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編號 C 甲 00102 2011 年全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽 智能小車 C 題 參賽隊(duì)員 張紀(jì)寬 18769648957 高 軍 15066999034 朱真真 18769627569 專 業(yè) 電氣工程與自動化 電子信息科學(xué)與技術(shù) 智能小車 摘 要 本系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)和制作了甲乙兩輛智能小車 使用軟件編程控制小 車完成交替超車 兩車均采用兩片 ATmega16 單片機(jī)作為主控芯片 使用 L298N 驅(qū)動兩個減速電機(jī)為小車提供動力 行進(jìn)中使用激光發(fā)射與接收模塊檢 測路面標(biāo)志線 運(yùn)用 NRF2401 無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)甲乙兩車的即時通訊 在兩車 行駛過程中通過無線通信確定哪輛車在前面 當(dāng)?shù)竭_(dá)超車區(qū)時后面的車趕超前 面的車從而實(shí)現(xiàn)交替超車 本系統(tǒng)還增加了光電傳感器用于防止小車撞車 并 通過 12864 液晶屏實(shí)時顯示小車行進(jìn)的時間和行駛的圈數(shù) 經(jīng)過多次測試 小 車運(yùn)行良好 能夠很好的完成基本部分和發(fā)揮部分的要求 關(guān)鍵詞 無線通信 激光檢測 交替超車 Atmeg16 單片機(jī) 光電開關(guān) 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 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 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 through 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 chip microcomputer 目 錄 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和功能介紹 1 1 1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 1 1 1 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 1 1 1 2 設(shè)計(jì)要求 1 1 2 理論分析與計(jì)算 1 1 2 1 信號檢測與控制 1 1 2 2 兩車之間的通信方法 1 1 2 3 系統(tǒng)節(jié)能減排方面的優(yōu)化設(shè)計(jì) 1 1 3 系統(tǒng)基本方案 1 1 4 各模塊方案的選擇與論證 2 1 4 1 控制器的選擇與論證 2 1 4 2 電機(jī)的選擇與論證 2 1 4 3 電機(jī)驅(qū)動電路的選擇與論證 3 1 4 4 無線通訊模塊的選擇與論證 3 1 4 5 標(biāo)志線檢測傳感器的選擇與論證 3 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 4 2 1 ATMega16 的最小系統(tǒng) 4 2 2 nRF24L01 無線收發(fā)模塊 4 2 3 電機(jī)驅(qū)動的電路設(shè)計(jì) 5 2 4 激光傳感器收發(fā)電路 6 3 軟件設(shè)計(jì) 6 3 1 系統(tǒng)主程序流程圖 6 4 系統(tǒng)測試 7 4 1 測試方案及測試條件 7 4 2 測試表格 7 4 3 測試結(jié)果分析 7 5 結(jié)束語 8 6 參考文獻(xiàn) 8 附錄 9 1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能介紹 1 1 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求 1 1 1 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)并制作甲乙兩輛小車通過軟件編程 完成甲乙交替超車領(lǐng)跑的功能 1 1 2 設(shè)計(jì)要求 1 甲乙分別從起跑線開始 在跑道上各正常行駛一圈 2 將甲乙分別放置在規(guī)定位置并同時啟動 乙車通過超車標(biāo)志線后在超車 區(qū)內(nèi)實(shí)現(xiàn)超車功能 并先于甲車到達(dá)終點(diǎn)標(biāo)志線 即第一圈實(shí)現(xiàn)乙車超過甲車 兩車?yán)^續(xù)行駛 甲車檢測到超車標(biāo)志線后在超車區(qū)實(shí)現(xiàn)超車 3 甲 乙兩車?yán)^續(xù)行駛第三圈和第四圈 并交替領(lǐng)跑 4 重新設(shè)定甲車起始位置 在離起點(diǎn)標(biāo)志線前進(jìn)方向 40cm 范圍內(nèi)任意設(shè)定 實(shí)現(xiàn)甲 乙兩車四圈交替領(lǐng)跑功能 1 2 理論分析與計(jì)算 1 2 1 信號檢測與控制 采用激光傳感器用于檢測路面標(biāo)志線 在車頭的左中右三側(cè)分別裝上激光傳感器 當(dāng)檢測到黑線時 指示燈亮 小車做相應(yīng)運(yùn)動 當(dāng)檢測到白線時 指示燈滅 小車沿 直線行駛 1 2 2 兩車之間的通信方法 系統(tǒng)采用 NRF2401 無線傳輸模塊用于兩車的通信 當(dāng)?shù)竭_(dá)超車區(qū)時 最先檢測到 超車標(biāo)志的小車向后面的小車發(fā)出信號 并立即減速 后面的小車檢查測到前面小車 發(fā)出的信號后 加速行駛完成超車運(yùn)動 超車完成后前面的小車再發(fā)出信號通知后面 的小車超車已完成 最后兩車都以正常的速度行駛 1 2 3 系統(tǒng)節(jié)能減排方面的優(yōu)化設(shè)計(jì) 為實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排 綠色環(huán)保的目的我們采用功耗比較小的直流減速電機(jī)和 ATMEGA16 單片機(jī) 并且使用體積最小 功耗最低的 NRF2401 無線傳輸模塊 在小 車的設(shè)計(jì)中盡量的采用體積小 重量輕的元器件等 用于減輕小車的重量 降低小車 運(yùn)行時的功耗 1 3 系統(tǒng)基本方案 本系統(tǒng)使用兩片 ATmega16 單片機(jī)作為核心控制芯片 采用 L298 芯片驅(qū)動直流 減速電機(jī) 并使用 NRF2401 無線傳輸模塊實(shí)現(xiàn)兩車即時通訊 控制兩車的速度完成超 車 使用 12864 液晶顯示屏實(shí)時顯示 超車前后會發(fā)出語音提示人機(jī)界面人性化 直 觀化 系統(tǒng)的整體框圖如圖 1 所示 圖 1 系統(tǒng)框圖 1 4 各模塊方案的選擇與論證 1 4 1 控制器的選擇與論證 方案一 采用 ATMEL 公司的 AT89S52 單片機(jī) 52 單片機(jī)軟件編程靈活 自由度大 可用軟件編程實(shí)現(xiàn)各種算法和邏輯控制 成 本低 被各個領(lǐng)域廣泛應(yīng)用 但 52 單片機(jī)功耗較大 內(nèi)存只有 8Kb 驅(qū)動能力差 速 度較慢 考慮到本系統(tǒng)軟件編程較為復(fù)雜 對單片機(jī)內(nèi)存要求較高 需要精確的計(jì)時 等功能 因此 我們放棄了這個方案 方案二 選擇 ATMEL 公司的 ATmega16 單片機(jī) AVR 單片機(jī)具有體積小 集成度高 功耗低 3 3V 電壓 可直接輸出兩路 PWM 中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn) 內(nèi)嵌 16k FLASH 處理速度高 自身帶有 PWM 功能 和 AD 轉(zhuǎn)換功能 運(yùn)算速度快 驅(qū)動能力強(qiáng) 性價比高 符合低功耗標(biāo)準(zhǔn) 為簡化電路和降低功耗我們采用方案二 1 4 2 電機(jī)的選擇與論證 方案一 使用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動部分 步進(jìn)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)在于轉(zhuǎn)速以及轉(zhuǎn)動距離易于調(diào)節(jié) 便于軟件控制 缺點(diǎn)是 體積 大 功耗大 價格高 轉(zhuǎn)速相對較慢 低速運(yùn)行時易出現(xiàn)低頻振動現(xiàn)象 方案二 使用直流電機(jī)作為驅(qū)動部分 其優(yōu)點(diǎn)在于調(diào)速精度比較高 調(diào)速性能優(yōu)良 調(diào)速方便 調(diào)速方式多 力矩大 工作效率高 應(yīng)用范圍廣 體積比較小且關(guān)停時耗能也小 控制的精確度雖然沒有步 進(jìn)電機(jī)那樣高 但完全可以滿足題目的要求 在價格方面相對于步進(jìn)電機(jī)相對便宜 因?yàn)樾≤囘\(yùn)行需要較高的速度 所以我們選擇用動力和力矩較大的直流電機(jī)來驅(qū) 動小車 綜上所述為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的功耗和性能的最優(yōu)化 我們采用方案二 1 4 3 電機(jī)驅(qū)動電路的選擇與論證 方案一 采用 MOS 管構(gòu)成的 H 橋 通過 H 橋搭建的 H 橋電路 可以提高效率 降低功耗 但 MOS 管構(gòu)成的 H 橋?qū)?現(xiàn)起來比較復(fù)雜 同時管子的參數(shù)不同 很難避免 MOS 管發(fā)熱燒壞等問題 方案二 采用 L298 驅(qū)動模塊 L298 內(nèi)含四個驅(qū)動通道 輸出電流可達(dá) 4A 并且此芯片專門為電機(jī)驅(qū)動設(shè)計(jì)使 用 工作性能穩(wěn)定 通過 L298 控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn) 可以很好的控制小車的速度與轉(zhuǎn)向 而且成本低 使用起來簡單方便 考慮到產(chǎn)品的成本和系統(tǒng)的性能我們決定使用 L298 電機(jī)驅(qū)動芯片 采用方案二 1 4 4 無線通訊模塊的選擇與論證 方案一 采用紅外光方式 紅外通信只適用于室內(nèi)靜止或慢速移動中的點(diǎn)對點(diǎn)通信 方向性要求高 對于運(yùn) 動的小汽車在傳輸過程中易產(chǎn)生誤碼 性能不穩(wěn)定 無法滿足系統(tǒng)的要求 方案二 采用 Nordic 公司生產(chǎn)的 nRF24L01 芯片 該芯片超低功耗 發(fā)送 10 5mA 5dBm 接收 18mA nRF2401A 支持多點(diǎn)間 通信 最高傳輸速率超過 1Mbit s 它采用 Soc 方法設(shè)計(jì) 需要極少的外圍電路 且沒 有復(fù)雜的通信協(xié)議 工作電壓范圍寬 1 9V 到 3 6V 基于 nRF2401A 的工作原理 自行設(shè)計(jì)了無線收發(fā)電路 完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求 更為重要的是 nRF2401A 價格 經(jīng)濟(jì) 是業(yè)界體積最小 功耗最少 外圍元件最少的低成本射頻系統(tǒng)級芯片 從電路工作的穩(wěn)定性 低功耗及性價比的角度考慮 我們選擇方案二 1 4 5 標(biāo)志線檢測傳感器的選擇與論證 方案一 使用 TK 20 黑白線檢測傳感器 TK 20 黑白線檢測傳感器是 TK 10 的升級版 有效探測距離達(dá) 5cm 雖然具有受 可見光干擾小 使用方便的優(yōu)點(diǎn) 但是檢測的精度比較低 需要傳感器的個數(shù)較多 且道路參數(shù)的檢測種類少 檢測的前瞻距離比較小 不能滿足精確控制的要求 方案二 利用激光發(fā)射接收裝置進(jìn)行檢測 激光發(fā)射接收裝置由激光發(fā)射器 激光接收器組成 它的優(yōu)點(diǎn)是能實(shí)現(xiàn)無接觸遠(yuǎn) 距離測量 速度快 精度高 量程大 抗光 電干擾能力強(qiáng)等可以很好的完成對路面 的檢測 精確控制小車的行駛的路徑 為簡化設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)對小車的精確控制 我們決定采用方案二 2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 2 1 ATMega16 的最小系統(tǒng) ATMega16 的最小系統(tǒng)包括復(fù)位電路 ISP 接口 JTAG 接口 PA PD 四個端口 全部引出 支持 JTAG 仿真 ATmega16 最小系統(tǒng)電路圖如圖 2 所示 圖 2 ATMEGA16 最小系統(tǒng) 2 2 nRF24L01 無線收發(fā)模塊 無線收發(fā)子系統(tǒng)以 nRF24l01 芯片為核心 輔助以穩(wěn)壓部分 晶振部分 無線部分 電路 電壓 VDD 經(jīng)電容 C1 C2 C3 處理后為芯片提供工作電壓 晶振部分包括 Y1 C9 C10 當(dāng)晶振設(shè)為 16MHz 時 通信速率為 1Mbps 天線部分包括 L1 L2 用 來將 nRF2401A 芯片的 ANT1 ANT2 管腳產(chǎn)生的 2 4G 電平信號轉(zhuǎn)換為電磁波信號 或者將電磁波信號轉(zhuǎn)換為電平信號輸入芯片的 ANT1 ANT2 管腳 子系統(tǒng)框圖如圖 3 所示 電路具體原理圖如圖 4 所示 圖 3 子系統(tǒng)原理框圖 10uFCn23 p456789VDERLKATSX PNIUMYHzOW 圖 4 無線收發(fā)子系統(tǒng)原理圖 2 3 電機(jī)驅(qū)動的電路設(shè)計(jì) 由于要驅(qū)動兩個電機(jī) 顯然只需利用 MMC 1 的兩個通道 將 MMC 1 的 CH1DCPWM 端 CH1DCDIR 端 CH2DCPWM 端 CH2DCDIR 端分別與 L298 的 4 個輸入端相連 利用 SPI 模式軟件編程控制 電路原理圖如圖 5 所示 otr evBGadim 圖 5 直流電機(jī)驅(qū)動電路 2 4 激光傳感器收發(fā)電路 發(fā)射部分 經(jīng)過調(diào)制管 便輸出 180khz 的頻率 經(jīng)過三極管 8050 放大之后驅(qū)動 發(fā)射管 使發(fā)射管以 180KHZ 的頻率 20 30 的占空比發(fā)射出 650nm 的光線 經(jīng) 過反射后 接收管接收到反射回來的黑白信號 輸出高低電平 由單片機(jī)識別 從而 達(dá)到識別路徑的功能 發(fā)射和接收原理電路圖如圖 6 所示 圖 7 接收部分 圖 6 發(fā)射和接收原理電路圖 3 軟件設(shè)計(jì) 3 1 系統(tǒng)主程序流程框圖 系統(tǒng)主要通過檢測起點(diǎn)標(biāo)志線的個數(shù)來計(jì)算小車跑的圈數(shù) 當(dāng)甲乙中任何一個先檢 測到超車標(biāo)志就會通過無線傳輸模塊向另一輛小車發(fā)出超車信號完成替超車 開 始 小 車 啟 動 初 始 化 轉(zhuǎn) 彎進(jìn) 入 超 車 區(qū) 前 進(jìn) 超 車 調(diào) 整 是 超 車 線是 邊 界 線 是 轉(zhuǎn) 彎 標(biāo) 志 線 是 是 是 圖 7 主程序流程圖 停止停止停止停止停止 GNDVCU 制RQ805LEOTK 4 系統(tǒng)測試 4 1 測試方案及測試條件 在室內(nèi)環(huán)境下使用按規(guī)定制作的跑道 依次測試兩輛小車分別跑一周運(yùn)行的時間 超車運(yùn)行一周的時間 改變初始位置運(yùn)行一周的時間等 通過多次測試后求出平均值 4 2 測試表格 表一 甲乙兩車分別運(yùn)行一周的時間 第一次 百分秒 第二次 百分秒 第三次 百分秒 第四次 百分秒 平均值 百分秒 甲 18 50 18 25 19 30 19 15 18 15 乙 19 32 20 10 20 53 19 62 19 92 表二 第一輪超車運(yùn)行一周的時間 第一次 百分秒 第二次 百分秒 第三次 百分秒 第四次 百分秒 平均值 百分秒 甲 22 50 22 25 23 30 23 15 23 20 乙 22 32 23 10 21 53 22 62 22 14 表三 第二輪超車運(yùn)行一周的時間 第一次 百分秒 第二次 百分秒 第三次 百分秒 第四次 百分秒 平均值 百分秒 甲 22 55 22 77 23 03 22 45 22 30 乙 22 32 23 10 23 53 23 62 23 18 4 3 測試結(jié)果分析 由于小車暴露在外界環(huán)境中測試時難免會受到外界環(huán)境的干擾 因此測試結(jié)果會 存在一些誤差 而且在經(jīng)過多次測試后電池的電量有所損耗 不能保證每次提供的電 量都相等 所以小車的運(yùn)行時間會有較小的差距 經(jīng)過多次測試和分析后可以得出結(jié) 論 小車運(yùn)行的時間在 22 秒左右 其所產(chǎn)生的誤差都在誤差允許范圍內(nèi) 能夠較好的 滿足設(shè)計(jì)的要求 5 結(jié)束語 本系統(tǒng)使用兩片 ATMEGA16 作為主控芯片 該系統(tǒng)主要由 NRF2401 無線收發(fā)模 塊 L298N 驅(qū)動模塊 激光檢測模塊 顯示模塊等組成 小車行駛過程中使用激光檢 測器檢測標(biāo)志線 NRF2401 無線收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)兩車的通訊 我們還增設(shè)了光電開關(guān)防 止小車相撞 并使用 12864 實(shí)時顯示小車運(yùn)行的時間和運(yùn)行的圈數(shù)等功能 使系統(tǒng)更 加直觀 在這次設(shè)計(jì)中我們完成了基本部分和發(fā)揮部分的要求 經(jīng)過測試很好的滿足 了題目的要求 當(dāng)然在比賽中我們也遇到了很多困難 比如在激光的檢測黑白線的過 程中調(diào)試了很多次效果都不是很理想 小車的實(shí)際轉(zhuǎn)速與理論值不相符等等 但是功 夫不負(fù)有心人經(jīng)過小組成員的相互討論和統(tǒng)一協(xié)作我們終于將問題解決了 通過這次 比賽我們不但增強(qiáng)了實(shí)踐能力和協(xié)作精神 而且懂得了理論聯(lián)系實(shí)際的重要性 這對 我們以后的工作和學(xué)習(xí)都將是一筆寶貴的財富 由于經(jīng)驗(yàn)不足 我們的設(shè)計(jì)和制作中 難免還存在著一些缺陷 需要進(jìn)一步改正 再此希望各位評委老師能夠給予批評指正 最后感謝大賽組委會和學(xué)校能夠給我們提供這次鍛煉的機(jī)會 6 參考文獻(xiàn) 1 陳杰 黃鴻編著 傳感器與檢測技 M 高等教育出版社 2002 2 卓晴 黃開勝 邵貝貝著 學(xué)做智能車 M 北京航空航天大學(xué)出版社 2007 3 華成英 童詩白 模擬電子線路基礎(chǔ) M 北京 高等教育出版社 2006 4 康華光 數(shù)字電子技術(shù)基礎(chǔ) M 北京 高等教育出版社 2005 5 嚴(yán)國萍 周龍占著 通信電子線路基礎(chǔ) M 北京 科學(xué)出版社 2006 附 錄 1 元器件清單 名稱 型號 數(shù)量 簡易小車 2 輛 Avr 單片機(jī) ATMEGA16 2 片 無線收發(fā)模塊 NRF2401 2 個 激光傳感器模塊 6 個 光電開關(guān) C38 D50NK 2 個 LCD 屏 12864 液晶顯示器 2 個 鋰電池 3 7V 8 節(jié) 電池盒 2 個 2 主要程序 甲車 include L298 h include wuxian h include delay h include 12864 h pragma interrupt handler int0 2 pragma interrupt handler int1 3 聲明中斷 1 pragma interrupt handler int1 3 uchar com 2401 接受 uchar hengxian 0 檢測橫線 uchar chaoche 0 檢測超車標(biāo)志 void PWM INIT void DDRD BIT 4 BIT 5 設(shè)置為輸出 PWM TCCR1A 0XA2 1010 0011 CO1M1A1 CO1M1A0 CO1M1B1 CO1M1B0 1010 TCCR1B 0X1A 0001 1010 WGM13 WGM12 WGM11 WGM10 1110 模式 14ICR1 CS12 CS11 CS10 010 為 8 分頻 ICR1 999 f 1K 8M 晶振 TOP FOSC Focn N 1 OCR1A 468 75 2 5ms 8M 晶振 OCR1B 92 75 0 5ms 8M 晶振 void PWM CTR uint a uint b OCR1A a 2 5ms 12M 晶振 左邊 OCR1B b 0 5ms 12M 晶振 右邊 uchar a 0 biaozhi 0 void init INT0 void SREG BIT 7 MCUCR 0X02 下降沿中斷 GICR 0XC0 void init INT1 void SREG BIT 7 MCUCR 低電平中斷 GICR 0X40 void int0 void a biaozhi 1 void int1 void 蜂鳴器 PWM CTR 500 500 void main void delay ms 1000 init L298 SPI Init RF2401 Init DDRA BIT 7 PWM INIT init INT0 lcd init while 1 if biaozhi 1 biaozhi 0 if a 1 起跑線 forward 一起前進(jìn) PWM CTR 830 800 delay ms 10 延時 1s if a 2 第 1 個轉(zhuǎn)彎 forward 一起前進(jìn) PWM CTR 825 950 delay ms 600 延時 1s if a 3 第 2 個轉(zhuǎn)彎 forward 一起前進(jìn) PWM CTR 825 950 delay ms 600 延時 1s if a 4 超車標(biāo)志 chaoche forward 一起前進(jìn) PWM CTR 825 950 delay ms 600 延時 1s if a 9 第四個轉(zhuǎn)彎 forward 一起前進(jìn) PWM CTR 825 950 delay ms 600 延時 1s if a 10 起跑線 a 1 forward 一起前進(jìn) PWM CTR 825 800 delay ms 100 延時 1s if PINB 檢測黑線數(shù)目 forward 一起前進(jìn) PWM CTR 820 800 全速 delay ms 200 if PINB forward 一起前進(jìn) PWM CTR 700 950 delay ms 500 延時 1s else if PINB forward 一起前進(jìn) PWM CTR 700 950 delay ms 500 延時 1s else 僅左側(cè) 白線低 黑線高 if PINB 左右同時檢測到 白線低 黑線高 if PINB 直線 PWM CTR 822 800 else if PINB 大右拐 PWM CTR 500 750 else 僅右側(cè) 白線低 黑線高 if PINB 左右同時檢測到 白線低 黑線高 if PINB 直線 PWM CTR 822 800 else if PINB 大左拐 PWM CTR 750 500 else if PINB 一起前進(jìn) PWM CTR 822 800 顯示橫線數(shù) lcd weizhi 0 0 從第 1 行 第 0 列開始 write date dis1 hengxian 100 lcd weizhi 0 1 write date dis1 hengxian 100 10 lcd weizhi 0 2 write date dis1 hengxian 10 顯示超車區(qū) lcd weizhi 1 0 write date dis1 chaoche while 1 if PINC else if PINC if a 1 發(fā)送 Buffer 0 1 TX Mode delay ms 10 if PINB irq sta SPI Read STATUS read register STATUS s value if irq sta read renRF24L01 CEive payload from RX FIFO buffer if irq sta if irq sta clear RX DR or TX DS or MAX RT interrupt flag if a 2 接收 RX Mode if PINB irq sta SPI Read STATUS read register STATUS s value if irq sta read renRF24L01 CEive payload from RX FIFO buffer com Buffer 0 flag 1 a PORTD com Bufer 0 0 if irq sta if irq sta clear RX DR or TX DS or MAX RT interrupt flag