[资料]智能小车实验报告

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：c8051f020，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：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TCRT5000。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2.5µA。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：

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。