1、 編號：編號：C 甲甲00102 2011 年年全國全國大學生大學生電電子子設計競賽設計競賽智能小車（智能小車（C 題）題）參賽隊員：張紀寬高 軍朱真真專 業：電氣工程與自動化電子信息科學與技術I智能小車摘摘 要要：本系統主要設計和制作了甲乙兩輛智能小車，使用軟件編程控制小車完成交替超車。兩車均采用兩片 ATmega16 單片機作為主控芯片，使用L298N 驅動兩個減速電機為小車提供動力，行進中使用激光發射與接收模塊檢測路面標志線，運用 NRF2401 無線傳輸模塊實現甲乙兩車的即時通訊，在兩車行駛過程中通過無線通信

2、確定哪輛車在前面，當到達超車區時后面的車趕超前面的車從而實現交替超車。本系統還增加了光電傳感器用于防止小車撞車，并通過 12864 液晶屏實時顯示小車行進的時間和行駛的圈數。經過多次測試，小車運行良好，能夠很好的完成基本部分和發揮部分的要求。關鍵詞關鍵詞：無線通信；激光檢測；交替超車；Atmeg16 單片機；光電開關Abstract: This system mainly design and the manufacture of the a b two vehicles intelligence, use the software control car finish alternate o

3、vertake. Two car all USES two pieces of ATmega16 monolithic processor as the main control chip, using L298N drive two reduction motor for the car to provide power, using a laser on the emitting and receiving module inspection mark line, use the NRF24L01 wireless transmission modules realize a b two

4、car of instant messaging, in two driving process through the wireless communication determine which car in front, and when you get to the overtaking area the car behind, catch up the car in front and thus realizes the overtaking alternately. The system also increases the photoelectric sensor used to

5、 prevent the car crash, and through the 12864 LCD displays real time travel time and driving the car number of turns. After DuoCi test the car is running well, be better able to complete basic part and play a part of the request.Keywords: wireless communication;laser detection alternate;Atmeg16; ove

6、rtaking photoelectric switch;single-chip microcomputerII目 錄1.系系統結統結構和功能介構和功能介紹紹.11.1 設計任務與要求.11.1.1 設計任務.11.1.2 設計要求.11.2 理論分析與計算.11.2.1 信號檢測與控制.11.2.2 兩車之間的通信方法.11.2.3 系統節能減排方面的優化設計.11.3 系統基本方案.11.4 各模塊方案的選擇與論證.21.4.1 控制器的選擇與論證.21.4.2 電機的選擇與論證.21.4.3 電機驅動電路的選擇與論證.31.4.4 無線通訊模塊的選擇與論證.31.4.5 標志線檢測傳感器

7、的選擇與論證.32.系系統統硬件硬件設計設計.42.1 ATMega16 的最小系統 .42.2 nRF24L01 無線收發模塊.42.3 電機驅動的電路設計.52.4 激光傳感器收發電路.63.軟軟件件設計設計.63.1 系統主程序流程圖.64.系系統測試統測試.74.1 測試方案及測試條件.74.2 測試表格.74.3 測試結果分析.75.結結束束語語.86.參考文獻參考文獻.8附附錄錄.911. 系統的結構和功能介紹1. 1 設計任務與要求設計任務與要求1.1.1 設計任務設計任務設計并制作甲乙兩輛小車通過軟件編程，完成甲乙交替超車領跑的功能。1.1.2 設計要求設計要求1甲乙分別從起跑

8、線開始，在跑道上各正常行駛一圈。2將甲乙分別放置在規定位置并同時啟動，乙車通過超車標志線后在超車區內實現超車功能，并先于甲車到達終點標志線，即第一圈實現乙車超過甲車。兩車繼續行駛，甲車檢測到超車標志線后在超車區實現超車。3甲、乙兩車繼續行駛第三圈和第四圈，并交替領跑。4重新設定甲車起始位置（在離起點標志線前進方向 40cm 范圍內任意設定），實現甲、乙兩車四圈交替領跑功能。1. 2 理論分析與計算理論分析與計算1.2.1 信號檢測與控制信號檢測與控制采用激光傳感器用于檢測路面標志線，在車頭的左中右三側分別裝上激光傳感器。當檢測到黑線時，指示燈亮，小車做相應運動；當檢測到白線時，指示燈滅，小車沿

9、直線行駛。1.2.2 兩車之間的通信方法兩車之間的通信方法系統采用 NRF2401 無線傳輸模塊用于兩車的通信。當到達超車區時，最先檢測到超車標志的小車向后面的小車發出信號，并立即減速。后面的小車檢查測到前面小車發出的信號后，加速行駛完成超車運動。超車完成后前面的小車再發出信號通知后面的小車超車已完成，最后兩車都以正常的速度行駛。1.2.3 系統節能減排方面的優化設計系統節能減排方面的優化設計為實現節能減排、綠色環保的目的我們采用功耗比較小的直流減速電機和ATMEGA16 單片機，并且使用體積最小，功耗最低的 NRF2401 無線傳輸模塊。在小車的設計中盡量的采用體積小、重量輕的元器件等，用于

10、減輕小車的重量，降低小車運行時的功耗。1.3 系統基本方案系統基本方案本系統使用兩片 ATmega16 單片機作為核心控制芯片， 采用 L298 芯片驅動直流減速電機，并使用 NRF2401 無線傳輸模塊實現兩車即時通訊，控制兩車的速度完成超車，使用 12864 液晶顯示屏實時顯示，超車前后會發出語音提示人機界面人性化、直觀化。，系統的整體框圖如圖 1 所示。 2圖圖 1 系統框圖系統框圖1.4 各模塊方案的選擇與論證各模塊方案的選擇與論證1.4.1 控制器的選擇與論證控制器的選擇與論證方案一：采用 ATMEL 公司的 AT89S52 單片機52 單片機軟件編程靈活，自由度大，可用軟件編程實現

11、各種算法和邏輯控制，成本低，被各個領域廣泛應用。但 52 單片機功耗較大，內存只有 8Kb，驅動能力差，速度較慢，考慮到本系統軟件編程較為復雜，對單片機內存要求較高，需要精確的計時等功能，因此，我們放棄了這個方案。方案二：選擇 ATMEL 公司的 ATmega16 單片機AVR 單片機具有體積小、集成度高、功耗低（3.3V 電壓）、可直接輸出兩路PWM、中斷處理能力強等特點，內嵌 16k FLASH，處理速度高，自身帶有 PWM 功能和 AD 轉換功能，運算速度快，驅動能力強，性價比高，符合低功耗標準。為簡化電路和降低功耗我們采用方案二。1.4.2 電機的選擇與論證電機的選擇與論證方案一：使用

12、步進電機作為驅動部分步進電機的優點在于轉速以及轉動距離易于調節，便于軟件控制。缺點是：體積大，功耗大，價格高，轉速相對較慢，低速運行時易出現低頻振動現象。方案二：使用直流電機作為驅動部分其優點在于調速精度比較高，調速性能優良，調速方便、調速方式多，力矩大，工作效率高、應用范圍廣、體積比較小且關停時耗能也小；控制的精確度雖然沒有步進電機那樣高，但完全可以滿足題目的要求，在價格方面相對于步進電機相對便宜。3因為小車運行需要較高的速度，所以我們選擇用動力和力矩較大的直流電機來驅動小車，綜上所述為實現系統的功耗和性能的最優化，我們采用方案二。1.4.3 電機驅動電路的選擇與論證電機驅動電路的選擇與論證

13、方案一：采用 MOS 管構成的 H 橋通過 H 橋搭建的 H 橋電路，可以提高效率，降低功耗，但 MOS 管構成的 H 橋實現起來比較復雜，同時管子的參數不同，很難避免 MOS 管發熱燒壞等問題。方案二：采用 L298 驅動模塊L298 內含四個驅動通道，輸出電流可達 4A，并且此芯片專門為電機驅動設計使用，工作性能穩定。通過 L298 控制電機的正反轉，可以很好的控制小車的速度與轉向，而且成本低，使用起來簡單方便。考慮到產品的成本和系統的性能我們決定使用 L298 電機驅動芯片，采用方案二。1.4.4 無線通訊模塊的選擇與論證無線通訊模塊的選擇與論證方案一：采用紅外光方式。紅外通信只適用于室

14、內靜止或慢速移動中的點對點通信，方向性要求高，對于運動的小汽車在傳輸過程中易產生誤碼，性能不穩定。無法滿足系統的要求。方案二：采用 Nordic 公司生產的 nRF24L01 芯片。該芯片超低功耗（發送 10.5mA-5dBm；接收 18mA），nRF2401A 支持多點間通信，最高傳輸速率超過 1Mbit/s, 它采用 Soc 方法設計，需要極少的外圍電路，且沒有復雜的通信協議，工作電壓范圍寬（1.9V 到 3.6V），基于 nRF2401A 的工作原理，自行設計了無線收發電路，完全可以達到設計的要求。更為重要的是 nRF2401A 價格經濟，是業界體積最小、功耗最少、外圍元件最少的低成本射

15、頻系統級芯片。 從電路工作的穩定性，低功耗及性價比的角度考慮，我們選擇方案二。1.4.5 標志線檢測傳感器的選擇與論證標志線檢測傳感器的選擇與論證方案一：使用 TK-20 黑白線檢測傳感器TK-20 黑白線檢測傳感器是 TK-10 的升級版，有效探測距離達 5cm。雖然具有受可見光干擾小，使用方便的優點，但是檢測的精度比較低，需要傳感器的個數較多，且道路參數的檢測種類少，檢測的前瞻距離比較小，不能滿足精確控制的要求。方案二：利用激光發射接收裝置進行檢測。激光發射接收裝置由激光發射器、激光接收器組成。它的優點是能實現無接觸遠距離測量，速度快，精度高，量程大，抗光、電干擾能力強等可以很好的完成對路

16、面的檢測，精確控制小車的行駛的路徑。為簡化設計和實現對小車的精確控制，我們決定采用方案二。42. 系統硬件設計2.1 ATMega16 的最小系統的最小系統ATMega16 的最小系統包括復位電路、ISP 接口、JTAG 接口、PAPD 四個端口全部引出，支持 JTAG 仿真。ATmega16 最小系統電路圖如圖 2 所示：圖圖 2 ATMEGA16 最小系統最小系統2.2 nRF24L01 無線收發模塊無線收發模塊無線收發子系統以 nRF24l01 芯片為核心，輔助以穩壓部分、晶振部分、無線部分電路。電壓 VDD 經電容 C1、C2、C3 處理后為芯片提供工作電壓，晶振部分包括Y1、C9、C

17、10,當晶振設為 16MHz 時，通信速率為 1Mbps，天線部分包括 L1、L2，用來將 nRF2401A 芯片的 ANT1、ANT2 管腳產生的 2.4G 電平信號轉換為電磁波信號，或者將電磁波信號轉換為電平信號輸入芯片的 ANT1、ANT2 管腳。子系統框圖如圖 3所示，電路具體原理圖如圖 4 所示。圖圖 3 子系統原理框圖子系統原理框圖510uFC110nFC21nFC31.0pFC41.0pFC52.2nFC622pFC733nFC815pFC915pFC10VDDCE1DR22CLK23DATA24CS5DR16CLK17DATA8DVDD9VSS10XCLK211XCLK112V

18、DD_PA13ANT114ANT215VSS_PA16VDD17VSS18IREF19VSS20VDD21PER_UP23VDD24VSS22nRF2401A22KR11MR212Y116MHz22nHL13.6nH L2ANTPER_UPCEDR2CLK2DATA2CSDR1CLK1DATA11KR3DS1LED0VDDPOWER圖圖 4 無線收發子系統原理圖無線收發子系統原理圖2.3 電機驅動的電路設計電機驅動的電路設計由于要驅動兩個電機，顯然只需利用 MMC_1 的兩個通道，將 MMC_1 的CH1DCPWM 端、CH1DCDIR 端、CH2DCPWM 端、CH2DCDIR 端分別與 L

19、298 的 4個輸入端相連，利用 SPI 模式軟件編程控制，電路原理圖如圖 5 所示。VCC+12VOUT1OUT2OUT3OUT4OUT1OUT2OUT3OUT4+1-2A-+MOTOR1Motor Servo+1-2A-+MOTOR2Motor Servo1234IN1MOTOR11MOTOR12104C4100uFC3+12VMOTOR21MOTOR22MOTOR12MOTOR11MOTOR21MOTOR22VCCEN A6EN B11IN15IN27IN310IN412OUT12OUT23OUT313OUT414ISEN A1ISEN B15VS4VSS9GND8U2L298N1234

20、56789P1Header 9VCCR1R2R3R4R5R6R7R8R1R2R3R4R5R6R7R8D1LED2D2LED2D3LED2D4LED212P2Header 212P3Header 2VCC123P4Header 3VCC+12VGNDGND104C2100uFC1GNDVCCD5Diode 1N4007D6Diode 1N4007A1K2D8Diode 1N4007D7Diode 1N4007D9Diode 1N4007D10Diode 1N4007D12Diode 1N4007D11Diode 1N4007112233445566778899101011111212131314

21、1415151616U1Component_10.5R10.5R2圖圖 5 直流電機驅動電路直流電機驅動電路62.4 激光傳感器收發電路激光傳感器收發電路發射部分，經過調制管，便輸出 180khz 的頻率，經過三極管 8050 放大之后驅動發射管，使發射管以 180KHZ 的頻率，20%-30%的占空比發射出 650nm 的光線，經過反射后，接收管接收到反射回來的黑白信號，輸出高低電平，由單片機識別，從而達到識別路徑的功能。發射和接收原理電路圖如圖 6 所示。 圖 7 接收部分 圖圖 6 發發射射和接收原理電路圖和接收原理電路圖3. 軟件設計3.1 系統主程序流程框圖系統主程序流程框圖系統主要

22、通過檢測起點標志線的個數來計算小車跑的圈數，當甲乙中任何一個先檢測到超車標志就會通過無線傳輸模塊向另一輛小車發出超車信號完成替超車。開始小車啟動初始化轉彎進入超車區前進超車調整是超車線是邊界線是轉彎標志線是是是圖圖 7 主程序流程圖主程序流程圖停止停止停止停止停止GNDVCCNCU?制制制VCC22R?22R?Q?8050D?LED VCCGNDGND120R?GNDVCCOUTU?制制制VCCGND4K7R?VCC1K5R?D?LED104C?74. 系統測試4.1 測試方案及測試條件測試方案及測試條件在室內環境下使用按規定制作的跑道，依次測試兩輛小車分別跑一周運行的時間，超車運行一周的時間

23、，改變初始位置運行一周的時間等，通過多次測試后求出平均值。4. 2 測試表格測試表格表一：甲乙兩車分別運行一周的時間表一：甲乙兩車分別運行一周的時間第一次第一次（百分秒）（百分秒）第二次第二次（百分秒）（百分秒）第三次第三次（百分秒）（百分秒）第四次第四次百分秒）百分秒）平均值平均值（百分秒）（百分秒）甲18501825193019151815乙19322010205319621992表二：第一輪超車運行一周的時間表二：第一輪超車運行一周的時間第一次第一次（百分秒）（百分秒）第二次第二次（百分秒）（百分秒）第三次第三次百分秒）百分秒）第四次第四次（百分秒）（百分秒）平均值平均值（百分秒）（百分

24、秒）甲22502225233023152320乙22322310215322622214表三：第二輪超車運行一周的時間表三：第二輪超車運行一周的時間第一次第一次（百分秒）（百分秒）第二次第二次（百分秒）（百分秒）第三次第三次（百分秒）（百分秒）第四次第四次（百分秒）（百分秒）平均值平均值（百分秒）（百分秒）甲22552277230322452230乙223223102353236223184.3 測試結果分析測試結果分析由于小車暴露在外界環境中測試時難免會受到外界環境的干擾，因此測試結果會存在一些誤差。而且在經過多次測試后電池的電量有所損耗，不能保證每次提供的電量都相等。所以小車的運行時間會有

25、較小的差距，經過多次測試和分析后可以得出結論：小車運行的時間在 22 秒左右，其所產生的誤差都在誤差允許范圍內，能夠較好的滿足設計的要求。85. 結束語本系統使用兩片 ATMEGA16 作為主控芯片，該系統主要由 NRF2401 無線收發模塊、L298N 驅動模塊、激光檢測模塊、顯示模塊等組成。小車行駛過程中使用激光檢測器檢測標志線，NRF2401 無線收發模塊實現兩車的通訊，我們還增設了光電開關防止小車相撞，并使用 12864 實時顯示小車運行的時間和運行的圈數等功能，使系統更加直觀。在這次設計中我們完成了基本部分和發揮部分的要求，經過測試很好的滿足了題目的要求。當然在比賽中我們也遇到了很多

26、困難，比如在激光的檢測黑白線的過程中調試了很多次效果都不是很理想，小車的實際轉速與理論值不相符等等，但是功夫不負有心人經過小組成員的相互討論和統一協作我們終于將問題解決了。通過這次比賽我們不但增強了實踐能力和協作精神，而且懂得了理論聯系實際的重要性，這對我們以后的工作和學習都將是一筆寶貴的財富。由于經驗不足，我們的設計和制作中難免還存在著一些缺陷，需要進一步改正，再此希望各位評委老師能夠給予批評指正。最后感謝大賽組委會和學校能夠給我們提供這次鍛煉的機會。6. 參考文獻【1】 陳杰,黃鴻編著. 傳感器與檢測技M.高等教育出版社,2002【2】卓晴,黃開勝,邵貝貝著,學做智能車M.北京航空航天大學

27、出版社，2007【3】華成英,童詩白.模擬電子線路基礎M.北京：高等教育出版社，2006【4】康華光.數字電子技術基礎M.北京：高等教育出版社，2005【5】 嚴國萍,周龍占著.通信電子線路基礎M.北京：科學出版社，2006 9附附 錄錄1 元器件清單元器件清單名稱名稱型號型號數量數量簡易小車2 輛Avr 單片機ATMEGA162 片無線收發模塊NRF24012 個激光傳感器模塊6 個光電開關C38-D50NK2 個LCD 屏12864 液晶顯示器2 個鋰電池3.7V8 節電池盒2 個2 主要程序主要程序/甲車#include L298.h/#include wuxian.h#include

28、delay.h#include 12864.h#pragma interrupt_handler int0:2 #pragma interrupt_handler int1:3 /聲明中斷 1 /#pragma interrupt_handler int1:3 uchar com;/2401 接受uchar hengxian=0;/檢測橫線uchar chaoche=0;/檢測超車標志void PWM_INIT(void) DDRD|=BIT(4)|BIT(5);/設置為輸出 PWM TCCR1A=0XA2;/1010 0011 CO1M1A1,CO1M1A0,CO1M1B1,CO1M1B0=

29、1010 TCCR1B=0X1A;/0001 1010 WGM13 WGM12 WGM11 WGM10=1110 模式 14ICR1;CS12 CS11 CS10=010 為 8 分頻 ICR1=999;/f=1K 8M 晶振 TOP=FOSC/Focn/N-1 /OCR1A=468.75;/2.5ms 8M 晶振 /OCR1B=92.75;/0.5ms 8M 晶振 void PWM_CTR(uint a,uint b) OCR1A=a;/2.5ms 12M 晶振 左邊10 OCR1B=b;/0.5ms 12M 晶振 右邊uchar a=0,biaozhi=0;void init_INT0(v

30、oid) SREG|=BIT(7); MCUCR=0X02;/ 下降沿中斷 GICR=0XC0;/*void init_INT1(void) SREG|=BIT(7); MCUCR&=0X00;/ 低電平中斷 GICR=0X40;*/void int0(void) a+;biaozhi=1;void int1(void)/蜂鳴器 PWM_CTR(500,500); void main(void) delay_ms(1000); init_L298(); /SPI_Init(); /RF2401_Init(); /DDRA|=BIT(7); PWM_INIT(); init_INT0()

31、;/ lcd_init(); while(1) if(biaozhi=1)11 biaozhi=0; if(a=1)/起跑線 forward();/一起前進 PWM_CTR(830,800); delay_ms(10); /延時 1s if(a=2)/第 1 個轉彎 forward();/一起前進 PWM_CTR(825,950); delay_ms(600); /延時 1s if(a=3)/第 2 個轉彎 forward();/一起前進 PWM_CTR(825,950); delay_ms(600); /延時 1s if(a=4)/超車標志 chaoche+; forward();/一起前進

32、 PWM_CTR(825,950); delay_ms(600); /延時 1s if(a=9)/第四個轉彎 forward();/一起前進 PWM_CTR(825,950); delay_ms(600); /延時 1s if(a=10)/起跑線 a=1; forward();/一起前進 PWM_CTR(825,800); delay_ms(100); /延時 1s12 /* if(!(PINB&0X02)/僅中間 白線高，黑線低 hengxian+;/檢測黑線數目forward();/一起前進PWM_CTR(820,800);/全速delay_ms(200);if(!(PINB&am

33、p;0X02)/又檢測到表示超車標志區 chaoche=1; forward();/一起前進 PWM_CTR(700,950); delay_ms(500); /延時 1selseif(PINB&0X02)/未檢測到表示轉彎標志線 chaoche=0; forward();/一起前進 PWM_CTR(700,950); delay_ms(500); /延時 1s else*/ /僅左側 白線低，黑線高 if(PINB&0X01)/僅檢測到左面 PB0 delay_ms(20); /左右同時檢測到 白線低，黑線高 if(PINB&0X01)&(PINB&0

34、X04)/僅檢測到右面 PB2 forward();/直線 PWM_CTR(822,800); else if(PINB&0X01)&(!(PINB&0X04) A_runB_back();/大右拐 PWM_CTR(500,750); else13 /僅右側 白線低，黑線高 if(PINB&0X04)/僅檢測到右面 PB2 delay_ms(20); /左右同時檢測到 白線低，黑線高 if(PINB&0X01)&(PINB&0X04)/僅檢測到右面 PB2 forward();/直線 PWM_CTR(822,800); else if(!(PINB&0X01)&(PINB&0X04) A_backB_run();/大左拐 PWM_CTR(750,500); else if(!(PINB&0X01)&(!(PINB&0X02)&(!(PINB&0X04) forward();/一起前進 PWM_CTR(822,800); /顯示橫線數 /*lcd_weizhi(0,0);/從第 1 行，第 0 列開始write_date(dis1hengxian/100);lcd_weizhi(0,