2011年全国大学生电子设计竞赛.DOC

1、2011 年 全 国 大 学 生 电 子 设 计 竞 赛智能小车（C 题）【本科组】论文编号： C 甲 05605参赛学校： 烟台大学文经学院参赛学生 王红勇刘建忠刘安冉联系方式： 13553117322指导教师： 张昌州 史小明二零一一年 九 月i目录【摘要】 .11 总体方案的设计与比较 .31.1 总体方案 .31.2 方案比较 .42 理论分析与计算 .52.1 跑道分析 .52.2 行车、转弯、超车状态信号的检测分析与控制 .52.3 无线通信 .72.4 节能 基于 PWM 的车速控制 .73 电路与程序设计 .93.1 电路设计 .93.1.1 单片机最小系统 .93.1.2 小

2、车动力部分 .93.1.3 NRF24L01 无线通信模块的连接 .103.2 程序设计 .113.2.1 主程序流程 .113.2.2 转弯模式流程 .123.2.3 被超越模式流程 .133.2.4 超越模式流程 .144 测试方案与测试结果 .154.1 测试设备 .154.2 测试过程及分析 .154.2.1 单圈测试 .154.2.2 无线通信测试 .154.2.3 光电传感器测试 .164.2.4 电池组供电及续航能力测试 .165 总结 .16ii参考文献 .16附件 .181【摘要】：本车采用两个直流减速电机作为小车动力，行走过程中每辆小车通过光电传感器及无线通讯模块来采集运行

3、信息，并传送给主控芯片 STC89C52 计算来指导自身完成相应动作处理。两车之间通过无线收发模块发送出车辆所处位置及运行状态，以通知另一辆车作出相应处理，以期达到平稳超车及不发生碰撞的题目要求。直流减速电机通过 L293D 芯片及其外围电路驱动；车速采用基于 PWM 的脉宽调制控制；轨迹校正采用红外光电传感器 TCRT5000 来对黑线检测，并把检测信号发送给单片机进行处理；无线通信采用 NRF24L01 射频无线通信模块进行半双工通信。以上所有功能由小车自动检测，自动运行，无需人为干预，实现了智能超车的功能。【关键词】：智能控制；自动循迹；自动超车；无线通信；PWM 电机调速2Abstra

4、ct: These cars use two DC geared motor as its motive power, collect all kinds of information through each sensor during walking, and send them to the main processing unit STC89C52 Micro Control Unit, then complete the corresponding actions by being disposed, calculated and guided, and send vehicle s

5、tate by wireless module to inform another car to make proper treatment with effective result.The DC geared motors are driven by one L293D and its peripheral circuit; track correction uses the detection to black line by the Infrared light electric sensor TCRT5000; wireless communication adopts NRF24L

6、01 RF wireless communication module to proceed half-duplex communication; speed control based on PWM. All the above functions are detected and worked automatically by the car without human intervention, which realized functions of the intelligent overtaking car.Keywords: Intelligent control; automat

7、ic tracking; automatic overtaking; wireless communication; PWM (Pulse Width Modulation)31 总体方案的设计与比较1.1 总体方案方案一：采用 STC89C52 作为小车的主要控制单元。在车身不同位置加光电传感器，通过单片机分析不同位置传感器状态给小车发送控制信号。在车体上安装射频收发器件，一车在特定的状态时，会发送信号给另一辆车。系统示意图如图 1.1.1 所示。图 1.1.1 方案一系统示意图方案二：采用 ARM 等高端，高效率的单片机作为小车的主要控制控单元。采用摄像头采集路况图像，并进行实时图像分析并

8、传输给 ARM 处理。在车体上安装红外线收发装置，一车在特定状态时，会发送信号给另一辆车。系统示意图如图 1.1.2 所示。41.2 方案比较在控制器部分，方案一设计思路简单，51 单片机编程比较熟练，而且成本较低；缺点是处理速度较慢，效率不高。与方案一相比，方案二具有较高的执行效率，且运算速度快，能够更及时地处理各种运行中出现的状态；但是这类高端的单片机成本较高，并且难以熟练上手。在车体的运行部分，方案一直截了当，能够很好的表达出各种路况信息，并交付给控制单元处理，效率较高。缺点是算法复杂，短时间内不容易完全明白其原理，并对其较为完善地控制。而方案二则显得原理简单，最容易让人掌握，且算法较方

9、案一来说相对容易一些。在车辆通信部分，方案一电路简单，编程相对方案二来说较为容易。但是红外线装置的方向性太强，发送接收时的位置难以控制，且容易受到干扰，传输效果不理想。相比之下，方案一之中使用的射频收发器件对对方所在的位置没有特别的要求，较易做到实时收发数据，且传输距离远，不容易收到外界的干扰。方案二的缺点就是编程原理复杂。综上所述，选择方案一比较合理。52 理论分析与计算2.1 跑道分析图 2.1.1 跑道示意图跑道（如图 2.1.1）为总面积为 240 X 240 (cm)的正方形。相邻两条标志线间是一个部分，跑道可以分为 A、B 、C、D 四个部分。在 D 部分有一个宽度与行车道相同，在

10、行车道左侧的超车区域。行车道只允许车辆一前一后行驶，只有在超车区才能实现后车超越前车领跑的局面。2.2 行车、转弯、超车状态信号的检测分析与控制车体的轨迹校正传感器，采用 TCRT5000 红外光电传感器，在车的前方安装61 个，两侧各 2 个，共 5 个传感器。安装位置由图 2.2.1 所示。传感器用于检测黑线，来保证车辆在规定的轨道内行进。前方两个传感器用于检测转弯标志、起点/终点标志线和超车标志；左右两侧的传感器用于检测跑道的边界，保证车辆不会跑出跑道。此类型的传感器体积小，容易获得，易于安装，输出信号可靠，稳定性好。图 2.2.1 轨迹校正传感器安装示意图普通行驶状态，规定两车分别沿跑

11、道的内侧行驶。这时， “左 1”和“左 2”的循迹传感器起主要作用。车辆处于转弯模式时， “前 1”传感器只用来判断是否经过转弯标志线或超车标志线。当已经判断出经过的是转弯标志线时，车辆会进行连续两次转弯45的动作以完成过弯。其间由于不可能完全精确完成 45的转弯，此时还会用到车辆“左 1”和“左 2”的循迹传感器随时反馈，进行轨迹校正。车身前端的“前 1”传感器除了可以判断是否经过转弯标志线，还可以用来判断是否经过超车标志区，并准备进入超车模式。超车模式下共有两种状态：被超车的行驶状态；超越车的行驶状态。被超车辆在经过超车标志区后转弯进入跑道的 D 部分，并沿右侧的跑道边界行驶，由 PWM

12、控制车辆减速且保持慢速行驶，开启避障传感器检测是否已经完成超车并等待超越车超车。于此同时，开启车辆“右 1”和“右 2”传感器对轨迹实时校正，无线传输模块实时传输超车状态。超越车辆在经过超车标志区后转弯进入跑道的 D 分，并迅速变换车道进入超7车区，保持原速行驶。车辆右侧的避障传感器判断超车状态，通过无线模块发送超车状态给被超车辆。超车完成后回到行车道，完成超车。两车无线发送和接收的信号要相互确认，确保车辆的状态真实可靠，以免发生碰撞或者状态误判。经过最后一个转弯标志线后，两车回到起点/终点标志线。2.3 无线通信采用 NRF24L01 无线发射模块，此模块是一款新型单片射频收发器件。它内置频

13、率合成、功率放大器、晶体振荡器等功能，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。并且其功耗低，体积小巧，信号覆盖范围广，抗干扰能力强，是无线传输的理想选择。无线模块主要用来实时发送车辆的状态，并接收另一辆车的状态，从而能够保持默契地行驶在跑道上，而不会各行其道引起混乱。2.4 节能基于 PWM 的车速控制用 PWM 调制的方法，把恒定的直流电源电压调制成频率一定、宽度可变的脉冲电压序列，从而可以改变平均输出电压的大小，以调节电机的转速。这种通过以数字方式控制模拟电路的方法，可以大幅度降低系统的成本和功耗。PWM经济、节约空间、抗噪能力强，较为出色地完成了对电机的调试任务。电路基本结构如图 2.4.1 所示。图 2.4.1 电路基本结构图在一个开关周期内：当 时， 为正，VT 导通，电源电压通过 VT 加0 到电动机电枢两端；当 时， 为负，VT 关断，电枢失去电源，电枢电 流经 VD 续流。系统稳态时，电枢的电压和电流波形如图 2.4.2 所示。