2011全国电子设计大赛报告终极版(智能小车)

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

智能小车

摘要:本文以两个STC89C52单片机为核心设计了两辆智能小车，单片机产生周期性脉冲信号，控制全桥驱动芯片L298N驱动直流电机实现小车的转速和转向；LM339电压比较器及红外对管组成的电路进行路面黑带检测，实现小车在轨道内正常行驶；光电开关用于保持两车在超车区前的距离。

关键字：STC89C52；L298N；LM339；光电开关

Abstract:In this paper, the two STC89C52 single-chip microcomputer is the intelligent design a car, microcontroller produce periodic pulse signal, control the whole bridge L298N drive dc motor drive chip to realize the speed of the car and steering; LM339 voltage comparator and infrared to the composition of the circuit testing, realize the black line in the normal track car driving; Photoelectric switch used to keep the car in front of the distance of the overtaking area

Key word: STC89C52；L298N；LM339；photoelectric switches

目录

一、系统方案 (3)

1、方案论证与比较 (3)

2、总体方案描述 (4)

二、理论分析与计算 (5)

1、信号检测与控制 (5)

2、节能分析 (5)

三、单元电路的设计 (5)

1、电机驱动电路设计 (5)

2、黑带检测电路设计 (6)

3、其它功能电路设计 (7)

四、软件及算法分析 (7)

五、系统测试 (8)

参考文献 (8)

一、系统方案

1、方案论证与比较

（1）车间距离测量

根据题目要求，超车区前乙车始终在甲车之后，在如何保持两车距离的问题上我们有以下两种方案。

方案一：超声波测距方案。由于超声波指向性强，消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，经常用于距离的测量，且其测量精度高，不易受干扰。但此方案并不能满足设计要求，而且成本高、硬件电路较为复杂，故不采用此方案。

方案二：采用集成式光电开关RPR220检测车间距离。它是利用被检测物对光束的吸收或反射，由同步回路选通电路，从而检测物体的状态。物体不限于金属，所有能反射光线的物体均可被检测。光电开关将输入电流在发射器上转换为光信号射出，接收器再根据接收到的物体反射光线的强弱对目标物体进行探测。

考虑到作品设计遵循精简及节能的原则，我们采用方便易行的方案二。 （2）电机驱动的选择

方案一：采用电机驱动芯片ULN2003。ULN2003 的每一对达林顿都串联一个2.7K 的基极电阻,在5V 的工作电压下它能与TTL 和CMOS 电路直接相连，可以直接处理原先需要标准逻辑缓冲器来处理的数据。 ULN2003工作电压高，工作电流大，灌电流可达500mA ，并且能够在关态时承受50V 的电压，输出还可以在高负载电流时并行运行。

方案二：采用集成式全桥驱动芯片L298N 。集成驱动芯片L298N 内部包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机；L298N 可接受标准TTL 逻辑电平信号V SS ，V SS 可接4．5～7 V 电压；4脚V S 接电源电压，V S 电压范围V IH 为＋2．5～46 V ，输出电流可高达2．5 A ，可容易驱动电感性负载。

相比较而言，ULN2003只能控制电机单向转动，而L298N 可以实现双向转动，也就是说它有更强的驱动能力。而且L298N 有过电流保护功能，当出现电机卡死时，可以保护电路和电机。所以选择方案二。

（3）黑带检测模块

方案一：采用发光二极管与光敏电阻。利用光敏电阻的阻值变化来控制信号。由于环境中光线的存在，一旦光线条件改变很可能造成误判和漏判；虽然采取超高亮发光管可以降低一定的干扰，但这又将增加额外的电量损耗。

方案二：采用反射式的集成红外对管。红外对管只对红外线具有较高灵敏度，从而避免了外界光线的干扰；跑道两侧黑带能够吸收红外线，而白色跑道能够反射红外线，从而检测到跑道黑带。

光敏电阻的易干扰性和红外对管的对光线单一灵敏行决定方案二具有较好控制作用，所以选择方案二来进行黑带的检测。

2、总体方案描述

（1）系统结构框图

按键

测距模块

黑线检测模块

电机驱动模块STC89C52

图1-1 主控系统结构框图

（2）总体思路

由系统结构框图可知，每个系统主要由4个模块组成：单片机最小系统、电机驱动、黑带检测、测距。单片机最小系统为两辆小车的控制核心。按键按下，单片机控制电机驱动小车直线行驶，同时红外对管开始检测黑带，检测到转弯标志线小车延时拐弯，进入超车区之前始终保持一车跟随甲车的状态，两车之间的状态保持由光电开关控制，进入超车区后，甲车减速行驶，乙车走锯齿波路线进入超车区并超过甲车最先到达终点。

小车在运行中，每个传感器的功能可变，通过对黑带标志线来计数判断是否到达功能变更区，若到达则改变传感器检测功能。

二、理论分析与计算

1、信号检测与控制

小车的直线行走跟转向主要通过红外探头检测路面信号的检测。小车左右分布多个红外对管，用于跑道两边黑带和各标志线的检测，从而达到正常行驶的功能，两辆小车在进入超车区之前的车间距控制由光控开关决定，由单片机组成的最小系统是整个电路的控制核心。

2、节能分析

在小车电路的设计中，为了减少分立元件的使用量和各模块的电量消耗，我们尽可能选择集成度高、反应灵敏的器件。比如在设计车距控制模块时就避免了超声波检测，选择以光电开关调节探测距离来控制车间距离，充分的达到了节能和题目的要求。

三、单元电路设计

1、电机驱动电路

电机的驱动使用专业集成式全桥驱动芯片L298N 。L298N 内部包含4通道逻辑驱动电路，可以方便的驱动两个直流电机，或一个两相步进电机。L298N 可接受标准TTL 逻辑电平信号V SS ，V SS 可接4．5～7 V 电压，4脚V S 接电源电压，V S 电压范围V IH 为＋2．5～46 V ，输出电流可达2．5 A ，L298N 的 OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电机。我们选用两通道来驱动小车的电机，通过调节占空比控制电机转速。

在L298N 的4脚使能信号有效（逻辑电平1）时，当5脚和7脚的电平为10时，电机1B 正转；当5脚和7脚的电平为01时，电机1B 反转；当5脚和7脚的电平为00或11时，电机1B 不工作。2B 与1B 控制原理相同。小车电机驱动电路的原理图如下:

图1-2 电机驱动模块原理图

2、黑带检测电路

采用集成式的红外对管RPR220对跑道黑带进行检测。主要利用集成式四通道专用电压比较器LM339与RPR220组成探测黑带的检测电路，不同位置的红外对管探测不同的路线，提供不同意义的信号。各个电路独立的检测黑带，从而使小车稳定的行使在预想的路线上，下面给出了其核心原理图。

图1-3 黑带检测原理图

3、其他功能电路

为达到两车同时启动的目的，避免了使用手动开关造成的误差，利用PT2272无线收发模块让甲甲车控制乙车，使两车同时启动。

四、软件及算法分析

本系统软件设计部分基于STC89C52单片机平台，主要完成小车弯道标志线检测、甲车减速、乙车成功超速的功能。软件主要流程图如下：

按键开始

小车直线行驶

转弯后直线行驶

小车直线行驶

减速行驶

是否遇转弯标志是否进入超车区

是否驶出超车区

N

Y

N

Y N

Y

按键开始

小车直线行驶

转弯后直线行驶

停止

矩齿波行驶

是否遇转弯标志是否进入超车区

是否驶出超车区

N

Y

N

Y N

Y

是否到达终点线N

Y

Y

是否检测到黑线

N

Y 停止

甲车行驶流程图

乙车行驶流程图

图1-4 软件系统流程图

五、系统测试

根据比赛要求，经多次调试，小车达到如下功能：

（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了一圈。

（2）甲、乙两车由指定位置同时起动，乙车通过超车标志线后在超车区内实现超车的功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。（3）甲、乙两车在完成(2)时的行驶时间测试如下：

表1：小车行驶时间测量表

次数行使时间（s）

1 20

2 21

3 24

参考文献

[1] 童诗白,华程英.模拟电子技术基础（第四版）[M].北京:高等教育出版社,2009.

[2] 阎石.数字电子技术基础（第五版）[M].北京:高等教育出版社,2009.

[3] 黄智伟,王彦,陈文光等.全国大学生电子设计竞赛训练教程[M].北京:电子工业出版社,2007.

[4] 高吉祥,唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程（电子仪器仪表设计）[M].北京:电子工业出版社,2007.

[5]郭天祥.新概念51单片机C语言教程.入门、提高、开发[M].北京：电子工业出版社，2009.

附录

1、电路原理图

图2-1 最小系统原理图

图2-2 黑带检测电路图

图2-3 电机驱动电路图2、程序

（1）超车乙：

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar a;

uint line;

bit flag=0;

/***定义电机控制位***/

sbit enlift=P2^3;

sbit enright=P2^2;

sbit lift1=P2^4;

sbit lift2=P2^5;

sbit right1=P2^0;

sbit right2=P2^1;

/****定义PWM控制位******/ bit speedflag=1;

uint speedcount=3; uint speedtemp2;

/***定义传感器状态位****/ sbit cglift1=P1^0;

sbit cglift2=P3^2;

sbit cgright2=P1^2;

sbit cgright1=P1^1;

sbit sf=P1^4;

bit fl=1;

void delay(uint x)

{

uint y;

for(x;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--);

}

void former()

{

lift1=0;

lift2=1;

right1=1;

right2=0; }

void back() {

lift1=1;

lift2=0;

right1=0;

right2=1; }

void turnlift() {

lift1=1;

lift2=0;

right1=1;

right2=0; }

void turnright() {

lift1=0;

lift2=1;

right1=0;

right2=1; }

void stop() {

enlift=0;

enright=0;

lift1=1;

lift2=1;

right1=1;

right2=1;

}

void init()

{

speedtemp2=6;

TMOD=0X21;

TH1=0XFD;

TL1=0XFD;

TR1=1;

TH0=(65536-1000)/256;

TL0=(65536-1000)%256;

TR0=1;

ET0=1;

SM0=0;

SM1=1;

REN=1;

EA=1;

EX0=1;

IT0=1;

}

void main()

{

init();

enlift=1;

enright=1;

while((line==0)||(line==1))

{

former();

if(cglift1==0)

turnright();

else if(cgright1==0)

turnlift();

}

while(line==2)

{

flag=0;

former();

delay(1000);

turnlift();

delay(400);

while((line==2)&&(flag==0)&&( cgright1==1))

{

former();

}

flag=1;

while((line==2)&&(flag==1))

{

if((cgright1==0)&&(cgright2==0) )

{

turnlift();

}

else

if((cgright1==1)&&(cgright2==1))

{

turnright();

}

else

if((cgright1==0)&&(cgright2==1))

{

former();

}

}

}

while(line==3)

{

flag=0;

former();

delay(1000);

turnlift();

delay(500);

while((line==3)&&(flag==0)&&( cgright1==1))

{

former();

}

flag=1;

while((line==3)&&(flag==1))

{

if((cgright1==0)&&(cgright2==0) )

{

turnlift();

}

else

if((cgright1==1)&&(cgright2==1))

{

turnright();

}

else

if((cgright1==0)&&(cgright2==1))

{

former();

}

}

}

while(line==4)

{

speedtemp2=6;

flag=0;

former();

delay(600);

turnlift();

delay(300);

former();

while(cgright1!=0);

turnlift();

delay(650);

former();

speedtemp2=5; // 超车加速

delay(2000);

while(cglift1!=0)

former();

while(cgright2 && cgright1 && sf)

{

if(cglift1==0)

turnright();

else

if((cglift1==1)&&(cglift2==1))

former();

}

turnlift();

delay(600);

former();

delay(1200);

while(cgright2!=0);

speedtemp2=6;

while(cglift1!=0)

{

if((cgright1==0)&&(cgright2==0) )

{

turnlift();

}

else

if((cgright1==1)&&(cgright2==1))

{

turnright();

}

else

if((cgright1==0)&&(cgright2==1))

{

former();

}

else

if((sf==0)&&(cgright1==0)&&(cgrigh t2==0))

break;

}

back();

delay(500);

turnlift();

delay(500);

former();

while(cgright1!=0);

while(1)

{

if((cgright1==0)&&(cgright2==0) )

{

turnlift();

}

else

if((cgright1==1)&&(cgright2==1))

{

turnright();

}

else

if((cgright1==0)&&(cgright2==1))

{

former();

}

if(cglift1==0)

break;

}

stop();

while(1);

}

}

void tim() interrupt 1

{

TH0=(65536-1000)/256;

TL0=(65536-1000)%256;

speedcount--;

if(speedcount==0)

{

if(speedflag==1)

{

enlift=0;

enright=0;

speedcount=speedtemp2;

speedflag=0;

}

else

{

enlift=1;

enright=1;

speedcount=3;

speedflag=1;

}

}

}

void int0() interrupt 0

{

EX0=0;

line++;

enlift=1;

enright=1;

former();

delay(40);

EX0=1;

if(line==4)

EX0=0;

} }

} }

void int0() interrupt 0 {

EX0=0;

line++;

enlift=1;

enright=1;

former();

delay(80);

EX0=1;

}

（2）环绕车甲程序：

#include

#define uchar unsigned char

#define uint unsigned int

uchar a;

uint line;

bit flag=0;

/***定义电机控制位****/

sbit enlift=P2^2;

sbit enright=P2^3;

sbit lift1=P2^0;

sbit lift2=P2^1;

sbit right1=P2^4;

sbit right2=P2^5;

/****定义PWM控制位******/ bit speedflag=1;

uint speedcount=3;

uint speedtemp2;

/***定义传感器状态位****/ sbit cglift1=P1^0;

sbit cglift2=P3^2;

sbit cgright1=P1^2;

sbit cgright2=P1^3;

bit fl=1;

void delay(uint x)

{

uint y;

for(x;x>0;x--)

for(y=110;y>0;y--); }

void former() {

lift1=0;

lift2=1;

right1=1;

right2=0; }

void back() {

lift1=1;

lift2=0;

right1=0;

right2=1; }

void turnlift() {

lift1=1;

lift2=0;

right1=1;

right2=0; }

void turnright() {

lift1=0;

lift2=1;

right1=0;

right2=1; }

void stop()

{

enlift=0;

enright=0;

lift1=1;

lift2=1;

right1=1;

right2=1;

}

void init()

{

speedtemp2=1;

TMOD=0X21;

TH1=0XFD;

TL1=0XFD;

TR1=1;

TH0=(65536-1000)/256;

TL0=(65536-1000)%256;

TR0=1;

ET0=1;

SM0=0;

SM1=1;

REN=1;

EA=1;

ES=1;

EX0=1;

IT0=1;

}

void main()

{

uint x;

init();

enlift=1;

enright=1;

while((line==0)||(line==1))

{

former();

if(cglift1==0)

turnright();

else if(cgright1==0)

turnlift();

}

while(line==2)

{

flag=0;

former();

delay(1000);

turnlift();

delay(200);

while((line==2)&&(flag==0)&&( cgright1==1))

{

former();

}

flag=1;

while((line==2)&&(flag==1))

{

if((cgright1==0)&&(cgright2==0) )

{

turnlift();

}

else

if((cgright1==1)&&(cgright2==1))

{

turnright();

}

else

if((cgright1==0)&&(cgright2==1))

{

former();

}

}

}

while(line==3)

{

flag=0;

former();

delay(700);

turnlift();

delay(200);

while((line==3)&&(flag==0)&&( cgright1==1))

{

former();

}

flag=1;

while((line==3)&&(flag==1))

{

if((cgright1==0)&&(cgright2==0) )

{

turnlift();

}

else

if((cgright1==1)&&(cgright2==1))

{

turnright();

}

else

if((cgright1==0)&&(cgright2==1))

{

former();

}

}

}

while((line==4)||(line==5)||(line==6)||(l ine==7))

{

former();

}

while(line==8)

{

flag=0;

former();

delay(600);

turnlift();

delay(300);

while((line==8)&&(flag==0)&&( cgright1==1))

{

former();

}

flag=1;

x=50000;

while((line==8)&&(flag==1))

{

if((cgright1==0)&&(cgright2==0) )

{

turnlift();

}

else

if((cgright1==1)&&(cgright2==1))

{

turnright();

}

else

if((cgright1==0)&&(cgright2==1))

{

former();

}

x--;

if(x==0)

{

speedtemp2=5;

}

}

}

while(line==9)

{

speedtemp2=2;

former();

delay(600);

stop();

while(1);

}

}

void ser() interrupt 4

{

RI=0;

a=SBUF;

if(a=='1')

fl=0;

SBUF=a;