2011年全国大学生电子设计竞赛C题.pdf
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1、1 目录摘要.31.设计任务及要求.4 1.1 设计任务.4 1.2设计要求.4 2.系统方案 .52.1 控制模块的论证与选择.5 2.2 电源模块的论证与选择.5 2.3 小车车体的论证与选择.6 2.4 电机模块的论证与选择.6 2.5 电机驱动模块的论证与选择.6 2.6 寻迹模块的论证与选择.7 2.7 避障模块的论证与选择.7 2.8 显示模块的论证与选择.7 2.9 按键模块的论证与选择.8 2.10 通信模块的论证与选择.8 2.11 方案选定 .9 3.系统的理论分析与计算.103.1 系统的信号检测与控制.10 3.1.1 系统的信号检测.10 3.1.2 系统的信号控制.
2、10 3.2 两车之间的通信方法.11 3.3 节能 .11 4.电路与程序设计.124.1 电路的设计 .12 4.1.1 系统总体框图 .12 4.1.2 控制器的电路设计.13 4.1.3 稳压电源的电路设计.13 4.1.4 电机驱动电路的设计.14 2 4.2 程序的设计 .15 4.2.1 程序功能描述与设计.15 4.2.2 程序流程图 .16 5.测试方法与测试结果.195.1 测试方案.19 5.2 测试条件与仪器.19 5.3 测试结果及分析.19 5.3.1 测试数据.19 5.3.2 测试分析与结论.19 参考文献.17附录 1.18附录 2.19附录 3.203 智能
3、小车的设计摘要:本作品以低功耗的ATmega16单片机为控制核心;MP2307稳压电路供电;使用光电传感器寻线和避障;LN298N驱动电机;以光电传感器来实现甲乙两车之间的通信;结合了 PWM 调速等技术,设计了一组智能小车。该小车的车体由控制、电源、按键、小车硬件、电机、电机驱动、寻迹、避障、显示和光电传感通信等十个模块组成,可用于无人驾驶、自动探测等人工智能领域。关键字:ATmega16、MP2307、光电、LN298N 4 1.设计任务及要求1.1 设计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
4、道如图1-1 所示。图1-1 赛车跑道1.2 设计要求1.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 1-1 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。2.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
5、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。5 2.系统方案本系统主要由控制模块、电源模块、按键模块、小车车体、电机模块、电机驱动模块、寻迹模块、避障模块、显示模块及通信模块组成,其结构框图如2-1 所示,下面分别论证这几个模块的选择。电源模块控制模块电机驱动模块寻迹模块避障模块小车车体电机模块显示模块按键输入2-1 智能小车的系统框图2.1 控制模块的论证与选择方案一:采用凌阳SPCE061A 小板作为主控制芯片,而且可以采用凌阳的小车模组,可以很快的完成其基本功
6、能,但是用该小板存在一定的局限性,较难扩展功能,而且各个模块的拼凑,没有比集成在一块板的稳定性高。方案二:采用ATmega16 作为主控制芯片,该芯片内部的Flsah、EEPROM、SRAM 容量较大;所有型号的Flash、EEPROM 都可以反复烧写、全部支持在线编程烧写(ISP);每个 IO 口都可以以推进驱动的方式输出高、低电平,驱动能力强;内部资源丰富,一般都集成AD、DA转换器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C 通信口、丰富的中断源等。具有 C 语言风格的汇编语言,有与标准 C 兼容的 C 语言,C 语言函数可以与汇编函数互相调用,使其开发更加容易,实现整个系统更加简单。因
7、此,采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片,能够准确的计算出时间,有很好的实时性。基于以上分析,我们选择了方案二,采用ATmega16 作为智能小车的主控制芯片。2.2 电源模块的论证与选择6 方案一:采用升压型稳压电路。用1 片 MC34063 芯片别将 3V的电池电压进行直流斩波调压,得到5V的稳压输出。只需使用一节电池,即节省了电池,又减小了系统体积重量。但该电路供电电流小,供电时间短,无法使相对庞大的系统稳定运作。方案二:采用由 MP2307构成的开关稳压电路。MP2307 具有转换效率高,速度快等优点。该器件可集成100m 功率 MOSFET 的负载,提供 3A的连续输出电流;
8、其带宽工作输入电压为4.75V 到 23V。电流模式控制可提供快速瞬态响应和cycle-by-cycle电流限制。可编程的软启动可防止涌流在开通和关断模式下,电源电流可降至低于1A;具有耐热增强型的8-pin SOIC包装,可满足题目中小车的节能要求。基于以上分析,我们选择了方案二。采用MP2307 稳压电路。2.3 小车车体的论证与选择方案一:自己制作智能小车。一般的说来,自己制作的车体比较粗糙,车身重量以及平衡都要有精确的测量,而且也要控制好小车行驶的路线和转弯的力矩及角度,这些都比较难很好地实现。方案二:购买车模。购买的车模具有完整的车架车轮,其左右两轮的转动动轴在电机的驱动下可精确调节
9、转弯角度。车模具有如下优点:首先,这种车模由于装配紧凑,使得各种所需电路的安装十分方便,看起来也比较美观。其次,车模是依靠电机与相关齿轮一起驱动,能实现小车的准确前进、转弯、后退、停止等功能。基于以上分析,我们选择了方案二。2.4 电机模块的论证与选择方案一:采用步进电机作为该系统的驱动电机。其转过的角度可以精确的定位,可实现小车前进路程和位置的精确定位。但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,不适用于小车等有一定速度要求的系统。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
10、速)齿轮组,可以产生大扭矩。对于直流电机的速度调节,可以采用改变电压的方法,也可采用 PWM 调速方法。PWM 调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式,通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。综合考虑后,选择方案二。采用直流减速电机作为驱动电机。2.5 电机驱动模块的论证与选择方案一:采用SM6135W 电机遥控驱动模块。SM6135W 是专为遥控车设计的大规模集成电路。能实现前进、后退、向右、向左、加速五个功能,但是其采用的是编码输入控制,而不是电平控制,这样在程序中实现比较麻烦,而且该电机模块价格比较高。7 方案二: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
11、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。综合考虑后,选择方案二。采用LN298N作为电机驱动芯片。2.6 寻迹模块的论证与选择方案一:采用发光二极管+光敏电阻,该方案缺点:易受到外界光源的干扰,有时甚至检测不到黑线,主要是因为可见光的反射效果跟地表的平坦程度、地表材料的反射情况均对检测效果产生直接影响。克服此缺点的方法:采用超高亮度的发光二极管能降低一定的干扰,但这又会增加检测系统的功耗。方案二:采用光电传感器。由于光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成
12、光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器,光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多且结构简单。综合考虑后,选择方案二。采用光电传感器作为检测元件。其电路原理图如图 2-2 所示。图 2-2 光电传感器电路图2.7 避障模块的论证与选择方案一:采用激光距离检测器实现。它是利用激光时间测距原理。在漫反射测量模式下,即使处于闪亮的背景前,这类检测器仍可远距离测量表面特性复杂的细小物体。如果测量范围较远,则应采用镜反射模式检测其距离。在这种模式下的可靠测量距离可远达500m。方
13、案二:采用光电传感器。由于光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器,光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多且结构简单。结合题目要求并考虑经济和使用性等因素,选用方案二来实现。其电路图如图2-1所示。8 2.8 显示模块的论证与选择方案一:采用字符型LCD显示。LCD具有低功耗、长寿命、高可靠性等特点,可显示英文、汉字及数字。利用单片机来驱动液晶显示模块,设计简单,且界面美观舒适,耗电少。但根据设计
14、方案,采用计数的方式测距,计标志线的数目。方案二:采用 LED发光二极管的方式显示。LED发光二极管亮度高,醒目,且能达到设计要求。综合考虑后,选择方案二,采用LED发光二极管显示来计数。其电路图如图 2-3 所示,使用 PC0 PC3口所接的四个发光二极管,以十六进制的方式显示。图 2-3 显示电路2.9 按键模块的论证与选择方案一:矩阵键盘虽然占用单片机的端口少,节约单片机的硬件资源,但是电路设计较为复杂,开发时间相对较长,软件设计也相对复杂,主要针对多键盘设计,适用于控制要求高、控制功能多的系统。方案二:采用简单键盘,设计简单,易于实现。键盘在系统中主要作运行控制选择,简单键盘减少了系统
15、的复杂度。基于以上分析,我们选择了方案二。按键部分作为系统的输入,由于ATmega16 的每个 IO口都有内部上拉电阻,因此只要在单片机编程时使能相应的上拉电阻,那么这个部分便不需要任何其它元件,设计较为简单。按下图设计按键后,当有按键按下时对应引脚得到低电平。电路图如图 2-4所示。其中 PC0 口所接按键控制单次运行,PC1 口所接按键控制超车运行。图 2-4 按键电路图9 210 通信模块的论证与选择方案一:采用 315M 单工无线通信模块实现。单片机传输的数据用PT2262 进行编码后送给无线发射模块,实现近距离载波信号的传输。数据的接收则采用了超再生接收的原理,接收到信号后要经过配套
16、的解码芯片PT2272 解码,然后传送给单片机进行数据处理,以执行操作。两模块之间信号是采用ASK(幅移键控)方式进行调制,以降低功耗,当数据信号停止时发射电流降为零,数据信号与发射模块输入端用电阻直接连接。数据电平应接近数据模块的实际工作电压,以获得较高的调制效果。方案二:采用光电传感器作为两车之间的通信方式。由于光电传感器是采用光电元件作为检测元件的传感器。它首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。它一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器,光电检测方法具有精度高、反应快、非接触等优点,而且可测参数多且
17、结构简单。为了确保两车在运行及超车过程中的准确性及快速行,光电传感器完全满足要求,且与315M 单工无线通信相比有节能的功效。综合考虑后,选择方案二。2.11 方案选定经过仔细的分析和论证,决定了系统各模块的方案如下:控制模块:采用 ATmega16 作为智能小车的主控制芯片;电源模块:采用由MP2307 构成的开关稳压电路;小车硬件模块:采用购买的玩具电动车外围硬件;电机模块:采用直流减速电机作为驱动电机;电机驱动模块:采用LN298N作为电机驱动芯片;寻迹模块:采用光电传感器作为寻线检测元件;避障模块:采用光电传感器作为避障检测元件;显示模块:采用 LED发光二极管显示实现计数;按键模块:
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- 2011 全国大学生 电子设计 竞赛
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