D题车辆会车自控系统2012年电子设计大赛文档(一组李文海,刘昂,刘宁)

、2012年大学生电子设计竞赛参赛编号：004D001设计题目：车辆会车自控系统参赛学生姓名：李文海刘宁刘昂所属专业：电子信息工程指导教师：刘怀强目录正文 (2)1 系统方案选择和论证 (2)1.1 设计要求 (2)1.2 系统基本方案 (2)1.3 车体的设计 (2)1.4 控制器模块方案选择和论证 (3)1.5 电机的选择 (3)1.6 电机驱动模块 (4)1.7 电源模块 (4)1.8 会车功能模块 (5)1.10 显示模块 (5)1.11 循迹模块 (6)2 会车电路的原理与设计 (7)3 流程图 (7)4 致谢 (8)5 参考文献 (8)车辆会车自动控制系统的设计（D题）摘要本作品是以L298N作为电机驱动系统自制小车，以MSP430单片机为控制核心，通过光电开关传感器会车、黑白线传感器循迹、接近开关传感器、12864液晶显示屏显示，实现了小车自动前进与会车，沿规定路径前进与会车，发光二极管发光和扬声器发出长报警；并通过光电开关传感器会车，从行进流畅，行动迅速，达到了全部设计要求。

并通过12864液晶显示屏显示小车行进过程功能的演示。

关键字：MSP430；会车；液晶显示；小车；正文通过各种选题之后，我们发现制作智能小车非常有意思，它唤起我们对玩具的革新思想，智能小车制作的兴趣。

自己遇到过的汽车的功能是怎样的，想通过自己的手创作出属于自己的智能汽车。

也夹杂一种童年时对玩具智能化的假想。

基于梦想，兴趣，热情，在参考前几届全国电子设计大赛控制类的选题、基本要求，我们选定制作车辆会车自动控制系统的设计（D 题）。

1 系统方案选择和论证1.1 设计要求（注：设计要求与D 题车辆会车自控系统内容相同）1.2 系统基本方案根据题目要求，系统可以划分为控制部分和信号检测部分。

其中信号检测部分包括：会车探测模块，黑白检测模块。

控制部分包括：电机驱动模块，显示模块，控制器模块，状态和标志模块几个基本模块，模块框图如图1所示。

为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证。

图1小车的基本模块方框图 1.3 车体的设计方案一：购买电动车。

购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。

玩具电动车具有如下特点：首先，玩具电动车电机都是现成的，在上面架一块板子就可以放下电路板，各种传感器的安装也较方便。

其次，所购买 控制器模块电机驱动模块 显示模块 状态标志模块 红外测距模块黑白检测模块的电动车是由两电机控制的，一个负责左边两轮子，另一个负责右边两轮子。

这样可以进行原地90-180度转弯。

方案二：自己制作电动车。

装配不能十分紧凑而且安装不方便。

易出现前后两轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。

小车重心易偏移。

综上考虑，我们选择了方案一。

1.4 控制器模块方案选择和论证根据题目要求，控制器主要用于各个传感器信号的接收和辨认、控制小车的电机的动作等。

对于控制器的选择有以下三种方案。

方案一：采用STC 89C51系列单片机。

传统的51 单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小等缺点。

在后来的实验中我们发现，STC 89C51精确度和运算速度也都不符合我们系统的要求。

此方案被放弃。

方案二：采用C8051F040单片机作为主控制器。

C8051F040是一个超低功耗，和标准8051F系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，片内含64k空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），64个I/O口，5个16位可编程定时计数器。

其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉，在后来的实验中我们发现，C8051F040精确度和运算速度也都完全符合我们系统的要求。

但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。

我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。

方案三：采用美国德州仪器（TI）的MSP430单片机，是一种16位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器。

MSP430其在降低芯片的电源电压和灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处，能在25MHz晶体的驱动下，实现40ns的指令周期。

16位的数据宽度、40ns的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加运算）相配合，能实现数字信号处理的某些算法考虑到它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点。

故选择使MSP430作为为我们整个系统的控制核心。

1.5 电机的选择方案一：用步进电机。

步进电机可以精确地控制角度和距离。

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，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。

并且它的体积大，价格高，质量大。

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，装配简单，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，可以产生大扭力。

但精确度没有步进电机那样高。

方案三：采用直流电机。

直流电机运转平稳，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。

能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。

1.6 电机驱动模块方案一：采用继电器对电机的开关进行控制，可以完成电机的正转，反转，调速，但继电器响应时间慢，使小车运动灵敏度降低，增加了避障的难度。

而且机械结构易磨损，可靠性不高。

它适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机则极不经济。

方案二：用分立元件构成H桥驱动电路。

由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，但不稳定，驱动力底。

方案三：采用专用芯片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，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。

L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。

该芯片采用15脚封装。

主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。

内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。

使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动一台两相步进电机或四相步进电机，也可以驱动两台直流电机。

综合以上方案我们选择更合适的方案三为我们整个系统的电机驱动。

1.7 电源模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。

方案1：采用12V蓄电池为系统供电。

蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。

但是蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便。

方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流减速电机供电，经过7805的电压变换后为单片机，传感器和步进电机供电。

经过实验验证，当电池为直流电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。

方案3：采用3节4.2V可充电式锂电池为直流减速电机供电，用2节锂电池经过7805的电压变换为单片机和传感器供电。

但是价格昂贵。

方案4：4节五号电池供电。

采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，舵机直流电机工作互不影响，且电池的体积较小，能够满足系统的要求。

综上考虑，我们选择了方案4。

1.8 会车功能模块方案一：采用碰撞开关会车。

这个方案结构虽然简单，但是智能小车必须碰到障碍物避障模块才能工作，有破坏性。

方案二：用超声波传感器进行会车。

超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。

然后将这信号放大后送入单片机。

超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。

但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。

而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。

方案三：采用红外传感器会车。

红外传感器检测距离为4cm，红外传感器的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测，使用方便。

经过比较，考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。

为了使用方便，便于操作和调试，我们最终选择了方案方案三。

1.10 显示模块方案一：采用LED数码管显示。

颜色鲜艳，易于观察，经济实惠，采用74ls595驱动，可以大量减少占用的接口数目，但是不能显示文字，因此我们不考虑LED 数码管显示。

方案二：1602采用并口传输，速度比12864串口快。

数码管就不说了，没有驱动要加CD4511等外加电路。

1602内部集成有显示芯片，可以识别英文字母、阿拉伯数字和日语片假名，如果想做时钟还是可以的，但是可能格子有点浪费了，总共有两行每行10个，如果输入有误上行会全满，下行会全空。

上行起始位置80H，下行40H。

需要先输地址后输数据。

直接0x30+数据，就能显示数据了。

价格带背光的蓝底白字12块钱一块，不带光和绿光黑字的便宜一点，但是不能显示文字，因此我们不考虑1602。

方案三：采用带字库的12864显示。

程序复杂，对于我们来说是一种挑战。

12864 顾名思义像素是128*64，能显示8*4个汉字，因型号不同，有的带汉字库，有的不带，能显示图像效果，功能比1602强大，1602只能显示字母、数字和符号能显示16*2个字符，但寄存器不止32个，具体也忘了，有一些显示效果，如字符一个个显示、字符从左到右或从右到左显示等等，显示效果简单，价格低，大约6块钱，而12864最少40块钱一块，在编程使用方面，两者难度差不多，原理差不多，都是写指令、写地址、写数据等等。

该点阵的屏显成本相对较低，适用于各类仪器，小型设备的显示领域。

综合考虑我们选用12864液晶显示器。

1.11 循迹模块方案一：零散黑白检测器装配不能十分贴切而且安装不方便。

易出现错误。

焊接容易造成虚焊并且体积庞大不便于检测。

方案二：BFD1OOO专门设计用作黑（白）线检测的传感器，特别适合复杂黑白线、交叉黑白线的检测，它有6路高灵敏度的红外传感器（5路巡线、1路蔽障），能够对黑白线准确的识别，它有如下功能和特点：1.BFD-1000集成5路循迹传感器，适合复杂黑线（白线）的跟踪，对于简单的黑线（白线）寻取更不在话下。