智能小车实验报告

《智能小车实验报告》由会员分享，可在线阅读，更多相关《智能小车实验报告（9页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、智能小车实验报告摘要为了使智能小车在赛道上按题目要求行驶，我们对整个系统进行了研究，通 过论证分析确立了较优的设计方案。本系统选用履带小车为车体。以c8051f020 单片机为控制核心。用12v锂电池供电，并利用7805将电压稳至5v以满足单片 机及驱动等其它模块对电压的需求。用L298N驱动双直流电机，通过传感器检 测、控制电动机的方向、快慢、启停。循迹模块运用保证了小车安全在赛道上行 驶。小车上还装有无线接收模块，在两车之间实现信息传输。通过各模块的配合， 在程序的控制下，最后检测证明小车能够快速稳定的实现在赛道上行驶、超车等 任务，不仅能够完成基本部分，也能完成发挥部分。关键词： c80

2、51f020，驱动，无线模块，寻迹1系统方案设计本实验要求甲、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。在对题目和赛道深入了解的基础上，我们确 立了小车需要的以下基本模块：控制模块、电机驱动模块、寻迹模块、通讯模块、 电源模块。作为智能小车，必须拥有能够满足条件的大脑。因此要选取合适的单片机作 为控制模块的核心。题目还要求小车完成题目的时间要尽可能短，所以要选取合 适的电机驱动，使小车能够有足够的速度。另外小车还要能够稳定安全的在赛道 上行驶，尽量避免偏离赛道，更要防止小车冲出赛道，因此需在小车上安装循迹 模块。本题还需要两车配合行驶，两车之间进行通

3、讯是很有必要的。而作为电力 系统，电源模块是必不可少的。确定了小车系统需要的模块，接下来就对各模块 的分析选取做详细的介绍。1.1控制模块方案一：使用传统51系列单片机，传统51单片机价格便宜，控制简单，但是 它的运算速度慢，片内资源少，存储器容量小，难以实现复杂的算法。方案二：使用C8051F系列单片机，C8051F单片机使用CIP-51微控制器内核， 是标准的混合信号片上系统(SOC)，除了具有标准8051的数字外设部件之外，片 内还集成了数据采集和控制系统中常用的模拟部件和其它数字外设及功能部 件.如电压比较器PAC,ADC,DAC,SPI, SMBus(I2C)，UART等，特别方便进

4、行数据 的实时采集与控制。作为51单片机升级产品，C8051F系列单片机无疑是更好的选择。因此我们 选择方案二。1.2电机驱动模块方案一：采用内部集成H桥式芯片L298驱动电路。方案二：采用分立元件的H桥驱动电路。由于采用内部集成H桥式芯片每一组PWM波用来控制一个电机的速度，而另 外两个I/O 口可以控制电机的正反转，控制比较简单，电路也很简单，一个芯片 内包含有8个功率管，这样简化了电路的复杂性，所以采用方案一。1.3循迹模块方案一：采用超声探测器。由于赛道边界距地面有一定的高度，超声探测器 能根据超声返回的时间判断是赛道还是地面。但是超声探测的范围较大，对边界 探测的准确性较差。方案二：

5、利用红线发射管发射红线，红外线二极管进行接收。采用四组红外 光敏耦合三极管发射和接收红外信号，外面课见光对接收的信号影响较小。接收 的红外信号转化为电压信号经过LM393进行比较，产生高电平或低电平输出，信 号返回给C8051F单片机。因为赛道上有黑线作标志，而且在赛道的边界上也贴 有黑线，用此方案小车可以很好的判断自己的位置。在小车行驶过程中要能够很好的判断是否发生偏向，实际实验证明用红外接 收器探测黑线要比用超声探测边界灵敏度高，而且方案二也比方案一经济很多， 因此我们选择了方案二。1.4无线模块方案一：使用有线通讯。方案二：使用无线通讯。用有线通讯比较简单准确，但由于小车处于运动状态，在

6、两车之间牵引导线 无疑会增添很多麻烦你，因此用无线通讯更方便，我们选择方案二。1.5电源模块方案一：使用铅蓄电池供电，铅蓄电池供电量大，能持久的维持系统对电量 的需求。但是铅蓄电池的缺点是体积大、重量大，携带不方便。方案二：使用锂电池组给小车供电。锂电池组质量小，也能为小车提供足够 的电能。综上考虑，我们选择锂电池组作为小车的电源。2理论分析与计算根据题目要求，小车需要具有直线行驶、转弯、速度变换、标志线的检测、 两车间距探测、两车之间进行通信等功能。以下理论分析将介绍本系统如何实现 小车的各种功能。2.1信号检测与控制在小车的行驶过程中需要判断所处阶段，以此来控制行驶状态。对此，我们 在小车

7、底部安装了循迹模块。循迹模块模块中用以检测的是红外发射接收器 TCRT5000O循迹模块能准确地检测出赛道上的标志线，根据小车通过标志线的 次数，就可以判断出小车所处阶段，进而小车就会对行驶状态做出相应的调整。本系统中还用到超声模块进行信号检测。由于本次任务用到两辆小车，可能 会遇到两车相碰的问题。利用超声可以探测出两车之间的距离，单片机对超声模 块反馈的信息调控小车的速度，就能防止小车发生碰撞。2.2两车之间的通讯方法由于本系统需要两车的配合完成任务，因此要在两车之间建立通讯方式。在 运动中的小车间建立联系，无线通讯无疑是简便可行的方法。在两车上各装有一 块NRF905无线模块，NRF905

8、具有接收模式和发送模式，因此可以实现两车之 间进行信息交换。2.3节能方法当今世界能源减缩，节能早已成为响彻世界的口号。我们也树立了节能意识。 在保证小车功能的前提下，本系统都尽可能使用低功耗的产品。例如我们设定无 线模块在工作时用空闲模式。在空闲模式下，NRF905内部的部分晶体振荡器处 于工作状态，有利于减小工作电流。而暂时不工作时进入关机模式，此时的工作 电流最小，一般为2.5M。另外我们选择用锂电池作为电源也是从节能的角度考 虑。3系统电路设计3.1总体设计本系统中，以单片机为核心，各模块相互配合，形成了一个包括人机界面的 半闭环系统，从而使小车能完成各项任务。本系统的系统总图如图1所

9、示。图1系统总图3.2单元电路设计3.2.1电源模块采用12V干电池为直流电机供电，再利用两片7805将电压稳压至5V，由 于其内部电流的限制，以及过热保护和安全工作区的保护，使它基本上不会损坏， 能够提供稳定的5V电压。7805在系统电路中的电路如图2所示：+12y D4 LM7 包05+龄1VirVo-u1GND3_1Cl二 2H-12 2001,u411图2电源模块电路图图本系统中还用到三端稳压器1117将5v电压降至3.3v，以满足超声模块的需 要。3.2.2电机驱动模块从单片机输出的信号功率很弱，即使在没有其它外在负载时也无法带动电 机，所以在实际电路中我们加入了电机驱动芯片提高输入

10、电机信号的功率，从而 能够根据需要控制电机转动。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，而且还带有控制使能 端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。且由L298N结 合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平 滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。所以根据驱动功率大小以及连接电路的简化要求 选择L298N。L298在小车电路系统中如图3所示：图3电机驱动电路图从图3中可以知道，一块L298N芯片能够驱动两个电机转动，它的使能端

11、可以外接高低电平，也可以利用单片机进行软件控制，极大地满足各种复杂电路 需要。另外，L298N的驱动功率较大，能够根据输入电压的大小输出不同的电压 和功率，解决了负载能力不够这个问题。3.2.3寻迹模块寻迹模块采用红外反射光电传感器TCRT5000O TCRT50000在系统电路中的 电路图如图4所示。如图4所示电路中，R1起限流电阻的作用，当有光反射回 来时，光电对管中的三极管导通，R2的上端变为高电平，此时三极管饱和导通， 三极管集电极输出低电平；当没有光反射回来时，通过电对管中的三极管不导通， 三极管截至，其集电极输出高电平。单片机根据寻迹模块返回来的电平高低判断 是否压到黑线，进而对小

12、车做出相应的调整。在本系统中共用到了六路循迹电路。循迹模式图如图5所示，从图中可以看 出在车头的中间有四路循迹电路，此四路循迹用于小车判断标志线。通过四路循 迹的共同探测，将信息传给单片机，单片机再进行计数判断使小车能准确判断所 处位置。在小车两侧各有两路循迹电路，用以检测赛道边缘的黑线，以防止小车 跑离赛道。口 口 口口图5循迹示意图3.2.4无线模块运用NRF905实现小车之间的通信。NRF905有两种工作模式ShockBurstTM 接收模式和ShockBurstTM发送模式。它是由由频率合成器、接收解调器、功率 放大器、晶体振荡器和调制器组成，不需外加声表滤波器，ShockBurstT

13、M工作 模式，自动处理字头和CRC（循环冗余码校验），使用SPI接口与微控制器通信， 配置非常方便。其最高工作速率50kbps，高效GDSK调制，抗干扰能力强。125 频道，满足多点通信和点对多点通信地址控制。此外，其功耗非常低，内建空闲 模式与关机模式，易于实现节能。如图6所示为无线模块在系统电路中的接口电 路，图7为无线模块的实物图。图7无线模块实物图12r-:hTX-FNTKX-CEPWR.-CEuCLK3M45S5CDAIVIDRMISO/8MOSJ&GK9g_ IOcsrjGMD1112GIMD1314图6无线模块图3.2.6超声模块超声测距传感器的核心功能是测量距离，通过发射器发射

14、超声波，超声波遇 到物体反射回来被接收器接收。传感器将所测量的量转换成数字信息，即将非电 量转换为便于测量的电量，这样单片机就能计算出超声波从发射到接受用的时 间，测量时间*声速/2=距离。在小车上装上超声模块就能检测两车之间的距离， 有效地防止了小车追尾的事件发生。4系统程序设计图8系统流程图对系统软件的设计，我们是在Keil编程环境中，利用C语言对程序进行编 辑下载。利用c8051f020单片机PCA的PWM功能，调节占空比来实现软件对 小车的控制。在程序的调试过程中，为了实现程序的可读性和可靠性，我们采用 模块化处理的方式，将各个阶段的程序用子程序的形式进行处理运算，使程序一 目了然并尽

15、量减少程序出错或跑飞的概率，从而使小车能更好的完成任务。系统 软件流程图如图8所示。5系统测试及结果分析5.1测试仪器数字万用表、秒表5.2测试方法及结果由于各模块往单片机发送的数据都是数字信号，在对各模块进行检测的时 候，用万用表对输出信号进行检测，观测是否输出相应的电压变化即检测出各模 块的工作状态。在小车调试完成后我们用万用表对小车的整体完成情况进行测试，根据程序 设计流程图可以看出本系统用一套程序就可以完成基本部分和发挥部分的各项 任务，所以通过对两小车跑完四圈各圈所用时间的测试即可了解小车的情况。在 测试时，我们对小车分别行使一圈用时情况和和小车行驶四圈各圈状态进行记 录。甲乙两车分

16、别行驶一圈用时表如表一所示，小车各圈状态测试表如表二所示。表一甲乙两车分别行驶一圈用时表测试次数甲车行驶一圈时间/s乙车行驶圈时间/s135372363633637表二 小车各圈状态测试表测试次数第一圈状态第二圈状态第三圈状态第四圈状态1正常后车微偏正常正常2正常正常后车微偏正常3正常正常正常正常根据表中数据可以看出小车行驶一圈时都能够平稳行驶，在行驶四圈时偶尔 会出现偏转。但在小车上装有循迹模块，所以即使发生偏转小车也能及时作出调 整。数据表明小车能够较好的完成任务。6结束语经过几天的努力我们顺利完成了题目要求的任务。在这期间我们遇到的最大 的困难是程序的调试。由于对程序多任务的方法还不能很好的掌握，在调试小车 的时候出现过很多问题，但经过不断地观察和调试，最终解决了这一问题。经过 这些天的努力，我们不仅学到了很多知识，还深刻的认识到不管做什么事，当遇 到问题时，一定要保持清醒的头脑，认真观察，仔细分析，努力寻找解决问题的 方案，最后一定能有所收获。参考文献：鲍可进.C8051F单片机原理及应用【M】.北京：中国电力出版社，2006.王丁，沈永良，李海燕.机电一体化系统设计【M】.北京：中国电力出版社， 2009.谭浩强.C程序设计【M】.北京：清华大学出版社，2005.附录1系统电路总图