智能小车（c题）
本科组】2023年9月3日。
摘要。本设计以stc89c52单片机为控制核心，小车具有循迹检测、超声波避障、电机驱动、无线通信等主要功能。首先，两个电机分别单独控制左右两个车轮，通过调节两个电机的转速及转动时间，达到小车正常行驶及转向的目的。
车头的四个红外光电传感器通过对路况的检测反馈给单片机，控制小车行走路线，防止超出边界线。与此同时通过超声波模块，检测前方是否有小车，并且将信息反馈给单片机，控制小车减速，防止出现撞车。在第二圈超车过程中，两车相继进入超车区后，甲车减速后直线前进，乙车正常行驶并进入超车区，达到超车目的。
关键字：控制；检测；反馈；stc89c52单片机；超车；
目录。1 方案论证与比较 1
2 各模块方案选择 1
2.1 电源模块 1
2.2系统控制模块 2
2.3 循迹模块 2
2.4 避障模块 2
2.5无线通信模块 3
2.6电机驱动模块 3
3系统硬件设计 3
3.1 电源设计 4
3.2 驱动模块设计 4
3.3 循迹设计 5
3.4 超声波避障设计 6
4 系统软件设计 6
5 系统调试 7
6 结论 8
7参考文献 9
方案一：每辆小车分别用一片stc89c52单片机作为控制核心，控制小车全程行驶，包括循迹，躲避障碍物，无线通信，小车调速等功能。
方案二：每辆小车分别用一片stc12c5410ad单片机作为主控芯片，stc12c5410ad单片机自带ｐｗｍ和ａｄ功能。可使程序编写更简洁，运行速度更快，但io口相对较少，不能满足实际需求。
经分析以上两种方案，采用方案一。
方案一：将四节1.5v普通电池串联为整个系统供电，这种方法获取电源方便，且电源输出电流能力较大。
但电池放电受到自身影响大，若长时间使用，电池输出的电流会逐渐减小，不能较长时间为小车提供稳定的电流，导致电机速度较慢，不符合实际要求。
方案二：使用四节1.5v南孚电池为整个系统供电，电压可达到6.
5v，其中通过稳压芯片7805获取5v直流电源为单片机供电，6.5v电源为电机供电以获得较高速度，该电源输出电流能力较大，而且能较长时间为小车提供稳定的电流，使系统运行稳定，符合实际要求。
鉴于以上分析，选择方案二。
选择stc89c52单片机进行系统的控制。该单片机具有iap功能，运行稳定，保密性强，支持****，且内部集成了eeprom，stc98c52是我们比较熟悉的一种常用的单片机，指令系统和at89c52兼容，**便宜，较容易购买。
采用反射式红外传感器作为循迹检测主要器件，利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。由于黑白物体反射系数的不同，通过调节使光敏三极管就只能接收到白色物体反射回来的光束。而对于黑色物体由于其反射系数小，所反射回来的光束很弱，光敏三极管无法接收到反射光。
利用反射光可以使光敏三极管实现导通和关断，从而实现对黑白物体的分辨。将循迹检测系统放在车前左右两侧，当检测到黑色边界线时，在红外反射管处得到低电平信号，在经过反相器74ls14后，能更加灵敏和精准输出高电平信号，单片机得到高电平信号后控制小车向相反方向行进。
方案一：采用红外反射传感器，这种传感器使用方便但容易受到外界影响，而且这种传感器对不同颜色的反射程度不同，有效距离较短，当车速较快时，由于惯性，小车不能及时减速，易发生撞车，给调试带来不便。
方案二：采用超声波传感器，使用简单，检测范围大，使用灵敏。在非超车区时，超声波模块可避免两车相撞，在超车区时，可避免乙车出车道时与甲车相撞。
鉴于以上分析，采用方案二。
采用nrm24l01无线模块，该模块具有功耗低，通信传输速率高的特点。该模块可控制在超车模式下，甲乙两车同时启动，保证开始时间准确。同时又可在乙车超过甲车后，通过无线通信，使甲车提高速度，追赶乙车。
方案一：采用分立元件三极管组成的h桥pwm调速电路，用于实现对直流电机速度和方向的控制。由于采用分立元件组成电动机逻辑驱动，故易造成驱动电路稳定性差的问题，且性价比高，不符合节能低功耗的要求。
方案二：电动机驱动电路主要由双桥电动机驱动芯片l298和多个整流二极管组成，专用驱动芯片内部的压降一般较低，在驱动电路上功耗低，驱动电路相对简单，且一片l298可驱动两个电机，既满足单独控制左右轮行驶的要求又能保护直流电机。
鉴于以上分析，故采用方案二。
如图3.1所示，系统主要包括电源设计、循迹检测设计、超声波避障设计、电机驱动设计、无线通信设计等。
图3.1系统总框图。
由于小车运动时负载大，需要驱动力较大，且在运动时需要较大的稳定电流输出，以保证较长时间的行驶，故将性能较好的南孚电池通过稳压芯片7805，以获得稳定的5v电压输出。如图3.1.
1所示，电池电源通过7805的in口，经out口输出，图中c1，c2，c3为滤波作用，同时分出的6.5v又可接电机以获得较大速度，在保证系统工作正常的同时使小车较快行驶。
图3.1.1电源原理图。
电机的左右轮分别由两个独立的电机驱动，通过控制两个电机正转时间的不同，实现小车的前进和左右的方向选择。应用l298n进行电机驱动，如图3.2.
1所示，in1和in2控制小车左轮并且通过ena控制占空比，这样能控制小车的左轮驱动能力。in3和in4控制小车右轮并且通过enb控制占空比来控制小车右轮的驱动能力，以达到调节速度的要求。输出端out1和out2接左轮，out3和out4接右轮，前进时，两轮驱动能力相同，左转时，右轮比左轮驱动力强，右转时，同理。
而二极管的引入能够起到保护电机的作用。
图3.2.1 电机驱动原理图。
循迹采用反射式光电传感器，反射式光电传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检查方向遇到障碍物（反射面）时，红外信号反射回来被接收管接收。经处理之后，通过数字传感器接口返回微控制器，微控制器可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。如图3.
3.1所示，当遇到黑线时，图中三极管8050导通，反相器输入口处检测到低电平，经反相器后变为高电平，供单片机识别，同时指示灯被点亮，图中滑动变阻器，可方便改变光电传感器的输入电流，从而改变灵敏度，图中0.1uf电容，可减少电路中“毛刺”，以增加电路的抗干扰能力。
图3.3.1 小车循迹电路。
甲乙两车分别装有超声波模块，通过超声波传感器对前面行驶的小车进行避障检测，从而控制小车的行驶速度。超声波传感器能测量甲车与乙车的距离，当检测到前方一定距离内有小车时，车开始减速，已达到避免撞车的目的。
系统软件设计如图4.1所示，分为电源设计、循迹检测设计、超声波避障设计、电机驱动设计、无线通信模式设计。
图4.1 系统软件总框图。
进入循迹模式时，如图4.2所示，启动小车后，小车前进，当检测到黑线时，判断黑线位置，若检测到左边线，小车右转，若检测到右边线，小车左转。
图4.2 循迹检测模式。
进入超声波避障模式时，如图4.3所示，两小车正常行驶，当后面的小车检测到前方有小车时，小车减速，直到超声波模块检测不到前方有小车时，小车继续前进。
图4.3 超声波避障模式。
进入无线通信模式时，如图4.4所示，甲车发送起动信息，甲乙同时起动，在超车区，甲要超车，发出信息使乙车减速，之后都正常行驶。接下来一圈时乙车超车，超车区的甲车发出信息使乙车超车，达到两车交替进行领跑的目的。
图4.4 无线通信模式。
1．循迹模块测试，循迹过程中不能及时准确的判别黑线，常随机将跑道上的某些点误判为黑线，导致小车路线错误。经排查，由于自己铺设的跑道不够平整，导致红外光电传感器会受到影响，调试过程中，通过改变与接收管相关的电阻阻值的大小来改变接收能力，调试过后小车循迹正常。
2.超声波避障测试，行车时超声波不能及时收到正确的信息，供单片机识别，经改进在小车后部加一片挡板，反馈信息准确度明显提高。
3.整体调试后，得出电池电量低于4.5v时，会导致系统工作不稳定，传感器工作不正常，故需经常更换电池，只有小车电机在6.3v供电时，速度相对稳定，并且可以及时准确的循迹。
4.经测试，两辆小车绕圈一周的时间平均为40s，虽由于小车自身性能，走直线时会偏向一侧，但可通过循迹模块纠偏，系统相对稳定，行驶较平稳。
测试结果记录。
1.本设计以stc89c52单片机为控制核心，小车具有循迹检测、超声波避障、电机驱动、无线通信等主要功能。
2．应用l298n进行电机驱动电机，电机的左右轮分别两个独立的电机驱动，通过控制两个电机正转时间的不同，实现小车的前进和左右的方向选择。车头的四个红外光电传感器，通过对边界黑线的检测反馈给单片机，控制小车行走。
3．两小车同时行驶时，通过超声波检测，判断前方是否有小车，并将信息反馈给单片机，控制后面的小车减速，防止出现撞车。
4.超车过程中，甲车减速后直线前进，乙车正常行驶并进入超车区，达到超车目的。
5.由于小车电机和车轮的问题，在循迹等前进过程中不是很平稳，有些摇晃，走直线时会出现偏转，但整体能实现其所要的基础部分功能。
1]郭天祥。51单片机c语言教程。北京：电子工业出版社，2011.
2]黄智伟。全国大学生电子设计大赛训练教程。北京：电子工业出版社，2010.
3]高吉祥。全国大学生电子设计竞赛培训系列教程。北京：电子工业出版社，2009
4]童诗白，华成英。模拟电子技术基础。北京：高等教育出版社，2010.
5]阎石。数字电子技术基础。北京：高等教育出版社，2010.
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