2023年全国大学生电子设计竞赛C题

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1、目录摘要31.设计任务及规定41.1设计任务41.2设计规定42.系统方案52.1控制模块的论证与选择52.2电源模块的论证与选择52.3小车车体的论证与选择62.4电机模块的论证与选择62.5电机驱动模块的论证与选择62.6寻迹模块的论证与选择72.7避障模块的论证与选择72.8显示模块的论证与选择72.9按键模块的论证与选择82.10通信模块的论证与选择82.11方案选定93.系统的理论分析与计算103.1系统的信号检测与控制103.1.1 系统的信号检测103.1.2 系统的信号控制103.2 两车之间的通信方法113.3 节能114.电路与程序设计124.1电路的设计124.1.1 系

2、统总体框图124.1.2 控制器的电路设计134.1.3 稳压电源的电路设计134.1.4 电机驱动电路的设计144.2程序的设计154.2.1 程序功能描述与设计154.2.2 程序流程图165.测试方法与测试结果195.1测试方案195.2测试条件与仪器195.3测试结果及分析195.3.1 测试数据195.3.2测试分析与结论19参考文献17附录118附录219附录320智能小车的设计摘要：本作品以低功耗的ATmega16单片机为控制核心；MP2307稳压电路供电；使用光电传感器寻线和避障；LN298N驱动电机；以光电传感器来实现甲乙两车之间的通信；结合了PWM调速等技术，设计了一组智能

3、小车。该小车的车体由控制、电源、按键、小车硬件、电机、电机驱动、寻迹、避障、显示和光电传感通信等十个模块组成，可用于无人驾驶、自动探测等人工智能领域。关键字: ATmega16、MP2307、光电、LN298N1. 设计任务及规定1.1设计任务甲车车头紧靠起点标志线,乙车车尾紧靠边界,甲、乙两辆小车同时起动，先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。跑道如图1-1 所示。图1-1 赛车跑道1.2 设计规定1. 基本规定（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1-1 所示位置同时起动，乙车通过超车标志线后在超车区内实现超车功能，并先

4、于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。（3）甲、乙两车在完毕(2)时的行驶时间要尽也许的短。2. 发挥部分（1）在完毕基本规定(2)后,甲、乙两车继续行驶第二圈，规定甲车通过超车标志线后要实现超车功能，并先于乙车到达终点标志线，即第二圈完毕甲车超过乙车，实现了交替领跑。甲、乙两车在第二圈行驶的时间要尽也许的短。（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也许的短。（3）在完毕上述功能后，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，行驶时间要尽也许的短。2. 系统方案本系统重要由控制模块、电源模块、按

5、键模块、小车车体、电机模块、 电机驱动模块、寻迹模块、避障模块、显示模块及通信模块组成，其结构框图如2-1所示，下面分别论证这几个模块的选择。2-1 智能小车的系统框图2.1 控制模块的论证与选择方案一：采用凌阳SPCE061A小板作为主控制芯片，并且可以采用凌阳的小车模组，可以不久的完毕其基本功能，但是用该小板存在一定的局限性，较难扩展功能，并且各个模块的拼凑，没有比集成在一块板的稳定性高。方案二：采用ATmega16作为主控制芯片，该芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM容量较大；所有型号的Flash、EEPROM都可以反复烧写、所有支持在线编程烧写(ISP)；每个IO口都可以以推动

6、驱动的方式输出高、低电平，驱动能力强；内部资源丰富，一般都集成AD、DA转换器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C通信口、丰富的中断源等。具有 C 语言风格的汇编语言，有与标准 C 兼容的 C 语言， C 语言函数可以与汇编函数互相调用，使其开发更加容易，实现整个系统更加简朴。因此，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，可以准确的计算出时间，有很好的实时性。基于以上分析，我们选择了方案二，采用ATmega16作为智能小车的主控制芯片。2.2 电源模块的论证与选择方案一：采用升压型稳压电路。用1片MC34063芯片别将3V的电池电压进行直流斩波调压，得到5V的稳压输出。只需使用一

7、节电池，即节省了电池，又减小了系统体积重量。但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大的系统稳定运作。方案二：采用由MP2307构成的开关稳压电路。MP2307具有转换效率高，速度快等优点。该器件可集成100m功率MOSFET的负载，提供3A的连续输出电流；其带宽工作输入电压为4.75V到23V。电流模式控制可提供快速瞬态响应和cycle-by-cycle电流限制。可编程的软启动可防止涌流在开通和关断模式下，电源电流可降至低于1A；具有耐热增强型的8-pin SOIC包装，可满足题目中小车的节能规定。基于以上分析，我们选择了方案二。采用MP2307稳压电路。2.3 小车车体的论证与选择方案

8、一：自己制作智能小车。一般的说来，自己制作的车体比较粗糙，车身重量以及平衡都要有精确的测量，并且也要控制好小车行驶的路线和转弯的力矩及角度，这些都比较难很好地实现。方案二：购买车模。购买的车模具有完整的车架车轮，其左右两轮的转动动轴在电机的驱动下可精确调节转弯角度。车模具有如下优点：一方面，这种车模由于装配紧凑，使得各种所需电路的安装十分方便，看起来也比较美观。另一方面，车模是依靠电机与相关齿轮一起驱动，能实现小车的准确前进、转弯、后退、停止等功能。基于以上分析，我们选择了方案二。2.4 电机模块的论证与选择方案一：采用步进电机作为该系统的驱动电机。其转过的角度可以精确的定位，可实现小车前进路

9、程和位置的精拟定位。但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，不合用于小车等有一定速度规定的系统。方案二：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简朴，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭矩。对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。综合考虑后，选择方案二。采用直流减速电机作为驱动电机。2.5 电机驱动模块的论证与选择方案一：采用SM6135W电机遥控驱动模块。SM6135W是

10、专为遥控车设计的大规模集成电路。能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用的是编码输入控制，而不是电平控制，这样在程序中实现比较麻烦，并且该电机模块价格比较高。方案二：用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，并且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。综合考虑后，选择方案二。采用LN298N作为电机驱动芯片。2.6 寻迹模块的论证与选择方案一：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺陷：易受到外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，重要是由于可见光的反射效果跟地

11、表的平坦限度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。克服此缺陷的方法：采用超高亮度的发光二极管能减少一定的干扰，但这又会增长检测系统的功耗。方案二：采用光电传感器。由于光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它一方面把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反映快、非接触等优点，并且可测参数多且结构简朴。综合考虑后，选择方案二。采用光电传感器作为检测元件。其电路原理图如图2-2所示。图2-2 光电传感器电路图2.7 避障模块的论证与选

12、择方案一：采用激光距离检测器实现。它是运用激光时间测距原理。在漫反射测量模式下，即使处在闪亮的背景前，这类检测器仍可远距离测量表面特性复杂的细小物体。假如测量范围较远，则应采用镜反射模式检测其距离。在这种模式下的可靠测量距离可远达500m。方案二：采用光电传感器。由于光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它一方面把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反映快、非接触等优点，并且可测参数多且结构简朴。结合题目规定并考虑经济和使用性等因素，

13、选用方案二来实现。其电路图如图2-1所示。2.8 显示模块的论证与选择方案一：采用字符型LCD显示。LCD具有低功耗、长寿命、高可靠性等特点，可显示英文、汉字及数字。运用单片机来驱动液晶显示模块，设计简朴，且界面美观舒适，耗电少。但根据设计方案，采用计数的方式测距，计标志线的数目。方案二： 采用LED发光二极管的方式显示。LED发光二极管亮度高，醒目，且能达成设计规定。综合考虑后，选择方案二，采用LED发光二极管显示来计数。其电路图如图2-3所示，使用PC0PC3口所接的四个发光二极管，以十六进制的方式显示。图2-3 显示电路2.9 按键模块的论证与选择方案一：矩阵键盘虽然占用单片机的端口少，

14、节约单片机的硬件资源，但是电路设计较为复杂，开发时间相对较长，软件设计也相对复杂，重要针对多键盘设计，合用于控制规定高、控制功能多的系统。方案二：采用简朴键盘，设计简朴，易于实现。键盘在系统中重要作运营控制选择，简朴键盘减少了系统的复杂度。基于以上分析，我们选择了方案二。按键部分作为系统的输入，由于ATmega16的每个IO口都有内部上拉电阻，因此只要在单片机编程时使能相应的上拉电阻，那么这个部分便不需要任何其它元件，设计较为简朴。按下图设计按键后，当有按键按下时相应引脚得到低电平。电路图如图2-4所示。其中PC0口所接按键控制单次运营，PC1口所接按键控制超车运营。图2-4 按键电路图210

15、 通信模块的论证与选择方案一：采用315M单工无线通信模块实现。单片机传输的数据用PT2262进行编码后送给无线发射模块，实现近距离载波信号的传输。数据的接受则采用了超再生接受的原理，接受到信号后要通过配套的解码芯片PT2272解码，然后传送给单片机进行数据解决，以执行操作。两模块之间信号是采用ASK（幅移键控）方式进行调制，以减少功耗，当数据信号停止时发射电流降为零，数据信号与发射模块输入端用电阻直接连接。数据电平应接近数据模块的实际工作电压，以获得较高的调制效果。方案二：采用光电传感器作为两车之间的通信方式。由于光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它一方面把被测量的变化转换成光信

16、号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反映快、非接触等优点，并且可测参数多且结构简朴。为了保证两车在运营及超车过程中的准确性及快速行，光电传感器完全满足规定，且与315M单工无线通信相比有节能的功效。综合考虑后，选择方案二。2.11 方案选定通过仔细的分析和论证，决定了系统各模块的方案如下：控制模块：采用ATmega16作为智能小车的主控制芯片；电源模块：采用由MP2307构成的开关稳压电路；小车硬件模块：采用购买的玩具电动车外围硬件；电机模块：采用直流减速电机作为

17、驱动电机；电机驱动模块：采用LN298N作为电机驱动芯片；寻迹模块：采用光电传感器作为寻线检测元件；避障模块：采用光电传感器作为避障检测元件；显示模块：采用LED发光二极管显示实现计数；按键模块：采用1*3的矩阵按键实现复位和运营状态控制；光电传感通信模块：采用光电传感器实现两车之间的通信。3. 系统的理论分析与计算3.1 系统的信号检测与控制3.1.1 系统的信号检测 本系统的检测部分由寻迹模块、避障模块和通信模块构成。在这三个模块中均是使用光电传感器作为检测元件。1、 光电传感器的工作原理光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它一方面把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元

18、件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器原理如图3-1所示。发 射 反 射接受电路 表 面 x 图3-1 红外发射接受原理 2、 信号检测的理论分析根据题目规定及赛车场地的结构，为了更好的实现甲乙两车之间的超车功能，选用光电传感器作为检测器件。根据跑道的面积及两车的面积规定，我们选用了检测范围为0150cm的光电传感器，在此设计中将其范围控制在1015cm内，从而更好的实现超车功能。3.1.2 系统的信号控制当光电传感器实现在规定区域内运营及对周边环境中障碍物的实时检测时，其测量信号送入以AVR单片机mega

19、16为核心的控制系统，单片机根据测量情况在内部进行决策，输出的控制信号通过驱动系统控制直流电机，带动小车各个部分运动，实现前进、左转、右转、后退、停止等功能。1、ATmega16单片机的特点ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8 位CMOS微控制器。其内核具有丰富的指令集和32个通用工作寄存器，所有的寄存器都直接与算术逻辑单元相连接，使得一条指令可以在一个时钟周期内同时访问两个独立的寄存器。这种结构大大提高了代码效率，并且具有比普通的CISC 微控制器高至10倍的数据吞吐率。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16 的数据吞吐率高达1 MIPS/MHz

20、，从而可以缓减系统在功耗和解决速度之间的矛盾。基于以上的优点，本设计主选ATmega16作为核心器件。2、系统的信号控制采用AVRMega16单片机为控制核心，复位端接高电平，用复位键控制，串了一个10K的电阻限流；I/O口PA0PA7接光电传感器，其中PA0PA4口的5个光电传感器用作寻线检测，以实现在规定区域内运营，PA5PA7口的3个光电传感器用作避障检测，以对周边环境中障碍物的实时检测；I/O口PC0PC3接LED发光二极管，以十六进制的方式进行计数，通过计所通过标志线的条数来测距。3.2 两车之间的通信方法采用光电传感器作为两车之间的通信方式，运用光电传感器的精度高、反映快、非接触的

21、优点，实现两车间的通信。当正在运营的小车检测到前方或左右两侧有障碍物时，则立即停车，以实现超车等功能。3.3 节能智能小车的节能重要体现在三部分：一、在电源模块，采用MP2307稳压电路。MP2307可集成100m功率MOSFET的负载，提供3A的连续输出电流；其带宽工作输入电压为4.75V到23V。电流模式控制可提供快速瞬态响应和cycle-by-cycle电流限制。可编程的软启动可防止涌流在开通和关断模式下，电源电流可降至低于1；具有耐热增强型的8-pin SOIC包装，相比7805,、2576等器件具有转换效率高，速度快等优点。完全满足节能规定。二、电机模块，采用6V的直流减速电机。直流

22、减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简朴，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭矩。对于直流电机的速度调节，可以采用改变电压的方法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。相比步进电机具有体积小，装配简朴，使用方便等优点，完全满足节能规定。三、光电传感器的使用，在寻迹、避障及通信方式上均有体现出来。光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它一方面把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。

23、光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器，光电检测方法具有精度高、反映快、非接触等优点，并且可测参数多且结构简朴。完全满足节能规定。4. 电路与程序设计4.1 电路的设计4.1.1 系统总体框图智能小车由小车本体机械系统、光电传感器组成的传感器系统、直流电机驱动系统、以AVR单片机为核心的控制系统等四部分组成，其基本结构图如图4-1所示。图4-1 智能小车的基本结构图智能小车的工作过程：传感器系统采用光电传感器寻线和避障，实现在规定区域内运营及对周边环境中障碍物的实时检测，测量信号送入以AVR单片机为核心的控制系统，单片机根据测量情况在内部进行决策，输出的控制信号通过驱动系统控制直流电机，

24、带动小车各个部分运动，实现前进、左转、右转、后退、停止等功能。4.1.2 控制器的电路设计 1、控制器的系统框图控制器的系统框图如图4-2所示。图4-2 控制器的系统框图2、控制器的电路原理图采用AVRMega16单片机为控制核心，复位端接高电平，用复位键控制，串了一个10K的电阻限流；I/O口PA0PA7接光电传感器，其中PA0PA4口的5个光电传感器用作寻线检测，以实现在规定区域内运营，PA5PA7口的3个光电传感器用作避障检测，以对周边环境中障碍物的实时检测；I/O口PC0PC3接LED发光二极管，以十六进制的方式进行计数，通过计所通过标志线的条数来测距。其电路原理图见附录1。4.1.3

25、 稳压电源的电路设计1、MP2307的工作原理MP2307是单片机降压稳压器，该器件集成100mMOSFET的负载提供连续3A电流。目前带宽工作输入电压4.75V到23V。电流模式控制提供快速瞬态响应和cycle-by-cycle电流限制。可调节的软启动可防止涌流在开通和关断模式下，电源电流降至低于1A。这个装置可在一8-pin SOIC包装，提供了一个非常紧凑的系统，最小的解决方案，对外部的依赖组件。其封装图如图4-3所示。特性：l 3A连续输出电流，4A峰值输出电流；l 宽4.75V到23V工作输入范围；l 综合100m功率MOSFET开关；l 输出0.925V可调至20V；l 效率高达9

26、5%；l 可编程软启动；l 稳定低ESR陶瓷输出电容器；l 频率固定340KHz；l Cycle-by-Cycle过流保护；l 输入欠压电压分离；l 耐热增强型8-pin SOIC包装。图4-3 MP2307芯片引脚封装图2、 稳压电源电路的设计为了提高小车的稳定性，其控制部分和驱动部分需分别供电。因此，必须采用两个独立的电源供电。两个电源均采用MP2307芯片构成的开关稳压电路稳压（其电路图如图4-4所示），其中控制部分的电压：通过12V的电池电压输入经稳压电路稳压成5V的电压给单片机供电，结构框图如图4-5所示；驱动部分的电压：通过12V的电池电压输入经稳压电路稳压成7.5V的电压，输出的

27、电压经两路来驱动电机，一路经7805稳压器稳压成5V电压给LN798N驱动电路供电以驱动电机；另一路直接给电机供电，其结构框图如图4-6所示。图4-4 MP2307稳压电路图4-5 控制部分电源结构框图图4-6 驱动部分电源结构框图4.1.4 电机驱动电路的设计1、LN298N的工作原理LN298N芯片是一种H桥式驱动器，它设计成接受标准TTL逻辑电平信号，可用来驱动电感性负载。H桥可承受46V电压，相电流高达2.5A。LN298N的逻辑电路使用5V电源，功放级使用546V电压，下桥发射极均单独引出，以便接入电流取样电阻。LN298N采用15脚双列直插小瓦数式封装，工业品等级。它的内部结构如图

28、4-7所示。H桥驱动的重要特点是可以对电机绕组进行正、反两个方向通电。图4-7 LN298N原理框图2、电机驱动电路的设计由电机驱动芯片LN298N结合单片机PWM技术实现对小型直流电动机的速度和方向控制。其接线图见附录2。其中，稳压二极管起续流作用，以输出足够大的电流来驱动电机；采用7805稳压器输出5V电压驱动LN298N芯片；四个光耦离合器连接LN298N和单片机，起隔离作用（由于电机运营时，单片机会受到干扰），当单片机输入为低电平时，光耦导通，二极管亮，通过不同的输入来控制电机的正反转。其运营状态如表一所示。表一 LN298N运营状态表EnIn1In2运营状态0停止110正转101反转

29、111刹停100停止4.2 程序的设计4.2.1 程序功能描述与设计思绪1、程序功能描述根据题目规定软件部分实现小车的运营及超车1） 小车的运营功能：设立小车的寻线、计数等；2） 小车的超车部分：两车间的通信，小车运营时的避障功能。3、程序设计思绪根据题目的规定所要实现的功能，再根据每个部分的规定进行编写，然后再根据题目的规定进行综合编写。4.2.2 程序流程图1、主程序流程图（如图4-8所示）4-8 主程序流程图 2、单次运营流程图（如图4-9所示）4-9 单次运营流程图3、超车运营流程图（如图4-10所示）图4-10 超车运营流程图4、寻迹子函数流程图（如图4-11所示）图4-11 寻迹子

30、函数流程图4、避障子函数流程图（如图4-12所示）图4-12 避障子函数流程图5、计数子函数流程图（如图4-13所示）图4-13 计数子函数流程图5.测试方法与测试结果5.1 测试方案1、硬件测试系统由控制、稳压、驱动等电路构成，先将各个小模块的硬件电路进行焊接，使用万用表、示波器进行调试；然后将多个小模块组装成系统的原理图，并调试以构成系统的硬件部分。2、软件仿真测试软件仿真测试使用Multisim仿真软件进行调试。3、 硬件软件联调使用ICC软件对ATmega16进行编程并输入芯片，然后将单片机接入小车硬件部分，来观测小车的运营状况，实现硬件软件联调。5.2 测试条件与仪器测试条件：检查多

31、次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。测试仪器：高精度的数字毫伏表，模拟示波器，数字示波器，数字万用表，指针式万用表。5.3 测试结果及分析5.3.1 测试数据5.3.2 测试分析与结论参考文献：1黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计M北京：北京航空航天大学出版社，2023.2北京三恒星科技公司.Altium Designer 6设计教程M北京：电子工业出版社，2023.3刘海成.AVR单片机原理及测控工程应用M北京：北京航空航天大学出版社，2023.4胡汉才.单片机原理及其接口技术M北京：清华大学出版社，1996.5黄志伟.全国大学生电子设计竞赛电路设计M北京：北京航空航天大学出版社，2023.6黄争.德州仪器高性能单片机和模拟器件在高校中的应用和选型指南M上海：德州仪器半导体技术（上海）有限公司大学计划部，2023.7陈永真.全国大学生电子设计竞赛硬件电路设计精解M北京：电子工业出版社，2023.附录1：控制电路原理图附录2：驱动电路原理图附录3：源程序