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1、 编号 编号 C 甲甲 00102 2011 年年全国全国大学生大学生电电子子设计竞赛设计竞赛 智能小车 智能小车 C 题 题 参赛队员 张纪宽 高 军 朱真真 专 业 电气工程与自动化 电子信息科学与技术 I 智能小车 摘摘 要要 本系统主要设计和制作了甲乙两辆智能小车 使用软件编程控制小 车完成交替超车 两车均采用两片 ATmega16 单片机作为主控芯片 使用 L298N 驱动两个减速电机为小车提供动力 行进中使用激光发射与接收模块检 测路面标志线 运用 NRF2401 无线传输模块实现甲乙两车的即时通讯 在两车 行驶过程中通过无线通信确定哪辆车在前面 当到达超车区时后面的车赶超前 面的
2、车从而实现交替超车 本系统还增加了光电传感器用于防止小车撞车 并 通过 12864 液晶屏实时显示小车行进的时间和行驶的圈数 经过多次测试 小 车运行良好 能够很好的完成基本部分和发挥部分的要求 关键词关键词 无线通信 激光检测 交替超车 Atmeg16 单片机 光电开关 Abstract This system mainly design and the manufacture of the a b two vehicles intelligence use the software control car finish alternate overtake Two car all USES
3、 two pieces of ATmega16 monolithic processor as the main control chip using L298N drive two reduction motor for the car to provide power using a laser on the emitting and receiving module inspection mark line use the NRF24L01 wireless transmission modules realize a b two car of instant messaging in
4、two driving process through the wireless communication determine which car in front and when you get to the overtaking area the car behind catch up the car in front and thus realizes the overtaking alternately The system also increases the photoelectric sensor used to prevent the car crash and throu
5、gh the 12864 LCD displays real time travel time and driving the car number of turns After DuoCi test the car is running well be better able to complete basic part and play a part of the request Keywords wireless communication laser detection alternate Atmeg16 overtaking photoelectric switch single c
6、hip microcomputer II 目 录 1 系系统结统结构和功能介构和功能介绍绍 1 1 1 设计任务与要求 1 1 1 1 设计任务 1 1 1 2 设计要求 1 1 2 理论分析与计算 1 1 2 1 信号检测与控制 1 1 2 2 两车之间的通信方法 1 1 2 3 系统节能减排方面的优化设计 1 1 3 系统基本方案 1 1 4 各模块方案的选择与论证 2 1 4 1 控制器的选择与论证 2 1 4 2 电机的选择与论证 2 1 4 3 电机驱动电路的选择与论证 3 1 4 4 无线通讯模块的选择与论证 3 1 4 5 标志线检测传感器的选择与论证 3 2 系系统统硬件硬件设
7、计设计 4 2 1 ATMega16 的最小系统 4 2 2 nRF24L01 无线收发模块 4 2 3 电机驱动的电路设计 5 2 4 激光传感器收发电路 6 3 软软件件设计设计 6 3 1 系统主程序流程图 6 4 系系统测试统测试 7 4 1 测试方案及测试条件 7 4 2 测试表格 7 4 3 测试结果分析 7 5 结结束束语语 8 6 参考文献参考文献 8 附附录录 9 1 1 系统的结构和功能介绍 1 1 设计任务与要求设计任务与要求 1 1 1 设计任务设计任务 设计并制作甲乙两辆小车通过软件编程 完成甲乙交替超车领跑的功能 1 1 2 设计要求设计要求 1 甲乙分别从起跑线开
8、始 在跑道上各正常行驶一圈 2 将甲乙分别放置在规定位置并同时启动 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 两车继续行驶 甲车检测到超车标志线后在超车区实现超车 3 甲 乙两车继续行驶第三圈和第四圈 并交替领跑 4 重新设定甲车起始位置 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 1 2 理论分析与计算理论分析与计算 1 2 1 信号检测与控制信号检测与控制 采用激光传感器用于检测路面标志线 在车头的左中右三侧分别装上激光传感器 当检测到黑线时 指示灯亮 小车做相应运动 当检测到白线时 指示灯灭 小
9、车沿 直线行驶 1 2 2 两车之间的通信方法两车之间的通信方法 系统采用 NRF2401 无线传输模块用于两车的通信 当到达超车区时 最先检测到 超车标志的小车向后面的小车发出信号 并立即减速 后面的小车检查测到前面小车 发出的信号后 加速行驶完成超车运动 超车完成后前面的小车再发出信号通知后面 的小车超车已完成 最后两车都以正常的速度行驶 1 2 3 系统节能减排方面的优化设计系统节能减排方面的优化设计 为实现节能减排 绿色环保的目的我们采用功耗比较小的直流减速电机和 ATMEGA16 单片机 并且使用体积最小 功耗最低的 NRF2401 无线传输模块 在小 车的设计中尽量的采用体积小 重
10、量轻的元器件等 用于减轻小车的重量 降低小车 运行时的功耗 1 3 系统基本方案系统基本方案 本系统使用两片 ATmega16 单片机作为核心控制芯片 采用 L298 芯片驱动直流 减速电机 并使用 NRF2401 无线传输模块实现两车即时通讯 控制两车的速度完成超 车 使用 12864 液晶显示屏实时显示 超车前后会发出语音提示人机界面人性化 直 观化 系统的整体框图如图 1 所示 2 图图 1 系统框图系统框图 1 4 各模块方案的选择与论证各模块方案的选择与论证 1 4 1 控制器的选择与论证控制器的选择与论证 方案一 采用 ATMEL 公司的 AT89S52 单片机 52 单片机软件编
11、程灵活 自由度大 可用软件编程实现各种算法和逻辑控制 成 本低 被各个领域广泛应用 但 52 单片机功耗较大 内存只有 8Kb 驱动能力差 速 度较慢 考虑到本系统软件编程较为复杂 对单片机内存要求较高 需要精确的计时 等功能 因此 我们放弃了这个方案 方案二 选择 ATMEL 公司的 ATmega16 单片机 AVR 单片机具有体积小 集成度高 功耗低 3 3V 电压 可直接输出两路 PWM 中断处理能力强等特点 内嵌 16k FLASH 处理速度高 自身带有 PWM 功能 和 AD 转换功能 运算速度快 驱动能力强 性价比高 符合低功耗标准 为简化电路和降低功耗我们采用方案二 1 4 2
12、电机的选择与论证电机的选择与论证 方案一 使用步进电机作为驱动部分 步进电机的优点在于转速以及转动距离易于调节 便于软件控制 缺点是 体积 大 功耗大 价格高 转速相对较慢 低速运行时易出现低频振动现象 方案二 使用直流电机作为驱动部分 其优点在于调速精度比较高 调速性能优良 调速方便 调速方式多 力矩大 工作效率高 应用范围广 体积比较小且关停时耗能也小 控制的精确度虽然没有步 进电机那样高 但完全可以满足题目的要求 在价格方面相对于步进电机相对便宜 3 因为小车运行需要较高的速度 所以我们选择用动力和力矩较大的直流电机来驱 动小车 综上所述为实现系统的功耗和性能的最优化 我们采用方案二 1
13、 4 3 电机驱动电路的选择与论证电机驱动电路的选择与论证 方案一 采用 MOS 管构成的 H 桥 通过 H 桥搭建的 H 桥电路 可以提高效率 降低功耗 但 MOS 管构成的 H 桥实 现起来比较复杂 同时管子的参数不同 很难避免 MOS 管发热烧坏等问题 方案二 采用 L298 驱动模块 L298 内含四个驱动通道 输出电流可达 4A 并且此芯片专门为电机驱动设计使 用 工作性能稳定 通过 L298 控制电机的正反转 可以很好的控制小车的速度与转向 而且成本低 使用起来简单方便 考虑到产品的成本和系统的性能我们决定使用 L298 电机驱动芯片 采用方案二 1 4 4 无线通讯模块的选择与论
14、证无线通讯模块的选择与论证 方案一 采用红外光方式 红外通信只适用于室内静止或慢速移动中的点对点通信 方向性要求高 对于运 动的小汽车在传输过程中易产生误码 性能不稳定 无法满足系统的要求 方案二 采用 Nordic 公司生产的 nRF24L01 芯片 该芯片超低功耗 发送 10 5mA 5dBm 接收 18mA nRF2401A 支持多点间 通信 最高传输速率超过 1Mbit s 它采用 Soc 方法设计 需要极少的外围电路 且没 有复杂的通信协议 工作电压范围宽 1 9V 到 3 6V 基于 nRF2401A 的工作原理 自行设计了无线收发电路 完全可以达到设计的要求 更为重要的是 nRF
15、2401A 价格 经济 是业界体积最小 功耗最少 外围元件最少的低成本射频系统级芯片 从电路工作的稳定性 低功耗及性价比的角度考虑 我们选择方案二 1 4 5 标志线检测传感器的选择与论证标志线检测传感器的选择与论证 方案一 使用 TK 20 黑白线检测传感器 TK 20 黑白线检测传感器是 TK 10 的升级版 有效探测距离达 5cm 虽然具有受 可见光干扰小 使用方便的优点 但是检测的精度比较低 需要传感器的个数较多 且道路参数的检测种类少 检测的前瞻距离比较小 不能满足精确控制的要求 方案二 利用激光发射接收装置进行检测 激光发射接收装置由激光发射器 激光接收器组成 它的优点是能实现无接
16、触远 距离测量 速度快 精度高 量程大 抗光 电干扰能力强等可以很好的完成对路面 的检测 精确控制小车的行驶的路径 为简化设计和实现对小车的精确控制 我们决定采用方案二 4 2 系统硬件设计 2 1 ATMega16 的最小系统的最小系统 ATMega16 的最小系统包括复位电路 ISP 接口 JTAG 接口 PA PD 四个端口 全部引出 支持 JTAG 仿真 ATmega16 最小系统电路图如图 2 所示 图图 2 ATMEGA16 最小系统最小系统 2 2 nRF24L01 无线收发模块无线收发模块 无线收发子系统以 nRF24l01 芯片为核心 辅助以稳压部分 晶振部分 无线部分 电路 电压 VDD 经电容 C1 C2 C3 处理后为芯片提供工作电压 晶振部分包括 Y1 C9 C10 当晶振设为 16MHz 时 通信速率为 1Mbps 天线部分包括 L1 L2 用 来将 nRF2401A 芯片的 ANT1 ANT2 管脚产生的 2 4G 电平信号转换为电磁波信号 或者将电磁波信号转换为电平信号输入芯片的 ANT1 ANT2 管脚 子系统框图如图 3 所示 电路具体原理图如图 4
