全国电子设计大赛智能小车瑞萨杯(修改)

1、智能小车摘要：该智能小车的设计，采用单片机STC89C52为控制核心，根据题目的设计与具体要求，采用红外传感器（TCRT5000）用于检测和识别路线；采用霍尔元件（A44E）实现路程的检测，并将其用数码管显示；采用蜂鸣器与无线接收用于实现两辆小车之间的通讯；采用PWM控制车速；车行驶过程中的各种功能控制由软件实现。设计基于完备的软硬件系统，很好的实现小车的自动行驶、路线检测与路程显示、车速的自动控制、两车之间的信息交流等智能功能。关键字：STC89C52 红外传感器 霍尔元件 数码显示 蜂鸣器 无线接收 PWM 引言：一个智能小车系统由动力、探测、控制等三大部分组成。其中，动力部分主要包含电机

2、驱动及调速模块，负责电动车的行走控制；探测部分包含各种各样的传感器模块，负责采集外部的信息交付给电动车的决策系统来决策；控制部分则是电动车的核心，通过从探测部分收集到的外部数据信息进行决策，并将结果反馈给动力部分来控制电动车的运行姿态和动作。智能电动小车是一个运用传感器、单片机、信号处理、电机驱动及自动控制等技术来实现环境感知和自动行驶为一体的高新技术综合体，它在军事、民用和科学研究等方面已获得了应用。本文研究的电动小车是在给定的区域内沿着轨迹完成对各个目标点的访问，主要指标有行驶路程、时间、循迹、两车之间的超速等。本文采用STC89C52单片机作控制，针对小车在行驶过程中的不同要求，采用模块

3、化设计方案，进行了各部分电路的设计。正文：1设计任务与要求1.1 设计任务设计并制作智能小车，完成起跑，转弯，两车交替超车领跑。1.2设计要求甲乙两辆小车从起跑线开始，行驶四圈，期间两辆小车在超车区交替领跑超车，且行驶时间要尽量短。2 方案分析与论证2.1 主控系统的分析与论证根据设计要求，我们认为此设计属于输入量的复杂程序控制问题。据此，我们拟定了以下两种方案并进行了综合的比较论证，具体如下：方案一：采用组合数字电路实现核心控制的方案采用组合电路实现控制和处理功能，具有速度快，资源丰富的优点，但是实现多路控制和附加功能上受到限制，且功能越多电路越复杂。方案二：采用单片机为核心控制的方案采用单

4、片机作为控制和处理的核心，可使电路的复杂程度大大降低，尤其是实现小车的自动控制上显现出独特的优势。由于单片机STC89C52是一种高速、低功耗，超强抗干扰、高性能CMOS 8位单片机，完全符合设计的要求，所以采用STC89C52作为核心部件的方案较为理想。2.2显示系统分析与论证显示模块主要用于显示行走路程，由于显示范围为09999.9米，因此可采用四位一体共阳的数码管作为显示元件。在显示驱动电路中我们拟定了二种设计方案：方案一：采用静态现实的方案采用四片移位寄存器74LS164作为显示电路，其优点在于占用主控系统的I/O口少，且静态现实的内容无闪烁，但电路消耗的电流较大，占用I/O口较多，而

5、本设计的电机消耗电流已经很大，应尽量在其他电路中节约电流的消耗，因此该方案不被采用。方案二：采用动态现实的方案采用专用数码管译码器BC7281B（以下简称7281）和74LS164共同协作来作为驱动的动态显示电路，它只占用主控系统的两个I/O口，大大节约了I/O口，且动态扫描7281单独控制，不需单片机定时扫描，这样就节约了单片机的定时单元用于做驱动和车速检测，故采用本方案。2.3检测系统分析与论证由于本设计中的技术指标要求识别精确范围0.52 cm，因此本定方案中采用的是反射式的未经调制的红外收发管TCRT5000作为检测黑线的传感器。考虑到该传感器要检测的距离比较短，所以采用的加套管的方法

6、避免外界自然光线的影响，没有加入补偿电路，这样大大简化了电路的设计，为了使小车更好的沿循迹线行走，我们加入了五路检测黑线，且让他们独立工作，由主控系统循环检测。2.4电机控制系统分析与论证方案一：采用复合管组成的H型PWM电路，这种电路的优点是使管子工作在占空比可调的开关状态，提高使用效率实现电机转速的微调，并且H型的驱动电路可以简单的方式实现的方向控制。方案二：采用内部集成有两个桥式的专用驱动芯片L298来驱动电机，L298是驱动两相和四相步进电机的专用芯片，这种芯片内部有一套完善的H桥电路，利用其内部的桥式电路来驱动直流电机，用单片机控制L298的输入使之工作在占空比可调的开关状态，可以方

7、便的控制直流电机的正反转和速度。不但使用方便也可以大大简化外围电路。因此采用方案二。H型PWM电路图1 方案二原理图2.4 电源模块的选择方案一 采用单一电源供电方案。这样供电比较简单，但由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM 驱动的电动机电流波动较大，会造成电源电压不稳，可能会造成很多意想不到的现象。此方案缺点十分明显。方案二 双电源供电方案。小车使用+9V叠层电池供电。+9V电源供给L298，经过LM7805将电源调成+5V供给单片机和MMC-1。这样就可以把电机用电源和单片机电源分开，增加电路的可靠性。因此采用方案二。2.5无线传送模块的选择方案一 利用无线双向数传模块nRF401、nR

8、F905、nRF2401模块，此类模块功能强大，但编程复杂，价格昂贵。方案二 利用无线发射模块F05P和超再生接收模块J04V构成无线通道，这两种模块是功耗低，体积小重量轻，价格便宜，采用315M频率。从性价比方面考虑，选择这两种芯片。3 系统硬件设计3.1 系统整体原理框图硬件组成框图如图2所示：主要有STC89C52单片机、红外检测电路、路程检测电路、通信模块电路、显示电路、驱动控制电路、方向控制电路。MCU主控单元通信模块数码显示驱动控制红外检测电路路程检测电路方向控制2图2 硬件框图直流稳压电源模块: 采用一般的整流桥、滤波、集成稳压电路组成的稳压电源，为其它各个模块提供所需要的直流稳

9、定电压。核心控制模块：STC89C52是整个控制系统的核心，主要承担所有参数的计算以及输入、输出、设备的管理任务。电动机的驱动和控制模块：L298主要是完成直流电动机的驱动、速度、方向和距离的控制，具有准确控制的优点。无线收发模块：主要完成无线数据传输，为核心控制器提供信息，以便做出正确快速的判断。显示模块：主要显示小车的路程。3.2 单元电路的设计3.2.1 电机驱动控制电路电机驱动控制模块采用的是采用内部集成有两个桥式的专用驱动芯片L298来驱动直流电机。3.2.2电源模块采用9V蓄电池为直流电机供电，将9V电压降压、稳压到5V，为外围芯片供电。我们利用LM7805芯片将9V的锂电池降压到

10、5V，由5V电压来给单片机和其它控制模块供电。具体电路图如下图4 电源3.2.3 距离检测模块距离检测模块是采用霍尔元件进行感应检测，这样可以很好提高检测的准确性，检测原理是利用计数器中断1，计算小车车轮的直径，在小车的车轮上装上一个小铁片，当霍尔元件检测到一次低电平，计数器中断加一，达到预先设置的数值时，显示距离，这是一种最为简单，实用的方法，算法少，占用单片机运行时间短，可以更好的使单片机一直工作在主程序循迹程序中。具体硬件原理图如下：图5 距离检测3.2.4显示模块显示部分由一个四位一体的共阳数码管组成显示机车运行的路程，该部分的主要芯片为BC7281B，该芯片的驱动能力强，占用I/O口

11、少，且不用单片机进行动态扫描，不需要译码，大大的节省了单片机有限的资源和显示所占用的时间，见附录1。3.2.5 红外检测模块设计红外检测模块主要是由TCRT5000组成。TCRT5000采用高发射功率红外光电管和高灵敏光电晶体管组成，其测试距离为5-10mm。红外检测模块电路原理图如图6图6 红外检测该检测系统共有五个这样的模块，分别为左一，左二，中一，右一，右二，具体分配如下图7：左一左二中一右一右二小车图7 检测布局左一，右一，中一作为循迹主要检测部分，左二右二作为辅助检测，其控制原理如下：当检测到左一，或者右一有高电平信号时，说明小车已经偏离了黑线，调整，但是由于车速，小车自身反映时间或

12、者弯道太大的缘故，使得小车在还没有调整过来之前，已经超出了左一，或者右一得检测范围，这样可以由左二右二做出补偿调整，使得小车重新回到轨道上来，中一检测轨道前方的黑线，当检测到有高电平信号时，遇到黑线，使小车的记忆功能能够很好的记住做过的走过的黑线条数，完成设计要求。4 软件设计4.1 系统主要控制流程系统的软件设计主要就是单片机的程序设计，采用C语言分模块编写。4.1.1 小车移动姿态控制：前进、停车，左小转、右小转、左大转、直行、超车、减速、加速控制方案程序设计流程图如图8：开始初始化程序参数设置通过标志线检测边界和转弯标志线左边界？右边界？转弯标志线？检测停车标志位小调整左转向短延时关闭转

13、向调整大调左转向直走停车小调整右转向弯NNNYYYY短延时关闭转向调整向弯N图8 程序流程图5.1 测试内容1、关于红外感应的调试和测试2、关于无线收发可靠性调试和测试3、关于电机灵敏度调试和测试4、关于数码管显示的调试与测试5.2 测试仪器TDS1002型60MHZ1 0GS/s双通道数字存储示波器，数字万用表，稳压电源。致谢：由衷感谢组委会及NEC公司给我们提供一个学习与展示自我的平台，经过这四天三夜的学习，我们清楚地认识到了自己的不足，长了见识，体会到了团结就是力量的深刻含义，并且，还懂得了实践与理论结合的重要性。参考文献：1 李朝青.单片机原理及接口技术 M.北京：北京航空航天大学出版

14、社，2005.92 谢自美.电子线路综合设计M.武汉：华中科技大学出版设，2006.63 郁有文,常建,程继红.传感器原理及工程应用.M.西安：西安电子科技大学出版社,第2 版,2000.84 Timothy J.Maloney, Moden Industrial ElectronicsM.北京：科学出版社，20025 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M.北京：高等教育出版社，20016 闫石.数字电子技术基础M.北京：高等教育出版社，19987 陈尚松，雷加，郭庆.电子测量与仪器M.北京：电子工业出版社，1998 附录1：检测单元电路图显示单元电路图驱动单元电路图附录二程序清单：#inclu

15、de <reg52.h> /11#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define cycle 15unsigned char PWM_ON;unsigned char PWM_GO; /控制正反转，1为正，0为倒bit flag; /终点标志uchar num;sbit left0=P10;sbit left1=P11;sbit right0=P12;sbit right1=P13;sbit mid=P14;/*sbit HEAD=P07;sbit IN1=P06

16、;sbit IN2=P05; sbit END=P04;sbit IN3=P03;sbit IN4=P02;*/*void delay(unsigned int n)/延时while(n-); */void init_timer0() /定时器0初始化 TMOD |= 0x01; TH0=(65536-2000)/256; TL0=(65536-2000)%256; ET0=1; TR0=1; EA=1; void timer0(void) interrupt 1 /定时器0中断static unsigned char count; TH0=(65536-2000)/256; TL0=(655

17、36-2000)%256;if (count=PWM_ON) P0=P0|0xff; count+;if(count = cycle) count=0;if(PWM_ON!=0) if (PWM_GO) P0= P0 & 0xdf; else P0= P0 & 0xef; void carcontrol(uchar G,uchar V) /G为1前进，0后退，v速度0-9 PWM_GO=G; /正反 PWM_ON=V; /速度/*void direct(uchar a ,unsigned int n)if(a)while(n-)P0=P0&0xbf;elsewhile(

18、n-)P0=P0&0x7f;*/void bigturn()uint m=5500; uint n=1000; uint k=60; while(k-)carcontrol(1,0);/小延时 减速carcontrol(1,3); /直走while(m-) n=10; while(n-) if(!(left0|left1)/找左边的线，如果找不到就左转 P0=P0&0x7f; else P0=P0&0xbf; /找到就右转 carcontrol(1,3);void directcontrol()P1=0x1f;if(P1&0x1f) if(mid) /标志线大转bigturn()