2011全国大学生电子设计竞赛智能小车

1、全国大学生电子大赛论文智能小车目录摘要3Abstract3一、系统方案论证与选择31.1 主控制芯片的选择31.2 电机的选择41.3 电机驱动芯片的选择51.4 电源的选择方案51.5 路面标志线检测模块的设计51.6 超声波测距模块的选择6二、总体方案描述62.1 系统各部分功能概述62.2 理论分析与计算7三、硬件设计73.1 红外循线电路73.2 电源模块73.3电机驱动电路83.4 方向和车速的控制93.4.1方向控制93.4.2 车速测量与控制93.5 超声波测距模块10四、系统软件的设计104.1 循线路线修正104.2 超声波与无线收发模块工作情况框图114.3 程序总框图11

2、五、参考文献12摘要该智能小车在分析了小车控制系统的结构和特点基础上，结合现代控制技术、微机技术、无线收发技术以及嵌以入式技术ARM处理器为代表微电子技术设计了智能小车控制系统。该系统由数据采集模块、数据处理与控制模块、执行模块四部分组成。本系统采用ARM7典型芯片LPC218作为主控制芯片；利用无线收发技术实现两车之间的通信联系；应用红外检测技术感应轨道标志通过控制车轮转速实现了车辆方向的精确控制；每辆车配有两个直流有刷电机，它们可以为车辆提供足够大驱动力，便于乙车在超车范围内超过甲车。该系统重点设计了控制部件，可灵活准确的实现车辆行驶、加速、超车、转向的功能，完成了题目要求。Abstrac

3、tAfter have analyzed the structure and characteristics of the car ,combined with modern control technology, microcomputer technology，wireless transmit and receive technology as well as microelectronic technology we design this intelligent car. This system include four parts : data collect module ,da

4、ta process and control module and perform part . This system employ LPS2138 as the core control chip ；use wireless transmit and receive technology realize the communication between the two car; use the infrared detect technology to sense the mark of the pathway we can control direction of the car ac

5、curately by controlling the speed of the wheel; every car is offered two step motor , they can offer enough drive strength which is good for the second car two overpass the first car . This system mainly design the control module, it can make the car run at normal speed, speed up and overpass the ot

6、her car and turn to the other direction come true ,which are required .一、系统方案论证与选择1.1 主控制芯片的选择主控制电路为整个系统的核心部件。它担负着整个系统处理数据、产生并传递控制指令的目的，因此主控制芯片的选择至关重要。主控制芯片选择时应重点考虑以下4个指标：a）指令执行快速，调节灵敏度高b）程序存储空间大，指令丰富 c）指令修改方便 d）操作简单。 方案一：选用传统的STC89C51系列产品做主控制芯片 51单片机是目前应用最广泛的单片机。它具有价格便宜，性价比高、功能较多的特点，但是它采用的是复杂指令集CIS

7、C，指令执行周期时间长运算速度慢。此外，其片内资源少，存储容量小，难以实现存储大体积的程序和实现快速精确的反应控制。不采纳该方案。 方案二：使用AVR做主控制芯片AVR是工控高速单片机，它在51的基础上扩充了大量的寄存器和引脚功能且几乎每个引脚都有第二功能。但功耗大，不可位操作，编程相对麻烦。方案三：选用LPC2138作为主控制芯片LPC2138是基于ARM7-TDMI-S的低功耗32位处理器，支持强大的处理速度和寻址能力，具有高性能、低功耗、低电压性能稳定、操作简便的特点。鉴于系统对于精度、速度以及灵敏度的要求，对各种芯片综合比较之后选定LPC2138作为主控制芯片。1.2 电机的选择选择电

8、机时首先要考虑电机的控制精度和调节的灵敏度，根据题目要求，整个赛道为非规则形状，在各个拐角处小车必须及时调整各个车轮的转动速度以实现转向，因此必须要求电机的调控灵敏度要高；其次应该考虑电机的稳定性，电机必须平稳地运行才可保证车辆能正常运行。方案一：使用直流电机特点是速度快，驱动电路简单。 能承受频繁冲击负载，过载能力强。可实现频繁快速制动以及逆向旋转。温度低，可靠性好，价格低，变速平稳，几乎无振动感觉。 方案二：使用步进电机步进电机的特点是可以通过控制步进电机的步数精确计算出行进距离。车道形状多变，而步进电机的力矩比较小，容易产生失步。综上，为达到系统各方面的要求，实现快速、精确控制的目的，选

9、择使用直流电机。1.3 电机驱动芯片的选择方案一：使用H桥电路驱动达林顿H桥电路涉及的元器件简单，设计方便，然而其通断率受元器件响应速率的影响，且电流有一定的限制。方案二：使用L298NL298N片内含两个H桥电路，能提供最大4A的驱动电流，且此芯片专门为电机驱动设计，工作性能稳定。因此。系统采用L298N电机驱动芯片来满足小车行驶时所需的大电流。1.4 电源的选择方案方案一：采用两个电源供电电机驱动电路与单片机系统电路采用两个电源供电，消除了电机驱动造成的干扰，但增加了小车的重量，且不够方便。方案二：采用单一电源供电由于LPC2138工作在3.3V，红外发射接收传感器工作在5V，而电机驱动电

10、路工作在6V，可以将两节锂电池串联，经过7805、7806和LM1117-3.3 稳压后供给系统，采用光耦合器将电机驱动电路与控制电路电气隔离以及电平转换。这样可以消除电机驱动电路对控制电路造成的干扰，提高了系统的稳定性。因此，采用方案二。1.5 路面标志线检测模块的设计方案一：采用普通发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案该方案在实际使用时，容易受到外界光源的干扰，有时会检测不到信号，主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、不同的地表材料等均有关系。虽可采取超高亮度的发光二极管降低一定的干扰，但又增加额外的功率损耗。方案二：采用多组反射式红外发射接收传感器对路面进行检测在小车底板装5个传

11、感器，分别位于小车的前车轮之间，用于控制小车的左右转弯及前进方向。当小车相对偏离轨道时，传感器发出信号，判断小车是否偏离了正确方向，从而控制小车行驶方向，保证小车不脱离轨道。经对比，选用方案二。1.6 超声波测距模块的选择方案一：自己焊接超声波测距模块贴片焊接技术要求太高，不容易完成，用直插式芯片又很占用空间，而且会增加小车重量，继而增加惯性。方案二：直接用现成的超声波测距模块超声波测距模块可提供2cm 450cm 的非接触式距离感测功能，测距精度可达到3mm；集成度高，精致小巧，使用方便，功能上更加可靠。对比之下决定选用方案二。2、 总体方案描述2.1 系统各部分功能概述系统主要由循线模块、

12、电源模块、主控模块、电机驱动模块组成。系统总结构框图如图所示：2-1 系统总结构框图系统各部分功能简介如下：红外循线模块：感测车位、确定前进方向，确保小车在限定范围内行驶。电源模块：为系统提供电源。超声波测距模块：检测两车之间距离，反馈给单片机，过近或过远时进行处理。主控模块：接收采集到的数据，对数据进行分析，通过指令控制驱动电路。电机驱动模块：驱动直流电机转动，使小车按要求行驶。 无线通信模块：实现两车之间的通信，避免小车在行驶和超车时相撞。2.2 理论分析22 .1信号检测与控制路面标志线检测：红外传感器位置如图：图3.1-1 红外传感器位置模块使用左右探头检测边缘线，检测到边缘线时，电平

13、状态发生改变。当左边检测到黑线时，产生低电平，说明左边车轮有越界危险，这时单片机将控制车轮略向右转，直至小车平行于黑线行驶；右边检测到信号同理。如此，可判断小车行驶路线，避免小车脱离轨道。前方三个探头用于检测转弯标志线，以及检测小车理论行驶路线与实际行驶路线之间的偏移角度。前方三个探头连接定时器与或引脚，若小车偏移一定角度行驶至行车线时，三个捕获单元的捕获值不同，通过三个捕获时间差及小车的车速，即可判断出实际与理论路线的偏差值。对程序设定转弯90度的程序进行微调，以便减少转弯偏移误差。当前方探头连续5次检测到标志线时，则程序跳转到超车部分，并通知前车减速。在进入超车区时，使用超声波测距模块检测

14、后车与前车距离，当达到安全超车距离时进行超车。超车结束后通知后车加速，以便用最短时间跑完全程。 通信方法通信部分使用NRF24L01无线通信模块，使用LPC2138内部SPI接口进行两车之间的通信。自行规定通信协议，例如：若接收到的数据为0x00，则为后车到达转弯标志线，通知前车减速的信号。表 -1 具体通信协议表协议编码通信方向具体功能三、硬件设计3.1红外循线电路图3.1-1 红外循线模块电路图红外收发管是由两部分组成，一端发射光束，一端接收。接收回的光线多少由反射物体表面性质决定。发射管使用脉冲调制，以实现最大限度的节能。若地面为均匀的浅颜色则接收端输出的信号与调制脉冲频率相等。若地面为

15、黑色则保持低电平。将这些脉冲信号传给单片机，实现对黑线的检测。3.2 电源模块电源由两节锂电池串联而成，单节锂电池额定电压为3.7V，串联后可达7.5V。将经7806稳压后的6V电压供给电机，经7805稳压后输出的5V电压供给红外电路，经LM1117稳压后的3.3V电压供给单片机。3.3电机驱动电路电机驱动模块的电路图如下：图 3.3-1 电机驱动模块电路图通过红外传感器检测的信号调节电机转动方向及时间，大概情况如下图：图3.3-2 电机转动与检测信号的关系3.4方向和车速的控制 方向控制小车的车轮是由直流电机带动的，电机1和电机2并联，电机3和电机4并联。电机分部情况如图：图3.4-1 小车

16、驱动电机分布图小车转动方向的控制如下：前进：电机1、2、3、4 均向前转动左转：电机1和电机2停止；电机3和电机4向前转动右转：电机3和电机4停止；电机1和电机2向前转动原地左转：电机1和电机2向后转动；电机3和电机4向前转动原地右转：电机1和电机2向前转动；电机3和电机4向后转动 速度测量与控制测速部分使用光电码盘实现，小车行驶速度控制是通过软件实现的。小车正常行驶时一直保持在高速状态，只在超车过程中涉及改变速度，被超越的小车进入超车区后减速行驶，另一个车继续保持高速，这样才能保证整个行驶过程所用时间最短。3.5 超声波测距模块超声波测距模块可提供2cm 450cm 的非接触式距离感测功能，

17、测距精度可达到3mm；模块包括超声波发射器，接收器与控制电路，模块大致图形如下： 图 3.5-1 超声波测距模块四、系统软件的设计4.1 循线路线修正路线修正贯穿于整个程序进程中，为避免小车跑出轨道。修正程序如下：while(flag)/循迹 部分 检测到黑线 转弯 并退出if(IO0PIN&zuojc)=0)/如果左边传感器发出触线信号turnright();/则稍向右转delay(1); /延时qianjin();/继续前进if(IO0PIN&youjc)=0)/如果右边传感器发出触线信号turnleft();/则稍向右转delay(1);/延时qianjin();/继续前进4.2 减速程序采用降低占空比来调节行驶速度，子程序如下：void PWMbo(uint8 x)uint8 a,y;for(a=20;a>0