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智能小车
2011年全国大学生电子设计大赛
智能小车（c题）
智能小车（c题）
[摘要]：
本次设计为两辆智能小车在设定赛道上完成同向行驶，在超车区实现超车的功能。
该系统是基于八位单片机STC89C52的小车控制系统，通过红外发射接收探头检测路面黑色标志线及黑色边界线使小车按照预定轨道行驶，单片机系统加上电机驱动、红外蔽障等模块构成整个系统的硬件总电路，实现设计所要求的功能。
[关键词]：
超车、循迹、红外蔽障、电机驱动
[Abstract]:
Thisdesignfortwovehiclesintelligenceinsettingthetrackcarfinishtheroad,inthesameareaofovertakingovertakefunction.ThesystemisbasedonsinglechipSTC89C52eightcarscontrolsystem,throughtheinfraredemissionreceivingprobedetectionpavementblackmarklineandblackbordermakeaccordingtoorbitfollowedthecartracingoftheroad,plusmotordrive,infraredtimesofthewholesystemmodule,suchasatotalcircuithardware.Finallythroughthesoftwaredesign,toachievethedesignrequirementsofthefunction.
[Keywords]:
overtaking,methodisttrace,infraredtimes,motordrive
目录
1引言3
2总体方案设计与比较4
2.1竞赛小车的选取4
2.2单片机的选型5
2.3电动机类型的选择5
2.4电机驱动模块的选型6
2.5两车通信模块7
2.6避障传感器的选型8
3电路与程序设计9
3.1电路设计9
3.1.1电源电路设计9
3.1.2电机驱动模块电路设计11
3.1.3红外光电传感器的电路设计11
3.1.4红外蔽障模块电路设计13
3.2程序设计13
4测试方法与测试结果15
4.1测试环境15
4.2测试指标和测试结果16
4.2.1单元模块测试16
4.2.1正常行驶测试16
4.2.2超车测试16
总结17
参考文献：
18
附录19
1.元器件清单见表19
2.主程序流程图20
3.电机控制流程图21
1引言
随着汽车工业的迅速发展，关于汽车的研究也就越来越受人关注。
全国电子大赛和省内电子大赛几乎每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，可见其研究意义很大。
同时，随着电力电子技术、微电子技术和计算机技术、新材料以及控制理论和电机本体技术的不断发展进步，用户对电机控制的速度、精度和实时性提出了更高的要求，因此作为微特电机重要分支的控制电机也得到了空前的发展。
控制电机已经成为现代工业自动化系统、现代科学技术和现代军事装备中不可缺少的重要组件。
它的应用范围非常广泛，例如火炮和雷达的自动定位，舰船方向舵的自动操纵，飞机的自动驾驶，遥远目标位置的显示，机床加工过程的自动控制和自动显示，阀门的遥控，以及机器人、电子计算机、自动记录仪表、医疗设备、录音录象设备等中的自动控制系统。
根据设计要求，确定如下方案：
在现有的（带有两个步进电机）小车的基础上，加装光电寻迹、红外线避障，实现对小车的速度、运行状况进行实时测量，并将测到的数据传送至STC单片机进行处理，然后由单片机根据所检测的各种数据实现对小车的智能控制。
这种方案能实现对小车的运动状态进行实时控制。
本次设计采用STC公司中的STC89C52单片机。
以STC89C52单片机为控制核心，利用红外线检测道路上的障碍，控制智能小车的自动避障，以反射式光电传感器检测赛道的标志线以及边界线，实现两辆小车在设定赛道上完成同向行驶，在超车区实现超车的功能。
2总体方案设计与比较
根据题目的基本要求，设计任务主要是两辆智能小车在规定的跑道上实现正常行驶和超车的功能，为完成相应功能，系统可以划分为以下几个基本模块：
电动机驱动模块、寻迹线探测模块、红外避障检测模块、电源电路模块。
系统框图如图2-1所示：
图2-1系统框图
2.1竞赛小车的选取
方案一：
用玩具智能小车，作为骨架，改装成需要的赛车。
该小车轻巧可以达到较高的速度，能够较灵活的实现转向和超车，实现比赛的要求。
但是该小车已是成品，改装后较为麻烦，而且载重有限，功率有限，不能够实现高速的运动与灵活的转向。
所以此种方案予以否决。
案二：
用飞思卡尔赛车为骨架，改装成需要的赛车。
飞思卡尔赛车能够快速平稳的运行，改装后能符合大赛的要求，但是车体较长，车速较快，难以灵活的实现超车。
所以此方案予以否决。
方案三：
用电脑鼠小车为骨架，改装成需要的赛车。
电脑鼠小车行驶速度稳定，转向非常灵活，车体体积小能够比较容易的实现超车功能。
该小车运行平稳，便于改装及加装传感器。
而且小车动力足，能够通过程序的优化提升速度，以达到用时最短的要求。
所以选此方案。
2.2单片机的选型
方案一：
选用飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为控制器。
飞思卡尔公司MC9S12XS128,16bit、80pin的单片机，其集成了PIM，TIM，PWM,SPI,SCI,ECT,CAN,AD,PIT,CAN等模块，成本较高，需用专用下载工具，编程比较麻烦。
所以此方案予以否定。
方案二：
选用51单片机作为控制器。
选用STC公司生产的STC89C52单片机，该单片机成本低，操作容易，便于控制，运行稳定，下载程序方便，完全满足本设计系统的控制要求。
所以选择此方案。
2.3电动机类型的选择
方案一：
采用直流电机，直流电机调速性能好，调速范围广，易于平滑调节；起制动转矩大，易于快速启动、停车，易于控制。
直流电动机
方案二：
伺服电机，伺服电动机把输入的信号电压变为转轴的角位移或角速度输出，转轴的转向与转速随信号电压的方向和大小而改变，并且能带动一定大小的负载，在自动控制系统中作为执行元件，故伺服电动机又称为执行电动机。
可控性好、响应快、具有线性的机械特性和线性的调节特性、调速范围大、转速稳定。
方案三：
采用步进电机，步进电机是利用电磁铁的作用原理，将脉冲信号转换为线位移或角位移的电机。
每来一个电脉冲，步进电机转动一定角度，带来机械移动一小段距离，优点是控制脉冲频率，就可控制电机转速；改变脉冲顺序即可改变电机转动方向。
针对本次设计选用步进电机比较合适，合理利用步进电机来一个脉冲步进电机就转一个角度，这样小车的稳定性也会相对提高。
2.4电机驱动模块的选型
要使小车按照要求行驶最基本的的模块就是电机驱动模块，L298N、达林顿管、A6845FS均可以驱动电机转动来驱动小车，
方案一：
采用达林顿管组成的H型PWM电路，如图2-2所示。
用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态，可精确调整电动机的转速。
这种电路由于工作在饱和截止模式下，效率非常高；H型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制。
但是该电路不能精确地控制电机的正反转和它的转速。
图2-2双极式H型可逆PWM变换器电路原理图
方案二:
采用L298N驱动电机转动实现小车驱动，利用L298N及其外部辅助电路和电机构成驱动电路。
单片机控制口接两个LM298N的八个输入控制端。
两个L298N的八个输出端接步进电机。
直接选用L298N驱动直流电机，由单片机给它PWM波控制其驱动电机。
此种方案可以容易控制电机的正反转和它的转速，可使电机处于多种转速状态，同时为了减小电机与单片机的相互影响，在单片机与该芯片之间加了一个光耦隔离，更加优化了该方案。
同时L298N具有转速可调，抗干扰能力强，具有过电压和过电流保护，可单独控制两台直流电机，可单独控制一台步进电机，PWM脉宽平滑调速，可实现正反转。
故在本次设计中选择此方案。
L298N驱动电路如图2-3所示：
图2-3L298驱动电路
2.5避障传感器的选型
方案一：
采用超声波传感器避障。
利用超声波模块对两辆小车之间的距离进行测量，记录并传送给单片机，当小车将要碰撞时，单片机利用程序算法，使小车减速，避免碰撞。
但是由于超声波模块调试起来比较困难，从前段时间调试成功的模块来看，超声波模块不稳定。
故对此方案予以否定。
方案二：
采用红外避障传感器实现避障。
E18-D80NK这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。
主要用于障碍物的检测。
对障碍物的感应距离可以根据要求通过后部的旋转进行调节。
该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、便宜、易于装配、光电使用方便。
故选此方案。
3电路与程序设计
3.1电路设计
智能小车采用后轮驱动，后轮左右两边各用一个电机驱动，调制两个后面两个轮子的转速从而达到控制转向的目的，前轮是万象轮，起支撑的作用。
将三个红外线光电传感器分别装在车体的左中右，当车的左边的传感器检测到黑线的边界时，主控芯片控制左轮电机减速，车向右修正，当车的右边传感器检测到黑线时，主控芯片控制右轮电机减速，车向左修正，中间的传感器起附带修正的作用，黑线在车体的中间，中间的传感器一直检测标志线，当检测到标志线时开始左转，从而使小车在轨道中行走。
避障的原理和寻线一样，在车头的前中后各装了一个传感器，当左边传感器检测到障碍物时，车子右轮减速，车体向右转，当右边检测到障碍物时，车子左轮减速，当中间或全部的传感器都检测到障碍物时，车子定向转动，从而避开障碍物。
3.1.1电源电路设计
电源是一个系统正常工作的基础，电源模块为系统其他各个模块提供所需要的能源保证，因此电源模块的设计至关重要。
模型车系统中接受供电的部分包括：
传感器模块、单片机模块、电机驱动模块等。
设计中，除了需要考虑电压范围和电流容量等基本参数外，还要在电源转换效率、噪声、干扰和电路简单等方面进行优化。
可靠的电源方案是整个硬件电路稳定可靠运行的基础。
智能车全部硬件电路的电源由7.2V，2A/h的可充电镍镉电池提供。
由于电路中的不同电路模块所需要的工作电流容量各不相同，因此电源模块应该包含多个稳压电路，将充电电池电压转换成各个模块所需要的电压。
智能车所需电源如图2-1所示：
图3-1电源模块
由于小车不是固定的要不停地移动，电源模块就不能使用直流稳压电压，而必须使用充电电池给小车，充电池输出7.2V直流电，经7805稳压管稳压输出5V稳压电源及可给小车正常供电。
电路如图2-2所示：
图3-27805稳压管稳压输出5V稳压电源
3.1.2电机驱动模块电路设计
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。
该芯片采用15脚封装。
主要特点是：
工作电压高，最高工作电压可达24V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；最大功率25W。
内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。
使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。
使用L298N芯片充分发挥了它的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高，故选用L298N驱动电机。
而使用L298N时，可以用L297来提供时序信号，可以节省单片机IO口的使用；也可以直接用单片机模拟出时序信号，由于控制并不复杂。
通过L298N构成步进电机的驱动电路,电路图如图3－3所示
图3-3L298N芯片驱动步进电机
3.1.3红外光电传感器的电路设计
红外光电传感器采用接和收集成在一起的st188制作而成，该电路图如图3-4所示。
图中电阻为270欧，470欧，10千欧。
图3-4红外光电传感器的电路
3.1.4红外蔽障模块电路设计
图3-5所示电路采用红外线壁障，利用一管发射一管接收，接受管对外界红外线的接收有无来判断障碍物，这种方式干扰小，而且易于实现。
采用红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，赛道两边用黑胶铺成的黑线就认为是障碍物。
由于红外线受外界可见光的影响较大，因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制，这样减少外界的一些干扰。
如果检测到车在两条黑线内行驶则继续按之前方向行驶，如果车不在两条黑线内则改变香车方向使其转向改道。
接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。
图3-5红外线壁障电路
3.2程序设计
单片机系统主程序流程图见附录2，电机控制流程图见附录3。
此系统采用低功耗增强型51单片机STC89C52组成的电路可以实现以下三个功能：
（1）.利用P1.0与P1.1的第二功能，P1.0口用作T2的计数脉冲输入端，检测标志线；用P1.1作为T2的外部控制端控制电机的转向。
（2）.实时扫描检测内侧边界线，控制电机匀速行驶。
（3）.当在赛道上后面小车的避障传感器检测到时前方的小车时，减速行驶避免与前方小车相撞，而当检测到超车标志线后，后面的小车进入超车区加速行驶，超过前方的小车后再驶入行车区完成超车功能。
4测试方法与测试结果
4.1测试环境
光电对管ST188监测赛道两边黑胶带，用延时来控制小车在赛道上行驶距离，测试时严格按照试题所要求，制作符合规格240
240cm的赛道，小车在赛道上能准确完成基本要求部分，甲乙两车分别从起点标志线开始，在行车道各正常行驶一圈。
再走一圈即可实现乙车在超车区超过甲车行驶，实现超车功能。
下图4-1为测试时所使用的赛道图
图4-1赛场跑道
该智能小车在完成程序所设定任务后在终点标志线处即就是在起始位置停车，整个测试过程小车使用可充电的充电电池供电且小车没有跑出赛道外顺利完成行驶任务。
4.2测试指标和测试结果
4.2.1单元模块测试
（1）电源电路测试：
设计并搭好电源电路，并用万用表进行检测电路连接情况，在确定电路没问题后，同电源端通上7.2V的电源，按下开关，观察发光二极管是否发生变化。
（2）光电寻迹模块测试：
在以连接好的光电寻迹电路中，通电后，在反射式光电传感器上面放一张白纸，用电压表测量ST188的输出端引脚是不是为高电平；在放一张贴有黑胶布的纸张或者是黑色的物品放在反射式光电传感器的感应部分，看电压表的的电压是否为低电平；来回移动带有黑胶布的纸张或黑色物品，看电压表的电压值是否高低电平的变化。
（3）红外避障电路测试：
首先在搭接好的电路中用万用表测量可调电阻的阻值将其调到10K欧姆；再用万用表在输出端测量未碰到障碍物时电压值是否为高电平，当碰到障碍物时，观察电压值是否为变为低电平。
4.2.1正常行驶测试
两小车分别放在起点标志线，启动后均能在行车道正常行驶一圈回到起点。
次数
1
2
3
4
5
甲车用时
44’12”
45’09”
44’18”
44’56”
45’01”
乙车用时
43’45”
44’32”
43’73”
43’89”
44’18”
4.2.2超车测试
两车在如图所示位置同时起动，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，乙车超过甲车。
顺利实现超车功能。
总结
经过为期四天的设计，达到了预期的目的。
在这四天中，我们遇到许许多多问题，感触颇深的是解决问题的方法、技巧以及对待问题要用多种方法去处理，对同一个问题要从多角度去思考。
通过这4天的设计竞赛，我们不但增强了实践能力和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这对我们以后的学习和工作不无裨益。
当然，我们的设计还存在着一些缺陷：
1）需要在赛车的机械结构上作优化，这次设计所选用的车比较小，载重能力有限，车速太慢。
2）需要增强驱动电机的加减速性能，在超车环节，后面车的速度加速不是太明显，
3）需要在控制算法上进行优化，对信号的检测更加的准确，对电机的运行控制更加的精确。
由于时间有限，系统中尚存在许多问题有待改进，有待于我们在将来设计中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。
参考文献：
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高等教育出版社社，2006.5
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西安电子科技大学出版社，2008.2
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[8]吴少军刘光斌编著《单片机实用低功耗设计》人民邮电出版社
[9]周航慈《单片机应用程序设计》北京航空航天大学出版社
附录
A.元器件清单见表
序号
名称、型号及规格
数量
备注
1
STC89C52
2
2
小车
2
3
光电管ST188
18
4
LM324
6
5
无线传感器模块
2
6
红外避障传感器E18-D80NK
4
7
步进电机
4
8
普通电阻
20
9
103滑动变阻器
4
10
100uf/25v
电解电容
12
11
4700uf/25v
电解电容
2
12
瓷片电容
104
12
13
Lm7805
12
14
7.2v充电电池
2
15
L298电机驱动
4
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