全国大学生电子设计竞赛控制类.docx
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全国大学生电子设计竞赛控制类
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
本系统由信号检测、信号控制和通信部分构成。
系统选用STC12C5A60S2单片机作为主控器，利用STC内部的PWM模块对小车进行速度调节；采用TCRT5000红外反射式光电传感器对信号进行检测，实现小车循迹功能；利用单片机与L298N驱动模块结合来对检测信号进行有效控制。
两车之间主要采用2个E18-D80NK红外避障传感器和无线模块nrRF24L01进行通信。
关键词：
STC12C5A60S2单片机TCRT5000红外反射式传感器L298N电机驱动芯片E18-D80NK红外避障传感节能
目录
1系统方案1
1.1控制系统的论证与选择1
1.2调速模块的论证与选择1
1.1电机驱动的论证与选择2
1.2信号检测的论证与选择2
1.4两车之间通讯的论证与选择2
2系统理论分析与计算2
2.2信号检测的分析2
2.2.1信号（黑线）的检测2
2.2.2标志线的检测分析2
2.3小车行走的分析3
2.3.1小车各自行走一圈3
2.3.2超车和避免追尾相撞的分析3
3电路与程序设计3
3.1电路的设计3
3.1.1系统总体框图3
3.1.1L298N驱动模块子系统框图与电路原理图3
3.1.2TCRT5000红外循迹子系统框图与电路原理图4
3.1.3无线模块nRF24L01子系统框图与电路原理图5
3.2程序的设计5
3.2.1程序设计思路5
3.2.2程序流程图6
4测试结果8
4.1测试结果（数据）8
4.3.2测试分析与结论9
参考文献9
附录1：
电路原理图10
附录2：
源程序11
智能小车（C题）
【本科组】
1系统方案
本系统主要由电机模块、电机驱动模块、信号检测与控制模块、小车通讯模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
图1系统电路设计
1.1控制系统的论证与选择
方案一：
采用周立功公司的32位单片机EasyARM2131。
该单片机I/O资源丰富，具有强大的存储空间，芯片内置JTAG电路，可在线仿真调试，但对编程要求较高，且价格较为昂贵。
方案二：
采用STC公司的STC12C5A60S2。
内部含有PCA模块可对电机进行调速。
此单片机价格低，资源多，高性价比，应用广泛，无论是从内部构造，还是编程方面51系列单片机都相对简单，容易掌握和使用。
综合考虑采用方案二。
1.2调速模块的论证与选择
方案一：
用单片机STC12C5A60S2内部的PCA模块进行PWM调速，调速准确，程序编写容易，控制方便。
方案二：
采用L9110马达控制驱动芯片搭建硬件电路进行调速。
考虑到控制的灵活性，采用方案一。
1.1电机驱动的论证与选择
方案一：
采用大功率三极管，二极管，电阻电容等元件。
采用上述元件搭建两个H桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单。
但由于放大电路很难做到完全一致。
当电机的功率较大时运行起来会不稳定，很难精确控制。
方案二：
采用L298N驱动芯片。
L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能，可用单片机的I/O口提供信号，
电路简单、易用、稳定，具有较高的性价比。
综合以上二种方案，选择方案二。
具体电路图见附录
1.2信号检测的论证与选择
方案一：
TCRT5000红外光电传感器是一款红外反射式光电开关。
传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠，而且价格便宜。
方案二：
RPR－220是一种一体化反射型光电探测器。
其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。
优点：
塑料透镜以提高灵敏度；内置的可见光过滤器以减小离散光的影响；体积小结构紧凑。
缺点：
价格较高，是方案一红外对管的3倍。
考虑到本题目需要大量的红外对管测试，价格较高，而且方案一已完全能满足题目要求，选择方案三。
1.4两车之间通讯的论证与选择
方案一：
采用NRF24L01模块。
此模块，可以实现数据的精确传输，应用起来比较方便，传输距离远，且其有空闲模式，大大的降低了模块的功耗
方案二：
HC-SR04超声波测距模块。
此模块检测准确，但价格较高，而且编程复杂。
综合考虑采用方案一。
2系统理论分析与计算
2.1同时启动分析
启动前打开乙车电源，当按下甲车电源时，通过无线模块nRE24L01发送数据给乙车的数据接收，启动乙车的程序运行。
2.2信号检测的分析
2.2.1信号（黑线）的检测
TCRT5000红外对管发射出红外线，在非黑色区域发射红外并被接收，与电压比较器LM339比较后得到高低电平输送给单片机，从电平的高低判断是否检测到黑线
2.2.2标志线的检测分析
小车需要识别的标志线和边界线以控制小车的行走。
因此，当循迹内环时，用右边的红外
对管检测检测标志线并进行计数。
当循迹外环时，用左边的红外对管检测标志线并进行计数。
2.3小车行走的分析
2.3.1小车各自行走一圈
小车检测到起点标志线后左转一定度，使小车左方红外管检测到内环内的黑线，并循迹内环黑线行走。
并用右方红外对管检测标志线并计数，当一超过超车标志线后转而循迹外环，直至跑回到终点。
2.3.2超车和避免追尾相撞的分析
避免追尾相撞：
小车前方设置一红外避障传感器，小车后方设置一挡板，当两车接近到一定距离时，红外避障传感器检测到对方尾部的挡板，输送低电平通知单片机，由单片机控制PWM调制脉冲使小车减速。
超车：
当甲车检测到超车标志后，转而循迹外环的同时，甲车减速。
乙车与甲车保持红外避障传感器设置的距离转检测完超车标志后，转而循迹超车区内环的黑线，速度超过甲车并循迹黑线返回起点。
而甲车循迹检测到转弯标志线后继续循迹外环返回原点。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图2所示
图2系统总体框图
3.1.1L298N驱动模块子系统框图与电路原理图
1、L298N子系统框图
图3L298N子系统框图
2、L298N子系统电路
图4L298n子系统电路
3.1.2TCRT5000红外循迹子系统框图与电路原理图
1、循迹系统系统框图
图5红外循迹子系统框图
2、循迹系统电路
图6循迹系统电路
3.1.3无线模块nRF24L01子系统框图与电路原理图
1循迹系统系统框图
图7无线收发子系统
3.2程序的设计
3.2.1程序设计思路
1、程序设计思路:
启动小车后直走，小车右边的红外对管检测到起始标志线后向左拐，在进入转弯标志线前左边的红外对管检测到内环2CM的黑线，假如左1和左2检测到黑线，则往里拐，进入行车区，红外对管有反射，则往外拐，同时，经过转弯标志线时，右边的红外对管检测并计数，当进入到超车标志线时，右边红外对管检测到黑线的次数为4，检测完5条超车标志，计到的次数则为8，此时甲车直走转而减速循迹外环返回终点，乙车则继续循迹内环，循迹超车区的内环线比甲车更快的速度前进，直到乙车超车完毕，循迹内环返回起点。
为防止两车速度不一样而造成追尾相撞，设置红外避障传感器设置一安全距离，也为超车标志转弯时内由于乙车快，甲车慢容易相撞提供了保障。
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
2、循迹内环检测子程序流程图
3、循迹外环子程序流程图
4、超车子程序流程图
4测试结果
4.1测试结果（数据）
表1甲乙小车跑一圈的时间（单位：
秒）
次数
1
2
3
平均时间
甲车
18.2
17.8
18.5
18.167
乙车
18.6
18.7
19.2
18.834
表2甲乙小车跑一圈并完成超车的时间（单位：
秒）
次数
1
2
3
平均
两车同行
33.7
35.4
34.1
34.4
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据，我们知道：
1.速度太快会导致检测标志线检测不到，就会造成程序错乱，不能完成，因此，我们在能检测到得情况下调到一个最大的可行速度，最快速度达到17.8秒。
2.当跑多圈时，电池的电压降低，因此循迹模块的LM339芯片比较器的比较电压下降，红外循迹会出现错误，而且，电压降低，小车的速度降低，转动的弯度也减少，因此，我们在一圈内完成超车,最短时间为33.7s。
由此可以得出以下结论：
（1）甲车和乙车分别从起点标志线开始，在行车道各正常行驶一圈。
（2）甲、乙两车按图1所示位置同时起动，乙车通过超车标志线后在超车
区内实现超车功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。
综上所述，本设计达到设计基本要求。
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.
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