比賽設(shè)計(jì)報(bào)告(模板).doc

2011年全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽報(bào)告XXXXXXXXXXXXX（X題）【SCJ-b-本-c】2011年9月6日智能小車(chē)【摘 要】本設(shè)計(jì)提出了一種智能小車(chē)互逐模型，以MSP430F149作為系統(tǒng)的微控制器芯片，包含小車(chē)尋跡、防撞和無(wú)線(xiàn)通信等電路模塊，不僅實(shí)現(xiàn)了兩車(chē)自主地在指定區(qū)域直行、轉(zhuǎn)彎，及交替超車(chē)并且不會(huì)碰撞及駛出場(chǎng)地的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)具有速度顯示，和超車(chē)聲、光提示的功能。【關(guān)鍵詞】MSP430F149；無(wú)線(xiàn)通信；交替超車(chē)；測(cè)速；目 錄1 方案設(shè)計(jì)與論證11.1 信號(hào)測(cè)量、調(diào)理方案11.2 二線(xiàn)制電流變送、接收方案12 理論分析與計(jì)算22.1 電流變送與接收電路分析與計(jì)算22.2 測(cè)量精度控制23 系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)33.1 電源電路33.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)44 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果54.1 測(cè)試儀器54.2 測(cè)試方法64.3 性能指標(biāo)65 總結(jié)6參考文獻(xiàn)7智能小車(chē)（C題）1 方案設(shè)計(jì)與論證任務(wù)要求設(shè)計(jì)一個(gè)能夠在指定區(qū)域內(nèi)，完成自主直行、轉(zhuǎn)彎和交替超車(chē)的智能小車(chē)模式。并要求不能碰撞和駛出指定區(qū)域。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。圖1：系統(tǒng)整體框圖1.1 控制模塊方案方案一：選用通用的51系列作為單片機(jī)的系統(tǒng)控制器。運(yùn)用比較廣泛，上手很快，但是本課題的程序量大，運(yùn)算比較復(fù)雜，使用的I/O較多，這些對(duì)于51，實(shí)現(xiàn)起來(lái)相對(duì)較難。方案二：采用TI公司的MSP430s149的16位單片機(jī)。具有處理能力強(qiáng)，運(yùn)算能力強(qiáng)特點(diǎn)，同時(shí)具有低功耗I/O多，和自帶A/D、存儲(chǔ)等優(yōu)點(diǎn)，這大大簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)和調(diào)試的復(fù)雜度?；谝陨戏治鑫覀冞x取方案二。1.2 電壓模塊方案采用4節(jié)鋰電池串聯(lián)成14v，在通過(guò)LM317三端穩(wěn)壓芯片，以并行方式穩(wěn)壓到12v、9v、5v、3.3v。LM317具有輸入電壓大（40v），輸出電流最大為1.5A，輸出電壓可調(diào)等特點(diǎn)。其輸出電壓V=1.25(1+)。1.3 顯示和語(yǔ)音模塊方案選用12864液晶顯示器做顯示，和msp430單片機(jī)自帶的語(yǔ)音功能，不需添加語(yǔ)音芯片。1.4 轉(zhuǎn)彎、超車(chē)檢測(cè)模塊方案方案一：顏色傳感器，穩(wěn)定性高，靠干擾性也強(qiáng)，測(cè)量能精確達(dá)2mm。但是測(cè)量距離只有12mm，價(jià)格也較貴。還有對(duì)機(jī)械的設(shè)計(jì)要求高，因?yàn)樗陌l(fā)射模塊和接收模塊是分開(kāi)的。方案二：光電對(duì)管傳感器穩(wěn)定性一般，容易受到外間光線(xiàn)的影響，檢測(cè)距離能到達(dá)20cm，工作電壓在312V，功率65毫安。靈敏度可以調(diào)節(jié)，價(jià)格較為便宜。但是延時(shí)時(shí)間在0.3s左右。方案三：紅外接發(fā)管穩(wěn)定性好，38KHz特制載波，有效的減小了外界干擾。檢測(cè)距離為70cm，并且可調(diào)。接收端接收到的電壓與障礙物的距離趨近線(xiàn)性變化，即可壁障，添加A/D后也可以測(cè)距。綜合考慮，最終采用TRCT5000用于轉(zhuǎn)彎、超車(chē)線(xiàn)的檢測(cè)，用5mm的紅外接收管防止小車(chē)碰撞和測(cè)距。1.5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案首先選用的小車(chē)是履帶式的小車(chē)地盤(pán)，其自帶直流減速電機(jī)。方案一：選用L298驅(qū)動(dòng)芯片，L298芯片一種高壓，大電流（3A）的雙橋式驅(qū)動(dòng)器。本課題使用一塊此芯片就能夠獨(dú)立地驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。并添加光耦隔離。方案二：選用uln2003驅(qū)動(dòng)芯片，使用廣泛，上手很快。最大輸出電流為500mA。綜合考慮，采用方案二。1.6 無(wú)線(xiàn)模塊方案方案一：nrf24l01是一款工作通用頻段的無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片，其內(nèi)部集成有頻率發(fā)生器、放大、振蕩、調(diào)制、解調(diào)和輸出一體的芯片，并支持SPI通信，但是對(duì)程序要求復(fù)雜。方案二：選用由PT2262/2272組成的無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊，其自帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)都是TTL電平，直接接單片機(jī)口，大大簡(jiǎn)化了軟件程序。工作電壓3v16v，有效距離最大為1000m，工作電流小于5mA。綜合考慮，采用方案二。1.7 測(cè)速模塊采用ST130槽式開(kāi)關(guān)型光耦，對(duì)小車(chē)轉(zhuǎn)盤(pán)計(jì)數(shù)，不僅安裝方便，而且程序也簡(jiǎn)化。2 理論分析與計(jì)算2.1 信號(hào)檢測(cè)與控制通過(guò)常用的光電對(duì)管，就能簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)小車(chē)對(duì)黑帶信號(hào)的檢測(cè)，即可完成小車(chē)轉(zhuǎn)彎。關(guān)于小車(chē)如何檢測(cè)到超車(chē)標(biāo)志區(qū)，小車(chē)可以通過(guò)記錄檢測(cè)到黑線(xiàn)的次數(shù)來(lái)判斷，但是行駛多圈后，會(huì)出現(xiàn)累計(jì)誤差，尤其是在黑線(xiàn)密集的超車(chē)標(biāo)志區(qū)?？紤]到超車(chē)標(biāo)志區(qū)黑線(xiàn)密集的特點(diǎn)，所以本設(shè)計(jì)采取尋黑線(xiàn)和判斷采集到兩次黑線(xiàn)的時(shí)間，共同來(lái)判斷超車(chē)標(biāo)志區(qū)，具體為在相距很短的時(shí)間內(nèi)，如果次尋到黑線(xiàn)，則為超車(chē)標(biāo)記區(qū)。2.2傳感器布局與行駛分析傳感器的布局如圖所示，矩形為防止兩車(chē)碰撞的5mm紅外收發(fā)管，車(chē)頭45度角的紅外防碰撞傳感器，能有效避免轉(zhuǎn)彎時(shí)正前方傳感器盲區(qū)的問(wèn)題。而右側(cè)的紅外收發(fā)管，即可防碰撞，可判斷小車(chē)是否完成超車(chē)。三角形為尋黑線(xiàn)的TRCT5000光電對(duì)管，正前方的 用于尋轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線(xiàn)，右側(cè)的兩列并排的光電對(duì)管，用于小車(chē)沿車(chē)道外沿行駛的控制，具體為一排并排的傳感器有兩個(gè)及其以上檢查到黑線(xiàn)，則小車(chē)向左轉(zhuǎn)一定角度。2.3兩車(chē)通信方法本設(shè)計(jì)的通信選用的自帶地址數(shù)據(jù)編碼的無(wú)線(xiàn)首發(fā)模塊，工作電流小到5mA和有效距離遠(yuǎn)的特點(diǎn)。其輸出的是TTL電平，直接與單片機(jī)口相接，大大優(yōu)化了程序。當(dāng)后車(chē)要超車(chē)是會(huì)向前車(chē)發(fā)出一個(gè)信號(hào)，前車(chē)接到信號(hào)后，會(huì)作出不加速，讓道等動(dòng)作。2.4系統(tǒng)節(jié)能考慮首先選用的微控制器MSP430就具低功耗特點(diǎn)，另外在體統(tǒng)設(shè)計(jì)中，不僅盡量少使用不必要的外圍器件如指示燈，而且將一些傳感器處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)需要它時(shí)才打開(kāi)。3系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計(jì)3.1系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)3.1.1電源電路 本電源采用4片LM317以并聯(lián)的方式，提供所需的12v、9v、5v、3.3v電壓需求。LM317能夠提供1.5A的負(fù)載，增加散熱片以確保其穩(wěn)定性，如圖3所示。圖2：電源電路3.1.2尋跡、防碰撞檢測(cè)設(shè)計(jì) 尋跡模塊采用TRCT5000光電對(duì)管，而防碰撞模塊選用5mm紅外收發(fā)管，二者的原理相似，電路則是通用。將其接收管接收到的信號(hào)，經(jīng)LM339比較后直接與單片機(jī)口相連。電路設(shè)計(jì)如下圖所示。圖3：光電對(duì)管電路3.1.3 距離檢測(cè)設(shè)計(jì) 距離檢測(cè)模塊同樣采用5mm紅外收發(fā)管，它的檢測(cè)距離可達(dá)80cm，并且其接收管接收到電平的大小與被檢測(cè)的距離趨近線(xiàn)性變化，通過(guò)MSP430自帶的A/D,就能夠?qū)崿F(xiàn)兩車(chē)的距離檢測(cè)。傳感器測(cè)量數(shù)據(jù)如下。圖4：5mm接發(fā)管測(cè)試數(shù)據(jù)3.1.4 驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 選用一片L298驅(qū)動(dòng)芯片， L298芯片一種高壓，大電流（3A）的雙橋式驅(qū)動(dòng)器。添加光耦隔離和二極管后，能夠很好地實(shí)現(xiàn)兩個(gè)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)。電路圖如下。圖5：電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路32統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.2.1 主程序框圖圖6：主程序流程圖 說(shuō)明：4系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果4.1測(cè)試儀器和方法選用1mm精度的直尺和秒表作為測(cè)試工具，用自制的電源為本系統(tǒng)所有設(shè)備供電，通過(guò)精度為0.01s的秒表和小車(chē)控制系統(tǒng)自帶的秒表，來(lái)完成各種條件下，甲、乙各自行駛完一圈的時(shí)間。4.2性能指標(biāo)4.2.1基本要求測(cè)試分別將甲、乙兩車(chē)放在場(chǎng)地上的起跑線(xiàn)，單獨(dú)測(cè)量其行駛一周的時(shí)間。表1:甲乙小車(chē)獨(dú)立完成行駛一圈的時(shí)間第幾次測(cè)量12345甲車(chē)行駛一圈時(shí)間（s）甲車(chē)行駛一圈時(shí)間（s）通過(guò)以上測(cè)試，小車(chē)能正常行駛，轉(zhuǎn)彎，不會(huì)駛出規(guī)定區(qū)域。4.2.2基本要求乙超甲測(cè)試將甲車(chē)放在距離乙車(chē)上的起跑線(xiàn)，兩車(chē)同時(shí)出發(fā)，完成乙車(chē)超甲車(chē)，單獨(dú)測(cè)量其行駛一周的時(shí)間。表2:乙超甲二者行駛一圈的時(shí)間第幾次測(cè)量12345甲行駛一圈時(shí)間乙行駛一圈時(shí)間通過(guò)以上測(cè)試，甲乙兩車(chē)都能完成在指定區(qū)域直行、轉(zhuǎn)彎，和在指定區(qū)域完成乙測(cè)超過(guò)甲，并不會(huì)相撞。第幾次測(cè)量12345甲車(chē)行駛一圈時(shí)間（s）甲車(chē)行駛一圈時(shí)間（s）4.2.3發(fā)揮部分甲乙交替超車(chē)測(cè)試在完成以上基本要求后，繼續(xù)測(cè)量甲乙兩車(chē)交替領(lǐng)跑期間，甲乙兩車(chē)各自完成行駛一圈的的時(shí)間表2:乙超甲二者行駛一圈的時(shí)間第幾次測(cè)量12甲超乙乙超甲甲超乙甲超乙乙超甲甲超乙甲車(chē)完成一周時(shí)間甲車(chē)完成一周時(shí)間4.3.4甲車(chē)離起始位置40cm內(nèi)甲乙兩車(chē)完成交替超車(chē)的行駛時(shí)間完成以上所有要求后，將甲車(chē)放在距離起跑線(xiàn)30cm出，分別測(cè)量甲乙每一圈的時(shí)間。表3: 甲、乙小車(chē)完成每圈行駛的時(shí)間第幾次測(cè)量第一圈乙車(chē)超甲第二圈甲車(chē)超乙第三圈乙車(chē)超甲第四圈甲車(chē)超乙甲完成時(shí)間（s）乙完成時(shí)間（s）甲完成時(shí)間（s）乙完成時(shí)間（s）甲完成時(shí)間（s）乙完成時(shí)間（s）甲完成時(shí)間（s）乙完成時(shí)間（s）12345經(jīng)過(guò)以上測(cè)試，兩車(chē)不僅能完成防碰撞，而且還能實(shí)現(xiàn)在規(guī)定區(qū)域行駛、轉(zhuǎn)彎和交替超車(chē)。5 總結(jié)通過(guò)測(cè)試結(jié)果，本課題不僅完成了課題的有要求，甲乙兩車(chē)能在規(guī)定場(chǎng)地實(shí)現(xiàn)交替超車(chē)，和不發(fā)生任何碰撞，而且成功率較高。程序偶爾出現(xiàn)跑飛現(xiàn)在，主要是因?yàn)樾≤?chē)的行駛時(shí)間長(zhǎng)，出現(xiàn)電量不夠。另外增加了超車(chē)聲、光等人性化設(shè)置。參考文獻(xiàn)1 譚博學(xué), 苗匯靜.集成電路原理及運(yùn)用（第二版）.電子工業(yè)出版社2010年5月2 毅剛, 彭喜元.單片機(jī)原理與應(yīng)用設(shè)計(jì).電子工業(yè)出版社2010年5月 TP368.1 3 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽系統(tǒng)設(shè)計(jì).北京航空航天大學(xué)出版社 2006年12 月4 黃智偉.全國(guó)大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽電路設(shè)計(jì).北京