智能小车实验报告

1、智能小车实验报告摘要为了实现智能小车按照题目要求运动，从指定位置进入规定区域，并寻找到障碍 物，驶向障碍物，将障碍物推出规定区域，并实时显示障碍物的位置。本实验系统分 为两个小系统，控制端与运动端。控制端以单片机C8051F020作为控制核心，运动端 采用DSP2812作为控制核心。并以无线模块实现控制端与运动端之间的交流，以实现 智能小车按照题目要求运动，并将信息实时反馈给控制端，显示出来；对于关键的小 车运动执行元件，经过充分比较、论证，最终选用了步进电机，能够准确定位并且具 有瞬间启动和急速停止的优越特性。电机的驱动是以L298N为芯片的驱动模块；小车 的电源模块采用16V的锂电池供电；

2、通过红外对管TCRT5000判断黑线为循迹，实现 了小车在规定区域上行驶并将信息实时反馈给控制端等功能；并且小车的控制端显示 部分选用LCD12864液晶屏来显示所需的参数。最后的实验表明，系统完全达到了设 计要求，不但完成了所有基本和发挥部分的要求，并增加了路程显示、全程时间显示 等创新功能。关键词:C8051F020 单片机、DSP2812、L298N、红外对管 TCRT5000、循迹、LCD12864 液晶屏一、系统方案11总体方案设计本实验需要智能小车在规定的120cm*120cm区域内。从起点位置出发，检测障 碍物所在位置并实施清除动作。在重力感应传感器控制下实现智能小车的前进，后退

3、, 左转，右转等操作，控制智能小车行驶到障碍物位置，并且停留至少3秒钟，给出声 或光的信号。然后将障碍物推出规定区域.为了完成实验要求，控制端在单片机控制下, 显示模块，重力传感器模块、无线通信模块的协同配合，共同完成控制端的工作。运 动端以DSP2812为核心，超声波模块、红外避障模块、驱动控制模块、循迹模块和电 源模块的统一调配下，让小车符合条件的行驶、通信、并清除障碍物完成整个实验。根据实验要求，我们设计的总体方案为控制端以Silicon Laboratories公司生 产的单片机C8051F020为控制核心，运动端以TI公司新推出的功能强大的32位定点 的DSP2812为核心，采用步进

4、电机和LM298芯片控制小车运动，用锂电池提供16V电 压，用TCRT5000保证小车能在规定的区域内正常行驶，并以超声和红外共同确定障 碍物位置，并在远程控制端通过重力传感器控制小车的前进、后退、左转、右转等功 能，将障碍物推出指定区域。并用无线通信实现远程控制端和运动端之间的交流。1.2总体方案比较方案一：以C8051F020单片机作为控制端核心，DSP2812作为运动端的核心，并通 过超声波测定障碍物的位置，用TCRT5000防止智能小车冲出区域，用步进电机精确定 位小车行驶的距离，并以无线来使控制端和运动端通信。以此来实现将障碍物推出规 定区域。方案二：以C8051F020单片机为控制

5、端和运动端的核心，用TCRT5000来保证小 车在规定区域正常行驶。使用无线来实现控制端和运动端的交流，使用超声模块来检 测障碍物，并将障碍物推出区域.由于DSP2812具有强大数据处理能力和高运行速度，十分符合实验中的对于步 进电机以及坐标控制。所以我们采用第二个方案。1。3各个部分模块方案比较与论证控制端核心控制器模块控制端的控制器是实验中的控制核心部分，它用来控制智能小车的前进后退等动 作，又要显示相关信息.所以，一个合理的控制中心必不可少的。方案一:采用Silicon Laboratories公司的C8051F020单片机对电动小车进行控 制。C8051F020单片机的功能比较强大。片

6、内含CIP-51的CPU内核，它的指令系统 与MCS-51完全兼容.其中的C8051F020单片机含有64kB片内Flash程序存储器， 4352B的RAM、8个I/O端口共64根I/O 口线、一个12位A/D转换器和一个8位 A/D转换器以及一个双12位D/A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个 捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感 器等部分.C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2. 73. 6V(端口 I/O,RST 和JTAG引脚的耐压为5V).与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功 能，同时其可靠性和

7、速度也有了很大提高。而且价格适中，各种功能也易于实现控制.方案二：采用STC公司的STC89C52RC。其价格便宜，应用广泛，但是功能单一， 需要添加多个附加的模块，实现较为复杂；运行速度一般，抗干扰能力不是很强。通过对以上两种方案的比较，我们选择了方案一，方案一采用的C8051F020单片 机功能强大，价格适中，应用方便，是个合理的选择（2）运动端核心控制器的选择方案一：采用C8051F020单片机，该微处理器具体情况同上。方案二：采用DSP2812微处理器。DSP2812是TI公司新推出的功能强大的 TMS320F2812的32位定点DSP，是TMS320LF2407A的升级版本，最大的特

8、点是速度比 TMS320LF2407A有了质的飞跃，从最高40M跃升到TMS320F2812的150M,处理数据位 数也从16位定点跃升到32位定点。最大的亮点是其拥有EVA、EVB事件管理器和配 套的12位16通道的AD数据采集，使其对电机控制得心应手。DSP2812微处理器具有 强大的分析、计算和可视化功能，利用DSP2812提供的数十个专业工具箱，可以方便、 灵活地实现对自动控制、信号处理、通信系统等的算法分析和仿真。通过比较,我们需要强大的计算能力与速度，故而选择第二种方案，采用DSP2812 微处理器作为运动端的核心。（3）车体的选择车体是实验最基础的部分，涉及到小车能否稳定快速的按

9、照预定轨迹行驶并实现 超车。选择好车体尤为重要。方案一：采用三轮小车用两独立电机分别带动两车轮，再加一个万向轮，机械加工简单，成本低，但该小 车不适合爬坡、倒退行驶.方案二：采用履带式小车履带式玩具电动小车的车体、车架和电机都是现成的，在上面架一块板子就可以 放下电路板，各种传感器的安装也较方便；其次，所购买的电动小车是由两直流电机控 制的。电机一个控制左轮，另一个控制右轮，这小车的前样可以很好地实现进、后退、 原地转弯等各种运动.根据实验要求，我们选择方案二，履带式小车稳定快速且装卸方便.（2）电源模块方案一：铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉，携带不方便，也不便于在 车上安装。方案二：

10、16V锂电池组供电，虽然它的持续供电时间不是很长时，但优点是体积 小重量轻，电压也稳定得多.便于安装于车上且携带方便.经过比较，我们选择方案二，16V电源经7812模块转化可以输出12V电压供给直 流电机，其他模块可用7805转换成5V后再供电。（3 ）驱动模块电机模块选择是整个方案设计的关键，根据题目的要求，这需要对小车的精确控 制，所以要产生不同的方波来驱动直流电机使小车精确行驶.方案一：采用内部集成H桥式芯片L298驱动电路.方案二：采用分立元件的H桥驱动电路。由于采用内部集成H桥式芯片每一组PWM波用来控制一个电机的速度，而另外两 个I/O 口可以控制电机的正反转，控制比较简单，电路也

11、很简单，一个芯片内包含有8 个功率管，这样简化了电路的复杂性，所以采用方案一。（4）运动控制模块在运动过程中，控制好小车在规定的区域内运功是小车完成任何题目要求的基础.为此，系统将对小车行驶线路控制、信息传递进行有效的控制.线路控制：在规定区域上，智能小车利用步进电机，准确控制行走的距离.利用 超声寻到障碍物冰将其推出规定区域，并将信息反馈给控制端。在不同的阶段，小车 执行不同的程序.系统最终采取步进电机的精确计数以及DSP2812精确快速的计算能 力以保证小车正常行驶。信息传递：使用无线模块来进行控制端和运动端之间的交流，确定小车和障碍物 的坐标位置，并在控制端显示器显示出来。显示模块方案一

12、：采用使用起来比较方便的LCD1602液晶显示屏。屏幕较小、便于放置， 米用的而是并行接口，但是显示简单。方案二:采用LCD12864显示屏，12864显示屏的尺寸大，亮度高，可以支持汉字的 显示，显示效果好、显示的信息多。通过对以上方案的比较，我们采用方案二。因为LCD12864能同时多行显示，而且 亮度好，符合实验要求.寻物模块智能小车需要在规定区域确定障碍物的位置，故而需要寻物模块寻找障碍物.方案一：使用超声模块，超声波可以探射到很广的范围，虽然反应比较慢，但总 体效果不错，调试也很简单。方案二：使用红外模块，红外的探测更加精准，反应速度也较快，但它容易受到 白色地面的干扰。通过比较，我

13、们采用了方案一。因为超声模块探测范围广，干扰容易控制。1.4结构框图根据上面的分析论证，我们设计的系统的总体结构框图如图所示。二、理论分析与计算2。1信号检测与控制小车从规定区域启动后，在入口探测障碍物的位置，并将坐标传给控制端，自动 行驶至障碍物前，将障碍物推出区域，并以是否遇到黑线来判断障碍物是否出了规定 区域。本实验小车使用DSP2812作为运动端控制核心，控制步进电机的运动，超声采 集的信号，由无线通信端将信息反馈给控制端，再由单片机将需要显示的数据传输给 显示屏进行显示。2.2控制端和运动端之间的通信方法本实验需要控制端和运动端相互配合工作才能实现，所以必须要有通信设备使两 车可以实

14、现交流，我们两车之间通信使用nRF24L01单片无线收发器，它可以发射和 接收无线信息，从而实现两者之间的交流，显示障碍物坐标.2。3节能本实验选取16V环保锂电池作为供电电源,各模块都使用5V电压供电，电流消耗 较小，12864LED显示屏处于低耗能的背光模式，符合当今社会绿色节能环保的理念.三、电路与程序设计3。1电路设计3.1.1电机驱动模块驱动的核心部件是LM298,它通过DSP2812的指令直接控制步进电机转速，从而来 使小车行驶。在LM298应用中，我们要注意各引脚的分辨。驱动图如图1所示：图1驱动模块电路3。1.2循迹模块智能小车的循迹共有4路，通过TCRT5000是否接受到红外

15、反射光来改变电压大小, 从而使DSP发出指令，使小车停止前进，确定退出。循迹电路图如图2所示：VCCTCRT5000图2循迹模块电路焊接电路时,可用一个电位器来代替四个电位器，这样即省材料，也使电路板更加 精巧。甚至还能将除TCRT5000以外的部件全部安放到车体板上面。TCRT5000工作原理:TCRT5000具有一个红外发射管和一个红外接收管。当发射管的红 外信号经反射被接收管接收后，接收管的电阻会发生变化。3。1。3电源模块电源主要是将12V电压降为5V,输给小车的各部分模块。电源图如图3所示：U4 LM?S05la：. VEE q-irjs m.MjrwlM m4了MQi.Nee*E3

16、s & r-:sr?.t.*iw 了S0.C.1.1-.1.LL5/RES图3电源模块电路电源最好需由两组并联而成，以免7805过载而烧坏.J2与外电源12V相连，需要 两个引脚，5V引脚与GND引脚都需要多个，以满足对各模块的供电需求。3.1.4无线模块实验要求两辆小车相互交替超车领跑，所以无线通信设备必不可少,nRF24L01是 一款工作在2。42。5GHz,世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片.无线收发器包 括：频率发生器、增强型SchockBurstTM、模式控制器、功率放大器、晶体振荡器、 调制器、解调器。输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置。3.1.5显示模块显

17、示模块电路图如图4所示：F XOP JL. 3rZU -ZU rp 1=图4显示模块电路本模块功能是显示屏可以用来显示小车在行驶过程中的时间，遇到黑线的次数， 汉字解释，以及偏转情况.3.2程序设计对于系统软件的设计，控制器方面我们是在Keil编程环境中，利用C语言对程 序进行编辑下载。利用C8051F020单片机对无线和显示器进行控制。运动端我们采用 CCS编译环境，利用C语言对程序进行编辑。通过对PWM的输出控制来实现对小车 行走轨迹进行闭环控制，采用比例调节算法。在程序的调试过程中，为了实现程序的可读性和可靠性，我们采用模块化处理的方 式，将各个阶段的程序用子程序的形式进行处理运算，使程

18、序一目了然并尽量减少程 序出错的概率，从而使小车能更好的完成任务。系统软件流程图如图6所示。无线控制两车同时启动快速声纸用i井快速直线前进图6 流程图四、系统测试及结果分析4.1测试仪器数字万用表、秒表4.2测试方法及结果各模块可以单独检查是否好用，因为各模块向单片机和DSP2812发送的数据都是 数字信号，在对各模块进行检测的时候，可以用万用表对输出信号进行检测，观测是否 输出相应的电压变化即检测出各模块的工作状态.在小车调试完成后我们对小车的整体完成情况进行了测试，测试结果如表一所示: 表一小车测试状况表测试次数检测障碍物情 况推出障碍物情 况实时显示障碍 物坐标情况控制端控制小 车运动情况1正常正常正常反应稍慢2正常稍有偏差有偏差正常3正常正常正常正常根据表中数据可以看出小车能较好的完成题目要求。五、结束语经过