全国电子设计竞赛控制类03年赛题---简易智能电动车完整版设计报告

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本设计以一片单片机STM32F103RB作为核心来控制自动往返小车， 加以控制
! e) ~% X% X7 ?- S4 p) a. N0 p芯片L298N和单片机联合控制小车的前进与后退。路面的黑带检测使用反射式红
: T) @+ q' f5 `' {外传感器，通过STRT5000对输入的信号进行处理，使用TFT彩屏显示小车运行
的里程和时速以及运行时间。以红外传感器对路面黑线检测用， 行驶距离使用对
  x3 v+ D: e1 q4 j$ `1 d* N射光电传感器加以码盘进行检测， 通过红外传感器进行壁障处理。通过障碍探测
模块，采用二只红外传感器分置于小车两边， 对小车与障碍物相对距离和方位能
作出较为准确的判别和及时反应。采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器，
2 C6 }7 X& S4 O3 a- I( o1 Z# s在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强弱（有无）得出实时车库方位。
& k4 @) y: x* h: \; M# D: [

( K5 E0 ]: \! i4 l; c5 g: `4 g$ q一、方案论证与比较
根据题目要求，我们分一下几个部分进行方案设计及比较论证。
5 V  h) H- a4 U# z" G1. 电机驱动调速模块
方案一：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的
4 l7 q; W7 C: S* n1 p, Y目的。但是电阻络只能实现有级调速， 而数字电阻的元器件价格昂贵。更主要的
问题在于一般电动机的电阻较小， 但电流很大； 分压不仅会降低效率， 而且很难
实现。
3 @1 d4 @9 x$ T% P( e方案二：采用普通L298N 来控制电机的正转和反转来实现小车的前进和后
3 r/ Z- E  f+ W8 W* c! [退，并用单片机进行软件调速， 缺点是单片机容易受L298N的电源影响， 系统变
得不安全。
+ m! T' Z/ s4 V) p方案三：采用带光耦隔离的L298N来控制电机的正转和反转来实现小车的前
1 |4 [# m$ O+ o$ }1 c# u1 m2 h8 s进和后退。通过STC12C5A60S2内部的集成PWM定时器，实现整车的加速与减速，
7 K' H7 L) ?. E* M精确小车的速度。好处是保护控制控制端不受电机的影响，使得系统安全可靠，
避免单片机烧坏。
# c3 O0 @! H# L" w3 q" t8 @基于上述理论分析，拟选择方案四。
9 C5 H& _; m+ l- \6 T* P. R7 \! o2. 路面黑带检测模块
; g' B0 R7 ?" G, F" @7 o% z0 Y黑带检测的原理是：红外光线照射到路面并反射，由于黑带和白纸的系数
不同，可根据接的红外线的强弱判断是否到达黑带。
# t7 r' S9 R% f' Z7 u4 K方案一：可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射—接收电路。这种方
3 j" W' H. a$ q: e9 {9 Z案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大的干扰， 一旦外界光
7 `- \! q3 q3 H  d6 c* p% o亮条件改变， 很可能造成误判和漏判； 虽然产生超高亮发光二极管可以降低一定
# U* V  a2 m/ F3 q- T- B# P/ d4
的干扰，但这又将增加额外的功率损耗。
方案二: 反射式的红外发射—接收器。由于采用红外管代替普通可见光管，
& y: g* Z8 e7 L  v+ K) V6 v并经过反相斯密特触发器之后送入单片机，可以降低环境干扰。
基于上述理论分析，拟选择方案二。
* [, j3 R( g0 [" j0 ?3. 路面黑带检测模块
$ J1 L0 ~# S7 u& H0 G方案一： 8 个使用数码管动态扫描的方式， 分别显示时间和路程， 缺点是功
耗较大，并且只能显示数字和少量的字母，不适合人的观察。
方案二：TFT彩彩屏有功耗低、体积小、重量轻等特点， 方便放置于小车上，
1 w) r9 x& r" ?9 m) t) f能满足显示的要求。
; Y0 p; e' Q" Y- @1 Y7 [& [基于上述理论分析，拟选择方案二。
2 p: i. b1 e$ ?  N$ w9 @' V4. 电源选择
方案一：所有器件采用单电源供电，这样供电电路比较简单；但是由于电
动机启动瞬时电流很大，会造成电压不稳，干扰严重，缺点十分明显。
8 B9 u& t2 n# E9 O2 F方案二：双电源供电，将电动机驱动电源与单片机以及周边电路电源完全
隔离，这样做虽然不如单电源方便灵活， 但可以将电动机驱动所造成的干扰彻底
消除，提高了系统的稳定性。
0 ?+ i5 @; y. Z% f6 l, j) S/ H9 x基于上述理论分析，拟选择方案二。
6 n. k2 y. L8 x" T5. 控制单元模块
% s( L3 n2 `! P& n  I, v方案一：采用纯数字电路
' J8 r  N0 ~8 X8 v该方案外部检测采用光电转换，系统控制部分采用数字电路译码对小车电
! g! v4 t& X" A. }  o+ Y+ g动机两端电压调整， 来控制小车的运行。时间和行程用加法器进行计数。此系统
的设计将会使电路过于复杂，调试时需要改变硬件电路，机动性差。
- u3 ?3 l, a2 X8 S方案二：用单片机控制
* K5 I7 B7 x! q7 Y: W  a4 l$ `用光电检测不同的信号，并经单片机对其处理，传送给L298 信号，使其控
2 N( l5 R  G! \7 ]5 ^* j1 ?9 V制电机的正转和反转， 配合PWM程序控制， 来实现加速减速和刹车。通过单片机
内部定数器/ 计数器进行定时、计数，在用单片机串行输入/ 输出口进行显示控制。
$ Z4 \! {( P8 q3 ^" ^2 W此方案电路成熟、工作稳定、容易实现控制。
为能更好的实现题目的各种设计要求，所以我们选用第二种方案。用单片
& z/ C( i) U; w, F/ o. K- g, H# F机进行控制。
6. 障碍探测模块：
' w: i6 x5 ^4 |5 ?& S考虑到在测障过程中小车车速及反应调向速度的限制，小车应在距障碍物40CM的范
( J# ]1 y  ?+ [) z围内做出反应，这样在顺利绕过障碍物的同时还为下一步驶入车库寻找到最佳的位置和方
; b- |$ {; c" t* c向。否则， 如果范围太大， 则可能产生障碍物的判断失误； 范围过小又很容易造成车身撞上
) H7 e+ b- P$ K7 D( E" R2 [障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。
9 R: C6 P7 r8 |0 o7 S7 O! v方案一、采用一只红外传感器置于小车中央。
一只红外传感器小车中央安装简易， 也可以检测到障碍物的存在， 但难以确定小车在水
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: b% g/ H3 T% z: x# a- {* \) s2 C+ I平方向上是否会与障碍物相撞，也不易让小车做出精确的转向反应。
  F& d8 ?. \- w! k# y" x方案二、采用二只红外传感器分置于小车两边。
! ]- f- e- L- ]+ A( }二只红外传感器分别置于小车的前端两侧， 方向与小车前进方向平行， 对小车与障碍物
+ g* H3 K. c+ l相对距离和方位能作出较为准确的判别和及时反应。
智能小车应以准确、智能见优，采用方案二。
7. 寻找光源方案：
方案一、采用多只方向性较强的光敏二极管作光源定位器。
若干定位器在水平面上按不同角度展开， 在寻找光源时根据每个定位器接收到的光线强
弱（有无）得出实时车库方位。
3 Q* {, @! J* d方案二、采用一个光源定位器。
% @% c( Y1 e& X6 n+ P5 E& U3 O% r用深色不透光材料与光敏电阻制成的光源定位器有较理想的定向测试效果， 2.5 米之外
& u* Z1 W- T, H8 ]% Y6 j就可以确定电源的方向。当小车绕过障碍物之后， 通过不停地旋转使定位器获得最大光线照
9 F; [+ }0 b3 b4 F& M2 Y2 z! Y射以确定光源方向， 这种方案有一定的可行性， 但寻找光源的过程必定带来不必要的大量时
! p( K: U0 K% @$ C5 ]; R# Z" k间开销，且寻找过程盲目性太大，不利于控制，又增加了一个电机，增大的电源方案选择或
安装的难度。
综合考虑以上方案，方案一更具准确性和独创性，故我们采用方案一。
8. 铁片检测模块：
方案一、使用探测线圈和探测仪构成的金属探测器。
6 b+ D  u2 Q9 V7 b: P此类金属探测器利用探测线圈产生的交变磁场在接近金属材料时产生微弱变化这一原
理，将变化信号放大处理进而实现探测金属的目的。由于该探测器结构复杂， 在短期内不可
; k) J+ b& a# y7 x  P4 H1 R8 @能完成制作，为节省时间，我们放弃了该方案。
/ G; J, a! D9 ]5 @方案二、使用电感式接近开关代替金属探测器。
& b; u8 e- p4 l% o' o+ I" f. \- f电感式接近开关本身就是理想的传感器。当金属物体接近开关的感应区域， 开关就能无
/ N9 S- s7 V* _4 c8 W接触，无压力、无火花、迅速作出反应。用它作为本次小车的金属传感器，简单易行、准确
8 Z* j8 k/ S% Y* Q且抗干扰性能优越。
本系统中采用方案二。

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