2012安徽省大学生电子设计竞赛(双智能小车).doc

2012安徽省大学生电子设计竞赛双智能小车（C题）参赛队号： 双智能小车(C题)摘要：关于两辆智能小车，其组成应当基本一致，我组运用循迹小车系统，红绿检测模块，红外测距模块，声音控制模块，以及部分电子组件构成双智能循迹红绿灯检测小车。本设计小车系统稳定，采用AT89S52单片机，并且安装独立的四个红外循迹探头，在完成循迹功能时能够有较高的精确度。本次的设计亮点在红绿灯检测系统，利用红外检测使操作性增强，可靠性提高，并且模块实现简单不易受外界环境影响。测距模块我组运用测距红外对管，其构造简单，精确度较高，对两车在行进时进行距离控制，经试验，完全符合题目要求。本作品不但完成了所以基本要求，而且还完成了附加要求中的第二点，即保持两车之间的距离在20CM以外。总体上思路清晰，可控性强，系统稳定，且自创行较强，不受网上的各类小车类设计所影响。关键词：AT89S52，红外循迹，红绿灯检测，红外测距。1.引言：关于双智能小车我组认为其重点在于循迹小车的制作与红绿灯识别的实现，以及红外测距模块的运用。基本可分为下列几大模块：A循迹小车模块B红绿灯检测模块C红外测距模块。对于以上模块在硬件上一一实现后对于程序的中断与优先级进行了修改，最后完成情况良好。设计亮点在于循迹小车额精确度高以及红绿灯检测模块的实现较为灵活方便，打破了以往小车的红绿灯检测模式。2.方案设计：我组的双智能小车共涉及到以下待解决问题。 （1）循迹小车系统组成：1.AT89S52单片机设计中采用了一款十分常用51系列单片机作为处理器，特点是价格低廉、使用方便，且可与其他处理器进行通讯。AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS 8位微控制器，具有8K 在系统可编程Flash 存储器。使用Atmel 公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51 产品指令和引脚完全兼容。片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得A T89S52在众多嵌入式控制应用系统中得到广泛应用。2. 寻黑胶带方法方案一：可见光发光二级管组成的发射-接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判；虽然调制发光管可以降低一定的干扰，但稳定性不佳。方案二：反射式红外发射-接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰，大大减小了误判和漏判的可能性。经过比较选择方案二。3.电机的选择和控制方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻元件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻比较小，但电流比较大；分压不仅降低了效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电动机的转速进行控制，此方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易损坏，寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，精准调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截至状态下，效率非常高；H型电路保证了可以简单的实现转速的控制；电子开关的速度很快，稳定性也较之继电器高的多，是一种广泛采用的PWM调速技术。经过比较选择方案三。循迹小车分系统总结：在寻迹模式下：车前部下端安装四个红外发送接收对管，将四路输出（路面黑色时输出1，路面为浅色时输出0）信号分别接至单片机I/O口，通过判断信号的情况，决定是前进、转弯（其中转弯是左右两轮的转向方向相反以提供较大的扭力）。小车采用双直流电机，用LM298的达林顿管H型电路进行PWM控制。这样可以将小车的转向精度提高，利用前后两轮的不同转向来解决干电池供电的扭力不足的问题。使小车在总体上有较好的前进速度与精确且强劲的转角扭力，以提高小车的循迹精度。综合各方面因素我组选用方案三，此方案的优点是使循迹小车的精度较高且可以调节小车行进速度。（2）红绿灯识别的完成查阅资料有关于红绿灯自动检测的实现方式主要有两种：方案一：运用无线收发设备在红灯亮起时向小车发出停止信号，使小车停止，当绿灯亮起时同理。本方法的优点是智能性强，具有较大的可扩展性。缺点是识别过程的不可控性较大，由于信号进行编码调制发送等过程造成了不必要的时间与设备的浪费。在实现方面程序复杂度大，较短时间难以实现。方案二：运用颜色传感器TCS230随着现代工业生产向高速化、自动化方向的发展，生产过程中长期以来由人眼起主导作用的颜色识别工作将越来越多地被相应的颜色传感器所替代。例如：图书馆使用颜色区分对文献进行分类，能够极大地提高排架管理和统计等工作；在包装行业，产生包装利用不同的颜色和装潢来表示其不同的性质或用途。目前的颜色传感器通常是在独立的光电二极管上覆盖经过修正的红、绿、蓝滤波片，然后对输出信号进行相应的处理，才能将颜色信号识别出来；有的将两者集合起来，但是输出模拟信号，需要一个A/D 电路进行采集，对该信号进一步处理，才能进行识别，增加了电路的复杂性，并且存在较大的识别误差，影响了识别的效果。TAOS（Texas Advanced Optoelectronic Solutions）公司最新推出的颜色传感器TCS230，不仅能够实现颜色的识别与检测，与以前的颜色传感器相比，还具有许多优良的新特性。但是颜色传感器不可识别具有光源的颜色题。这对于本题的红绿灯检测来说是致命的，其测试精度仅在10mm，精度也过小。方案三：红外发射与检测本次红绿灯检测系统我组运用较为创新的方法便是在红灯的发射端自制红外探头，将其接收端去除仅留下红外线发射端；在点亮红灯时同时触发红外发射装置将红外线发射出去，而循迹小车额顶端安装与其配套的红外接收对管，当小车的传感器接收到仅有红灯点亮是才能发射的红外射线时停止行进，此时红灯亮起。3秒的延时程序后，小车继续前进，继续进行循迹。由于51单片机性能有限，可用外部中断只有两个，综上我组选用方案三这样的实现方式较为简易，操作性很强识别灵敏且稳定，解决了颜色识别传感器不能识别带光源颜色物体这一问题并且解决对于测试环境要求过强这一弊端。 （3）由声音控制小车行动根据题目要求，我组利用YL-56声音传感器来具体实现靠声音作为开始信号的要求。YL-56可以检测周围环境的声音强度，此传感器只能识别声音的有无（根据震动原理）不能识别声音的大小或者特定频率的声音所以作为简易声控开关再适合不过。该元器件灵敏度可调工作电压3.3V-5V 输出形式数字开关量输出（0 和1 高低电平）在没有声音信号的时候处于0状态，一旦有触发传感器的声音强度时触发高电平，此时循迹小车系统开始工作。该元件可以与本次试验所用的AT89S52单片机配套使用，程序实现简单，模块效率高可以根据环境条件不同来进行灵敏度的调节。 （4）发挥部分的两车距离要求小于20CM本次试验运用测距红外对管。 红外测距模块可提供2cm-80cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm，基本工作原理： 调节测距红外对管的距离，使其在两车距离20cm处能接受到信号，并输出一个低电压，通过中断控制来使后车停车，防止两车相撞，确保两车距离在安全距离以内，当两车距离超过20cm时后车恢复正行速度，整个过程动态平衡后两车距离始终保持在一个固定值，可防止撞车。 （5）循迹小车的岔道行进方向与通知方式由于本次设计要求小车在岔道进行左右分别行进即要求一辆小车在走左的情况下使另一辆车走右。方案一：无线收发模块告知小车的走向方向 本方案利用无线收发模块对于小车在岔路上的选择进行车与车之间的通信，当一辆小车走左边的路时会发射一个信号告知第二辆小车走另一条岔道，本设计的无线模块采用较为广泛的433M/315M无线通信收发模块，本模块集成度高，接口简单仅有三个接口分别是VCC，GND，以及信号收/发一体接口，可以将单片机产生的信号还原度较强的发射出去。可以在空旷处达千米使用，信号好操作简易，实现方便。 方案二：调整小车的红外探测头 本方案使小车在物理上解决在岔路前的选择，使两辆小车总是走左或者走右。具体实现是对于对称的红外探测器的位置进行调整，使在要走的那边的探头高于其他探头，在程序上使它的优先级高于别的探头，当该探头与黑线时那么将按照它所指的方向行进，将两个小车的探头分别置于左边和右边那么两辆小车将进行不同分叉路的行进，以此达到题目的要求。 本次利用方案二，这样由于作用机理不同那么将会使小车在岔道识别左右，使本项要求顺利完成。（6）道路实时监控设备发挥部分要求的将小车在道路上的行进情况等一系列行驶参数发送到场外的显示屏上面，在屏幕上可以直观的观察到小车在行进的过程中处于什么位置。我组具体实现情况如下，在每辆小车上安装无线收发设备（NRF24L01模块或者315/433M无线通信模块），路边安装无线接收设备，在小车开始行进使左转车和右转车将不同的小车行进参数（速度等）发射到场外设备上，按照小车在每天路线上行进所花费的时间不同通过特定的算法大致估算出小车在道路上的位置，从而在显示屏上描绘出小车的运行轨迹，由于该发挥部分难度较大在你实现过程中小车无线通信不可控性强，且算法复杂，所以在具体制作过程中我组这点完成的不是很好。设计框图：原理图：软件流程图：3.设计实现：1.循迹小车的设计实现循迹小车主要依靠四路红外探测器对于赛道进行探测，当遇到黑线时红外探测管发射的红外线被吸收，则另一个接收管就不能接收到反射回去的红外线，这种运行机制不断的反馈回单片机，使单片机对于小车的行驶情况不断的做出修正这样使小车在循迹是可以时刻对于状态进行调整，在你转弯与圆弧形弯道上使小车时刻都能按照预定的轨道行进。在分岔道时我组利用无线收发模块进行两个小车之间的通信，再加上运用简单的物理安装小车不同方位的红外探头来使不同的小车走不同的道路，两种方法结合使小车在行进的过程中满足题目的要求。出现的问题其一：计的过程中小车的红外探头安装方位根据跑道的不同而会需要不同的位置，这样下来对于小车的物理调制就会比较繁琐，解决方案： 没有什么好的方法，只能最此进行比较耐心且细致的调试。其二：小车在进入弯道的时候有时候会来不及实现红外线接收后的调整，这样就会使在转弯处有冲出跑道的危险。解决方案：减小电压，并且使小车在直线上的占空比与弯道的占空比不同实现在直线与弯道的速度不同，直线时速度小，为了过弯做准备，弯道时速度要求变大以增大小车扭力，以便更好的过弯。2.红绿灯识别的实现这个问题首先我组想到的便是清单中所给出的颜色传感器，顾名思义其特点就是对于颜色进行分辨，但是在查阅资料的时候发现颜色传感器对于带灯光的颜色不能识别，只能识别出带颜色的实体且识别 距离在10MM左右，那么这么近的距离对于小车来说并没有实现真正红绿灯想要达到的目的。第二我们想通过NRF24L01来进行红绿灯与小车的通信，但是由于设备复杂且准确性不高所以放弃。我组采用了独特的创新方法那就是在红灯上加载一个红外发射头，在小车上安装红外接收探头，这样当红灯点亮小车便可以方便的接收到信息，不会太像颜色传感器那样太过于靠近红绿灯，也不会是模块复杂可控性不强。在实现过程中并未发现什么太大的毛病，灵敏度也比较高，完全可以实现题目要求。3.声控开关的实现本模块实现较为简单，唯一出现的问题就是该模块的精度难以控制，对于在各个环境下的吵闹程度进行估量后对于精度可以进行细微的调节也算是该模块的一大优势。4.发挥部分的两车距离要求小于20CM运用此模块可以较为简易的实现题目要求，模块的操作简单，具体如下：需要单片机提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；建议测量周期为60ms 以上，以防止发射信号对回响信号的影响。大致程序如下：4.测试测试方法：完全模拟题目对于小车与赛道的要求，在赛道测试，其中测试变量主要包括电源，小车模块位置等一系列因素。所用仪器：参赛小车，自制红绿灯，比赛赛道，自制赛道，学生电源，干电池等。测试过程：我组将自制小车在组委会提供的赛道上与自制赛道上进行模拟比赛过程的测试，包括小车循迹直线行进，弯道行进，遇红绿灯解决方案，声控开关等一系列赛题要求。测试结果：循迹红绿灯识别声控开关左右辨别1不正常正常正常正常2正常正常正常正常3正常正常正常不正常4正常正常正常正常5正常正常正常正常基本符合题目基本要求，在循迹过程中有时候小车的传感器可能会被场地光亮和赛道所干扰。左右辨别有时也会出现这种问题。5.结论经过四天三夜的辛勤努力，我们实现了题目的全部要求，但由于时间紧，工作量大，系统还存在许多可以改进的地方，比如电路布局、和抗干扰方面还有很大的提升空间，经过改进，相信性能还会有进一步的提升。本次竞赛极大的锻炼了我们各方面的能力，虽然我们遇到了很多困难和障碍，但总体上成功与挫折交替，困难与希望并存，我们将继续努力争取更大的进步。附带循迹小车程序：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intuchar x3,x4;uint k=1;uint m,n;sbit P10=P10;sbit P11=P11;sbit P12=P12;sbit P13=P13;sbit P14=P14;sbit P15=P15;sbit P16=P16;sbit P17=P17;sbit P20=P20;sbit P21=P21;void ds(uchar x1,uchar x2) TMOD=0X01; TH0=x1; TL0=x2; x3=x1; x4=x2; EA=1;ET0=1; TR0=1;void delay(uint t)while(t-);void xunji() if(P13=0)if(P10=0&P11=1&P12=0)|(P10=0&P11=0&P12=0) /全灭或中间灯亮ds(0xff,0xe0); /全速前进if(P10=0&P11=1&P12=1)|(P10=0&P11=0&P12=1)|(P10=1&P11=0&P12=1)ds(0xff,0xff); /右拐if(P10=1&P11=1&P12=0)|(P10=1&P11=0&P12=0)|(P10=1&P11=1&P12=1) ds(0xff,0xff); /左拐if(P13=1) ds(0xff,0xff); /