电子设计竞赛报告
题目：智能小车(C题)
摘要：智能控制（intelligent controls）是在无人干预的情况下能自主地驱动智能机
器实现控制目标的自动控制技术。我们制作的小车通过车头的三个红外避障传感器对各种信号线进行探测，采用了PWM控制电机转速的快慢，通过CC1101无线接收模块来实现两车的通讯功能，并且利用了超声波探测器来探测前后车距离，使得小车在距离太短时能自行调整，避免了两车相撞。该小车可以通过软件编程来完成在轨直行，转弯，遇边纠向，防止撞车，通信超车，两车交替领跑等功能。能较好的完成题目给出的各项要求。
关键词：单片机、红外传感器、PWM调速、无线通信
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目 录
1.系统方案选择与论证 ....................................................................... 错误!未定义书签。
1.1题目设计要求 ........................................................................................................ 4 1.2系统基本方案 ........................................................................................................ 4
1.2.1单片机最小系统 ......................................................................................... 5 1.2.2电源模块方案的选择与论证 ..................................................................... 5 1.2.3电机驱动模块方案的选择与论证 ............................................................. 5 1.2.4传感器模块方案的设计与论证 ................................................................. 6 1.2.5无线通信模块方案的设计与论证 ............................................................. 6
2.系统的硬件电路设计 ...................................................................................................... 8
2.1单片机最小系统模块设计 .................................................................................... 8 2.2电源模块设计 ........................................................................................................ 9 2.3电机驱动模块设计 .............................................................................................. 10 2.4传感器模块设计 .................................................................................................. 11
2.4.1红外避障传感器 ....................................................................................... 11 2.4.2超声波传感器 ........................................................................................... 12 2.5无线通信模块设计 .............................................................................................. 12 3．系统的软件程序设计 .................................................................................................. 14
3.1电机控制程序设计 .............................................................................................. 14 3.2 黑线检测程序设计 ............................................................................................. 15 3.3超声波检测程序设计 .......................................................................................... 15 3.4无线通信程序设计 .............................................................................................. 15 4．小车测试仪器及方法 .................................................................................................. 16
4.1测试仪器 .............................................................................................................. 16 4.2测试方法 .............................................................................................................. 16 5．总结 .............................................................................................................................. 17 参考文献 ............................................................................................................................ 18 附录 .................................................................................................................................... 19
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1.系统方案选择与论证
1.1题目设计要求
A.基本要求
（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一圈。
（2）甲、乙两车按图1所示位置同时启动，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，即第一圈实现乙车超过甲车。 （3）甲乙两车在完成（2）时的行驶时间要尽可能的短。
B.发挥部分
（1）在完成基本要求（2）后，甲、乙两车继续行驶第二圈，要求甲车通过超车标志线后实现超车功能，并先于乙车到达终点标志线，即第二圈完成甲车超过乙车，实现了交替领跑。甲、乙两车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。
（2）甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈，并交替领跑；两车行驶的时间要尽可能的短。
（3）在完成上述功能后，重新设定甲车其实位置（在离起点标志线前进方向40cm范围内任意设定），实现甲、乙两车四圈交替领跑功能，行驶时间要尽可能的短。
1.2系统基本方案
根据题目要求，我们设计的智能小车由单片机最小系统、电源模块、电机驱动模块、传感器模块、无线通信模块及基础小车等部分组成。
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电源模块传感器模块STC12C5608AD 单片机电机驱动 模块图1.2系统模块
无线通信 模块
1.2.1单片机最小系统
以STC12C5608AD单片机为核心的控制电路，它的主要任务就是在小车的行驶过程中通过红外传感器实时地检测外部信号，将得到的数据进行处理从而来控制小车正确行驶。
1.2.2电源模块方案的选择与论证
方案一：采用普通1.5v干电池对单片机系统及电机供电。优点是成本小，缺点是使用寿命短，效率低，可靠性差。
方案二：采用两节3.6v锂电池，对电机供电，经过7805降压、稳压后给单片机系统供电。优点是使用寿命长，效率高，缺点是成本较高。
综合上述两种方案，由于比赛时小车行驶时间较长，耗电量大，所以决定采用方案二。
1.2.3电机驱动模块方案的选择与论证
方案一：采用继电器对电机的开∕关进行控制，通过开关的切换对电机的转速进行控制。此方案的优点是电路结构简单，缺点是响应时间慢，使用寿命短，可靠性差。
方案二：采用H型PWM电路。通过单片机使功率元件工作在占空比可调的开关状态，来精确控制电机的转速。此方案的优点是效率较高，可以较容易地实现小车的速度和转向的调整，响应时间快，稳定性好。
综合考虑两种方案，为了更精确控制小车的速度与转向，我们决定采用第二种H
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型PWM驱动电路。
1.2.4传感器模块方案的设计与论证
方案一：采用TRCT5000光电对射管，然后自己焊接光电检测电路。优点是成本低，检测距离可调。缺点是可靠性低。
图1.2.4光电检测电路
方案二：采用红外避障传感器，优点是可靠性高，检测距离可调，受可见光干扰小，易于装配，使用方便。缺点是车速较快时可能错过标志线，使小车不能及时调整姿态而冲出赛道。
综合考虑上述方案，为了更准确检测光电信号，减少干扰，我们决定采用第二种方案。
1.2.5无线通信模块方案的设计与论证
方案一：采用315M超外差无线收发模块。此模块的优点是成本低廉，频率稳定，接收灵敏度高。但缺点是静态时会输出短暂针状干扰杂波，用单片机进行数据传输时要采取软件滤波；功耗较大。
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方案二：采用CC1101无线收发模块。芯片低电压（1.8V～3.6V）供电，并且功耗较低、灵敏度高，数据传输率高。
综合考虑上述两种方案，为了提高数据传输的可靠性，减小模块功耗，我们采用方案二。
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2.系统的硬件电路设计
2.1单片机最小系统模块设计
单片机是整个智能小车系统的核心部分，是小车能否按照题目要求行驶的重要保证。此系统所选用的单片机是STC12C5608AD。此单片机最小系统有以下几部分：时钟电路、复位电路。
图2.1.1单片机最小系统
a. 时钟电路
时钟电路就是振荡电路，向单片机提供一个正弦波信号作为时间基准，决定单片机的执行速度。
理论计算：时钟电路振荡频率fosc=晶振频率 时钟电路振荡周期=1∕fosc 单片机机器周期=振荡周期×12 时钟电路连接方式：
图2.1.2单片机时钟电路
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b.复位电路
复位电路产生复位信号，使单片机从固定的起始状态开始工作，完成单片机的“启动”过程。
复位电路连接方式：本电路采用上电复位方式。
2.2电源模块设计
图2.1.3单片机复位电路
电源模块为系统其它各个模块提供所需要的电源，设计中，除了要考虑到电压范
围和电流容量等基本参数之外，还要在电源转换效率、降低噪声、防止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。因此，用两节3.6v锂电池给电机供电，然后经过7805稳压管降压稳压后给单片机系统供电，从而避免输入给单片机的电流过大。
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图2.2 5V直流稳压电路
2.3电机驱动模块设计
在此电机驱动模块电路设计中我们采用了驱动芯片L298N。为了能较好地控制车轮的转速，我们采用了PWM调速法，即由单片机输出一系列频率固定的方波，再通过功率放大来驱动电机，在单片机中编程改变输出方波的占空比就可以改变加到电机上的平均电压，从而可以改变电机的转速。左右两轮两个电机转速的配合就可以实现小车的前进、倒退、等功能。
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图2.3 电机驱动模块
2.4传感器模块设计
2.4.1红外避障传感器
在此传感器模块设计中我们采用了E18-D80NK-N传感器（见图2.4.1），这是一种集发射与接收于一体的光电传感器，发射光经过调制后发出，接收头对反射光进行解调输出。它可以有效地避免可见光的干扰。检测标志线的距离可以根据要求通过尾部的电位器旋钮进行调节。在小车正常行驶过程中，传感器输出为高电平；当传感器检测到黑色标志线时，传感器输出信号为低电平。 此传感器的电气特性为： 工作电压：5VDC 工作电流：10-15mA 驱动电流：100mA 感应距离：3-80CM
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图2.4.1 红外避障传感器
2.4.2超声波传感器
在此模块中我们采用了US–100超声波测距模块，它可实现2cm～4.5m 的非接触测距功能，拥有2.4~5.5V 的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口（波特率9600bps）等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。
图2.4.2 超声波传感器
其模块工作原理：
a.采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;
b.模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
c.有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返 回的时间．测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2。
2.5无线通信模块设计
在此无线通信模块中我们采用了无线通信模块CC1101（图2.5.1）。此模块是原Chipcon公司推出的一种低成本、真正单片的超高频无线收发器，为低功耗无线应
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用而设计。整个应用电路的无线频率主要设定在315MHz、433MHz、868MHz和915MHz四个ISM（工业、科学和医学）频段上。而我们的无线通信频率设定为433MHz。此模块具体电路见图2.5.2。
图2.5.1 CC1101无线收发模块
图2.5.2 CC1101无线收发模块电路图
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3．系统的软件程序设计
在进行智能控制系统设计时，除了系统硬件设计制作外，大量的工作就是如何根据每个被控对象的实际需求设计应用程序。因此，软件设计在智能控制系统设计中占重要地位。对于本智能小车系统，软件尤其重要。
为了完成本次题目的要求，在进行软件设计时，通过讨论我们决定把整个智能控制过程分成若干个部分，每一小部分叫做一个子程序。所谓“子程序”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。
模块程序设计法的主要优点是：
a.单个比起一个完整的程序更为容易编写、调试；
b.各个子程序可以共存，一个子程序可以被多个任务在不同条件下调用； c.子程序允许设计分割任务和利用已有程序，为设计提供方便。
本系统软件采用模块化结构，由主程序﹑计数子程序、中止子程序、遇边纠向子程序﹑转弯子程序﹑超车子程序、无线通信子程序等构成。
本作品的核心电路是一片STC12C5608AD单片机。它是整个控制部分的核心，负责电机驱动、黑线检测、无线通信等信号的接收处理。
3.1电机控制程序设计
因为电机有单片机通过驱动芯片进行驱动，那么对电机的控制很显然也就包括了方向和速度的控制。方向的控制很简单，两个电机至单片机的的四个接口是一一对应的，其中12是一个通道，使能为ENA脚控制，高电平有效，34是第二个通道，使能由ENB控制。因此可以把电机接在12脚上，因此如果接单片机的12脚分别接在单片机的P1.0，P1.1两脚如果在程序中令P1.0 = 1；P1.1 =0；电机正转，则P1.0 = 0；P1.1 =1；电机反转，之后在程序中对P1.0或1.1脚产生一个PWM波来控制，那么不同的占空比就会让电机具有不同的速度。 由于我们智能小车选用的单片机自带PWM硬件模块，因此通过控制单片机上的PWM口就可以实现对电机速度的控制。
对于电机的调速控制有以下两点说明：
a.注意选择合适的控制频率，过高可能导致电机不转，频率过低可能使电机间歇性转动。
b.使用不同占空比的PWM波控制电机时有时虽然在空转的情况下电机速度降低
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但是同时带负载的情况会严重降低，所以我们在调试程序初期测试小车时经常出现在转弯时跑不动的情况，因此之后的调试中我们格外注意选择频率和占空比。
3.2 黑线检测程序设计
单片机不断查询光电传感器探测传来的信号，一旦检测到两边的黑线，信号经单片机处理控制小车先行倒车之后往收到信号反方向的一侧偏转15度角。在设计中，我们在两边各安装了一个E18-D80NK-N光电传感器，以保证小车不偏离出轨道。此外，我们还在智能小车前段安装了一个E18-D80NK-N光电传感器以保证监测到前进道路中的转弯、超车黑线时能过迅速将信号传给单片机进行处理，以此来实现我们智能小车转弯和超车的功能。
3.3超声波检测程序设计
超声波器件安放在本智能小车的前端，用以在转弯处检测两车间距，信号经由单片机处理后来控制电机转速以此达到控制两车间距的目的。这部分程序是用来确保两辆小车在行驶过程中不相互碰撞而影响到之后的正常行进。
3.4无线通信程序设计
本智能小车系统考虑到人为发车时间很难控制到完全同步，因此加入了无线通信模块。该模块我们使用了CC1101无线通信器件，通过通信程序控制前车上电后，等待后车上电发出信号，之后两车同步启动。以此减少了一个智能小车运行中的不可控因素。其二，我们在两车交替超车这一块功能区也加入了无线通信协调控制，
以保证两车在超车前后保持一定的距离，增强整个行驶过程中的稳定性。
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4．小车测试仪器及方法
4.1测试仪器
测试仪器包括数字型万用表、秒表、卷尺、CC1101无线收发模块
4.2测试方法
a．数字万用表主要用来测试元件的电阻、压降、电流、截止/导通状态等参数，以及检测电路、元器件的好坏。
b．秒表用于对智能小车进行测试，记录下每次跑完一圈的时间，在保证小车能达到任务要求的基础上尽量减少行驶时间。
c．用卷尺测出试验时每次小车的起点位置，然后根据小车行驶的情况来调整起点位置，使之从最佳位置出发。
d．将连接好的无线收发模块进行测试，通过给CC1101发射模块写入超车程序，使接收模块接收到超车信号，然后对小车进行控制，实现两车通讯功能。
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5．总结
小组经过这四天的努力，设计出了基本符合任务要求的智能小车，通过不停地改进调试，该小车已经能探测到边沿信号线自动对车身进行调整，并且当探测到转弯信号线时自动能进行转弯校正车身；当探测到超车标志线时，小车准备超车，小车通过CC101无线发射模块发出超车信号时，后车就转进超车区进行超车，该小车组同时也具备了交替领跑的功能。
由于小车需要要探测前方、左侧和右侧的信号线，所以至少需要三个红外避障传感器，并且探测转弯标志线和超车标志线的传感器必须在两个探测边界线传感器的前面。当然三个传感器的探测灵敏度需要不断调节，如果调节得太灵敏了，就会导致稍微探测到一些黑色障碍小车就会自己进行调整，导致行走混乱。而如果调节得灵敏度太低，传感器就会探测不到黑色标志线或者边界线，所以传感器的灵敏度需要调节合理才行。
本小组成员还进一步讨论了提高车速的一些方法： a.在小车的机械结构上做优化。 b.增强驱动电机的加减速性能。
c.在智能小车转弯的控制算法上优化，使之过弯道走内弯或S型曲线直接冲过，其中心目的就是使小车少走弯道，缩短行驶距离。
由于比赛时间有限，智能小车系统中尚存在许多问题有待改进：
a.抗干扰处理。小车在赛道上会遇到各种情况，如交叉线、断续线，实验赛道上的干扰点，以及由环境光线不均匀造成的干扰。如何确保在任何情况下都能识别出赛道，或者判断出小车在场上的位置，需要做进一步的努力。
b.电机的选择。该小车使用的是普通直流电机，如果选择步进电机或者伺服电机的话，它的精度和可靠性更高，从而使小车能更好地完成题目要求。
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参考文献
1.李广第，朱月秀，冷祖祁．单片机基础．北京：北京航空航天大学出版社，2007年
2.康华光．电子技术基础．北京：高等教育出版社，2009年 3.黄智伟．电路设计．北京：北京航空航天大学出版社，2006年
4.谢自美，阎树兰等．电子线路设计·实验·测试．武汉：华中理工大学出版社，2000年
5.梅遂生，杨家德．光电子技术—信息装备的新秀．北京：国防工业出版社，1999年
6.刘征宇．大学生电子设计竞赛指南．福建：福建科学技术出版社，2009年
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附录
器件清单
履带坦克车底盘*2 电机驱动模块*2 电容、电阻若干 二极管4007*16 LED灯若干 L298N*2 LM7805*2 红外壁障传感器*6 超声波传感器*2
STC12C5608AD单片机最小系统*2 18650锂离子电池*2 CC1101无线收发模块*2
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