南京林业大学第二组简易小车（C题）摘要：本设计以设计题目的要求为目的，采用STC单片机（STC12C5604AD）作为智能小车的控制和检测核心，实现小车的路线识别、快慢速行驶等功能，采用SRWF-501无线通信模块实现两辆小车的无线通讯，选择正确的行进路线超车等功能。
采用反射式光电传感器(ITR200001-T)感知与木工板面颜色有较大差别的胶带边框作为引导。
运用高电压大电流的全桥驱动芯片L298N作为电机驱动芯片，驱动电机采用直流减速电机，电机控制方式为单向PWM控制。
整个电路设计简单，可靠性高。
关键词：智能控制光电检测无线通讯 PWM脉宽调制智能小车Simple Intelligentized Electric Motors Automobile Abstract ：This design that focus on the competition task as the purpose, based on the single chip, STC12C5604AD, which is the center of controlling and detection of the intelligent car, to achieve the function of track identification and alterable speed. The design is used the wireless model SRWF-501 to realize two intelligent cars’ wireless communication and choosing the right movement track to overtake. To use the reflected photoelectric sensor and the rubber belt frame which has an obvious distinguish with the wood board as the guidance. The drive dynamo apply the style of direct current and ability of slowing down, the way of controlling dynamo is controlling of PWM. The whole circuit has a clear and simple design and also high quality.Key word: intelligently control, reflecting-infrared sensors, wireless communication ，PWM, intelligent automobile目录1.系统方案选择和论证 (4)1.1 题目要求 (4)1.1.1 基本要求 (4)1.1.2 发挥部分 (4)1.2系统基本方案 (5)1.2.1各模块方案选择和论证 (5)1.2.2 系统各模块的最终方案 (9)2 系统的硬件设计与实现 (10)2.1 系统硬件的基本组成部分 (11)2.2 主要单元电路的设计 (11)2.2.1 检测部分的单元电路设计 (11)2.2.2 智能控制部分的单元电路设计 (12)3 系统的软件设计 (14)3.1寻轨迹子程序 (14)3.2 绕障碍物子程序 (14)3.3 其他子程序 (16)3.4 系统主程序流程图 (16)4 系统测试 (17)4.1 测试仪器 (17)4.2指标测试 (18)4.2.1 光电检测部分测试 (18)4.2.2 前轮驱动电路 (18)4.2.3 系统实现的功能 (19)4.3 结论 (19)5 总结 (19)参考文献 (19)附录 (20)附录1：元器件清单附录2：系统电路图附录3：程序清单附录4：系统使用说明1. 系统方案选择和论证1.1 设计要求1.1.1任务甲车车头紧靠起点标志线,乙车车尾紧靠边界，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。
跑道如图1.1.2 基本要求（1）甲车和乙车分别从起点标志线开始，在行车道各正常行驶一圈。
（2）甲、乙两车按图1 所示位置同时起动，乙车通过超车标志线后在超车区内实现超车功能，并先于甲车到达终点标志线，即第一圈实现乙车超过甲车。
（3）甲、乙两车在完成(2)时的行驶时间要尽可能的短。
1.1.3 发挥部分（1）在完成基本要求(2)后,甲、乙两车继续行驶第二圈，要求甲车通过超车标志线后要实现超车功能，并先于乙车到达终点标志线，即第二圈完成甲车超过乙车，实现了交替领跑。
甲、乙两车在第二圈行驶的时间要尽可能的短。
（2）甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈，并交替领跑；两车行驶的时间要尽可能的短。
（3）在完成上述功能后，重新设定甲车起始位置（在离起点标志线前进方向40cm范围内任意设定），实现甲、乙两车四圈交替领跑功能，行驶时间要尽可能的短。
1.2 系统基本方案对题目分析，可将系统划分为控制部分和信号检测部分。
其中信号检测部分包括：黑线探测模块、障碍检测模块、无线通讯模块，控制部分包括：控制器模块、电机驱动模块，五个基本模块，模块框图如图1.2.1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1.2.1 小车的基本模块方框图1.2.1各模块方案选择和论证（1）控制器模块根据题目要求，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、控制车速与运行的时间以及小车超车的运动状态。
对于控制器的选择有两种方案。
方案一：采用FPGA（现场可编程门列阵）作为系统的控制器。
FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，它具有规模大，密度高，体积小等优点，可应用EDA软件仿真、调试，易于进行功能扩展。
FPGA采用并行的输入输出方式，适合作为大规模实时系统的控制核心。
由检测模块输出的信号并行输入FPGA，FPGA通过程序设计控制小车做出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。
方案二：采用STC12C5604AD作为系统控制器。
单片机有功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，而且算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制。
故选择方案二，小车单片机控制的方框图如图1.2.2所示。
在本设计中减少了外围设备。
图1.2.2 单片机控制的方框图（2）障碍检测模块障碍检测模块是用来判断甲车前方是否有另一辆小车乙。
为了确保甲车在行驶过程中避免撞到乙车，系统需要利用传感器测出两小车的距离，使甲做出正确的动作，避免与乙车相碰。
对于测距传感器的选择有以下几种方案。
方案一：采用超声波传感器。
由于超声波的波长短，能够反射、折射，也能聚焦，而且遵守几何光学上的定律。
即超声波射线从一种物质表面反射时，入射角等于反射角。
超声波具有较好的指向性，频率越高，指向性越强。
声波在空气中传播的速度约为345m/s，根据公式：2S=V·T（S≤2m）可知T≤1.16×10-2s，这在单片机的机器周期内，易于逻辑判断。
应用单片机发射和接收超声波传感器信号的方框图如图1.2.5所示。
图1.2.3 应用单片机发射和接收超声波传感器信号的方框图超声波虽然具有高灵敏度、耐高、低温度、等优点。
但是超声波漫反射不利于接收，精度较低，成本比较高。
方案二：采用E18-D80NK红外避障传感器。
该传感器是一种集发射与接收于一体的光电传感器，具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等优点。
图1.2.6红外避障电路（3）路面检测控制模块路面检测控制模块实现小车在轨道区域内行驶，在行驶的途中不能超出轨道。
由于轨道有黑色边框，可以利用光电传感器辨认路面两种不同状态。
因为红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在电动车行驶过程中红外发射管不间断地向地面发射红外光，由于红外光电传感器IRT20001是一种光电子扫描，光电二极管发射，三极管接收并输出的装置，它的特点是尺寸小、使用方便、信号高输出、工作状态受温度影响小。
它的外围电路简单，二极管的C端和三极管的E端接地，二极管的A端通过电阻和电源相接，组成偏置电流电路；三极管的C端也通过电阻和电源相接，组成输出电路。
当检测器检测到白色时，其输出低电平；当检测到黑色时，则输出高电平。
图1.2.1IRT20001光电传感器根据以上分析，选择方案二。
采用三个光电传感器，其中两个分别布于小车两侧，分别探测是否超出左右两侧黑线。
中间伸出小车前方，用于探测转弯线和起始信号线。
下表为传感器的状态和小车状态表。
表1.2.2 光电传感器状态表（4）电机驱动模块电机的驱动电路主要通过电机的正转和反转实现小车的前后或者左右的方向选择。
对于电机驱动电路有下面的几种方案。
方案一：采用继电器对电机的开关控制。
图1.2.8中所示，应用光耦将单片机与驱动电路隔开，控制光耦EL817的导通与关闭让小车左转与右转。
此方案简单清晰，但是响应慢，控制不灵活，寿命较短，可靠性也不高。
图1.2.8 继电器式电机驱动电路方案二：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。
使用该芯片驱动的好处是在额定的电压和电流内使用非常方便可靠，可以缩小PCB板。
可以使用PWM调控。
基于上述理论分析，拟定方案三。
本设计中有左右两轮的驱动电路，后轮为万向轮。
图1.2.9L298N电机驱动电路（5）无线通讯模块本方案在使用SRWF-501作为无线发射模块，该模块不仅具有高效FEC前向纠错技术结合高性能的无线射频IC CC1020，而且还是高速微处理器相结合开发出的一款无线通信模块，可与SRWF-505、SRWF-506等进行无线通信。
该无线通信模块具有很强的抗干扰能力, 全透明传输, 体积小,功耗低传输距离远的特点，不需要任何编码技术。
SRWF-501在传输上误码率低，多信道，多速率，采用高性能单片处理器ATMega8L,外围电路少，可靠性高，故障率低。
其接口方式如下图。
1.2.2系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证，决定了如下的系统各模块的最终方案：（1）控制器模块：采用STC12C5604AD单片机控制（2）路线检测模块：采用IRT20001光电传感器（3）障碍检测模块：采用E18-D80NK光电传感器（4）电机驱动模块：采用L298N控制电机（5）无线通信模块：采用SRWF-501型无线收发设备。