智能小车论文讲解.docx
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智能小车论文讲解
智能小车论文
—2012山东省大学生电子设计竞赛本科组D题
参赛人：
龚德林
林仰鸿
孙洪伟
摘要
设计任务概述
设计任务概述
基本任务
发挥部分
二系统方案论证与选择
车体方案论证与选择
控制模块论证与选择
电源模块论证与选择
电机模块论证与选择
电机驱动模块论证与选择
避障模块论证与选择
寻迹模块论证与选择
显示与提示音模块论证与选择
智能小车最终方案
硬件系统的设计与功能实现
控制器电路的设计与原理
电机驱动电路的设计与原理
寻迹电路的设计与原理
避障电路的设计与原理
显示及语音提示的电路设计与原理
软件设计的实现与说明
主程序流程图
寻迹子程序流程图
避让子程序流程图
避障子程序流程图
系统功能测试
小车基本参考数据
基本要求部分的功能测试
发挥部分的功能测试
结论
结束语
参考文献
摘要
本小组设计制作的一款智能小车能够实现2012年山东省大学生电子设计竞赛本科组D题的基本功能和发挥部分的所有功能要求，并有一下拓展功能：
1602液晶显示，蜂鸣器提示音等。
本组参赛作品的每辆小车均由四个直流步进电机为驱动，通过各类传感器来采集信息，送入主控制器STC89C52单片机，处理数据后完成相应的操作，以实现相应的功能。
直流步进电机采用电机专用驱动芯片L293D进行驱动，用光电开关来实现避障功能，用RPR220型光电对管来实现寻迹功能，用1602型液晶显示屏来实现显示功能，有蜂鸣器来实现语音提示功能。
实现了智能小车在无人操纵的状态下实现路面寻迹，自动避障，显示输出的功能。
设计任务概述
设计任务概述
一、任务
A、B两辆汽车相对开行，并能按指定要求到达对方的发车点。
行车道路示意图如图1所示，道路两侧各有1.5～2厘米宽的黑色边沿线；道路的宽度为A、B两车的宽度之和的1.1倍；会车区路段的宽度为A、B两车的宽度之和的1.6倍，会车区路段的长度是两车车长之和的2倍；道路中间不允许有任何导行线。
二、要求：
1.基本要求
（1）甲乙两车分别从各自从发车区出发，正常行驶至对方的发车区停止。
要求两车分别能在50秒之内到达终点。
（2）两车同时发车，以对方的发车点为终点行进（会车时可以在非会车区域会车）。
要求两车在60秒之内到达各自的道路终点，且无碰撞或刮擦。
（3）两车同时发车，以对方的发车点为终点行进。
其中A车首先进入Ⅰ号会车区避让，待B车通过后再继续前进.要求两车在60秒之内到达各自的道路终点，且无碰撞或刮擦。
2.发挥部分
（1）A车先开行，B车后开行，且使之在2号路段相遇；相遇后，后出发的B车后退进入II号会车区避让，会车后两车继续前进，要求两车在90秒之内到达各自的道路终点，且无碰撞或刮擦。
（2）任意指定一辆车先开行，另外一辆车后开行。
相遇后，要求两辆汽车能根据各自离开会车区的距离进行避让，即离会车区距离近的车辆后退进入会车区避让，进行会车，两车应在90秒之内到达各自的道路终点，且无碰撞或刮擦。
（3）其他。
三、说明：
1.道路两侧各有1.5～2厘米宽的黑色边沿线，道路的宽度包括边沿线在内。
2.A、B两辆汽车必须是四轮车，且车辆宽度以车辆左右两轮外侧所占最大尺寸，如图2所示。
车辆的长度为车辆前后两轮所占最大尺寸，如图3所示。
车辆的高度不限。
3.竞赛开始后，A、B两车不可互换。
4.刮擦是指两车侧面发生接触，碰撞是指任两车前后发生接触。
会车时两车不应发生刮蹭或碰撞，每发生一次刮擦蹭减1分，每发生一次碰撞减3分。
5.车辆开行后任何车轮驶出道路边线之外即为失败。
6.车辆不允许遥控。
7.道路自行制作，道路尺寸不符合要求者将被取消竞赛资格。
8．建议使用MSP-EXP430开发板
四、评分标准
项目
主要内容
满分
设
计
报
告
系统方案
比较与选择；方案描述
10
测试与控制方案分析与器件选择
测量原理
控制原理
15
电路与程序设计
电路设计及程序设计
12
测试和控制结果
测试方案及测试条件；测试结果完整性；测试结果分析
8
设计报告结构及规范性
摘要；设计报告正文的结构
5
总分
50
基本
要求
实际制作与完成情况
50
发
挥
部
分
完成第
（1）项
20
完成第
（2）项
25
其它
5
总分
50
二系统方案论证与选择
根据本题目的设计要求，本系统主要由控制模块，电源模块，寻迹模块，避障模块，驱动模块，输出模块等构成，本系统的原理如图1所示：
迅即模块
为了较好地实现各个模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别加以论证。
车体方案论证与选择
方案1购买电动玩具。
购买的电动玩具车具有完整的车架车轮，电机及其驱动电路，但电动玩具车的电机多为直流电机，力矩小，空载转速快，负在性能差，不易调速得特点，因此我们放弃了此方案。
方案2自己制作电动车。
经过反复考虑，我们制作了以四轮为驱动的四轮小车，这样小车可实现原地90度，180度转弯，该车四轮驱动，动力强劲，易调速，可控制，因此我们选择此方案。
控制模块方案论证与选择
方案1采用飞思卡尔公司生产的飞思卡尔芯片，它是128位控制器，具有驱动能力强，可靠性高，具有语音处理，运算速度快的特点，但考虑到我们对该芯片不熟悉，使用起来不是很方便，相当于对电路的设计和软件的编程增加了难度，因此我们放弃了此方案。
方案2采用STC89C52单片机作为主控制器。
STC89C52是一个超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，具有8K空间的只读存储器，32个IO口的特点，电路设计简单，价格低廉，在后来的实验中我们发现STC89C52单片机的精度和运算速度也都完全符合我们的系统要求。
因此我们选择了有STC89C52单片机作为主控芯片。
电源模块论证与选择
方案1采用7。
2V可充电电池组。
动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出，经测试在此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，步进电机工作良好，且体积较小，可反复充电，能够满足系统的要求。
方案2采用12V蓄电池为小车供电，将12V稳压，降压后供给单片机系统。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出能力，但体积过于庞大，由于我们的小车空间有限，在此极为不便。
综上考虑，我们选择了方案1来完成小车的供电任务。
电机模块论证与选择
方案1采用直流减速电机。
直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，使用简便，但不易控制。
方案2采用直流步进电机作为动力系统。
直流步进电机转动的角度可以精确定位，可以实现小车前近距离和位置的精确定位，且直流步进电机力矩大，使用简便易控制。
综上考虑，我们选择直流步进电机作为动力系统。
电机驱动模块论证与选择
方案1采用分立组件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立组件占用空间比较大，还需要继电器，考虑到小车空间问题，此方案不够理想。
方案2采用电机驱动芯片L293D控制步进电机。
该芯片是利用TTL电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可对电机进行正转，反转和停止操作，亦能满足直流步进电机的工作要求，该芯片均具有操作简便，稳定性好的优点。
综上考虑，我们采用驱动芯片L293D作为小车的电机驱动。
避障模块论证与选择
方案1用超声波传感器进行避障。
超声波传感器在避障的设计中被广泛地应用，但是超声波传感器需要在40KHz的方波信号来工作，对工作频率要求非常高，偏差在1%内，所以此方案很难实现，我们考虑其他方案。
方案2用漫反射式光电开关进行避障。
光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此作出判断反应，从而检测前方有无物体。
考虑到本系统只需检测障碍物的有无，无其他复杂要求，我们选择此方案，且光电开关便于操作和调试。
寻迹模块论证与选择
方案1用光敏电阻组成光敏探测器。
光敏电阻的阻值可随周围环境光线的变化而变化。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈；光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此当光敏电阻在白线上面和在黑线上面时，阻值会发生明显变化，单片机根据阻值的变化来判断小车是否偏离轨道，并根据反馈不同的电平信号，发出相应的操作指令来校正小车的位置，来完成小车的寻迹任务。
方案2有RPR220型光电对管来完成操寻迹任务。
由于RPR220型光电对管操作复杂，不易控制，且造价昂贵，因此我们选择用光敏电阻组成的光敏探测器来寻迹完成任务。
显示与提示音模块论证与选择
方案1采用LED数码管显示。
LED显示具有硬件电路结构简单，调试方便，软件实现相对容易的特点，由于我们要实现显示小车运行时间，运行路程，LED无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃此方案。
方案2采用LCD液晶显示。
LCD夜景具有功耗低，显示内容丰富，清晰，显示信息量大，显示速度快，界面友好的优点，因此我们选择此方案。
智能小车的最终方案
采用STC89C52单片机作为整个系统的控制核心
使用7.2V可充电动力电池组为系统提供基准电源
采用直流步进电机作为智能小车的驱动电机
使用电机专用驱动芯片L293D作为直流步进电机的驱动芯片
采用漫反射式光电开关传感器组成小车的避障系统
采用光敏电阻组成的光敏探测器完成寻迹任务
采用1602液晶显示显示小车的运行时间与运行路程，用蜂鸣器完成语音提示功能
硬件系统的设计与功能实现
控制器电路的设计与原理
控制器作为整个智能小车系统的核心控制部分，它负责对各路传感信号的采集，处理，分析及对各部分硬件电路进行调整。
本设计制作的智能小车系统已STC89C52单片机最小系统电路为整个系统的控制电路，通过各种传感器电路，采集各种传感器信息，已发出各种控制信号命令，来完成相应的操作，单片机控制电路原理如图所示：
单片机控制原理图
电源电路为系统提供基准电源，是整个系统工作稳定的关键所在，本系统采用7.2V可充电动力电池组，可充电反复使用，动力电池组具有较强的电流驱动能力，以及稳定的电压输出性能，经测试在用此供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流步进电机工作稳定
电机驱动电路的原理与设计
本设计采用的电机专用驱动芯片L293D为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动。
设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载和开关电源晶体管。
内部包含4通道逻辑驱动电路，其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V。
输入引脚和输出引脚的逻辑关系
L293D可直接对电机进行控制，无需隔离电路。
通过单片机的IO口输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，操作方便，亦能满足直流步进电机的最大电流要求。
调试时依照上图，用程序输入对应的码值，即可实现对应的操作，其驱动原理图如下所示：
此处插入驱动板电路
避障电路的原理与设计
用漫反射式光电开关进行避障，光电开关实际是发射头与接收头于一体的检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光束，被物体反射，接收头据此作出判断，是否有障碍物。
当有光线反射回来时，输出低电平；当没有光线反射回来时，输出高电平。
单片机根据接收头的电平高低作出相应的控制，避免小车碰到障碍物。
小车采用漫反射式光传感器进行避障的电路原理图如下所示：
此处添加光电开关电路图
寻迹电路的原理与设计
采用红外发射接收二极管组成的探测器完成寻迹任务，寻迹电路是以实现小车沿边线行驶时位置校正的电路，使小车不能偏离边线，其电路原理图如下所示：
红外对管电路图
显示及语音提示的电路设计与原理
本设计中的智能小车的液晶显示采用1602液晶显示屏，主要显示小车的运行时间，运行路程；采用蜂鸣器提供语音提示，当小车完成任务时，发出蜂鸣声，提示工作人员小车已完成任务；其二者电路原理图如下所示：
插入1602液晶显示和蜂鸣器电路图
软件设计的实现与说明
主程序流程图
系统功能测试
使用仪器及设备清单的说明
本次设计中每辆小车使用的相关仪器清单如下表所示：
仪器名称
数量
STC89C52
电机驱动板
小车车架
步进电机
红外探测器
7.2V电池
光电开关
1602型液晶显示器
蜂鸣器
杜邦线
焊锡。
电烙铁
数字万用表
系统功能调试
基本要求部分的功能测试
（1）在规定场地内，智能小车从A出发，自动寻迹从B出试验区域，其运行路线如图所示：
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