电子设计大赛智能小车.docx
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电子设计大赛智能小车
2011年全国大学生电子设计竞赛
智能小车（C题）
2011年9月3日
摘要
本设计是以STC89C52单片机为智能小车的控制核心，采用直流电机驱动小车前进及转向,电机驱动采用电磁继电器和L298芯片,电源主要是由以充电电池为动力。
系统由单片机通过IO口控制小车的前进避线及转向,通过硬件和软件的调试,最终在预设黑线的白色区域内完成循环超车任务。
智能小车（C题）
【本科组】
1系统方案
本系统主要由单片机最小系统模块、直流电机驱动模块、红外光检测模块、锂电池模块组成，下面分别论证这几个模块的选择。
1.1主控制器的论证与选择
方案一：
采用FPGA（FieldProgrammableGateArray）控制方案。
FPGA内部具有独立的I/O接口和逻辑单元，使用灵活、适用性强，且相对单片机来说，还具有速度快、外围电路较少和集成度高的特点，因此特别适用于复杂逻辑电路设计。
但是FPGA的成本高，而且由于本设计对输出的数独要求不高，所以FPGA高速处理的优势得不到充分体现。
方案二：
采用STC公司的STC89C52单片机作为系统的控制器。
STC89C52有40个引脚、32个独立的I/O口、两个外部中断和3个定时器/计数器，虽然相对FPGA来说在功能和速度上有点差异，但单片机软件编程灵活，可用软件较简单地实现各种算法和逻辑控制，并且由于其成本低、体积小、技术成熟和功耗小等优点，技术比较成熟，开发过程中可以利用的资源和工具丰富。
综合以上两种方案，选择方案二。
1.2电机与驱动的论证与选择
方案一：
采用步进电机作为小车的动力源。
步进电机是一种将电脉冲信号转换成角位移或线位移的开环控制元件，可在各种数控系统中作为执行元件，在非超载情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲数，而不受负载变化的影响。
但步进电机用于小车功耗高且需要相应的硬件驱动，电路复杂。
方案二：
采用直流电机作为小车的动力源。
直流电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，调整范围广，过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无级快速启动、制动和反转。
直流电机的驱动电路简单，可以用分立元件搭成H桥驱动电路，也可以使用集成芯片L298N。
L298N是双全桥2A电机驱动芯片，内含两个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接受标准TTL逻辑电平信号，可以很方便地驱动两个直流电机，本设计用到两个N20小型直流电机，完全可以用简单电路实现系统需求。
综合以上两种方案，小车不需要精确转角定位，选择方案二。
1.3检测系统的论证与选择
方案一：
采用光敏电阻对黑线判断。
光敏电阻光照性为非线性、反应灵敏度一般，检测距离范围有限，其受外部影响较大，检测信号易出现误差。
方案二：
采用激光收发管对黑线判断。
激光收发管线性度好、反应快，检测范围广，其受外部影响很小。
但对黑线判断需要黑白对比度高，要求较严格。
方案三：
采用红外收发管对黑线判断。
红外收发管线性度一般，反应较快，检测范围一般，受外部影响不大，对黑线判断可通过调节来改变黑白对比度不同的灵敏度。
综合考虑采用红外收发管作为检测系统对黑线判断。
1.4无线通信系统的论证与选择
方案一：
采用NRF2401进行两车无线通信。
NRF2401是一款工作在2.4~2.5GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片。
内置通信协议可以进行高质量、大容量的通信。
通过配置寄存器可以工作在多种模式，强大的无线通信能力使其应用很广泛。
方案二：
采用无线遥控收发组件。
无线遥控收发套件，这是一种目前用途非常广泛的100米四键遥控模块，常用于报警器设防、车库门遥控、摩托车、汽车的防盗报警等，这类用途要求遥控器的遥控距离并不远，一般50米足够了。
综合考虑本设计两辆小车之间通过判断黑线之后进行简单的高低电平通信即可，采用方案二作为本设计的无线通信系统。
2系统理论分析与计算
2.1小车模型的分析
2.1.1智能小车控制系统
智能小车控制系统一般可看作随动系统，使得模型车跟随道路的变化而运行，另一方面，模型车在走直线或蛇形线时，也可以看作一个恒值调节系统，能够跟随道路变化而更加平稳快速的运行。
在设计控制算法时，要既能满足跟随系统的动态特性，同时又能满足恒值调节的稳定特性。
2.1.2智能小车转向和速度的控制
控制模型车的转向和速度，使其能够跟随道路的变化来运行。
实现这一目标有两个难点：
一是各种外界干扰因素作用于系统，影响被控对象偏离控制规律，例如道路变化，检测信号的噪声和电池电压不稳等；二是控制对象车模本身的惰性使得被控量变化不能够灵活自如。
为此，我们需要分析外部扰动以及控制对象的动态特性。
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