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1、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

2、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 12 各模块方案选择 12.1 电源模块 12.2系统控制模块 22.3 循迹模块 22.4 避障模块 22.5无线通信模块 32.6电机驱动模块 33系统硬件设计 33.1 电源设计 43.2 驱动模块设计 43.3 循迹设计 53.4 超声波避障设计 64 系统软件设计 65 系统调试 76 结论 87参考文献 91 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STC12C5410A

3、D单片机作为主控芯片，STC12C5410AD单片机自带和功能。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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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

11、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

12、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41s38s40s39s乙车40s42s40s41s6 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、

13、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，20094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.