智能小车实验报告

1 智能小车实验报告 摘要 为了实现智能小车按照题目要求运动，从指定位置进入规定区域，并寻找到障碍物，驶向障碍物，将障碍物推出规定区域，并实时显示障碍物的位置。本实验系统分为两个小系统，控制端与运动端。控制端以单片机C8051F020作为控制核心，运动端采用DSP2812作为控制核心。并以无线模块实现控制端与运动端之间的交流，以实现智能小车按照题目要求运动，并将信息实时反馈给控制端，显示出来；对于关键的小车运动执行元件，经过充分比较、论证，最终选用了步进电机，能够准确定位并且具有瞬间启动和急速停止的优越特性。电机的驱动是以L298N为芯片的驱动模块；小车的电源模块采用16V的锂电池供电；通过红外对管TCRT5000判断黑线为循迹，实现了小车在规定区域上行驶并将信息实时反馈给控制端等功能；并且小车的控制端显示部分选用LCD12864液晶屏来显示所需的参数。最后的实验表明，系统完全达到了设计要求，不但完成了所有基本和发挥部分的要求，并增加了路程显示、全程时间显示等创新功能。

关键词：C8051F020单片机、DSP2812、L298N、红外对管TCRT5000、循迹、LCD12864

液晶屏 2

一、系统方案 1.1 总体方案设计 本实验需要智能小车在规定的120cm*120cm区域内。从起点位置出发，检测障碍物所在位置并实施清除动作。在重力感应传感器控制下实现智能小车的前进，后退，左转，右转等操作，控制智能小车行驶到障碍物位置，并且停留至少3秒钟，给出声或光的信号。然后将障碍物推出规定区域。为了完成实验要求，控制端在单片机控制下，显示模块，重力传感器模块、无线通信模块的协同配合，共同完成控制端的工作。运动端以DSP2812为核心，超声波模块、红外避障模块、驱动控制模块、循迹模块和电源模块的统一调配下，让小车符合条件的行驶、通信、并清除障碍物，完成整个实验。 根据实验要求，我们设计的总体方案为控制端以Silicon Laboratories公司生产的单片机C8051F020为控制核心，运动端以TI公司新推出的功能强大的32位定点的DSP2812为核心，采用步进电机和LM298芯片控制小车运动，用锂电池提供16V电压，用TCRT5000保证小车能在规定的区域内正常行驶，并以超声和红外共同确定障碍物位置，并在远程控制端通过重力传感器控制小车的前进、后退、左转、右转等功能，将障碍物推出指定区域。并用无线通信实现远程控制端和运动端之间的交流。

1.2 总体方案比较 方案一：以C8051F020单片机作为控制端核心，DSP2812作为运动端的核心，并通过超声波测定障碍物的位置，用TCRT5000防止智能小车冲出区域，用步进电机精确定位小车行驶的距离，并以无线来使控制端和运动端通信。以此来实现将障碍物推出规定区域。 方案二：以C8051F020单片机为控制端和运动端的核心，用TCRT5000来保证小车在规定区域正常行驶。使用无线来实现控制端和运动端的交流，使用超声模块来检测障碍物，并将障碍物推出区域。 由于DSP2812具有强大数据处理能力和高运行速度，十分符合实验中的对于步进电机以及坐标控制。所以我们采用第二个方案。 1.3 各个部分模块方案比较与论证 （1）控制端核心控制器模块 控制端的控制器是实验中的控制核心部分，它用来控制智能小车的前进后退等动作，又要显示相关信息。所以，一个合理的控制中心必不可少的。 方案一：采用Silicon Laboratories公司的C8051F020单片机对电动小车进行控制。C8051F020单片机的功能比较强大。片内含CIP－51的CPU内核，它的指令系统与MCS－51完全兼容。其中的C8051F020单片机含有64kB片内Flash程序存储器，4352B的RAM、8个I／O端口共64根I／O口线、一个12位A／D转换器和一个8位A／D转换器以及一个双12位D／A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉／比较模块的可编程计数／定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。C8051F020单片机支持双时钟，其工作电压范围为2．7～3．6V（端口I/O,RST和JTAG引脚的耐压为5V）。与以前的51系列单片机相比，C8051F020增添了许多功能，同时其可靠性和速度也有了很大提高。而且价格适中，各种功能也易于实现控制。 方案二：采用STC 公司的STC89C52RC。其价格便宜，应用广泛，但是功能单一， 3

需要添加多个附加的模块，实现较为复杂；运行速度一般，抗干扰能力不是很强。 通过对以上两种方案的比较，我们选择了方案一，方案一采用的C8051F020单片机功能强大，价格适中，应用方便，是个合理的选择 （2）运动端核心控制器的选择 方案一：采用C8051F020单片机，该微处理器具体情况同上。 方案二：采用DSP2812微处理器。DSP2812是TI公司新推出的功能强大的TMS320F2812的32位定点DSP，是TMS320LF2407A的升级版本，最大的特点是速度比TMS320LF2407A有了质的飞跃，从最高40M跃升到TMS320F2812的150M，处理数据位数也从16位定点跃升到32位定点。最大的亮点是其拥有EVA、EVB事件管理器和配套的12位16通道的AD数据采集，使其对电机控制得心应手。DSP2812微处理器具有强大的分析、计算和可视化功能，利用DSP2812提供的数十个专业工具箱，可以方便、灵活地实现对自动控制、信号处理、通信系统等的算法分析和仿真。 通过比较，我们需要强大的计算能力与速度，故而选择第二种方案，采用DSP2812微处理器作为运动端的核心。 （3）车体的选择 车体是实验最基础的部分，涉及到小车能否稳定快速的按照预定轨迹行驶并实现超车。选择好车体尤为重要。 方案一：采用三轮小车 用两独立电机分别带动两车轮，再加一个万向轮，机械加工简单，成本低，但该小车不适合爬坡、倒退行驶。 方案二：采用履带式小车 履带式玩具电动小车的车体、车架和电机都是现成的，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，所购买的电动小车是由两直流电机控制的。电机一个控制左轮，另一个控制右轮，这小车的前样可以很好地实现进、后退、原地转弯等各种运动。 根据实验要求，我们选择方案二，履带式小车稳定快速且装卸方便。 （2）电源模块 方案一：铅酸电池供电，优点电流大，缺点重量太沉，携带不方便，也不便于在车上安装。 方案二：16V锂电池组供电，虽然它的持续供电时间不是很长时，但优点是体积小重量轻，电压也稳定得多。便于安装于车上且携带方便。 经过比较，我们选择方案二，16V电源经7812模块转化可以输出12V电压供给直流电机，其他模块可用7805转换成5V后再供电。 （3）驱动模块 电机模块选择是整个方案设计的关键，根据题目的要求，这需要对小车的精确控制，所以要产生不同的方波来驱动直流电机使小车精确行驶。 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。 （4）运动控制模块 4

在运动过程中，控制好小车在规定的区域内运功是小车完成任何题目要求的基础。为此，系统将对小车行驶线路控制、信息传递进行有效的控制。 线路控制：在规定区域上，智能小车利用步进电机，准确控制行走的距离。利用超声寻到障碍物冰将其推出规定区域，并将信息反馈给控制端。在不同的阶段，小车执行不同的程序。系统最终采取步进电机的精确计数以及DSP2812精确快速的计算能力以保证小车正常行驶。 信息传递：使用无线模块来进行控制端和运动端之间的交流，确定小车和障碍物的坐标位置，并在控制端显示器显示出来。 （5）显示模块 方案一：采用使用起来比较方便的LCD1602液晶显示屏。屏幕较小、便于放置，采用的而是并行接口，但是显示简单。 方案二：采用LCD12864显示屏，12864显示屏的尺寸大，亮度高，可以支持汉字的显示，显示效果好、显示的信息多。 通过对以上方案的比较，我们采用方案二。因为LCD12864能同时多行显示，而且亮度好，符合实验要求。 （6）寻物模块 智能小车需要在规定区域确定障碍物的位置，故而需要寻物模块寻找障碍物。 方案一：使用超声模块，超声波可以探射到很广的范围，虽然反应比较慢，但总体效果不错，调试也很简单。 方案二：使用红外模块，红外的探测更加精准，反应速度也较快，但它容易受到白色地面的干扰。 通过比较，我们采用了方案一。因为超声模块探测范围广，干扰容易控制。

1.4 结构框图 根据上面的分析论证，我们设计的系统的总体结构框图如图所示。 二、理论分析与计算

2.1 信号检测与控制 小车从规定区域启动后，在入口探测障碍物的位置，并将坐标传给控制端，自动行驶至障碍物前，将障碍物推出区域，并以是否遇到黑线来判断障碍物是否出了规定区域。本实验小车使用DSP2812作为运动端控制核心，控制步进电机的运动，超声采集的信号，由无线通信端将信息反馈给控制端，再由单片机将需要显示的数据传输给显示屏进行显示。

2.2 控制端和运动端之间的通信方法 本实验需要控制端和运动端相互配合工作才能实现，所以必须要有通信设备使两车可以实现交流，我们两车之间通信使用nRF24L01单片无线收发器，它可以发射和接收无线信息，从而实现两者之间的交流，显示障碍物坐标。

2.3节能 本实验选取16V环保锂电池作为供电电源，各模块都使用5V电压供电，电流消耗较小，12864LED显示屏处于低耗能的背光模式，符合当今社会绿色节能环保的理念。

三、电路与程序设计