1、全国电子设计大赛智能小车（C 题）设计报告中文摘要：采用C8051F020单片机为控制芯片控制小车的速度及转向。其中小车驱动由L298N驱动电路完成，速度由单片机输出的PWM波控制以实现小车在超速区的超速行驶，利用红外对管检测黑线和障碍物以实现小车的正常行驶和转弯，避免在行驶过程中越界和碰撞。关键词：智能小车；STC89C52单片机； L298N；红外对管目录第一章 方案设计与论证 31.1 主控系统31.2 电机驱动模块31.3 信号检测模块 31.4 两车通信模块 41.5 电源模块 4第二章 硬件设计 42.1 总体设计 42.2 车体设计 52.3 驱动电路 52.4 信号检测与控制7
2、2.5 两车通信模块7第三章 软件设计 83.1 主程序模块 83.2 信号检测模块 93.3 超车区域 10第四章 测试与结果分析 10结束语11参考文献11一、方案设计与论证1.1、主控系统根据设计要求，我认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题。据此，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：选用一片 CPLD（如 EPM7128LC84-15）作为系统的核心部件，实现控制与处理的功能。CPLD 具有速度快、编程容易、资源丰富、开发周期短等优点，可利用 VHDL 语言进行编写开发。但 CPLD 在控制上较单片机有较大的劣势。同时，CPLD 的处理速度非常快，而小车的行进
3、速度不可能太高，那么对系统处理信息的要求也就不会太高，在这一点上，MCU 就已经可以胜任了。若采用该方案，必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此，我们不采用该种方案，进而提出了第二种设想。方案二：采用单片机作为整个系统的核心，用其控制行进中的小车，以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统，其关键在于实现小车的自动控制，而在这一点上，单片机就显现出来它的优势控制简单、方便、快捷。这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能、价格低廉等优点。因此，我们选用了C8051F020 单片机。1.2、电机驱动模块设计方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制,
4、通过开关的切换对小车的速度进行调整.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。方案二：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案三：采用 L298N 具有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此我们选用了方案二。1.3、信号检测模块方案一：采用六只红外对管，有中间向两端依次均匀排列安置，当两侧对管检测到轨
5、道边缘2cm 黑线时，避开黑线沿轨道行驶，当所有对管检测到 1cm 标志线时实行转弯，超车等功能。方案二：采用六只红外对管，两侧依次紧密排列两组对管，两外两组等距排列于中间位置，增加外围红外对管的密度，能更准确地检测到边缘黑线的位置，可靠性更强，避免脱离轨道。通过比较，我们选用方案二。1.4、两车通信模块方案一：采用三只红外对管置于小车前端，一只在前，另外两只分与两侧，以便在超车区域两车互相检测，避免碰撞。方案二：采用集收发一体的 nRF2401 单芯片,且最高发送速率可达 1Mbps,高于蓝牙，使用简单方便。在实际应用中,配合 USB 进行远程无线测量,数据速率达到 500Kbps。可实现无
6、线数字通信功能。通过比较方案二通信效果更好。1.5、电源模块方案一：采用实验室有线电源通过稳压芯片供电，其优点是可稳定的提供 5V 电压，但占用资源过大。方案二：采用 4 支 1.5V 干电池单电源供电，但 6V 的电压太小不能同时给单片机与与电机供电。方案三：采用 6 支 1.5V 锂电池双电源不仅分别给单片机与电机供电可解决方案二的问题且能让小车完成其功能，而且节能减耗，可重复利用。所以，我选择了方案三来实现供电。第二章 硬件设计2.1 总体设计NRF2401 无线通信模块 C8051020 单片机 PWM 电机驱动图 2.1 主板设计框图元件清单表 2.1 元件清单元件 数量 元件 数量
7、 元件 数量直流电机 2 只 电阻 若干 集成电路芯片若干单片机 1 块 二极管 若干 电容 若干红外对管 9 只 锂电池 6 节 电位器 若干NRF2401 无线通信模块1 只 漆包线 若干 小车 1 个开关 一个2.2 车体设计智能小车采用前轮驱动，前轮左右两边各用一个电机驱动，调制前面两个轮子的转速起停从而达到控制转向的目的，后轮是万象轮，起支撑的作用。车体材质轻，减少对路面的损耗。2.3 驱动电路电机驱动一般采用 H 桥式驱动电路， L298N 内部集成了 H 桥式驱动电路，从而可以采用L298N 电路来驱动电机。通过单片机给予 L298N 电路 PWM 信号来控制小车的速度，起停。其
8、实物图如 2.2，驱动原理图如图 2.3。红外对管检测信息图 2.2 L298N图 2.3 电机驱动电路2.4 信号检测与控制小车信号检测原理是小车在边缘有黑线的“路面”上行驶，由于黑线和路面对光线的反射系数不同，可根据接收到的反射光的强弱来判断“道路”边界黑线。我们在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物理表面具有不同的反射性质的特点。在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到路面时发生漫发射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，则小车上的接收管接收不到信号，再通过LM324 作比较器来采集高低电平，从
9、而实现信号的检测，以便小车可以正常行驶，不脱离预定轨道。检测电路如图 2.4。图 2.4 信号检测模块小车是由 C8051F020 为控制芯片，L298N 为驱动电路控制小车的速度和转向。C8051F020 具有 64 个数字 IO 引脚，每个 IO 口都可以配置成推挽或漏极开路输出，数字交叉开关允许用户根据自己特定应用选择通用端口 IO 和所需数据资源的组合。具有高速、流水线结构的 8051 兼容的 CIP-51 内核，全速、非侵入式的系统调试接口，64 字节的可在系统编程的 FLASH 存储器，4352 字节的片内 RAM，5 个通用的十六位定时器，5 个捕捉|比较模块的可编程定时器|计数
10、器阵列，片内看门狗定时器，VDD 监视器和温度传感器。能有效地对小车进行控制。2.5 两车通信模块小车是由 nRF2401 来实现两车通信的nRF2401 单芯片集收发一体,且最高发送速率可达 1Mbps,高于蓝牙，使用简单方便。在实际应用中,配合 USB 进行远程无线测量,数据速率达到 500Kbps；外围元件极少，只需一个晶振和一个电阻即可设计射频电路；发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置；电源电压范围为.，功耗很低；芯片内部设置有专门的稳压电路，因此，使用任何电源（包括开关电源）均有很好的通信效果。 （如图 2.5）图 2.5 nrf2401 无线收发模块第三章 软件设计3
11、.1主程序框图：图 3.1 系统总体框图启动前进是否检测到黑线偏移或转弯两车通信NY转弯超车YN3.2 信息检测模块图 3.2 信息检测模块框图开始前进是否检测到黑线Y左边 右边右转 左转N转弯3.3 超车区域图 3.3 超车模块框图第四章 测试与结果分析由于智能小车属于移动性高精度实时控制领域，因此各模块必须具有精度高、传感器综合控制、智能控制等性能要求，所以测试时将整个系统分为传感器测试模块，电机测试模块，程序测试，总体测试。传感器测试：作品采用了九对红外对管用于信息检测，六只用于检测黑线，三只用于检测障碍小车，测试过程中我们用白纸黑胶带模拟测试，用其他物品模拟障碍物，调整电位器来调整需要
12、的测试范围。甲车左转，乙车继续前行甲车加速前进甲车右转是否检测到超车标志线前进YN转弯，与乙车通信开始是否检测到黑线 Y 循迹N 前进电机模块测试：我们通过程序，给电机下载不同的指令，观察电机是否按照设定的方试转动。程序测试：通过与传感器模块，电机模块一起协同测试。整体测试：当所有的模块测试没有问题后，我们协力按照大赛要求制作了跑道，通过跑道进一步进行精确测试，认真编写程序，通过分析、修改数据参数，以使实现小车能在行驶的时候遇到边缘黑线躲避偏移，遇到转弯标志线正常转弯，在超车区域实现超车的功能。结束语进过四天三夜的奋战，智能小车终于能按照大赛需求在预定轨道实现两车交替领跑功能。在整个过程中，我们不仅在通力合作中体会到了团结的重要性。还将理论与实践结合了起来，培养了一定的科研能力，拓宽了知识面。展望未来，智能车技术必将在更广阔的领域广泛应用。参考文献：C8051F020混合信号ISP FLASH 微控制器数据手册（潘琢金译）；8051系列单片机C程序设计完全手册（求是科技）；新编 MCS-51 单片机应用设计（张毅刚等编著） 。
