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2011年全国大学生电子设计竞赛报告XXXXXXXXXXXXX（X题）【SCJ-b-本-c】2011年9月6日智能小车【摘 要】本设计提出了一种智能小车互逐模型，以MSP430F149作为系统的微控制器芯片，包含小车寻迹、防撞和无线通信等电路模块，不仅实现了两车自主地在指定区域直行、转弯，及交替超车并且不会碰撞及驶出场地的设计要求，同时具有速度显示，和超车声、光提示的功能。【关键词】MSP430F149；无线通信；交替超车；测速；目 录1 方案设计与论证11.1 信号测量、调理方案11.2 二线制电流变送、接收方案12 理论分析与计算22.1 电流变送与接收电路分析与计算22.2 测量精度控制23 系统软、硬件设计33.1 电源电路33.2 系统软件设计44 系统测试及结果54.1 测试仪器54.2 测试方法64.3 性能指标65 总结6参考文献7智能小车（C题）1 方案设计与论证任务要求设计一个能够在指定区域内，完成自主直行、转弯和交替超车的智能小车模式。并要求不能碰撞和驶出指定区域。系统整体框架如图1所示。图1：系统整体框图1.1 控制模块方案方案一：选用通用的51系列作为单片机的系统控制器。运用比较广泛，上手很快，但是本课题的程序量大，运算比较复杂，使用的I/O较多，这些对于51，实现起来相对较难。方案二：采用TI公司的MSP430s149的16位单片机。具有处理能力强，运算能力强特点，同时具有低功耗I/O多，和自带A/D、存储等优点，这大大简化了系统的开发和调试的复杂度。基于以上分析我们选取方案二。1.2 电压模块方案采用4节锂电池串联成14v，在通过LM317三端稳压芯片，以并行方式稳压到12v、9v、5v、3.3v。LM317具有输入电压大（40v），输出电流最大为1.5A，输出电压可调等特点。其输出电压V=1.25(1+)。1.3 显示和语音模块方案选用12864液晶显示器做显示，和msp430单片机自带的语音功能，不需添加语音芯片。1.4 转弯、超车检测模块方案方案一：颜色传感器，稳定性高，靠干扰性也强，测量能精确达2mm。但是测量距离只有12mm，价格也较贵。还有对机械的设计要求高，因为它的发射模块和接收模块是分开的。方案二：光电对管传感器稳定性一般，容易受到外间光线的影响，检测距离能到达20cm，工作电压在312V，功率65毫安。灵敏度可以调节，价格较为便宜。但是延时时间在0.3s左右。方案三：红外接发管稳定性好，38KHz特制载波，有效的减小了外界干扰。检测距离为70cm，并且可调。接收端接收到的电压与障碍物的距离趋近线性变化，即可壁障，添加A/D后也可以测距。综合考虑，最终采用TRCT5000用于转弯、超车线的检测，用5mm的红外接收管防止小车碰撞和测距。1.5 电机驱动模块方案首先选用的小车是履带式的小车地盘，其自带直流减速电机。方案一：选用L298驱动芯片，L298芯片一种高压，大电流（3A）的双桥式驱动器。本课题使用一块此芯片就能够独立地驱动两个直流电机的正转和反转。并添加光耦隔离。方案二：选用uln2003驱动芯片，使用广泛，上手很快。最大输出电流为500mA。综合考虑，采用方案二。1.6 无线模块方案方案一：nrf24l01是一款工作通用频段的无线收发器芯片，其内部集成有频率发生器、放大、振荡、调制、解调和输出一体的芯片，并支持SPI通信，但是对程序要求复杂。方案二：选用由PT2262/2272组成的无线收发模块，其自带地址、数据编码功能，发送数据和接收数据都是TTL电平，直接接单片机口，大大简化了软件程序。工作电压3v16v，有效距离最大为1000m，工作电流小于5mA。综合考虑，采用方案二。1.7 测速模块采用ST130槽式开关型光耦，对小车转盘计数，不仅安装方便，而且程序也简化。2 理论分析与计算2.1 信号检测与控制通过常用的光电对管，就能简单的实现小车对黑带信号的检测，即可完成小车转弯。关于小车如何检测到超车标志区，小车可以通过记录检测到黑线的次数来判断，但是行驶多圈后，会出现累计误差，尤其是在黑线密集的超车标志区。考虑到超车标志区黑线密集的特点，所以本设计采取寻黑线和判断采集到两次黑线的时间，共同来判断超车标志区，具体为在相距很短的时间内，如果次寻到黑线，则为超车标记区。2.2传感器布局与行驶分析传感器的布局如图所示，矩形为防止两车碰撞的5mm红外收发管，车头45度角的红外防碰撞传感器，能有效避免转弯时正前方传感器盲区的问题。而右侧的红外收发管，即可防碰撞，可判断小车是否完成超车。三角形为寻黑线的TRCT5000光电对管，正前方的 用于寻转弯标志线，右侧的两列并排的光电对管，用于小车沿车道外沿行驶的控制，具体为一排并排的传感器有两个及其以上检查到黑线，则小车向左转一定角度。2.3两车通信方法本设计的通信选用的自带地址数据编码的无线首发模块，工作电流小到5mA和有效距离远的特点。其输出的是TTL电平，直接与单片机口相接，大大优化了程序。当后车要超车是会向前车发出一个信号，前车接到信号后，会作出不加速，让道等动作。2.4系统节能考虑首先选用的微控制器MSP430就具低功耗特点，另外在体统设计中，不仅尽量少使用不必要的外围器件如指示灯，而且将一些传感器处于关闭状态，只有当需要它时才打开。3系统软、硬件设计3.1系统硬件设计3.1.1电源电路 本电源采用4片LM317以并联的方式，提供所需的12v、9v、5v、3.3v电压需求。LM317能够提供1.5A的负载，增加散热片以确保其稳定性，如图3所示。图2：电源电路3.1.2寻迹、防碰撞检测设计 寻迹模块采用TRCT5000光电对管，而防碰撞模块选用5mm红外收发管，二者的原理相似，电路则是通用。将其接收管接收到的信号，经LM339比较后直接与单片机口相连。电路设计如下图所示。图3：光电对管电路3.1.3 距离检测设计 距离检测模块同样采用5mm红外收发管，它的检测距离可达80cm，并且其接收管接收到电平的大小与被检测的距离趋近线性变化，通过MSP430自带的A/D,就能够实现两车的距离检测。传感器测量数据如下。图4：5mm接发管测试数据3.1.4 驱动电路设计 选用一片L298驱动芯片， L298芯片一种高压，大电流（3A）的双桥式驱动器。添加光耦隔离和二极管后，能够很好地实现两个驱动直流电机正转和反转。电路图如下。图5：电机驱动电路32统软件设计3.2.1 主程序框图图6：主程序流程图 说明：4系统测试及结果4.1测试仪器和方法选用1mm精度的直尺和秒表作为测试工具，用自制的电源为本系统所有设备供电，通过精度为0.01s的秒表和小车控制系统自带的秒表，来完成各种条件下，甲、乙各自行驶完一圈的时间。4.2性能指标4.2.1基本要求测试分别将甲、乙两车放在场地上的起跑线，单独测量其行驶一周的时间。表1:甲乙小车独立完成行驶一圈的时间第几次测量12345甲车行驶一圈时间（s）甲车行驶一圈时间（s）通过以上测试，小车能正常行驶，转弯，不会驶出规定区域。4.2.2基本要求乙超甲测试将甲车放在距离乙车上的起跑线，两车同时出发，完成乙车超甲车，单独测量其行驶一周的时间。表2:乙超甲二者行驶一圈的时间第几次测量12345甲行驶一圈时间乙行驶一圈时间通过以上测试，甲乙两车都能完成在指定区域直行、转弯，和在指定区域完成乙测超过甲，并不会相撞。第几次测量12345甲车行驶一圈时间（s）甲车行驶一圈时间（s）4.2.3发挥部分甲乙交替超车测试在完成以上基本要求后，继续测量甲乙两车交替领跑期间，甲乙两车各自完成行驶一圈的的时间表2:乙超甲二者行驶一圈的时间第几次测量12甲超乙乙超甲甲超乙甲超乙乙超甲甲超乙甲车完成一周时间甲车完成一周时间4.3.4甲车离起始位置40cm内甲乙两车完成交替超车的行驶时间完成以上所有要求后，将甲车放在距离起跑线30cm出，分别测量甲乙每一圈的时间。表3: 甲、乙小车完成每圈行驶的时间第几次测量第一圈乙车超甲第二圈甲车超乙第三圈乙车超甲第四圈甲车超乙甲完成时间（s）乙完成时间（s）甲完成时间（s）乙完成时间（s）甲完成时间（s）乙完成时间（s）甲完成时间（s）乙完成时间（s）12345经过以上测试，两车不仅能完成防碰撞，而且还能实现在规定区域行驶、转弯和交替超车。5 总结通过测试结果，本课题不仅完成了课题的有要求，甲乙两车能在规定场地实现交替超车，和不发生任何碰撞，而且成功率较高。程序偶尔出现跑飞现在，主要是因为小车的行驶时间长，出现电量不够。另外增加了超车声、光等人性化设置。参考文献1 谭博学, 苗汇静.集成电路原理及运用（第二版）.电子工业出版社2010年5月2 毅刚, 彭喜元.单片机原理与应用设计.电子工业出版社2010年5月 TP368.1 3 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京航空航天大学出版社 2006年12 月4 黄智伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计.北京