全国大学生电子设计竞赛C题

1、目录摘要31设计任务及要求41.1设计任务41.2设计要求42. 系统方案52.1控制模块的论证与选择52.2电源模块的论证与选择52. 3小车车体的论证与选择62.4电机模块的论证与选择62.5电机驱动模块的论证与选择62.6寻迹模块的论证与选择72. 7避障模块的论证与选择72.8显示模块的论证与选择72. 9按键模块的论证与选择82. 10通信模块的论证与选择82. 11方案选定93. 系统的理论分析与计算103.1系统的信号检测与控制103. 1. 1系统的信号检测103. 1.2系统的信号控制103.2两车之间的通信方法113.3节能114. 电路与程序设计124. 1电路的设计12

2、4. 1. 1系统总体框图124. 1.2控制器的电路设计134. 1.3稳压电源的电路设计134. 1.4电机驱动电路的设计144. 2程序的设计154. 2.1程序功能描述与设计154. 2.2程序流程图165.测试方法与测试结果195. 1测试方案195. 2测试条件与仪器195. 3测试结果及分析195. 3. 1测试数据195. 3.2测试分析与结论19參考文献17附录1 18附录2 19附录320智能小车的设计摘要：本作品以低功耗的ATmegal6单片机为控制核心；MP2307稳压电路供电; 使用光电传感器寻线和避障；LN298N驱动电机；以光电传感器来实现甲乙两车 之间的通信；结

3、合了 PWM调速等技术，设计了一组智能小车。该小车的车体由控 制、电源、按键、小车硬件、电机、电机驱动.寻迹、避障、显示和光电传感通 信等十个模块组成，可用于无人驾驶、自动探测等人工智能领域。关键字:ATmegal6. MP2307.光电、LN298N1. 设计任务及要求1-1设计任务甲车车头紧靠起点标志线，乙车车尾紧靠边界甲、乙两辆小车同时起动， 先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。跑道如 图1T所示。图1-1赛车跑道1.2设计要求1.基本要求（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1-1所示位置同时起动，乙车通过超车标志

4、线后在超 车区实现超车功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。（3）甲、乙两车在完成（2）时的行驶时间要尽可能的短。2. 发挥部分（1）在完成基本要求（2）后甲、乙两车继续行驶第二圈，要求甲车通过超 车标志线后要实现超车功能，并先于乙车到达终点标志线，即第二圈完成甲车超 过乙车，实现了交替领跑。甲、乙两车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。（2）甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈，并交替领跑；两车行驶的时间 要尽可能的短。（3）在完成上述功能后，重新设定甲车起始位置（在离起点标志线前进方 向40cm围任意设定），实现甲、乙两车四圈交替领跑功能，行驶时间要尽可能 的短。2. 系统方案

5、本系统主要由控制模块、电源模块、按键模块、小车车体、电机模块、电 机驱动模块、寻迹模块、避障模块.显示模块及通信模块组成，其结构框图如 2-1所示，下面分别论证这几个模块的选择。2.1控制模块的论证与选择方案一：采用凌阳SPCE061A小板作为主控制芯片，而且可以采用凌阳的小 车模组，可以很快的完成其基本功能，但是用该小板存在一定的局限性，较难扩 展功能，而且各个模块的拼凑，没有比集成在一块板的稳定性高。方案二：采用ATmegal6作为主控制芯片，该芯片部的Flsah. EEPROM、SRAM 容量较大；所有型号的Flash. EEPROM都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写 (ISP)；每个

6、10 口都可以以推进驱动的方式输出髙、低电平，驱动能力强；部资 源丰富，一般都集成AD、DA转换器、PWM. SPI、USART、TWI、I2C通信口、丰 富的中断源等。具有C语言风格的汇编语言，有与标准C兼容的C语言，C语 言函数可以与汇编函数互相调用，使其开发更加容易，实现整个系统更加简单。 因此，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时 间，有很好的实时性。基于以上分析，我们选择了方案二，采用ATmegal6作为智能小车的主控制 芯片。2.2电源模块的论证与选择方案一：采用升压型稳压电路。用1片MC34063芯片别将3V的电池电压进 行直流斩波调压，得到5V的稳压

7、输出。只需使用一节电池，即节省了电池，又 减小了系统体积重量。但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系 统稳定运作。方案二：采用由MP2307构成的开关稳压电路o MP2307具有转换效率高，速 度快等优点。该器件可集成100mQ功率MOSFET的负载，提供3A的连续输出电 流；其带宽工作输入电压为4.75V到23V。电流模式控制可提供快速瞬态响应和 cycle-by-cycle电流限制。可编程的软启动可防止涌流在开通和关断模式下， 电源电流可降至低于1UA；具有耐热增强型的8-pin SOIC包装，可满足题目中 小车的节能要求。基于以上分析，我们选择了方案二。采用MP2307稳压电

8、路。2.3小车车体的论证与选择方案一：自己制作智能小车。一般的说来，自己制作的车体比较粗糙，车 身重量以及平衡都要有精确的测量，而且也要控制好小车行驶的路线和转弯的力 矩及角度，这些都比较难很好地实现。方案二：购买车模。购买的车模具有完整的车架车轮，其左右两轮的转动 动轴在电机的驱动下可精确调节转弯角度o车模具有如下优点：首先，这种车模 由于装配紧凑，使得各种所需电路的安装十分方便，看起来也比较美观。其次， 车模是依靠电机与相关齿轮一起驱动，能实现小车的准确前进、转弯、后退、停 止等功能。基于以上分析，我们选择了方案二。2.4电机模块的论证与选择方案一：采用步进电机作为该系统的驱动电机。其转过

9、的角度可以精确的 定位，可实现小车前进路程和位置的精确定位。但步进电机的输出力矩较低，随 转速的升髙而下降，且在较高转速时会急剧下降，不适用于小车等有一定速度要 求的系统。方案二：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，可以产生大扭矩。对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法， 也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式, 通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。综合考虑后，选择方案二。采用直流减速电机作为驱动电机。2.5电机驱动模块的论证与选择方案一：采用

10、SM6135W电机遥控驱动模块。SM6135W是专为遥控车设计的 大规模集成电路。能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用 的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，而且该电机 模块价格比较髙。 方案二：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，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机, 而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优 良。综合考虑后，选择方案二。采用LN298N作为电机驱动芯片。2.6寻迹模块的论证与选择方案一：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺点：易受到外界光源

11、的干扰， 有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表 材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。克服此缺点的方法：采用超高亮度 的发光二极管能降低一定的干扰，但这又会增加检测系统的功耗。方案二：采用光电传感器。由于光电传感器是采用光电元件作为检测元件 的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一 步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光 电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反 应快、非接触等优点，而且可测参数多且结构简单。综合考虑后，选择方案二。采用光电传感器作为检测元件。其电路原

12、理图 如图2-2所示。图2-2光电传感器电路图2.7避障模块的论证与选择方案一：采用激光距离检测器实现。它是利用激光时间测距原理。在漫反 射测量模式下，即使处于闪亮的背景前，这类检测器仍可远距离测量表面特性复 杂的细小物体。如果测量围较远，则应采用镜反射模式检测其距离。在这种模式 下的可靠测量距离可远达500叽方案二：采用光电传感器。由于光电传感器是采用光电元件作为检测元件 的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一 步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光 电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反 应快、

13、非接触等优点，而且可测参数多且结构简单。结合题目要求并考虑经济和使用性等因素，选用方案二来实现。其电路图 如图2T所示。2.8显示模块的论证与选择方案一：采用字符型LCD显示。LCD具有低功耗、长寿命、髙可靠性等特 点，可显示英文、汉字及数字o利用单片机来驱动液晶显示模块，设计简单，且 界面美观舒适，耗电少。但根据设计方案，采用计数的方式测距，计标志线的数 目。方案二：采用LED发光二极管的方式显示丄ED发光二极管亮度高，醒目， 且能达到设计要求。综合考虑后，选择方案二，采用LED发光二极管显示来计数。其电路图如 图2-3所示，使用PC0PC3 口所接的四个发光二极管，以十六进制的方式显示。2

14、.9按键模块的论证与选择方案一：矩阵键盘虽然占用单片机的端口少，节约单片机的硬件资源，但 是电路设计较为复杂，开发时间相对较长，软件设计也相对复杂，主要针对多键 盘设计，适用于控制要求髙、控制功能多的系统。方案二：采用简单键盘，设计简单，易于实现。键盘在系统中主要作运行控制选 择，简单键盘减少了系统的复杂度。基于以上分析，我们选择了方案二。按键部分作为系统的输入，由于ATmegal6的每个10口都有部上拉电阻，因 此只要在单片机编程时使能相应的上拉电阻，那么这个部分便不需要任何其它元 件，设计较为简单。按下图设计按键后，当有按键按下时对应引脚得到低电平。 电路图如图2-4所示。其中PC0 口所

15、接按键控制单次运行，PC1 口所接按键控制超 车运行。图2-4按键电路图2. 10通信模块的论证与选择方案一：采用315M单工无线通信模块实现。单片机传输的数据用PT2262进 行编码后送给无线发射模块，实现近距离载波信号的传输。数据的接收则采用了 超再生接收的原理，接收到信号后要经过配套的解码芯片PT2272解码，然后传送 给单片机进行数据处理，以执行操作。两模块之间信号是采用ASK （幅移键控） 方式进行调制，以降低功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与发 射模块输入端用电阻直接连接。数据电平应接近数据模块的实际工作电压，以获 得较高的调制效果。方案二：采用光电传感器作为两车之间

16、的通信方式。由于光电传感器是采 用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化, 然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光 电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检 测方法具有精度髙、反应快、非接触等优点，而且可测参数多且结构简单。为了 确保两车在运行及超车过程中的准确性及快速行，光电传感器完全满足要求，且 与315M单工无线通信相比有节能的功效。综合考虑后，选择方案二。2.11方案选定经过仔细的分析和论证，决定了系统各模块的方案如下：控制模块：采用ATmegal6作为智能小车的主控制芯片；电源模块：采用由MP

17、2307构成的开关稳压电路；小车硬件模块：采用购买的玩具电动车外围硬件；电机模块：采用直流减速电机作为驱动电机；电机驱动模块：采用LN298N作为电机驱动芯片；寻迹模块：采用光电传感器作为寻线检测元件；避障模块：采用光电传感器作为避障检测元件；显示模块：采用LED发光二极管显示实现计数；按键模块：采用1*3的矩阵按键实现复位和运行状态控制；光电传感通信模块：采用光电传感器实现两车之间的通信。3. 系统的理论分析与计算3.1系统的信号检测与控制 3.1.1系统的信号检測本系统的检测部分由寻迹模块、避障模块和通信模块构成。在这三个模块 中均是使用光电传感器作为检测元件。1、光电传感器的工作原理光电

18、传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变 化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电 传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器 件作为转换元件的传感器原理如图3-1所示。图3-1红外发射接收原理2、信号检测的理论分析根据题目要求及赛车场地的结构，为了更好的实现甲乙两车之间的超车功 能，选用光电传感器作为检测器件。根据跑道的面积及两车的面积要求，我们选 用了检测围为0150cm的光电传感器，在此设计中将其围控制在1015cnh从而 更好的实现超车功能。3.1.2系统的信号控制当光电传感器实现在规定区域运行及对周围环境中

19、障碍物的实时检测时, 其测量信号送入以AVR单片机mega 16为核心的控制系统，单片机根据测量情况 在部进行决策，输出的控制信号通过驱动系统控制直流电机，带动小李各个部分 运动，实现前进、左转、右转、后退、停止等功能。1、ATmegal6单片机的特点ATmegal6是基于增强的AYR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。其 核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算术逻辑 单元相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期同时访问两个独立的寄存器。这 种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC微控制器髙至10倍的数 据吞吐率。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执

20、行时间，ATmegal6的数 据吞吐率髙达1 MIPS/MHz,从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾。 基于以上的优点，本设计主选ATmegalG作为核心器件。2、系统的信号控制采用AVRMegal6单片机为控制核心，复位端接高电平，用复位键控制，串 了一个10K的电阻限流；I/O 口 PA0-PA7接光电传感器，其中PA0-PA4 口的5 个光电传感器用作寻线检测，以实现在规定区域运行，PA5PA7 口的3个光电传 感器用作避障检测，以对周围环境中障碍物的实时检测；I/O 口 PC0-PC3接LED 发光二极管，以十六进制的方式进行计数，通过计所经过标志线的条数来测距。3.2两车之间的

21、通信方法采用光电传感器作为两车之间的通信方式，利用光电传感器的精度髙、反 应快、非接触的优点，实现两车间的通信。当正在运行的小车检测到前方或左右 两侧有障碍物时，则马上停车，以实现超车等功能。3.3节能智能小车的节能主要体现在三部分：一、在电源模块，采用MP2307稳压电路。MP2307可集成100mQ功率MOSFET的负载，提供3A的连续输出电流；其 带宽工作输入电压为4. 75V到23VO电流模式控制可提供快速瞬态响应和 cycle-by-cycle电流限制。可编程的软启动可防止涌流在开通和关断模式下， 电源电流可降至低于1"A ；具有耐热增强型的8-pin SOIC包装，相比7

22、805,、 2576等器件具有转换效率高，速度快等优点。完全满足节能要求。二、电机模块，采用6V的直流减速电机。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 部由髙速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭矩。对 于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWH调速方法。PWH 调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对 电机转速的调节。相比步进电机具有体积小，装配简单，使用方便等优点，完全 满足节能要求。三、光电传感器的使用，在寻迹、避障及通信方式上均有体现岀来。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先

23、把被测量的变 化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它一 般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转 换元件的传感器，光电检测方法具有精度髙、反应快、非接触等优点，而且可测 参数多且结构简单。完全满足节能要求。4. 电路与程序设计4.1电路的设计4. L1系统总体框图智能小车由小车本体机械系统、光电传感器组成的传感器系统、直流电机 驱动系统、以AVR单片机为核心的控制系统等四部分组成，其基本结构图如图 4-1所示。图4-1智能小车的基本结构图智能小车的工作过程：传感器系统采用光电传感器寻线和避障，实现在规 定区域运行及对周围环境中障碍物的

24、实时检测，测量信号送入以AVR单片机为核 心的控制系统，单片机根据测量情况在部进行决策，输出的控制信号通过驱动系 统控制直流电机，带动小李各个部分运动，实现前进、左转.右转、后退、停止 等功能。4. 1.2控制器的电路设计1、控制器的系统框图控制器的系统框图如图4-2所示。图4-2控制器的系统框图2、控制器的电路原理图采用AVRMegal6单片机为控制核心，复位端接髙电平，用复位键控制，串 了一个10K的电阻限流；I/O 口 PA0-PA7接光电传感器，其中PA0-PA4 口的5 个光电传感器用作寻线检测，以实现在规定区域运行，PA5PA7 口的3个光电传 感器用作避障检测，以对周围环境中障碍

25、物的实时检测；I/O 口 PC0-PC3接LED 发光二极管，以十六进制的方式进行计数，通过计所经过标志线的条数来测距。 其电路原理图见附录lo4. 1.3稳压电源的电路设计1、MP2307的工作原理MP2307是单片机降压稳压器，该器件集成lOOmQMOSFET的负载提供连续 3A电流。目前带宽工作输入电压4.75V到23V。电流模式控制提供快速瞬态响应 和cycle-by-cycle电流限制。可调节的软启动可防止涌流在开通和关断模式下, 电源电流降至低于1UA。这个装置可在一 8-pinS0IC包装，提供了一个非常紧 凑的系统，最小的解决方案，对外部的依赖组件。其封装图如图4-3所示。特性

26、： 3A连续输出电流，4A峰值输出电流； 宽4. 75V到23V工作输入围； 综合100m Q功率MOSFET开关； 输出0. 925V可调至20V；效率高达95%;可编程软启动； 稳定低ESR瓷输出电容器；频率固定340KHz； Cycle-by-Cycle 过流保护； 输入欠压电压分离；耐热增强型8-pin SOIC包装。BS匕,08 1 &S=叵| ENSW VT| COMPGHD巨T FB/图4-3 MP2307芯片引脚封装图2、稳压电源电路的设计为了提髙小车的稳定性，其控制部分和驱动部分需分别供电。因此，必须 采用两个独立的电源供电。两个电源均采用MP2307芯片构成的开关稳

27、压电路稳 压（其电路图如图4-4所示），其中控制部分的电压：通过12V的电池电压输入 经稳压电路稳压成5V的电压给单片机供电，结构框图如图4-5所示；驱动部分 的电压：通过12V的电池电压输入经稳压电路稳压成7.5V的电压，输出的电压 经两路来驱动电机，一路经7805稳压器稳压成5V电压绐LN798N驱动电路供电 以驱动电机；另一路直接给电机供电，其结构框图如图4-6所示。4.R4 10OkUC510nFC1 1OhF/25V J- CERAMIC x2BtIWMP2307nscowL13.3VR1 3A26.1WIC4 O1uF1%图4-4 MP2307稳压电路图4-5控制部分电源结构框图1

28、直流减| |速电机|图4-6驱动部分电源结构框图4. 1.4电机驱动电路的设计1、LN298N的工作原理LN298N芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号, 可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2. 5Ao LN298N的逻 辑电路使用5V电源，功放级使用5M6V电压，下桥发射极均单独引出，以便接 入电流取样电阻。LN298N采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的 部结构如图4-7所示。H桥驱动的主要特点是能够对电机绕组进行正、反两个方 向通电。图4-7 LN298N原理框图2、电机驱动电路的设计由电机驱动芯片LN298N结合单片机PWM技术实现

29、对小型直流电动机的速度 和方向控制。其接线图见附录2。其中，稳压二极管起续流作用，以输出足够大 的电流来驱动电机；采用7805稳压器输出5V电压驱动LN298N芯片；四个光耦离合 器连接LN298N和单片机，起隔离作用（由于电机运行时，单片机会受到干扰）， 当单片机输入为低电平时，光耦导通，二极管亮，通过不同的输入来控制电机的 正反转。其运行状态如表一所示。表一 LN298N运行状态表EnIniIn2运行状态0XX停止110正转101反转111刹停100停止4.2程序的设计4. 2.1程序功能描述与设计思路1、程序功能描述根据题目要求软件部分实现小车的运行及超车1）小车的运行功能：设置小车的寻线、计数等；2）小车的超车部分：两车间的通信，小车运行时的避障功能。3、程序设计思路根据题