车辆会车自动控制系统设计报告

2012年山东省大学生电子设计竞赛参赛编号004D012设计题目车辆会车自动控制系统设计参赛学生姓名孙帅张炳文丁士强所属专业电子信息科学与技术指导老师刘怀强目录一、系统方案选择和论证31、核心控制单片机模块的选择32、自动寻迹模块33、会车避障模块44、电动机的选择45、电机驱动模块46、测距模块的论证与选择4二、系统具体设计实现41、硬件电路的设计511、控制系统的总体设计方案512、电机驱动电路513、循迹模块电路514、霍尔测距模块电路515、两车通信模块52、程序的设计521、程序功能描述与设计思路622、程序流程图6三、测试方案与测试结果61、测试方案62、测试条件与仪器63、测试结果及分析631、测试数据632、分析与结论7四、设计总结8五、参考文献8附录一电动机驱动模块原理图9附录二BFD1000五路循迹传感器9附录三主程序流程图10附录四会车避让前行11附录五B车后退避让12附录六系统设计要求13附录七部分原程序14车辆会车自动控制系统设计（D题）摘要本设计是一种基于单片机控制的自动控制小车系统，包括小车系统构成软硬件设计方法。小车以MSP430为控制核心,利用红外光电传感器对路面黑色轨迹进行检测,并将路面检测信号反馈给单片机。单片机对采集到的信号予以分析判断,及时控制驱动电机以调整小车转向,从而使小车能够沿着黑色轨迹行驶并使两车能自动会车,实现车辆会车自动控制的目的。关键词单片机MSP430；红外传感器；直流电机；会车自动控制一、系统方案选择和论证1核心控制单片机模块的选择方案一AT89C51单片机。采用ATMEL公司的AT89C51单片机作为主控制器。价格便宜，控制简单，为我们平时实验所熟用；但其运算速度慢，片内资源很少，存储器容量也小，难以作较复杂的程序设计和实现复杂的算法。方案二MSP430单片机。MSP430系列单片机是由TI公司开发的16位单片机，其特点是超低功耗，集成度高，存储量大，外部扩展能力强，控制功能强。16位RISC指令集处理器，14个双向I/O口，每个I/O口均可作为中断源。基于以上分析，拟选用方案二。2自动寻迹模块方案一采用多路阵列式光敏电阻组成的光电探测器。因为光敏电阻探测到黑线时，黑线上方的电阻值发生变化，经过电压比较器比较将信号送给单片机处理，从而控制物体做相应的动作。但由于光敏电阻对环境光的识别，容易受到外界环境光的影响。，方案二采用红外反射式探测，即用已调的红外线垂直射到板面，经反射后转换为电信号送入单片机处理。采用高发射功率红外光、电二极管和高灵敏光电晶体管组成，采用非接触式检测方式，由于使用的是红外线，不受外界自然光的影响，寻迹效果好。基于上面的讨论，选用了抗干扰能力强的方案二。3会车避障模块方案一HCSR04超声波测距模块可提供2CM400CM的非接触式距离感测功能，包括超声波发射器，接收器与控制电路。但必须提供一个10US以上脉冲触发信号，由于会车避障系统对精度要求不高，同时避免程序冗杂。方案二LM324N红外避障传感器对环境光线适应能力强，具有一对红外线发射与接收管，发射管发射出一定频率的红外线，当检测方向遇到障碍物时，红外线反射回来被接收器接收，经过比较器电路处理，绿色指示灯亮起，同时信号输出接口输出一个低电平信号，以此作为两车相遇会车时的标志。基于以上讨论，选用简单方便的方案二。4电动机的选择电机采用直流减速电机，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。最大速度可达30CM/S,能够较好的满足系统的要求。5电机驱动模块方案一驱动模块采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片，L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，其响应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，具有输出电流大，功率强，过流保护等特点，并且使用方便。方案二采用继电器对电动机的开与关进行控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长不可用于高速、频繁的开关切换操作，易损坏，寿命较短，可靠性不高。通过比较，为了保证电机正常稳定工作，我们选择方案一L298N电机驱动模块。6测距模块的论证与选择方案一通过红外传感器光电槽来实现，当光电槽被遮挡之后，红外接收管接收不到信号，接收管不导通；当光电槽没有被遮挡着，则接收管导通，系统通过检测接收管输出脉冲，计脉冲的个数就可以转化为速度与距离等信息，但是由于车身齿轮大小限制，在小车上安装较为困难。方案二通过开关型霍尔传感器来实现，霍尔传感器高磁场时低电平，低磁场时高电平，并且电平变换速度快，此方法安装方便并且适合小车电机齿轮的减速倍率，具有较好的测速效果。通过比较，霍尔开关使用安装方便，精度高，因此我们选择方案二作为测速模块。二、系统具体设计实现1、硬件电路的设计（1）控制系统的总体设计方案会车自动控制系统由主控制电路模块、电源模块、红外检测模块、电机及驱动模块等部分组成,控制系统的结构框图如图1所示。电源模块主控芯片MSP430L298N减速电机光电传感器电压比较器图1控制系统的结构框图1主控制电路模块用MSP430单片机、复位电路，时钟电路2红外检测模块红外避障传感器LM324N,BFD1000集成五路循迹传感器3电机及驱动模块电机驱动芯片L298N、直流电机4电源模块电池盒提供（2）电机驱动模块电机驱动模块采用双电源对单片机和减速电机单独供电，从面使电机流畅运转，采用了光耦隔离模块，减小了控制电路对L298N模块产生的干扰。L298N集成模块可以单独控制两个电机的正反转。用单片机的四个I/O口控制两路电机的四个输入端，从而控制电机的转向、前进、停止。（电路图见附录一）（3）循迹模块电路BFD1000反射式光电传感器，对管所接电阻值分别和发光的强度和接收管的灵敏度有关，一体化红外发射接收IRT中的发射二极管导通，发出红外线，经反射物体反射到光敏接收管上，使接收管的集电极与发射极之间的电阻变小，输入端电位变低，输出高电平。当红外光线照射到黑色条纹时，反射到IRT中接收管上的光量减小，接收管的集电极与发射极之间的电阻变大，输出低电平。运用电压比较器对光电器件输出电压进行比较，参考电压可对循迹模块的灵敏度进行调节，上拉电阻能够提高整个模块的稳定性。（模型见附录二）4霍尔测距模块霍尔传感器是一个磁敏原件，安装在车轮转轴附近，其中上拉电阻可以明显提高模块的稳定性。电机转动时，转到磁铁的地方发出信号。霍尔H的1脚接5V，2脚接地，为霍尔提供5V电源。当磁场B从小到大到达18MT，3脚由5V跳变为0V。当磁场B从大到小到达125MT，3脚由0V跳变为5V。根据电机转速，I/O口可以输出标准数字电路高低电平的个数，从而实现对小车速度的测量。（5）两车通信模块两车通信通过红外传感器实现，两车通信出现在会车过程中，当红外传感器有信号输出时，控制小车自动停止或继续前行，并顺利到达终点。2、程序的设计系统采用C语言编程实现各项功能。C语言本身带有各种库函数，运算能力较强，而本系统的软件中算数运算比较多，利用C语言编程可以体现出一定优势。程序是在WINDOW7环境下采用IAREMBEDDEDWORKBENCH软件编写的，可实现对小车的精确控制，对传感器输入信号的处理、对按键输入的查询以及声光提示等功能。（1）程序功能描述与设计思路1、程序功能描述键盘实现功能独立键盘用于实现智能车运行模式的切换，有模式1自由行进，模式2会车行进，模式3A车避让，模式4B车后退避让，模式5后退避让。2、程序设计思路使用红外循迹传感器进行沿黑线前进，利用红外避障和霍尔传感器的信号，控制小车实现车辆会车自动控制的功能。（2）程序流程图1主程序流程图（见附录三）2会车避让前行（见附录四）3B车后退避让（见附录五）三测试方案与测试结果1测试方案1、硬件测试分别对每个模块做相应的测试。2、软件仿真测试使用IAREMBEDDEDWORKBENCH软件进行仿真。3、硬件软件联调对自动控制系统的测试是在一个自制的符合设计任务要求的场地中测试的，逐步按要求进行测试。2测试条件与仪器测试条件电池供电，符合系统要求的跑道。测试仪器自制跑道，高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表，秒表等。3测试结果及分析（1）测试结果数据基本要求1AB两车分别从各自从发车区出发，正常行驶至对方的发车区停止。测试如下测试次数是否正常行驶行驶时间1是35S2是20S3是19S4是40S5是18S2两车同时发车，以对方的发车点为终点行进（会车时可以在非会车区域会车）。测试结果如下3两车同时发车，以对方的发车点为终点行进。其中A车首先进入号会车区避让，待B车通过后再继续前进。测试结果如下发挥部分1）A车先开行，B车后开行，且使之在2号路段相遇；相遇后，后出发的B车后退进入II号会车区避让，会车后两车继续前进，到达终点。测试结果如下测试次数是否实现会车是否碰撞行驶时间1是是44S2是否26S3是否40S4是否60S5是否27S测试次数是否实现会车是否碰撞行驶时间1是是45S2是否50S3是否52S4是否40S5是否57S测试次数是否实现会车是否碰撞行驶时间1是否75S2）任意指定一辆车先开行，另外一辆车后开行。相遇后，要求两辆汽车能根据各自离开会车区的距离进行避让，即离会车区距离近的车辆后退进入会车区避让进行会车，到达各自的道路终点。测试结果如下3）用LCD12864液晶显示来按键显示；（2）测试分析与结论根据上述测试数据，可以得出以下结论1、小车能够较好的完成基本功能和发挥功能。2、小车完成任务的时间较快，且保持了比较好的稳定性。四设计总结我们的作品完成了基本功能及部分发挥的功能，AB两车分别从各自从发车区出发，正常行驶至对方的发车区停止，能在会车区和非会车区自动避让会车，且能实现小车后退入指定会车区避让，能在规定的时间内达到题目的要求。系统使用MS430单片机，功能强大，速度较快，能较好的完成题目要求。但整个系统也有不足之处，比如说电池电量不断减小，小车速度越来越慢，这样延时不精确便很容易掉出赛道，并且别的功能也很难控制，另外两辆小车的速度也还有提升的空间。五参考文献1谢楷赵建编著MSP430系列单片机系统工程设计与实践机械工业出版社，200972黄智伟编著全国大学生电子设计竞赛系统设计（第2版）北京航空航天大学出版社，201123康华光主编电子技术基础模拟部分和数字部分（第五版）高等教育出版201054杨和平编著单片机原理与应用机械工业出版社，200972是否66S3是是77S4是否84S5是否86S测试次数是否实现会车是否碰撞行驶时间1是否75S2是否98S3是否85S4是是88S5是否97S程序和附录附录一电动机驱动模块原理图附录二BFD1000五路循迹传感器附录三主程序流程图选择模式自由行进会车行进A车避让B车后退避让后退避让达到要求开始结束初始化附录四会车避让前行开始寻迹寻找黑线是否会车是否会车区停止避让等待另一小车超过后继续前行到达终点结束附录五B车后退避让开始寻迹寻找黑线是否相遇是否B车后退进入会车区避让回车后两车继续前行到终点结束A车先行B车后行附录六系统设计要求1、任务A、B两辆汽车相对开行，并能按指定要求到达对方的发车点。行车道路示意图如图1所示，道路两侧各有152厘米宽的黑色边沿线；道路的宽度为A、B两车的宽度之和的11倍；会车区路段的宽度为A、B两车的宽度之和的16倍，会车区路段的长度是两车车长之和的2倍；道路中间不允许有任何导行线。A车发车区B车发车区2米1米06米I号会车区II号会车区1号路段2号路段3号路段图1道路示意图2米06米2、要求1基本要求（1）甲乙两车分别从各自从发车区出发，正常行驶至对方的发车区停止。要求两车分别能在50秒之内到达终点。（2）两车同时发车，以对方的发车点为终点行进（会车时可以在非会车区域会车）。要求两车在60秒之内到达各自的道路终点，且无碰撞或刮擦。（3）两车同时发车，以对方的发车点为终点行进。其中A车首先进入号会车区避让，待B车通过后再继续前进要求两车在60秒之内到达各自的道路终点，且无碰撞或刮擦。2发挥部分（1）A车先开行，B车后开行，且使之在2号路段相遇；相遇后，后出发的B车后退进入II号会车区避让，会车后两车继续前进，要求两车在90秒之内到达各自的道路终点，且无碰撞或刮擦。（2）任意指定一辆车先开行，另外一辆车后开行。相遇后，要求两辆汽车能根据各自离开会车区的距离进行避让，即离会车区距离近的车辆后退进入会车区避让，进行会车，两车应在90秒之内到达各自的道路终点，且无碰撞或刮擦。（3）其他附录七部分源程序INCLUDEDEFINEUINTUNSIGNEDINTVOIDQIANJINVOIDVOIDHOUTUIVOIDVOIDLEFTVOID/VOIDLEFT2VOIDVOIDRIGHTVOID/VOIDGIGHT2VOIDVOIDSTOPVOIDVOIDJIANCEVOIDVOIDKAISHIVOIDVOIDDAOCHEVOIDVOIDJIANCE1VOIDVOIDDELAYINTMUINTI,J,X,Y,ZUNSIGNEDCHARAVOIDDELAYINTMFORI0I0XQIANJINDELAY600WHILE1JIANCEVOIDQIANJINVO