全国大学生电子设计竞赛控制类.docx
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全国大学生电子设计竞赛控制类
2011年全国大学生电子设计竞赛
智能小车(C题)
【本科组】
2011年9月3日
摘要
本系统由信号检测、信号控制和通信部分构成。
系统选用STC12C5A60S2单片机作为主控器,利用STC内部的PWM模块对小车进行速度调节;采用TCRT5000红外反射式光电传感器对信号进行检测,实现小车循迹功能;利用单片机与L298N驱动模块结合来对检测信号进行有效控制。
两车之间主要采用2个E18-D80NK红外避障传感器和无线模块nrRF24L01进行通信。
关键词:
STC12C5A60S2单片机TCRT5000红外反射式传感器L298N电机驱动芯片E18-D80NK红外避障传感节能
目录
1系统方案1
1.1控制系统的论证与选择1
1.2调速模块的论证与选择1
1.1电机驱动的论证与选择2
1.2信号检测的论证与选择2
1.4两车之间通讯的论证与选择2
2系统理论分析与计算2
2.2信号检测的分析2
2.2.1信号(黑线)的检测2
2.2.2标志线的检测分析2
2.3小车行走的分析3
2.3.1小车各自行走一圈3
2.3.2超车和避免追尾相撞的分析3
3电路与程序设计3
3.1电路的设计3
3.1.1系统总体框图3
3.1.1L298N驱动模块子系统框图与电路原理图3
3.1.2TCRT5000红外循迹子系统框图与电路原理图4
3.1.3无线模块nRF24L01子系统框图与电路原理图5
3.2程序的设计5
3.2.1程序设计思路5
3.2.2程序流程图6
4测试结果8
4.1测试结果(数据)8
4.3.2测试分析与结论9
参考文献9
附录1:
电路原理图10
附录2:
源程序11
智能小车(C题)
【本科组】
1系统方案
本系统主要由电机模块、电机驱动模块、信号检测与控制模块、小车通讯模块组成,下面分别论证这几个模块的选择。
图1系统电路设计
1.1控制系统的论证与选择
方案一:
采用周立功公司的32位单片机EasyARM2131。
该单片机I/O资源丰富,具有强大的存储空间,芯片内置JTAG电路,可在线仿真调试,但对编程要求较高,且价格较为昂贵。
方案二:
采用STC公司的STC12C5A60S2。
内部含有PCA模块可对电机进行调速。
此单片机价格低,资源多,高性价比,应用广泛,无论是从内部构造,还是编程方面51系列单片机都相对简单,容易掌握和使用。
综合考虑采用方案二。
1.2调速模块的论证与选择
方案一:
用单片机STC12C5A60S2内部的PCA模块进行PWM调速,调速准确,程序编写容易,控制方便。
方案二:
采用L9110马达控制驱动芯片搭建硬件电路进行调速。
考虑到控制的灵活性,采用方案一。
1.1电机驱动的论证与选择
方案一:
采用大功率三极管,二极管,电阻电容等元件。
采用上述元件搭建两个H桥,通过对各路信号放大来驱动电机,原理简单。
但由于放大电路很难做到完全一致。
当电机的功率较大时运行起来会不稳定,很难精确控制。
方案二:
采用L298N驱动芯片。
L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入,具有良好的抗干扰性能,可用单片机的I/O口提供信号,
电路简单、易用、稳定,具有较高的性价比。
综合以上二种方案,选择方案二。
具体电路图见附录
1.2信号检测的论证与选择
方案一:
TCRT5000红外光电传感器是一款红外反射式光电开关。
传感器采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成,输出信号经施密特电路整形,稳定可靠,而且价格便宜。
方案二:
RPR-220是一种一体化反射型光电探测器。
其发射器是一个砷化镓红外发光二极管,而接收器是一个高灵敏度,硅平面光电三极管。
优点:
塑料透镜以提高灵敏度;内置的可见光过滤器以减小离散光的影响;体积小结构紧凑。
缺点:
价格较高,是方案一红外对管的3倍。
考虑到本题目需要大量的红外对管测试,价格较高,而且方案一已完全能满足题目要求,选择方案三。
1.4两车之间通讯的论证与选择
方案一:
采用NRF24L01模块。
此模块,可以实现数据的精确传输,应用起来比较方便,传输距离远,且其有空闲模式,大大的降低了模块的功耗
方案二:
HC-SR04超声波测距模块。
此模块检测准确,但价格较高,而且编程复杂。
综合考虑采用方案一。
2系统理论分析与计算
2.1同时启动分析
启动前打开乙车电源,当按下甲车电源时,通过无线模块nRE24L01发送数据给乙车的数据接收,启动乙车的程序运行。
2.2信号检测的分析
2.2.1信号(黑线)的检测
TCRT5000红外对管发射出红外线,在非黑色区域发射红外并被接收,与电压比较器LM339比较后得到高低电平输送给单片机,从电平的高低判断是否检测到黑线
2.2.2标志线的检测分析
小车需要识别的标志线和边界线以控制小车的行走。
因此,当循迹内环时,用右边的红外
对管检测检测标志线并进行计数。
当循迹外环时,用左边的红外对管检测标志线并进行计数。
2.3小车行走的分析
2.3.1小车各自行走一圈
小车检测到起点标志线后左转一定度,使小车左方红外管检测到内环内的黑线,并循迹内环黑线行走。
并用右方红外对管检测标志线并计数,当一超过超车标志线后转而循迹外环,直至跑回到终点。
2.3.2超车和避免追尾相撞的分析
避免追尾相撞:
小车前方设置一红外避障传感器,小车后方设置一挡板,当两车接近到一定距离时,红外避障传感器检测到对方尾部的挡板,输送低电平通知单片机,由单片机控制PWM调制脉冲使小车减速。
超车:
当甲车检测到超车标志后,转而循迹外环的同时,甲车减速。
乙车与甲车保持红外避障传感器设置的距离转检测完超车标志后,转而循迹超车区内环的黑线,速度超过甲车并循迹黑线返回起点。
而甲车循迹检测到转弯标志线后继续循迹外环返回原点。
3电路与程序设计
3.1电路的设计
3.1.1系统总体框图
系统总体框图如图2所示
图2系统总体框图
3.1.1L298N驱动模块子系统框图与电路原理图
1、L298N子系统框图
图3L298N子系统框图
2、L298N子系统电路
图4L298n子系统电路
3.1.2TCRT5000红外循迹子系统框图与电路原理图
1、循迹系统系统框图
图5红外循迹子系统框图
2、循迹系统电路
图6循迹系统电路
3.1.3无线模块nRF24L01子系统框图与电路原理图
1循迹系统系统框图
图7无线收发子系统
3.2程序的设计
3.2.1程序设计思路
1、程序设计思路:
启动小车后直走,小车右边的红外对管检测到起始标志线后向左拐,在进入转弯标志线前左边的红外对管检测到内环2CM的黑线,假如左1和左2检测到黑线,则往里拐,进入行车区,红外对管有反射,则往外拐,同时,经过转弯标志线时,右边的红外对管检测并计数,当进入到超车标志线时,右边红外对管检测到黑线的次数为4,检测完5条超车标志,计到的次数则为8,此时甲车直走转而减速循迹外环返回终点,乙车则继续循迹内环,循迹超车区的内环线比甲车更快的速度前进,直到乙车超车完毕,循迹内环返回起点。
为防止两车速度不一样而造成追尾相撞,设置红外避障传感器设置一安全距离,也为超车标志转弯时内由于乙车快,甲车慢容易相撞提供了保障。
3.2.2程序流程图
1、主程序流程图
2、循迹内环检测子程序流程图
3、循迹外环子程序流程图
4、超车子程序流程图
4测试结果
4.1测试结果(数据)
表1甲乙小车跑一圈的时间(单位:
秒)
次数
1
2
3
平均时间
甲车
18.2
17.8
18.5
18.167
乙车
18.6
18.7
19.2
18.834
表2甲乙小车跑一圈并完成超车的时间(单位:
秒)
次数
1
2
3
平均
两车同行
33.7
35.4
34.1
34.4
4.3.2测试分析与结论
根据上述测试数据,我们知道:
1.速度太快会导致检测标志线检测不到,就会造成程序错乱,不能完成,因此,我们在能检测到得情况下调到一个最大的可行速度,最快速度达到17.8秒。
2.当跑多圈时,电池的电压降低,因此循迹模块的LM339芯片比较器的比较电压下降,红外循迹会出现错误,而且,电压降低,小车的速度降低,转动的弯度也减少,因此,我们在一圈内完成超车,最短时间为33.7s。
由此可以得出以下结论:
(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所示位置同时起动,乙车通过超车标志线后在超车
区内实现超车功能,并先于甲车到达终点标志线,即第一圈实现乙车超过甲车。
综上所述,本设计达到设计基本要求。
5系统调试
1.循迹模块测试,循迹过程中不能及时准确的判别黑线,常随机将跑道上的某些点误判为黑线,导致小车路线错误。
经排查,由于自己铺设的跑道不够平整,导致红外光电传感器会受到影响,调试过程中,通过改变与接收管相关的电阻阻值的大小来改变接收能力,调试过后小车循迹正常。
2.超声波避障测试,行车时超声波不能及时收到正确的信息,供单片机识别,经改进在小车后部加一片挡板,反馈信息准确度明显提高。
3.整体调试后,得出电池电量低于4.5V时,会导致系统工作不稳定,传感器工作不正常,故需经常更换电池,只有小车电机在6.3V供电时,速度相对稳定,并且可以及时准确的循迹。
4.经测试,两辆小车绕圈一周的时间平均为40s,虽由于小车自身性能,走直线时会偏向一侧,但可通过循迹模块纠偏,系统相对稳定,行驶较平稳。
5.
测试结果记录
第一圈
第二圈
第三圈
平均
甲车
41s
38s
40s
39s
乙车
40s
42s
40s
41s
6结论
1.本设计以STC89C52单片机为控制核心,小车具有循迹检测、超声波避障、电机驱动、无线通信等主要功能
2.应用L298N进行电机驱动电机,电机的左右轮分别两个独立的电机驱动,通过控制两个电机正转时间的不同,实现小车的前进和左右的方向选择。
车头的四个红外光电传感器,通过对边界黑线的检测反馈给单片机,控制小车行走。
3.两小车同时行驶时,通过超声波检测,判断前方是否有小车,并将信息反馈给单片机,控制后面的小车减速,防止出现撞车。
4.超车过程中,甲车减速后直线前进,乙车正常行驶并进入超车区,达到超车目的。
5.由于小车电机和车轮的问题,在循迹等前进过程中不是很平稳,有些摇晃,走直线时会出现偏转,但整体能实现其所要的基础部分功能。
7参考文献
[1]郭天祥.51单片机C语言教程.北京:
电子工业出版社,2011.
[2]黄智伟.全国大学生电子设计大赛训练教程.北京:
电子工业出版社,2010.
[3]高吉祥.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.北京:
电子工业出版社,2009
[4]童诗白,华成英.模拟电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2010.
[5]阎石.数字电子技术基础.北京:
高等教育出版社,2010.
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