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1、2011年全國大學生電子設(shè)計競賽論文課題:智能小車（C題）摘要：為了滿足智能小車的設(shè)計要求，設(shè)計了以微控制器為核心的控制系統(tǒng)和算法。首先進行了各單元電路方案的比較論證，確定了硬件設(shè)計方案。小車采用了兩輪雙電機驅(qū)動方式，以16位微控制器MC9S128MAA作為控制核心。采用VNH3SP30驅(qū)動直流電機，該驅(qū)動芯片具有內(nèi)阻小、電流大、且控制簡單的特性。通過編碼器及PID控制算法實現(xiàn)了小車運動速度和轉(zhuǎn)向的精準控制。通過紅外發(fā)射管及1KL3B紅外接收管，實現(xiàn)了小車搜尋內(nèi)沿黑線及邊線等功能；系統(tǒng)顯示單元選用了圖形點陣式LCD，通過串行數(shù)據(jù)通信實現(xiàn)信息顯示。實際測試表明，所采用的設(shè)計方案先進有效，完全達到

2、了設(shè)計要求。 關(guān)鍵詞：智能小車，紅外，尋線，超車，單片機 1、系統(tǒng)方案的設(shè)計與論證1.1 系統(tǒng)總體框架整個系統(tǒng)分為系統(tǒng)模塊、角度檢測模塊、電機驅(qū)動模塊、電源模塊、顯示模塊。各模塊的系統(tǒng)框圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)模塊框圖1.2 方案論證與比較(1)控制模塊傳統(tǒng)的51單片機廣為應(yīng)用，具有使用簡便、便宜價格等優(yōu)點，但是其運算能力較低，速度較慢，功能相對單一，難以實現(xiàn)較復雜的任務(wù)要求。MC9S12XS128是一款功能強大的16位微控制器，具有非常豐富的片上資源，如：10位精度的ADC，節(jié)省了片外AD；強大的定時器，方便對電機進行控制，可以進行浮點型運算。另外還有精密的比較器，大容量的RAM和ROM，可

3、存儲大容量的程序。(2)電機模塊方案方案一：采用步進電機控制懸掛物體的準確運動，步進電機不需要使用傳感器就能精確定位，但其驅(qū)動能有限不適合驅(qū)動小車。方案二：采用低內(nèi)阻大電流的電機驅(qū)動芯片VNH3SP30 驅(qū)動直流電機，相比于L298NSP30優(yōu)勢明天且速度相應(yīng)較好?；谏鲜隼碚摲治?，我們選擇方案二。(4)顯示系統(tǒng)方案方案一：采用LED數(shù)碼管顯示器。LED 數(shù)碼管亮度高，醒目，但是其電路復雜，占用資源較多，顯示信息量較小。方案二：LCD液晶顯示器。LCD有明顯的優(yōu)點：微功耗、顯示信息量大、字跡清晰、美觀、視覺舒適，使整個控制系統(tǒng)更加人性化。因此，決定選用方案二。綜合以上各部分的比較結(jié)果，決定以M

4、C9S12XS128微控制器為核心，通過驅(qū)動芯片控制直流電機實現(xiàn)小車的運動控制，以紅外發(fā)射接收管實現(xiàn)邊線和標志線的檢測，同時在LCD上顯示實時信息。2、系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計根據(jù)前面的分析，設(shè)計出本系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖2所示。圖2. 系統(tǒng)架構(gòu)框圖2.2單元電路設(shè)計及參數(shù)計算(1)邊線檢測模塊尋邊線模塊利用XL6003產(chǎn)生的恒流源驅(qū)動紅外發(fā)射管，接收管采用1KL3B高靈敏度紅外接收管，再通過LM393比較器實現(xiàn)硬件二值化輸出，直接輸送至單片機的IO口，提高了系統(tǒng)的工作效率。圖3和圖4分別給出了尋邊線模塊的工作流程及原理圖。圖3 尋邊線模塊的工作流程圖4 尋邊線模塊的原理圖(2)

5、 標志線檢測模塊標志線檢測采用檢測黑線常用的TCRT5000對管，在接收管輸出處上拉即可直接連接單片機IO口輸入單片機，在單片機內(nèi)部經(jīng)過數(shù)字濾波實現(xiàn)精準的標志線檢測。該模塊的原理圖如圖5所示。圖5 標志線檢測模塊原理圖(3)直流電機驅(qū)動電路競賽之初我們采用LN298作為電機驅(qū)動，但經(jīng)過一天的調(diào)試以后發(fā)現(xiàn)LN298的驅(qū)動能力不足且內(nèi)阻較大，PID調(diào)速很不穩(wěn)定，因而采用了大電流低內(nèi)阻的SP30芯片實現(xiàn)電機驅(qū)動，經(jīng)過調(diào)試獲得了良好的速度特性。電機驅(qū)動電路的原理圖如圖6所示。圖6 電機驅(qū)動板原理圖(4)液晶顯示電路選取了48*84點陣型的NOKIA5110液晶，顯示與前車距離。3、軟件設(shè)計系統(tǒng)軟件采用

6、C語言開發(fā)，在CodeWarrior IDE環(huán)境下調(diào)試并實現(xiàn)功能。主程序流程如圖7所示，進入主程序并初始化后，判斷撥碼開關(guān)鍵值后執(zhí)行相應(yīng)的程序。軟件程序設(shè)計采用模塊化的結(jié)構(gòu)，便于分析和實現(xiàn)功能。當撥碼開關(guān)5為off是實尋線繞場一周程序，當為on的時候為超車程序。流程圖如圖8所示。圖7 正常行駛一周的系統(tǒng)軟件流程圖8 超車程序的流程圖4、系統(tǒng)實測在系統(tǒng)各部分硬件搭建完畢，軟件調(diào)試結(jié)束后，我們對系統(tǒng)進行了實際測試。數(shù)據(jù)表格分別如表1-表3所示。表1. 小車行進一周的時間（單位：秒）第一圈第二圈第三圈第四圈第五圈第六圈第七圈第八圈均值甲車191918181818181818.25乙車181819181819191918.5表2. 超車一周的時間（單位：秒）第一圈第二圈第三圈第四圈第五圈第六圈第七圈第八圈均值甲車242424252525242524.5乙車232324242423232523.6表3. 兩車間的最大距離（單位：cm）第一圈第二圈第三圈第四圈第五圈第六圈第七圈第八圈均值間距223232243231226237234225231.45. 結(jié)論通過合理的系統(tǒng)構(gòu)建和軟件編程，本系統(tǒng)能夠完成題目要求，實現(xiàn)平穩(wěn)的行駛