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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II摘 要 本系统由信号检测、信号控制和通信部分构成。系统选用STC12C5A60S2单片机作为主控器，利用STC内部的PWM模块对小车进行速度调节；采用TCRT5000 红外反射式光电传感器对信号进行检测，实现小车循迹功能；利用单片机与L298N驱动模块结合来对检测信号进行有效控制。两车之间主要采用2个E18-D80NK 红外避障传感器和无线模块nrRF24L01进行通信。 关键词：STC12C5A60S2单片机 TCRT5000红外反射式传感器 L298N电机驱动芯片 E18-D80NK 红外避障传感 节能目 录1系统方案11.1 控制系统的论证与选择11.2 调速模块的论证与选择11.1 电机驱动的论证与选择21.2 信号检测的论证与选择21.4 两车之间通讯的论证与选择22系统理论分析与计算22.2 信号检测的分析22.2.1 信号（黑线）的检测22.2.2 标志线的检测分析22.3 小车行走的分析32.3.1 小车各自行走一圈32.3.2 超车和避免追尾相撞的分析33电路与程序设计33.1电路的设计33.1.1系统总体框图33.1.1 L298N驱动模块子系统框图与电路原理图33.1.2 TCRT5000红外循迹子系统框图与电路原理图43.1.3 无线模块nRF24L01子系统框图与电路原理图53.2程序的设计53.2.1程序设计思路53.2.2程序流程图64 测试结果84.1 测试结果(数据)84.3.2测试分析与结论9参考文献9附录1：电路原理图10附录2：源程序11智能小车（C题）【本科组】1系统方案本系统主要由电机模块、电机驱动模块、信号检测与控制模块、小车通讯模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。 图 1 系统电路设计1.1 控制系统的论证与选择方案一：采用周立功公司的32位单片机EasyARM2131。该单片机I/O资源丰富，具有强大的存储空间，芯片内置JTAG电路，可在线仿真调试，但对编程要求较高，且价格较为昂贵。方案二：采用STC公司的STC12C5A60S2。内部含有PCA模块可对电机进行调速。此单片机价格低，资源多，高性价比，应用广泛，无论是从内部构造，还是编程方面51系列单片机都相对简单，容易掌握和使用。综合考虑采用方案二。1.2 调速模块的论证与选择方案一：用单片机STC12C5A60S2内部的PCA模块进行PWM调速，调速准确，程序编写容易，控制方便。方案二：采用L9110马达控制驱动芯片搭建硬件电路进行调速。考虑到控制的灵活性，采用方案一。1.1 电机驱动的论证与选择方案一：采用大功率三极管，二极管，电阻电容等元件。采用上述元件搭建两个H桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单。但由于放大电路很难做到完全一致。当电机的功率较大时运行起来会不稳定，很难精确控制。方案二：采用L298N驱动芯片。L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。该芯片有两个TTL/CMOS 兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能，可用单片机的I/O口提供信号，电路简单、易用、稳定，具有较高的性价比。综合以上二种方案，选择方案二。具体电路图见附录1.2 信号检测的论证与选择方案一：TCRT5000红外光电传感器是一款红外反射式光电开关。传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠，而且价格便宜。方案二：RPR220 是一种一体化反射型光电探测器。其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。优点：塑料透镜以提高灵敏度；内置的可见光过滤器以减小离散光的影响；体积小结构紧凑。缺点：价格较高，是方案一红外对管的3倍。考虑到本题目需要大量的红外对管测试，价格较高，而且方案一已完全能满足题目要求，选择方案三。1.4 两车之间通讯的论证与选择方案一：采用NRF24L01模块。此模块，可以实现数据的精确传输，应用起来比较方便，传输距离远，且其有空闲模式，大大的降低了模块的功耗方案二：HC-SR04 超声波测距模块。此模块检测准确，但价格较高，而且编程复杂。综合考虑采用方案一。2系统理论分析与计算2.1 同时启动分析 启动前打开乙车电源，当按下甲车电源时，通过无线模块nRE24L01发送数据给乙车的数据接收，启动乙车的程序运行。2.2 信号检测的分析 2.2.1 信号（黑线）的检测 TCRT5000红外对管发射出红外线，在非黑色区域发射红外并被接收，与电压比较器LM339比较后得到高低电平输送给单片机，从电平的高低判断是否检测到黑线2.2.2 标志线的检测分析小车需要识别的标志线和边界线以控制小车的行走。因此，当循迹内环时，用右边的红外对管检测检测标志线并进行计数。当循迹外环时，用左边的红外对管检测标志线并进行计数。2.3 小车行走的分析 2.3.1 小车各自行走一圈小车检测到起点标志线后左转一定度，使小车左方红外管检测到内环内的黑线，并循迹内环黑线行走。并用右方红外对管检测标志线并计数，当一超过超车标志线后转而循迹外环，直至跑回到终点。2.3.2 超车和避免追尾相撞的分析避免追尾相撞：小车前方设置一红外避障传感器，小车后方设置一挡板，当两车接近到一定距离时，红外避障传感器检测到对方尾部的挡板，输送低电平通知单片机，由单片机控制PWM调制脉冲使小车减速。超车：当甲车检测到超车标志后，转而循迹外环的同时，甲车减速。乙车与甲车保持红外避障传感器设置的距离转检测完超车标志后，转而循迹超车区内环的黑线，速度超过甲车并循迹黑线返回起点。而甲车循迹检测到转弯标志线后继续循迹外环返回原点。3电路与程序设计3.1电路的设计3.1.1系统总体框图系统总体框图如图2所示图2 系统总体框图3.1.1 L298N驱动模块子系统框图与电路原理图1、 L298N子系统框图 图3 L298N子系统框图2、L298N子系统电路图4 L298n子系统电路3.1.2 TCRT5000红外循迹子系统框图与电路原理图1、 循迹系统系统框图图5 红外循迹子系统框图2、 循迹系统电路 图6 循迹系统电路3.1.3 无线模块nRF24L01子系统框图与电路原理图1 循迹系统系统框图图7 无线收发子系统3.2程序的设计3.2.1程序设计思路1、 程序设计思路:启动小车后直走，小车右边的红外对管检测到起始标志线后向左拐，在进入转弯标志线前左边的红外对管检测到内环2CM的黑线，假如左1和左2检测到黑线，则往里拐，进入行车区，红外对管有反射，则往外拐，同时，经过转弯标志线时，右边的红外对管检测并计数，当进入到超车标志线时，右边红外对管检测到黑线的次数为4，检测完5条超车标志，计到的次数则为8，此时甲车直走转而减速循迹外环返回终点，乙车则继续循迹内环，循迹超车区的内环线比甲车更快的速度前进，直到乙车超车完毕，循迹内环返回起点。为防止两车速度不一样而造成追尾相撞，设置红外避障传感器设置一安全距离，也为超车标志转弯时内由于乙车快，甲车慢容易相撞提供了保障。3.2.2程序流程图1、 主程序流程图2、 循迹内环检测子程序流程图3、 循迹外环子程序流程图4、 超车子程序流程图4 测试结果4.1 测试结果(数据)表1 甲乙小车跑一圈的时间(单位：秒)次数123平均时间甲车18.217.818.518.167乙车18.618.719.218.834 表 2 甲乙小车跑一圈并完成超车的时间(单位：秒)次数123平均两车同行33.735.434.134.4 4.3.2测试分析与结论根据上述测试数据，我们知道：1. 速度太快会导致检测标志线检测不到，就会造成程序错乱，不能完成，因此，我们在能检测到得情况下调到一个最大的可行速度，最快速度达到17.8秒。2. 当跑多圈时，电池的电压降低，因此循迹模块的LM339芯片比较器的比较电压下降，红外循迹会出现错误，而且，电压降低，小车的速度降低，转动的弯度也减少，因此，我们在一圈内完成超车,最短时间为33.7s。由此可以得出以下结论：（1）甲车和乙车分别从起点标志线开始，在行车道各正常行驶一圈。 （2）甲、乙两车按图 1 所示位置同时起动，乙车通过超车标志线后在超车区内实现超车功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。综上所述，本设计达到设计基本要求。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、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