全国电子设计竞赛控制类设计报告01年自动往返小车.docx

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全国电子设计竞赛控制类设计报告01年自动往返小车

合肥工业大学

2012安徽省电子设计大赛实验报告

（一）

题目：

自动往返电动小汽车（2001年c题）

姓名：

梁植程、杨柯、汤旭

指导老师：

杨老师

实验地点：

逸夫楼607

时间：

2012年7月24号—8月1号

基于单片机的自动往返小车

摘要

本设计以一片单片机STC12C5A60S2作为核心来控制自动往返小车，加以控制芯片L298N和单片机联合控制小车的前进与后退。

路面的黑带检测使用反射式红外传感器，通过STC12C5A60S2对输入的信号进行处理，使用LCD1602显示小车运行的里程和时速以及运行时间。

以红外传感器对路面黑线检测用，行驶距离使用对射光电传感器加以码盘进行检测，通过红外传感器进行壁障处理。

关键词：

STC12C5A60S2光电传感器L298N控制电动机LCD1602

Abstract

ThissystemismainlybasedonachipcalledSTC12C5A60S2.Thisintelligentcardesignedbyusthreecanrunautomaticallythroughblacklinesontheground.

KEYWORDS:

single-chipmicrocomputercontrolsystemLCD1602L298n

设计任务与要求

一、任务

设计并制作一个能自动往返于起跑线与终点线间的小汽车。

允许用玩具汽车改装，但不能用人工遥控（包括有线和无线遥控）。

跑道宽度0.5m，表面贴有白纸，两侧有挡板，挡板与地面垂直，其高度不低于20cm。

在跑道的B、C、D、E、F、G各点处画有2cm宽的黑线，各段的长度如图1所示。

二、要求

1．基本要求

（1）车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。

往返一次的时间应力求最短（从合上汽车电源开关开始计时）。

（2）到达终点线和返回起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以车辆中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量值）。

　　（3）D～E间为限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不得少于8秒，但不允许在限速区内停车。

2．发挥部分

（1）自动记录、显示一次往返时间（记录显示装置要求安装在车上）。

（2）自动记录、显示行驶距离（记录显示装置要求安装在车上）。

　　（3）其它特色与创新。

一、方案论证与比较

根据题目要求，我们分一下几个部分进行方案设计及比较论证。

1.电机驱动调速模块

方案一：

采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。

但是电阻络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格昂贵。

更主要的问题在于一般电动机的电阻较小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且很难实现。

方案二：

采用普通L298N来控制电机的正转和反转来实现小车的前进和后退，并用单片机进行软件调速，缺点是单片机容易受L298N的电源影响，系统变得不安全。

方案三：

采用带光耦隔离的L298N来控制电机的正转和反转来实现小车的前进和后退。

通过STC12C5A60S2内部的集成PWM定时器，实现整车的加速与减速，精确小车的速度。

好处是保护控制控制端不受电机的影响，使得系统安全可靠，避免单片机烧坏。

基于上述理论分析，拟选择方案四。

2.路面黑带检测模块

黑带检测的原理是：

红外光线照射到路面并反射，由于黑带和白纸的系数不同，可根据接的红外线的强弱判断是否到达黑带。

方案一：

可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射—接收电路。

这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大的干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然产生超高亮发光二极管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。

方案二:

反射式的红外发射—接收器。

由于采用红外管代替普通可见光管，并经过反相斯密特触发器之后送入单片机，可以降低环境干扰。

基于上述理论分析，拟选择方案二。

3.路面黑带检测模块

方案一：

8个使用数码管动态扫描的方式，分别显示时间和路程，缺点是功耗较大，并且只能显示数字和少量的字母，不适合人的观察。

方案二：

lcd1602有功耗低、体积小、重量轻等特点，方便放置于小车上，能满足显示的要求。

基于上述理论分析，拟选择方案二。

4.电源选择

方案一：

所有器件采用单电源供电，这样供电电路比较简单；但是由于电动机启动瞬时电流很大，会造成电压不稳，干扰严重，缺点十分明显。

方案二：

双电源供电，将电动机驱动电源与单片机以及周边电路电源完全隔离，这样做虽然不如单电源方便灵活，但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底消除，提高了系统的稳定性。

基于上述理论分析，拟选择方案二。

5.控制单元模块

方案一：

采用纯数字电路

该方案外部检测采用光电转换，系统控制部分采用数字电路译码对小车电动机两端电压调整，来控制小车的运行。

时间和行程用加法器进行计数。

此系统的设计将会使电路过于复杂，调试时需要改变硬件电路，机动性差。

方案二：

用单片机控制

用光电检测不同的信号，并经单片机对其处理，传送给L298信号，使其控制电机的正转和反转，配合PWM程序控制，来实现加速减速和刹车。

通过单片机内部定数器/计数器进行定时、计数，在用单片机串行输入/输出口进行显示控制。

此方案电路成熟、工作稳定、容易实现控制。

为能更好的实现题目的各种设计要求，所以我们选用第二种方案。

用单片机进行控制。

二、系统实现方框图与主要参数设计。

1．总体设计方案描述

总体设计方案的硬件部分详细框图如下：

2．硬件电路设计

1.STC12C5A60S2单片机最小系统

此系统以STC12C5A60S2为核心，最小系统如图所示：

2.黑线检测部分：

我们采用两个反射式光电检测电路对跑道上的黑线进行检测，并使用六反相斯密特触发器输出高低电平信号，这样可以消除外界光线的干扰，单片机同时检测到两个光电传感器输出由高到低的电平跳变时，这为黑线，硬件如图所示：

3．光电测速部分：

采用对射光电传感器，通过对电机上的码盘线计数，产生下降沿，通过LM393电压比较器输出高低电平，这能有效克服环境干扰。

每50ms计算一次，按照公式：

瞬时速度=下降沿个数÷电机减速比÷码盘线数×车轮周长；

总路程=∑（每50ms路程）；

由此可以计算出路程和速度。

硬件图如下：

4．显示模块

采用LCD1602显示模块，硬件连接如下图：

5.L298N电动机驱动模块部分

该电路采用电动机驱动芯片L298来控制电动机的正转与反转，加以第二路电机电源保证了电动机启动时有足够的电流。

在试验中控制电压为单片机输出的高低电平直接控制。

具体电路图连接如下：

5.电源部分

考虑到L298N输出的压降，故使用2节3.6V18650可充电电池给电机供电。

而单片机也用2节3.6V18650可充电电池，并使用11175v稳压芯片给单片机供电。

3．系统的软件设计

软件设计流程图如下：

1.定时器控制倒计时的软件控制：

所有倒计时，计时都通过计时器0中断控制，根据RAM单元中相应的控制位选择不同的工作。

在行驶到跑道的末端时候，计时器计到10秒时，停车停止，小车开始倒车。

小车的全程行驶时间可以通过定时器0的控制存储行驶时间。

2.显示路程的软件控制：

通过轮子带动码盘的转动，码盘的转动使得测速传感器产生数个中断，每来一个中断，通过外部中断0累加一次，通过以下方程进行路程的计算：

SpeedNum=SpeedCount/SpeedRate/IsrPerCircle*CircleLength;//计算瞬时速度；

Distance=Distance+SpeedNum;

//计算路程；

3.通过黑线条数统计的软件控制：

与其他方式不同，这里我们为了节省端口，采用的是查询的方式检测黑线，若经过路面为白,flag置低；若经过路面为黑线，flag置高，且count++一次。

不同的flag、控制不同的程序，不同的count控制不同的小车操作。

测试结果及结果分析

一、往返时间的检测：

测量方式：

从小车驶过第一条黑线开始计时，当小车重新退回到原出发点附近的黑线时，停止计时，记录此时刻的时间。

测量仪器：

秒表。

表1测量结果数据

二、停车位置与起跑线、终点线的偏差检测：

测量方式：

在车身顶部明显标出车辆中心点位置，即横向与纵向两条中心线的交点。

测量小车停车时候的中点所在横向线与起跑线、终点线的距离。

测量仪器：

米尺。

三、通过限速区的时间检测：

测量方式：

从小车进入限速区开始，秒表开始计时，小车驶出限速区，立马停止计时，然后统计出此段时间。

测量仪器：

秒表。

四、小车行驶距离的显示：

测量方式：

在小车行驶的某个时刻，记录当前小车显示出来的路程，然后测量小车当前位置与起跑线的距离。

测量仪器：

米尺。