D题 智能小车 12226.docx
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D题智能小车12226
HEFEIUNIVERSITY
第八届
电子设计竞赛报告书
队员信息
姓名学号班级联系方式
xx100507xx0xx10级电气一班182xxxx
xx100507xxx10级电气一班1525xxxx
xx1005071xxx10级电气一班18xxxxx
目录
1引言2
2系统设计3
2.1总体设计方案3
2.1.1设计思路3
3方案论证与选择4
3.1总体设计方案论证与选择4
3.2核心控制系统的设计与选择5
3.3方案组成6
3.3.1避障寻迹模块6
3.3.2寻光模块7
3.3.3电机驱动模块7
3.3.4控速计程模块8
3.4其他模块的设计与论证8
3.4.1时间—路程显示模块8
3.4.2声光报警模块8
3.5总体设计认证9
4设计实现10
4.1驱动模块电路设计10
4.2避障寻迹模块设计11
4.3寻光模块设计12
4.4控速计程模块设计12
4.5时间—路程显示模块电路设计12
4.6声光报警模块电路设计13
5系统软件设计14
5.1算法流程图14
5.2模块程序设计14
6系统测试15
7总结16
参考文献16
附录：
16
智能小车（D题）
摘要:
本文介绍了一种以AT89S52单片机控制简易智能小车的设计方法，利用单片机控制芯片作为智能小车的核心控制系统，以实现避障、寻迹、寻光、控速计程、电机驱动、时间路程显示和声光报警等一系列功能。
设计思路让小车启动后不受人为外界控制，自行探测寻找路线，识别陷阱，躲避障碍，自动摸索，寻找探测事先设置好的黑色线迹并沿着黑色线迹前进，最后靠寻找探测光源判别目的地具体位置，并有声光报警提示，小车运动过程中随时实时显示运动时间和所行路程，通过单片机智能控制，从而实现小车的智能寻光寻迹功能。
关键字:
智能控制AT89S52单片机红外传感器
1引言
题目要求设计制作一辆小车，并能在规定的时间内（90秒）在给定的跑道上自动行走。
在Ⅰ区和Ⅱ区能够识别陷阱，到达C位，在Ⅲ区要求依照路面2cm宽的一条黑线轨迹行走，D位黑线有一断点，小车到达断点后要求停顿5秒并要发出声光报警显示，然后寻找光源进入车库，到达指定点E位后，小车中心点对准E位停止线，误差必须控制在±2cm，然后立即发出断续声光报警。
分析此题可以运用相应传感器来实现对路面和障碍、光源的探测，传回信号给控制模块，发出相应的行动指示。
2系统设计
2.1总体设计方案
2.1.1设计思路
根据题目要求和理解分析，系统可以分为控制部分和信号检测部分。
其中信号检测部分分为避障模块，寻迹模块，寻光模块。
控制部分包括：
控制器模块，控速计程模块，电机驱动模块，时间路程显示模块和声光报警模块等基本模块。
模块框图如图2.2.1所示。
为实现各模块的功能，分别做了几种不同设计方案并进行了比较论证。
图2.1.1智能车基本模块方框图
3方案论证与选择
3.1总体设计方案论证与选择
方案一：
采用组合逻辑电路作为小车控制器
利用数字电路知识用各种逻辑电路搭建出智能小车的控制系统，对车速和车的行进方向进行控制，再利用红外对管和光敏电阻对避障信号，黑线寻迹信号，光源采集进行检测控制，以及利用逻辑电路控制电机驱动，从而达到并实现题目要求和发挥。
功能模块分为避障模块、寻迹模块、寻光模块、测速控速模块、电机驱动模块、时间路程显示模块和声光报警模块七个模块。
控制图如图3.1.1所示：
这种方案下，所有控制电路都要手工制作，非常复杂，规模大不易实施，而且这种控制电路精度不高，反应不够灵敏，可行性差。
方案二：
采用智能控制器作为小车控制器
利用控制芯片作为智能小车的核心控制系统，例如单片机、FPGA和DSP等等。
功能模块同样分为避障模块、寻迹模块、寻光模块、控速计程模块、电机驱动模块、时间路程显示模块和声光报警模块七个模块。
避障模块、寻迹模块和寻光模块利用传感器采集路面信息和光源信号反馈到控制器，由控制器传出指令，寻找黑色路迹，使小车正确到达车库；电机驱动模块利用电机驱动车轮，直接由控制器传送信号经驱动电路控制电机；测速控速模块利用控制器计算车速车程；时间路程显示模块利用显示器显示时间和路程；声光报警模块用发光二极管和蜂鸣器实现，直接由控制器控制。
控制框架图如图3.1.2所示：
用控制芯片控制车的此系统比较灵活，采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，适应科技先进性，而且各类功能易于实现，能很好地满足题目的要求。
因此，采用方案二作为智能小车的控制系统。
3.2核心控制系统的设计与选择
控制系统的核心模块也就是控制器，是小车的大脑，主要用于传感器信号的接收、辨认和处理、显示时间路程和声光报警等。
下面列出三种控制器的选择方案：
方案一：
采用先进的FPGA编程控制器件。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性。
FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。
由检测模块输出的信号并行输入FPGA，FPGA通过程序设计控制小车作出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二：
采用单片机编程控制器件。
用ATMEL公司生产的AT89S52单片机作为系统控制器，单片机也叫单片微型计算机，在控制领域应用非常广泛，具有多功能、高性能、低电压、低功耗、低价格、大存储容量、强I/O功能及较好的结构兼容性等优点，是小型控制系统的首选。
而且单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
本系统属于小型控制系统，用单片机作控制芯片非常合适，因此采用方案二。
3.3方案组成
3.3.1避障寻迹模块
探测路面黑线的原理：
该智能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。
方案一：
采用超声波传感器。
利用超声波的特性实现对障碍墙壁的测量和有效规避，超声波传感器波的发射角小，检测灵敏度高，但是超声波传感器使用成本不低，而且不能体现设计才能，不宜采用。
方案二：
采用激光传感器。
通过测量激光往返目标所需时间来确定目标距离，这在检测领域中的应用十分广泛，技术含量十分丰富，具有方向性强、亮度高、单色性好等许多优点。
激光测距虽然原理简单、结构简单，但是因为激光测距传感器售价太高，不适合自主设计使用。
方案三：
采用红外对管传感器。
用红外对管传感器采集信息，以红外线为介质测量判断障碍，从而达到避障的效果。
它的优点是消除了外界光线的干扰，提高了灵敏度，制作也比较简单。
因此，这种方案在小系统中非常适用，采用这种方案。
3.3.2寻光模块
方案一：
采用普通光敏电阻传感器。
光敏电阻利用半导体的光电效应，电阻值随入射光的强弱而改变，通过采集判断光的强弱，由单片机处理发出控制指令，指引小车正确行驶。
方案二：
采用集成温度传感器AD590、DS18B20。
AD590是单片集成两端感温电流源，它是利用PN结正向电流与温度关系制成的电流输出型两端传感器，该器件具有线性好、精度适中、灵敏度高、体积小、使用方便等优点。
用此温度传感器采集白炽灯温度从而判断其位置，也是可行的，但是这种传感器需要较为复杂的外部电路支持，不宜采用。
方案三：
采用红外光敏传感器。
利用红外线的物理性质来进行测量，灯泡发出的光线中含有大量红外线，当红外接收管接受到灯泡的红外光线时，单片机判断灯泡位置，指引入库。
综合考虑，使用红外光敏传感器的话可以直接用避障模块里的红外对管实现，这样不仅节省了材料，还简化了模块实现了同样的功能，应该采用方案三。
3.3.3电机驱动模块
方案一：
采用普通直流电机。
利用9012、2SC8050、及电机构成驱动电路，这种方法组成的直流电动机具有良好的启动特性和调速特性。
该方案成本低廉，比较简单，输出功率足够大，足以推动电机工作，但该电路在电路长时间工作时，实际测试三极管发热量太大，无法保证其长时间稳定工作，而且，在拐弯时不易控制，容易出现较大误差，固不宜采用。
方案二：
采用步进电机。
外加适当的序列脉冲，可使主轴转动一个精密的角度（通常在1.8°--7.5°之间）。
只要施加合适的脉冲序列，电机可以按照预定的速度或方向进行连续的转动，步进电机用专用步进电机驱动集成电路，很容易实现控制。
另外，在测速计算路程上，采用步进电机更加简便，不需要任何辅助硬件电路设施。
因此，采用方案二。
3.3.4控速计程模块
因为采用的是步进电机，所以根据步进电机的性质，可以直接编程列出算法计算小车行走路程。
3.4其他模块的设计与论证
3.4.1时间—路程显示模块
方案一：
采用动态数码管显示。
数码管可以直接由单片机I/O口驱动，电路连接非常简单，但是数码管只能显示数据，不能显示单词和汉字。
方案二：
采用矩阵LED显示。
16*16LED点阵可以显示单个汉字和字符，但是LED点阵体积很大，显示也过于单一，不能满足小车显示要求。
方案三：
采用LCD液晶显示器显示。
LCD液晶显示器由单片机控制，显示内容多，可显示数据、文字，显示效果更加人性化，智能化，技术含量较高，并且具有功耗低、无辐射等优点。
虽然程序复杂了点，但是效果确实非常好，所以选择方案三。
3.4.2声光报警模块
采用单片机驱动使蜂鸣器发出蜂鸣音，使发光二极管导通发光，给人以警示，且电路简单，易于操控。
3.5总体设计认证
综合以上各模块方案详细的比较论证，最后确定了一套完整的智能车控制系统如下：
控制中心选择用ATMEL公司生产的AT89S52单片机，具体全面控制系统七大模块和相应各驱动电路；避障模块和寻迹模块利用红外对管采集路面信息传到控制器，由控制器传出指令，从而避开障碍从起点A经B位到C位，寻找黑色路迹从C位到D位；寻光模块则利用光敏电阻采集光源信号反馈到控制器，同样由控制器发出操作指令，使小车正确从D位到达车库；电机驱动模块利用步进电机驱动车轮，直接由控制器传送信号经驱动电路控制电机；测速控速模块利用控制器给步进电机的脉冲数计算车速车程；时间路程显示模块利用LCD12864液晶显示器显示时间和路程；声光报警模块用发光二极管和蜂鸣器实现，直接由控制器控制,系统框图如图3.5.1所示。
4设计实现
4.1驱动模块电路设计
步进电机采用二相步进电机，使用L297、L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且驱动电路相对简单易行，使用比较方便，如图4.1.1所示。
单片机控制口接L298的四个输入控制端IN1,IN2,IN3,IN4。
L298的两个输出端OUT1,OUT2接电机。
电机转动状态编码如表3.1.2所示：
左电机
右电机
左电机
右电机
电动车运行状态
1IN1
1IN2
2IN1
2IN2
1
0
1
0
正转
正转
前行
1
0
0
1
正转
反转
左转
1
0
0
0
正转
停
以左电机为中心原地左转
0
1
1
0
反转
正转
右转
0
0
1
0
停
正转
以右电机为中心原地右转
0
1
0
1
反转
反转
后退
表4.1.2电动机状态编码表
根据上表可知，只要设定一块L298的IN1,IN2,IN3,IN4四个控制端口的不同编码，同时再加上一块L297就可得到电动车的前进，后退，旋转等不同的运行状态；且L298的最大输出电流为2.2A，可使电动车快速运行。
4.2避障寻迹模块设计
在避障模块中通过红外对管发射红外光线到白纸墙面，经漫反射被红外对管接受，以此判断是否有白纸墙面，若检测到一边没有，则判断是否需要拐弯。
电路原理图如图3.1所示。
寻迹模块中路面黑线探测的基本原理：
光线照射到路面并产生漫反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否有黑线存在，红外发光二极管发射的光由白色返回，光敏二极管导通，光敏二极管由传感器电路判断输出为低电平，反之，黑色不反射红外光，输出为高电平，电路原理图也如图4.2.1所示。
发光二极管①发出红外线，由接收二极管②接收，当接收光强度达到接收二极管的导通临界值，②导通接地，则Vp处于低电位，且VpVn，比较器输出高电平，③不亮。
利用这个原理，可以控制小车行走的路迹小车运用6个红外光电管传感器，分别固定在小车的前方、左边和右边各一只检测路边信息以判断是否有障碍物是否拐弯，小车头底部固定三只检测路面信息以寻找黑色线迹。
4.3寻光模块设计
小车左侧安装1个传感器用于检测光源，当红外接收传感器没对准光源时输出低电平，对准光源时输出高电平，传至单片机控制小车转向，到达车库E位，电路如图4.3.1所示。
图4.3.1智能小车寻光电路图
4.4控速计程模块设计
根据步进电机的原理，每给一次脉冲步进电机就行进0.9度，所以可以通过软件记录脉冲的个数N，实现路程的计算，从而得到路程结果：
测得车轮的直径为D，则小车行进路程
S=（0.9/360）*∏*（D/4）*（D/4）*N
4.5时间—路程显示模块电路设计
显示模块采用较先进的LCD12864液晶显示器，通过单片机I/O口外加电源驱动。
LCD12864液晶显示器不仅可以显示数字字母，还可以显示汉字，在技术上有一定的要求，在设计上有很大创新。
LCD显示同样由单片机编程控制，程序模块见附录，电路设计如图4.5.1所示。
图4.5.1智能小车LCD显示电路图
4.6声光报警模块电路设计
采用蜂鸣器报警，电路比较简单，有单片机直接输出一个脉冲，经发光二极管使其导通，再通过一个三极管放大此脉冲信号，使蜂鸣器工作，电路图如下图4.6.1所示。
图3.6.1π队智能小车声光报警电路图
5系统软件设计
5.1算法流程图
程序的流程方框图如图5.1.1所示。
5.2模块程序设计
开始后，首先进行系统初始化，小车开始走动，红外对管传感器不停对路面信息进行采集，传至单片机，如果未探测到黑线，则执行避障程序模块，判断小车是否应该拐弯，继续探测路面信息,程序流程图如图5.2.1所示。
一旦传感器探测到黑线，则执行寻迹程序模块，并判断是否到达D位，若未到，继续寻迹，若到达D位，则执行停止5秒钟、声光报警程序，程序流程图如图5.2.2所示。
接着转弯并执行寻光程序模块，到达E点，判断是否完成，完成则再次执行声光报警程序。
整个过程中，一直执行时间路程的显示程序。
6系统测试
首先使用编程软件对编写程序进行编译，并且找出错误进行调试。
再导入ISIS6Professional单片机仿真软件，对LCD液晶显示器和声光报警系统进行系统仿真。
仿真成功后，通过串口通信把小车程序输入单片机，开始实地试跑测试，调节红外传感器电路中10K和5K电阻，确定红外对管传感器的灵敏度。
7总结
参考文献
【1】谭浩强著.C语言程序设计（第三版）.清华大学出版社,2005.
【2】黄智伟.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M]；电子工业出版社,2005
【3】李军.51系列单片机高级实例开发指南[M]；北京:
航空航天大学出版社，2004
【4】韩全立，王建明.单片机控制技术及应用[M],北京：
电子工业出版社，2004
附录：
仪器仪表
1.数字电压表一只
2.AT89S52芯片一块
3.L297及L298各一块
4.LM324电压比较运放二块
5.LCD12864液晶显示屏一块
6.蜂鸣器一只
7．电烙铁一只
8.焊锡丝一卷
9.步进电机两只
10.车轮两只
11.万向轮一只
12.黑色胶带一卷
13．电路板三块
14．红外对管六对
15.排线若干
16.电容、电阻及发光二极管若干
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