全国电子设计大赛总结与设计报告
——智能小车（C题）
摘要
本设计作品是以二驱组装小车为车体，使用单片机STCC52作为检测与控制核心芯片。 配合直流减速电机，利用L298N和光耦芯片制作而成的电机驱动模块控制小车的运行，红外收发管作为轨道控制模块完成在规定轨道的各种操作，通过红外对射检测码盘对两电机转速检测，实现方向控制模块对小车的直行、转弯及加速的精确控制。并在行进过程中，使用光电开关实现避障模块避免撞车。在超车区使用NRF509无线收发模块进行行进间通信。可以精准的完成小车在轨道内直行，检测转弯标识实现转弯，甲乙两车之间的超车、车体的减速等功能，经过多次测试，小车的各项性能指标均已达到竞赛题目的要求。
关键词：STCC52单片机 L298N 红外收发管 光电开关 NRF509 红外对射检测码盘
Abstract
This design work is based on two flooding for car body, use car assembly STCC52 microcontroller as the test and control core chip. Cooperate with dc reduction motor, the use of L298N and light coupling is made of a chip of the motor driver module control the operation of the car, infrared transceiver tube as track control module completed in all kinds of operation, the provisions orbit by Photoelectric Detector test code plate Beam to two motor speed detection, and realize the direction control module of car moving, to turn and accelerate the precise control. And in March forward in the process, the use of photoelectric switch realize obstacle avoidance module to avoid a crash. The precise finish the car in orbit moving, turning to realize, turning test mark party b between two car body, the deceleration of overtaking and other functions, after repeated the test, the car of various performance indicators have reached the contest questions the goal.
Key words: STCC52 single-chip microcomputer L298N infrared transceiver Photoelectric switch Photoelectric tube NRF509 Beam Detector test code disk.
- II -
目录
1 方案论证与设计 ................................................................................................................................................... 1
1.1总体方案设计 ............................................................................................................................................ 1 1.2 控制核心方案与论证 ................................................................................................................................ 2 1.3轨道控制方案与论证 ................................................................................................................................ 3 1.4 电机驱动方案与论证 ............................................................................................................................... 4 1.5防碰撞方案与论证 .................................................................................................................................... 4 1.6 电机选择方案与论证 ............................................................................................................................... 5 1.7 方向控制方案与论证 ............................................................................................................................... 5 1.8 两车通信方案与论证 ............................................................................................................................... 6 2 系统硬件设计与实现 ........................................................................................................................................... 8
2.1 系统总体设计 ........................................................................................................................................... 8 2.2控制核心系统设计 .................................................................................................................................... 9 2.3 轨道控制模块设计 ................................................................................................................................... 9 2.4电机驱动模块设计 .................................................................................................................................. 10 2.6 运动方向控制设计 ..................................................................................................................................11 2.7 两车无线通信模块设计 ......................................................................................................................... 12 3 系统软件设计与实现 ......................................................................................................................................... 13
3.1 系统软件流程图 ..................................................................................................................................... 13 4 系统测试与调试 ................................................................................................................................................. 15 5 设计总结 ............................................................................................................................................................. 16 6参考文献 .............................................................................................................................................................. 17
- III -
1 方案论证与设计
1.1总体方案设计
甲车车头紧靠起点标志线,乙车车尾紧靠边界线,甲、乙两辆小车同时起动，先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。跑道如图1-1 所示。
图1-1 运行轨道图
轨道如图1-1所示，小车在行车道行驶时，使用三部分共五个寻迹模块以确保小车在规定轨道内运行。在通过超车标志区后进行超车时，通过光电开关进行参照障碍物检测，实现避撞。经过超车标志区后，两车进行无线通讯，前车慢速行驶，后车加速绕过前车，实现超车任务。小车元件放置如下图1-2所示
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图 1-2 小车模块元件安装
1.2 控制核心方案与论证
方案一：采用嵌入式单CPU实现
采用高性能单CPU实现系统，比如以32位的嵌入式CPU ARM芯片作为控制系统核心。此方案可以很好的完成数据采集和显示功能，但是ARM系统设计调试比较复杂，在短的时间内难以很好地完成设计，并且成本较高，不宜采用此方案。
方案二：采用FPGA实现
采用FPGA作为系统的控制器，它可以实现各种复杂的逻辑功能，所有的器件集中在一块
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芯片上，体积小，稳定性高。同时FPGA可用于EDA软件仿真调试，易于进行功能扩展。但是本系统对于数据处理的速度要求不高，而FPGA的引脚较多、布局复杂，相对成本较高，所以不宜采用此方案。
方案三：采用两片51单片机实现
采用两片51单片机分别作为两个系统的控制器，单片机使用简单，软件编程灵活，成本较低。对于本系统的设计要求，使用STCC52足以满足它的算法和控制功能。
综上所述，本设计决定采用方案三。
1.3轨道控制方案与论证
为了使小车在规定的轨道内运行，需要对路面情况进行探测，本设计采用黑线寻迹探测的方式保证小车在规定轨道内运行。探测路面黑线的基本原理：光线照射到路面并反射，由于黑线和白纸对光的反射系数不同，可以根据接收到的反射光强弱来判断是否是黑线。利用这个原理，可以控制小车行走的路迹。下面几种可行的方案是根据本原理设计的：
方案一：采用普通的发光二极管及光敏电阻组成的发射接收方案。
其工作原理：当无光照时，光敏电阻呈现高阻状态，又分压公式可知，电阻R2无压降三极管截止，三极管的集电极输出高电平；反之，当有光照的时候，光敏电阻接收到反射的光，其阻值下降，由分压公式，R2有压降三极管导通，输出低电平，利用高低电平可以判断控制小车的形程和方向。本方案能达到基本的控制要求，但是它的缺点在于容易受到外界光线的干扰，不易于控制小车的行迹，损坏了信号采集的效果。主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、材料的反射情况有关直接影响到检测效果。
方案二：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。
红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器能够满足要求。
由以上两种方案比较可知。方案二要比方案一优势大，市场上很多红外观点探头也都基于这个原理。其电路简单，工作可靠，性能比较稳定。从而避免了电路的复杂性，因此本系统选用方案二作为小车的监测系统。
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1.4 电机驱动方案与论证
本系统设计需要对小车电机进行更为精确的控制，使小车迅速反应，以实现小车在轨道内准确的直行、转弯，超车、减速的控制。针对本设计有以下方案可供选择：
方案一：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。
由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。
方案二：采用继电器对电动机的开关控制。
通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易于损坏，寿命较短、可靠性小。
方案三：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。
综合考虑本设计选择方案三。
1.5防碰撞方案与论证
在小车行驶过程中，为防止两车在直行，转弯及超车时发生碰撞，本设计进行障碍物参照对比，以一辆车作为参考障碍物，另一辆车进行避障处理，进行减速，防止行进过程中可能发生的碰撞现象。针对本设计有以下几种方案：
方案一：使用超声波探测器。
超声波探测器探测距离远，测距方便。但由于声波衍射现象较严重，且波包散面太大，易造成障碍物的错误判断。同时，超声波探测具有几厘米甚至几十厘米的盲区，这对于本设计的避障小车是个致命的。故本设计放弃了这一方案。
方案二：使用光电对射管探测。
光电开关价格低廉，性能稳定，但探测距离过近（一般不超过3cm），使得小车必须制动迅速。而本设计由于采用普通直流电机作为原动力，制动距离至少需要10cm。因此本设计放弃了这一方案。
方案三：使用视频采集处理装置进行探测。
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使用CCD实时采集小车前进路线上的图像并进行实时传输及处理，可以对障碍物进行精确定位和测距。但是使用视频采集会大大增加小车成本和设计开发难度，而且考虑到本设计小车行进转弯的精确度并未达到视频处理的精度，因而使用视频采集在实际应用中是个很大的浪费，所以本设计放弃了这一方案。
方案四：使用光电开关进行障碍物信息采集。
使用一只E3F-DS30C4光电开关，探测正前方障碍物信息，E3F-DS30C4光电开关平均有效探测距离0～70cm可调，且抗外界背景光干扰能力强，可在日光下正常工作（理论上应避免日光和强光源的直接照射）。本设计小车换档调速后的最大制动距离不超过70cm，一般在10～40cm左右，因而探测距离满足本设计的小车需求。
综上考虑，选用方案四。
1.6 电机选择方案与论证
本系统为智能电动车，对于电动车来说，因此驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，本设计综合考虑了一下两种方案。
方案一：采用步进电机作为该系统的驱动电机。
步进电机转过的角度可以精确的定位，从而实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但是步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，本设计放弃了此方案。
方案二：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，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。
为了能够较好的满足系统的要求，本设计选择了方案二。
1.7 方向控制方案与论证
智能小车的实际行驶速度是小车速度控制的控制输入量，准确实时的测量小车的速度才能实现小车的速度控制，即纵向控制。依此对小车进行更为准确的控制，常用的测速方案有以下几种：
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方案一： 测速发电机。
测速发电机是将旋转机械能转化成电信号，适合于测量速度较高的旋转物体的速度。采用电磁感应的原理。但市场上测速发电机应用于低压市场的比较少，而且都比较重，不适用于模型车，并且要将测速发电机安装到电动车上需要对电动车模型进行较大改动，不适用于此系统，故放弃本方案。
方案二： 霍尔传感器测速。
利用霍尔开关元件测转速，内部具有稳压电路、霍尔电势发生器、放大器、施密特触发器和输出电路，其输出电平和TTL 电平兼容。在待测旋转体的转轴上装上一个圆盘，在圆盘上装上若干对小磁钢，小磁钢愈多分辨率越高。霍尔开关固定在小磁钢附近，当旋转体以角速度M 旋转时，每当一个小磁钢转过霍尔开关，霍尔开关便输出一个脉冲，计算出单位时间的脉冲数，即可确定旋转体的速度。但是相对于本设计，安装不便，故本设计放弃此方案。
方案三： 红外测速传感器。
红外测速传感器是传感器开孔圆盘的转轴与转轴相连接，红外线通过开孔盘的孔和缝隙反射到红外接收头上，开孔盘随旋转体转一周，红外对射管接收的次数等于盘上的开孔数，从而测出旋转体旋转速度。灵敏度较高，设计简单，占用空间少。
综上所述，本设计采用方案三。
1.8 两车通信方案与论证
方案一：基于PT2262/2272芯片的发/收模块
PT2262/2272是普城公司生产的一种CMOS工艺制造的低功耗低价位通用编解码电路，PT2262/2272最多可有12位(A0-A11)三态地址端管脚(悬空,接高电平,接低电平),可选地址较多，其工作频率315M，在空旷地域传输距离可达50到1000米，并且操作简单。但是基于PT2262只能完成发送功能，基于PT2272只能实现接收功能，如果设计到反馈信息将无法实现，不适合应用在本题。
方案二：NRF509无线收发模块
NRF905单片无线收发器是挪威Nordic公司推出的单片射频发射器芯片，工作于433/868/915MHz3个ISM频道，NRF905可以自动完成处理字头和CRC（循环冗余码校验）的工作，可由片内硬件自动完成曼彻斯特编码/解码，使用SPI接口与微控制器通信，配置非常
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方便，使用51单片机可模拟SPI接口进行编程配置，编程较复杂，直线可视通讯距离200到300米，兼有收发两个功能。
综上所述，我们决定采用第二方案。
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2 系统硬件设计与实现
2.1 系统总体设计
系统硬件主要采用单面覆铜板进行雕刻，用铜柱固定在车架上，各传感器模块配合控制核心对小车行进状态进行控制。
轨道控制模块主要由光电传感器TCRT5000制作而成的寻迹电路进行检测，当左右发现黑线时，实现小幅度反向转弯，以确保小车不会脱轨。当中间和左右同时检测到黑线时，即有效的检测到转弯标志线，小车实现较大幅度转弯。同时，方向控制模块通过光电对射管检测码盘孔径，得到小车左右电机转动情况，将得到的数据输入控制核心，以确定小车行驶状况，进而对小车行驶方向加以控制。防碰撞模块使用漫反射型光电开关对前方行驶的行车进行检测，防止两车在行进过程中产生碰撞，当检测到前方小车距离太近时，后面小车减速并慢速行驶。通讯模块采用NRF509无线收发模块，用于两车的信息交互。
系统总体框架如下图2-1所示：
方向控制模51 块 单 块 片 轨道控制模机 块 控 两车通讯模块 制 核 心 图 2-1 硬件控制结构图
电机驱动模防碰撞模块 8
制系统。
2.2控制核心系统设计
2.3 轨道控制模块设计
图2-2 单片机最小系统电路
out端输出为低电平。控制核心根据此信息判断小车行驶动作。
了高度灵活和低成本的解决办法，充分利用其片内资源，即可与外围电路构成功能完善的控
高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。5l系列单片机为基本控制模块提供
由红外发射管和接收管制作光电对管寻迹传感器。通过图2-3电路将探测信息反馈给控
最小控制核心模块原理图如图2-2所示，本模块采用STCC52作为控制芯片，采用12MHz
制核心。当检测到黑线时，Led灯被点亮，out端输出为高电平；未检测到时，Led灯熄灭，
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图 2-3 黑线寻迹电路
2.4电机驱动模块设计
本模块使用L298N芯片作为驱动核心，配合光耦提高电路稳定性，以实现对电机稳定、准确的控制。分为四位输入和四位输出分别控制两个直流减速电机，根据四位输入的不同分别实现电机同速运行和电机不同速度运行，对应小车直行和转弯行驶。L298N内部包含4 通道逻辑驱动电路, 是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL 逻辑电平信号。SENSEA和SENSEB可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。此模块驱动两个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接两个电动机；IN1、IN2、IN3、IN4接输入控制电平，控制电机正反转；ENA、ENB接控制使能端，控制电机的停转。单片机输出二组PWM波, 每一组PWM波用来控制一个电机的速度, 另外二个I/O口可以控制电机的正反转, 控制方法与控制电路都比较简单。通过外接转换电路，可以将占空比不同的脉冲转换成不同的电压，以驱动直流电机转动从而得到不同的转速。PWM波的占空比越大，电机转动速度越快，当占空比达到100%时，速度达到最大具体设计如图2-4所示。
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图 2-4 电机驱动模块电路
2.6 运动方向控制设计
运动方向控制模块主要用于检测两电机转速，通过光电对射管和码盘对两电机分别测速，依此判定小车具体行进状态，将此信息反馈给控制核心，作为电机驱动模块输入信号的依据。如下图2-5所示，将光电对射管产生的信号输入LM393电压比较器进行比较，将得出的结果输出给控制核心，控制核心依此为依据对电机驱动模块进行控制。
图 2-5 光电对射管测速电路
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2.7 两车无线通信模块设计
本设计中将单片机模拟SPI接口和nRF905的SPI接口相连，另外再选几个I/O口连接nRF905的输入输出信号，nRF905传输数据时为非实时方式，即发送端发出数据，接收端收到后先暂存于芯片存储器内，外面的MCU可以在需要时再到芯片中去取。nRF905一次的数据传输量最多为32B。nRF905在正常工作前应根据需要写好配置寄存器，其后的工作主要是两个：发送数据和接收数据。
发送数据时，先把nRF905置于待机模式(PWR_UP引脚为高、TRX_CE引脚为低)，然后通过SPI总线把发送地址和待发送的数据都写入相应的寄存器中，之后把nRF905置于发送模式(PWR_UP、TRX_CE和TX_EN全置高)，数据就会自动通过天线发送出去。为了数据可靠地传输，将射频配置寄存器中的自动重发位(AUTO_RETRAN)设为有效，数据包重复不断地一直向外发，直到把TRX_CE拉低，退出发送模式为止。
接收数据时，把nRF905的TRX_CE引脚置为高电平，TX_EN引脚拉为低电平后，就开始接收数据。本设计中设定的40s内一直判断nRF905的DR引脚是否变高，若为高，则证明接收到了有效数据，可以退出接收模式，若一直没有接收到，待时间到时也退出接收模式。退出后在待机模式， 通过模拟SPI总线把nRF905内部的接收数据寄存器中的数据读出，即接收到的有效数据。
图2-6 NRF509无线收发模块电路
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3 系统软件设计与实现
3.1 系统软件流程图
系统软件流程图如下图3-1,3-2所示
开始 判别起点 N Y 走直线 防脱轨 N N 判别转弯 判别终点 Y Y 左转 停车 N 判别超车 Y 超车 走直道防脱轨 N 探测前车 Y 避障 图 3-1乙车（后车）软件设计流程图
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开始 判别起点 N Y 走直线 防脱轨 N N 判别转弯 判别终点 Y Y 左转 停车 判别超车 Y 减速慢行 N 走直道 防脱轨 N Y 探测前车 图 3-2甲车（前车）软件设计流程图
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4 系统测试与调试
系统采用细木工板及黑胶带制作而成的轨道进行运行测试，主要利用测速码盘计算直线行驶时间和转弯角度理论值与实际值的误差使小车更为精确的运行。
测试情况如下表4-1所示： 测试编号 直线运行时间（检测值）(s) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 7 6 7 7 5 6 12 11 11 直线运行时间（理论值）(s) 5 5 5 5 5 5 10 10 10
表4-1 小车直行转弯检测对照表
转弯角度（检测值）(度) 26 33 35 42 40 49 82 98 94 转弯角度 （理论值）（度） 30 30 30 45 45 45 90 90 90 由上表可知，小车运行时间和转弯角度与所要求达到的效果基本吻合，符合本次设计在误差控制方面的，完全能够实现小车在轨道内正常运行。
同时，通过对防撞模块的检测，防止两车在轨道内超车发生意外碰撞。设定在两车相距一定距离内，后面小车减速，设定值为25cm，经过五次检测所得距离分别为：27cm、22cm、28cm、21cm、27cm。在这种情况下，两车实现超车时碰撞避免。
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5 设计总结
本系统采用51系列单片机作为控制系统核心，51系列单片机使用简单，软件编程灵活，成本较低。用红外发射管和接收管自己制作光电对射管寻迹传感器，电路简单，工作可靠，性能比较稳定。电机驱动采用L298N芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。动力系统采用直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。测速使用红外对射头和码盘进行测速，设计简单，便于安装。
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6参考文献
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