全国大学生电子设计竞赛-智能小车报告

智能小车（C题）【本科组】摘要：本系统采用AT89S52作为主控制芯片，利用光电对管的检测，实现小车自动寻路，采用L298N芯片作为直流电机驱动，结合光电开关.在PWM控制下，实现两车的快慢速行驶和转向。三者的结合使小车更加智能化、自动化；并利用红外避障，实现两车交替超车的功能。整个系统在设计中注意低功耗处理和力求高性价比等细节，电路结构简单，可靠性能高，无论在结构和技术上都具有较好的科学性。关键词：光电对管，红外避障传感器，LM298电机驱动Abstract:ThissystemadoptionAT89S52isamastercontrolchip,makeuseofredoutsidevstheexaminationoftube,carryoutasmallcartoautomaticallylookforroad,adopttheL298Nchipascontinuouscurrentdynamotodriveandcombineanoptoelectronicsswitch.ControlinPWMdown,carryouttherateofspeedoftwocarsandsoondriveandchangedirection.Thewedgebondingofthreesmakessmallcarmoretheintelligenceturn,automation;CombinetomakeuseofredoutsideavoidZhang,carryouttwocarstoalternatelyovertakeacaroffunction.Thewholesystemnotesalow-powertransactionandtrieshardfordetailslikepriceratiohigher-,etcinthedesign,thetelephonestructureissimple,andthedependableperformanceishigh,regardlessallhavebetterscienceonthestructureandthetechnique.Keyword:Optoelectronicsvstakecareof,redoutsideavoidZhangtospreadfeelingmachine,LM298dynamodrive目录1系统方案错误！未定义书签。1.1方案比较与选择 错误！未定义书签。1.1.1电源模块错误！未定义书签。1.1.2电机的选择错误！未定义书签。1.1.3电机驱动模块11.1.4循迹模块21.1.5避障模块21.2方案选定 22系统理论分析与计算 32.1小车的启动 32.2信号检测与控制 32.3两车之间的通信方法 32.4节能 33电路与程序设计 33.1控制电路 33.1.1巡迹光电对管的安装考虑到设计要求 43.2程序的设计 43.3循迹电路 43.4电机驱动电路43.5避障电路53.6程序的设计5 3.6.1循迹3.6.2避障4测试方案与测试结果 .64.1测试方案及条件 64.2测试仪器 64.3测试结果及分析 错误！未定义书签。4.3.1测试结果(数据) 错误！未定义书签。4.3.2测试分析与结论 错误！未定义书签。附录1：电路原理图 错误！未定义书签。智能小车（C题）1.系统方案1.1方案比较与选择1.1.1电源模块方案1：采用8节1.5V干电池供电，电压达到12V给电机供电，再经7805稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案2：采用1块12V可充电式锂电池给直流减速电机供电，将12V电压经LM2940稳压器稳压后为单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量足、可充电而且可以重复利用，因此，比较符合本系统的要求。综合以上两种方案，选择方案二。1.1.2电机选择本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其工作转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。因此，我们放弃了此方案。方案2：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。我们所选用的直流电机减速比为1：74，减速后电机的转速为100r/min。我们的车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s，能够较好的满足系统的要求，比较适合我们的系统要求。综合以上两种方案，选择方案二。1.1.3电机驱动模块方案1：直接选用L298N驱动直流电机，由单片机给它PWM波控制其驱动电机。此种方案可以容易控制电机的正反转和它的转速，可使电机处于多种转速状态，同时为了减小电机与单片机的相互影响，在单片机与该芯片之间加了一个光耦隔离，更加优化了改方案。方案2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。综合以上两种方案，选择方案1。1.1.4循迹模块方案1：采用普通发光二极管及光敏三极管组成的发射接收方案。该方案在实际使用时受环境干扰很大，很难检测到它的输出信号，严重影响了小车的寻迹。方案2：寻迹模块采用了TCRT5000红外反射型对管作为传感器，发射接收集成在一起，使用方便。由于采用红外光，因此受可见光影响较小，在其输出端接比较器，能得到更稳定的波形综上所述，我们选择方案二。1.1.5避障模块方案1：采用超声波发射接收芯片IM1812或4Y4的芯片来实现。此方案电路焊接调试困难，而且返回数据稳定性不好。方案2：利用激光测距装置来测量有效的安全距离并给予控制。此方案成本高且器件不易购买，性价比不好。方案3：采用红外避障传感器来感应障碍物。能够准确的检测出障碍物，测距离可以方便调整，反应比较灵敏而且本身不需要过多的几何限制。成本低，性价比较好。其原理图如下图1所示图1图1综上考虑，我们选择了方案3。1.2方案选定：经过反复论证，我们最终确定了如下方案：（1）控制模块采用AT89S52单片机作为主控制器。（2）电源用12V充电锂电池为直流电机供电，将12V电压经LM2940稳压器降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电。（3）电机采用直流减速电机作为智能小车的驱动。（4）循迹用TCRT5000型红外对管进行寻迹。（5）电机驱动模块采用L298N作为直流电机的驱动芯片。（6）避障采用红外避障传感器进行障碍物检测。2、系统理论分析与计算2.1小车的启动：图2图2小车启动区如图2所示，由于受小车车身影响，在启动区时，两车之间的距离为15cm。为了防止在拐弯处撞车，在启动时要放慢乙车的速度，当两车拉开至安全距离时再恢复乙车速度。刚开始启动时，设定甲车速度为乙车速度的2倍。根据两车之间的距离和速度算出定时时间。当行驶时间等于定时时间时，恢复乙车正常速度，根据测量，两车之间安全距离至少为80cm。2.2信号检测与控制：利用红外探测法，实现对小车的控制。当红外光遇到木质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。当车启动时，利用右臂光电传感器循迹和外部中断计数，后面的车经过超车标志线后，关闭右边光电传感器，开启红外避障传感器和左边的光电传感器，小车开始利用左臂循迹。当车探测到前面的小车时，单片机给电机一个左转的信号，小车左转一定的角度前进，当左边的光电传感器进入黑色区域时，小车循迹使小车超车。2.3两车之间通信的方法：本设计是利用红外避障传感器实现两机之间的通信。第一圈时，甲车在前、乙车在后，在超车区，两车开启红外避障传感器，当甲车通过红外避障检测到前方的乙车时，说明乙车超车成功，甲车开始启动。到第二圈，乙车在前、甲车在后，道理同上，同样在超车区时开启红外避障传感器，当乙车通过红外避障检测到前方的甲车时，说明甲车超车成功，乙车开始启动。2.4节能：本设计通过对继电器的控制来实现节能的，当小车未进入停车区时，小车通过右边的光电对管循迹，并且，红外避障传感器是不起作用的；当进入超车区时，继电器作用，小车关闭右边的光电对管，开启左边的光电对管，同时启动红外避障传感器。这样，可以起到一定的节能作用。3电路与程序设计3.1系统结构框图 根据赛题要求，综合上述方案比较与选择的结果，设计出系统原理框图如图3所示。图3系统结构框图图3系统结构框图电机驱动电源模块避障模块循迹模块左轮主控芯片AT89S52右轮3.2控制电路控制电路采用AT89S52单片机做主控制芯片，通过程序实现对电路的控制，AT89S52单片机价格低廉，非常实用，最小系统电路如图4所示。图4最小系统电路3.3循迹电路循迹电路由光电对管和LM324组成，电路由光电对管采集信号，经LM324电压比较器将模拟信号转变为数字信号，输入到单片机中，单片机通过这个信号检测车体的位置，控制电机转动，电路如图5所示。 图53.1.1巡迹光电对管的安装考虑到设计要求:本次设计采用9个光电传感器，两边循迹臂的8个红外传感器用来校正小车的寻迹路线，保证小车运行时的前行和转弯。中间的1个传感器用来对转弯标志线计数，锁定小车位置。图6图6红外发射管发出红外光红外发射管发出红外光，遇到白色，红外光反射回来红外发射管发出红外光红外发射管发出红外光，遇到黑线，红外光不反射回来3.4电机驱动电路电机驱动电路采用L298n做驱动芯片，通过单片机的I/O输入改变芯片控制端电平，即可以对电机进行正反转和停止的操作，电路如图7所示。电机驱动图7如上图所示，OUT1、OUT2，OUT3、OUT4之间分别接两个电动机。IN1、IN2、IN3、IN4引脚从单片机分别接入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB是控制使能端，可以改变PWM信号，控制电机的速度跟停转。3.5避障电路避障电路采用红外避障传感器来感应障碍物。能够准确的检测出障碍物，探测距离可以方便调整，不需要软件编程，反应比较灵敏而且本身不需要过多的几何限制，实物图如图8所示。图83.6程序设计3.6.1寻迹通过扫描法，单片机不断扫描I/O口，光电传感器寻到黑线出现低电平，所以当我们发现光电传感器对应的I/O口出现低电平，就表示寻到黑线。3.6.2避障通过旋钮调整避障传感器的探测距离，如果在它探测的距离内遇到障碍物，传感器就会输出一个低电平，当单片机接收到低电平后就会执行避障程序。软件流程图如图6所示开始开始系统初始化系统初始化任务计数器归零任务计数器归零任务计数器加1任务计数器加1是否完成任务是否完成任务结束是否完成本次任务循迹子函数结束是否完成本次任务循迹子函数 图94测试方法与测试结果4.1测试仪器：测试仪器包括秒表、数字万用表、示波器、单片机仿真软件、直流稳压电源等。4.2测试方案及测试条件如上图10所示，甲车车头紧靠起点标志线，乙车车尾紧靠边界，甲、乙两车同时启动，先后通过起点标志线，在行车线同向而行，实现两车交替超车领跑功能。测试时，首先要确定两车之间的安全距离，防止两车相撞。在超车区时，控制辆车的速度，和转弯的角度，保证能正常超车。图10图10数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数；信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输；仿真软件用于测试程序；直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电；秒表用于产品测试，按照任务书的基本要求对制成的电动车进行产品测试。4.3测试结果及分析4.3.1测试结果(数据)经反复测试，甲车的行驶速度为0.40m/s,乙车的行驶速度为0.41m/s。甲车行驶完一周的时间为24s，行驶路程为S=2.4*4=9.6m，由v=S/t得：v=9.6/24=0.40m/s；乙车行驶完一周的时间为23s，行驶路程为S=2.4*4=9.6m，由v=S/t得：v=9.6/23=0.417m/s；4.3.2测试分析与结论本次设计基本完成了题目的全部要求，能正常完成各项指定任务，并且工作稳定，制作工艺方面也精益求精，使其外观尽量紧凑美观，软件方面也力求简洁可靠。然而本设计任然存在不少不完善和有待改进的地方，例如传感器受环境的影响较大，程序中中断和扫描之间时间上的冲突，还有行驶速度不够快等等，这些正是设计的真正难点所在，也是此题的价值所在。因此在今后的各种设计中，都会继续考虑这些问题并力图解决。5.参考文献 [1]单片机应用开发实用子程序.边春元等编著.人民邮电出版社.2005[2]全国大学生电子设计大赛培训系列教程.高吉祥主编.电子工业出版社.2007[3]单片微型计算机原理及应用.张毅坤等编著.西安电子科技大学出版社.1998[4]微型计算机接口技术.王兆月等编著.机械工业出版社.2006[5]全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编2003北京理工大学出版社2005附录一电路原理图附录二循迹程序如下：switch(P1) { case0xe7:dianjiA1=0;dianjiA2=1;dianjiB1=1;dianjiB2=1;break; case0xef:dianjiA1=0;dianjiA2=1;dianjiB1=1;dianjiB2=1;break; case0xff:dianjiA1=0;dianjiA2=1;dianjiB1=1;dianjiB2=0;break; case0xe3:dianjiA1=0;dianjiA2=1;dianjiB1=0;dianjiB2=1;break case0xe1:dianjiA1=1;dianjiA2=0;dianjiB1=0;dianjiB2=1;break; case0xe0:dianjiA1=0;dianjiA2=1;dianjiB1=0;dianjiB2=1;break; case0xed:dianjiA1=1;dianjiA2=0;dianjiB1=0;dianjiB2=1;brea