
采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案，电路如图1-1
图1-1二极管电路图
该方案实施时，易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到。
主要因为可见光的反射效果跟地面的平坦程度和材质有很大关系。
虽然可采用超高亮度发光二极管降低一定干扰，但会增加额外功耗。
方案二：
激光传感器。
由于采用带有交流分量的调制信号，可大幅度减小外界干扰；在试验中，我们发现它对黑色物体的检测效果很好，测出其反应速度约为3us，外围电路也较简单。
激光的优点简而言之就是：
探测距离远、抗干扰能力强、电路简单。
当然也有缺点：
价格相对昂贵、器件寿命短。
比较以上两种方案，方案二占有很大优势，市场上很多激光传感器探头也是基于这个原理。
这样不但能准确完成测量，而且能避免电路的复杂性，因此选择方案二。
1.2.控制芯片选择
方案一：
89C51作为自动控制小车的控制核心。
51单片机具有价格廉价使用简单等特点，但是运算速度较低，功能比较单一，若对小车实现较为复杂的功能时候就必须外扩芯片，控制过程相对比较繁琐。
方案二：
飞思卡尔Freescale-MCS12芯片主要应用于汽车电子等嵌入式系统领域，最适宜实现小车较为复杂功能。
采用硬件构建思想，制定一些基本规范并对底层驱动进行构件化分装，提高了其可重复性与可移植性。
软件程序采用C语言编程，结构清晰明了，注重硬件与软件的结合使用，控制方便。
比较以上两种方案，选择飞思卡尔MCS12芯片较为合适。
1.3．电机的选择
方案一：
采用步进电机。
步进电机的一个显著特点就是具有快速启停能力，如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能立即使得步进电机启动或者反转。
另一个显著特点是转换精度高，正转反转控制灵活。
方案二：
采用普通直流电机。
直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广；过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动，制动和反转；能满足生产过程自动化系统各种不同的特殊运行要求。
由于普通直流电机更易于购买，并且电路相对简单，所以采用直流电机作为动力源。
1.4.电机驱动方案的选择与论证
方案一：
采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。
这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易损坏，寿命较短，可靠性不高。
方案二：
采用由达林顿管组成的H型和PWM电路。
PWM电路由四个大功率晶体管组成H桥电路构成，四个晶体管分为两组，交替导通和截止，用单片机控制达林顿管使之工作在开关状态，根据调整输入控制脉冲的占空比，精确调整电动机转速。
这种电路由于管子工作只在饱和和截止状态下，效率非常高。
H型电路使实现转速和方向的控制简单化，且电子开关的速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的PWM调速技术。
基于以上分析，选定方案二。
1.5．探测前方小车方案选择
方案一：
采用放射式红外线光电传感器。
这种器件的致命弱点是由于白炽灯内含有红外线易产生干扰，无法给小车提供足够的定位坐标。
方案二：
采用超声波传感器。
如果传感器接收到反射的超声波，则通知单片机前方有障碍物，即为前方小车，否则通知单片机可以向前行驶。
在进行超车时，我们选用方案二检测前方小车。
2.理论分析与计算
2.1信号检测与控制
2.1.1寻迹电路分析
1．没有检测到黑线，则H4发光到白纸光反射到H4接收端，H4接收端导通，导通则T1接地=0。
有检测到黑线，则H4发光到黑线光全部被吸收，H4接收端，没有收到任何信号，因为H4不导通（截止），则T1=VCC。
如图2-1
图2-1寻迹电路
当检测到白纸有接收到反射光LM324的2脚比较器反向端T1=0，V3脚比较器同向端=3V，同向端大于反向端则OUT1输出1。
当检测到黑线没接收到反射光了LM324的2脚比较器反向端T1=5V，3脚比较器同向端=3V，反向端大于同向端则OUT1输出0。
调试方法：
黑色物体遮挡传感器检测T1脚电压变化是否正常
调节电位器R13,使得3脚电压介于（2脚）T1电压的最大和最小值之间。
如图2所示。
图2-2循迹电路连线图
2.1.2.小车寻迹算法以2路探测为例
小车循迹是由左侧的两个激光探头检测小车的倾向，从而获得小车的位置，单片机经过调整PWM的占空比来调整转向，保证正常行驶。
图2-3为小车底盘及电机示意图。
表2-1左右电机转向,表2-2单片机通过电机驱动电路控制小车运行方法,表2-3激光探头与电机配合运动。
图2-3小车底盘及电机示意图
表2-1左右电机转向
左电机
右电机
LA
LB
转向
RA
RB
转向
0
0
不转
0
0
不转
0
1
前转
0
1
前转
1
0
后转
1
0
后转
1
1
不转
1
1
不转
表2-2单片机通过电机驱动电路控制小车运行方法
左电机
右电机
转向
0
1
0
1
前进
1
0
1
0
后退
1
1
0
1
左转弯
0
1
1
1
右转弯
表2-3激光探头与电机配合运动
激光传感器
电机驱动控制
探头1
探头2
小车状况
左电机
右电机
电机动作
0
0
直行
0
1
0
1
直行
0
1
向右倾向
0
1
1
1
右转弯
1
0
向左倾向
1
1
0
1
左转弯
1
1
直行
0
1
0
1
直行
2.2两车之间的通信
小车保持分别在前后行驶状态，车体前端安放的超声波传感器时刻监测与前车尾部之间的距离，程序中设定小车间的安全距离。
当后车检测到两车间距离小于安全距离时，后车开启定时减速程序，从而让两车间距安全。
而在超车区域就要开启两车无线通信程序。
2.2.1基本设想
假设甲车在前，乙车在后，乙车追逐甲车并在超车区域超过甲车。
当乙车检测到超车线后，自动开启超车模式，通过无线通信给甲车发送超车信号，当甲车接收到此信号，就自动减速停车。
当乙车检测通过虚线时，给甲车发送超车结束信号，甲车开始行驶。
最终乙车先于甲车到达终点。
2.2.2.无线通信原理
无线通信模块广泛地运用在车辆遥控、遥测领域中。
该设计使用2.4Ghz高速无线收发芯片，它包括频率发生器、增强型模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、调节器、解调器。
输出功率、频道选择和协议的设置通过SPI接口进行设置。
我们采用的无线通讯芯片NRF24L01，其射频输出原理如下图2-4所示。
图2-4无线通讯芯片NRF24L01单端50Ω射频输出原理图
2.2.3.数据计算
无线通讯模块的晶振规格需要经过严格的计算，为了实现晶体振荡器低功耗和快速启动的目的，我们采用较小的电容。
负载电容C由以下的公式算出：
C=C1’*C2’/（C1’+C2’）
这里C1’=C1+CP1+CI1，C2’=C2+CP2+CI2
C1和C2为贴片电容，CP1和CP2为寄生电容，CI1和CI2是和引脚看进去的电容；由以上计算公式我们得出的负载电容C为1pF。
当微控制器驱动晶振给NRF24L01提供晶振输入（XC1）时，晶振精度为±60ppm。
图2-5晶体振荡器原理图
图2-6无线通讯模式发送一包数据时序图
上图是发送一包数据并受到应答信号的示意图。
接收模块进入接收模式（CE=1），发送模块配置为发射模式（CE=1持续至少10us），130us后启动发射，在经过37us后发送一字节，数据发送结束后，发送模块自动转入接收模式等待应答信号。
发送模块在收到应答信号后产生中断通知MCU（IRQ（TX_DS）=>TX-datasent（数据发送完）），接收模块收到数据包后产生中断通知MCU（IRQ（TX_DS）=>TX-dataready（数据发送完））。
2.3节能
1）本设计智能小车由电机驱动的两轮小车，并在车头带有一个保持平衡的万向轮。
其供电电压由7.2V可充电锂电池提供，电机电流为80mA，总功耗相比于其它类型小车有明显优势。
2）小车的转弯模块里对两轮差速控制过程中仅仅通过改变PWM的方波占空比，某种程度上降低了平均电压，达到节能效果。
3）各传感器外部电路简单，由5V电压供电。
比如激光传感器工作电压为DC5V，工作电流为15mA，功耗极小，探测距离远，抗干扰能力强，电路简单；无限收发器在发射模式下发射功率为-6dBm时电流消耗为9mA，接收模式是为12.3mA。
在掉电模式和待机模式下电流消耗更低。
4）电路板分模块布线，结构安排紧凑，从而减轻小车负重，大大降低电耗。
3.系统具体设计与实现
3.1系统总体概况
本系统以Freescale-MCS12作为小车控制核心，控制路面黑线检测模块，电机驱动模块，超声探测模块，方向控制模块，无线通讯等几部分。
系统框图如图3-1所示：
图3-1总系统框图
3.1.1各模块电路设计
1）电源电路
图3-2电源电路
2）光电检测电路
这里考虑到体积问题，决定自制激光传感器。
为了避免环境光以及其他干扰，接收端使用只对38kHZ信号敏感的一体化红外接收头，38kHZ信号由NE555震荡产生，并使用普通红外发光二极管发射，这里使用三极管控制红外发光瞬间大电流发光，如图3-3。
a单个激光发射电路图b激光调制电路
c分时点亮电路d激光接收电路
图3-3激光有关电路
各模块电路原理如上，在小车的左侧、车头分别设立2个激光传感器，只有发射管的光照到板上才能发生反射，所以调整好两对传感器的各自角度后，只有小车距离板边缘一定距离时发射管照射到板面的同时接收管才能能够接收到信号，这样就能对板的边沿定位，同时用软件判断反馈的信息便能纠正小车的行使方向。
3）电机驱动模块
使用H桥芯片L293控制直流电机，它是典型的H桥型电机驱动，可利用PWM调制实现车速控制，调整方便，经济易用。
由两引脚控制电机正转和反转，有使能端控制电机通断，由MSP430产生的PWM波控制电机的转速，如图3-4。
图3-4电机驱动
本方案实际使用电路连接如图3-5：
图3-5电机驱动连线图
本设计主要采用直流电机控制轮子的导向，从单片机出来的控制信号经过PWM驱动电路在驱动直流电机上。
电机可以正反方向转，用它去控制轮子的左右转向。
4）超声波测距模块
使用超声波测距传感器HC-SR04，该模块具有2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm，包括超声波发生器、接收器与控制电路。
超声波发生器采用IO口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号；模块自动发送8个40khz的方波，接收器自动检测是否有信号返回；通过IO口ECHO输出一个高电平，其持续时间就是超声波从发射到返回的时间。
测试距离=（高电平时间*声速（340m/s））/2
时序图3-6如下：
图3-6激光时序图
3.2系统的软件设计
控制电路由Freescale单片机实现，主要负责对路面标志线的检测、车速和方向控制、灯光指示、两辆小车之间的无线通信等控制。
3.2.1软件的主要特色
1）车速及转向自动调节程序，通过给PWM电路不同占空比的方波时，可以自动调节小车的行驶速度和转向。
2）利用多个传感器的综合应用提高测量精度，确保小车在行驶中有一个比较准确的状态。
3）软件在设计时，采用C语言的调用与嵌套，这样不仅使得程序更加简洁，更加提高程序的可靠性。
3.2.2主程序软件流程
1）第一任务时，甲乙两辆小车分别从起始线开始，在超车区域之前行走时，小车由左边的两个激光传感器进行循迹前行，控制前进的方向，从而负责直行与90°转弯，同时前方激光探头检测到超车标志线后，自动开启另一套行驶程序，从而顺利完成一圈的正常行驶。
流程图如图3-7所示：
图3-7第一圈流程图
2）当进行第二任务时，甲乙两车开启互相通信系统，运用超声波传感器测距维持两车的所设定的安全距离，进过超车区域时，甲乙开启不同的超车模式
流程图如图3-8所示：
图3-8流程图
4、系统调试与测试方法
4.1.测试方案及测试条件
将小车A、B分别放在起始位置，开启电源，让小车自由行驶，记录全程时间，并观察每次直走偏离程度和弯道处拐弯角度。
多次调试小车直走和转角模块程序，以保证小车正常行驶的稳定状况。
测量工具及条件包括：
1）秒表，米尺；
2）保证赛道的干净（不要有污渍、黑点等）、平整，减小因木板的平坦程度和材质对激光测量的影响，以防小车按黑线循迹时发生差错；
3）保持小车电量充足，以免因电量不足对车速和转角带来偏差。
4.2测试结果
通过不断的测试甲乙两车行进的状态，记录测量结果，分析结果，不断对速度、加速度与转角进行调试，达到最适合的状态，下表4-1为甲车、乙车各自跑完全程时间测试记录表，表4-2为小车两轮等电压、不同PWM占空比时所引起转向及角度的测试。
表4-1甲车、乙车各自跑完全程时间测试记录表（单位/s）
第一次
第二次
第三次
第四次
平均值
甲车
39.4
42.8
41.5
40.2
41.1
乙车
43.6
45.7
42.1
43.5
43.7
表4-2小车两轮等电压、不同PWM占空比时所引起转向及角度的测试
PWM占空比
小车转向
小车转角
左轮
右轮
99%
99%
直走
0°
60%
99%
左转
90°
99%
60%
右转
90°
4.3测试结果分析
1）由甲车、乙车各自跑完全程时间测试记录可以得知小车速度约为12m/min（即0.2m/s）。
本设计的智能小车采用的是直流减速电机，其齿轮转速比为220:
1，电机每转220圈小轮转过1圈。
虽然小车速度不快，但是行驶中稳定且便于其自行调节。
2）给小车芯片烧入完整的程序后，前几次执行的时候比较顺利。
但是在多次试跑后，小车的转角或微调会发生变化和偏差。
经过各种原因的检测和排查，我们认为充电电池的电量损耗对小车的行驶有很大的影响。
为了排除电量损失对其造成行驶路线偏差，在多次运行后及时更换电量饱满的电池。
3）小车循迹过程中，经常出现跑偏或误检。
这是由于我们自制的激光传感器出现检测不灵敏的问题，优势不能识别边界线或标志线。
为此我们通过调整传感器安装位置和角度，甚至更换传感器来排查循迹误差。
5.结论与展望
本设计在硬件上使用激光调制技术改善了抗干扰性能，使用激光传感器控制前进的方向角度，采用PWM技术解决了电动机驱动的效率问题。
软件上利用Freescale的CodeWarriorIDE程序编辑器的优点，实现了控制车速、自动转向、利用无线通信和超声波传感器完成了甲乙交互超车功能。
从最终的测试结果来看，本系统能够较好地完成题目要求。
参考文献：
1.王宜怀、曹金华,《嵌入式系统设计实战——基于飞思卡尔S12X微控制器》，北京航空航天大学出版社，2011.5
2.阎石,《数字电子技术基础（第五版）》，高等教育出版社
3.华成英、童诗白,《模拟电子技术基础（第四版）》，高等教育出版社
4.黄智伟，《全国大学生电子设计竞赛系统设计》，北京航空航天大学出版社，2006.12
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