智能小车论文

摘要

本设计为以AVR mega128为主控制器的智能小车控制系统。小车系统由红外线循迹模块、L298N电机控制模块、电源模块组成、小车转速计数模块。小车供电系统采用电池组供电。小车循迹模块4个RPR220光电对管构成，左面两个RPR220

光电对管检测左车车道边沿信号，使小车的左轮一直沿着左面的黑色跑道行驶；中间的RPR220光电对管检测跑道黑线累加计数并在相应的跑道处转弯，而右面RPR220光电对管是防止小车从右面冲出跑道，所以总体4个传感器相结合使小车实现循迹功能。转速计数模块实现小车的转弯的程度。本次设计的小车

系统经过测试运行比较稳定，基本达到预期目的。

关键词：AVR mega128、循迹、转弯

The design for the main controller to AVR mega128 smart car control system. Trolley system consists of infrared tracking module, L298N motor control module, power module, the car speed counting module. Car power supply system using battery pack. Car tracking module 4 RPR220 photoelectric tube structure, left two RPR220 photoelectric tube left car lane edge detection signal to the car's revolver had been traveling along the left side of the black runway; intermediate RPR220 photoelectric detection runway black line on the tube and at the

turn in the appropriate runway, while the right RPR220 photoelectric tube is to prevent the car from the right runway, so the overall four sensors combine to make the car to achieve tracking functionality. Speed counting module to achieve the degree of turning the car. The design of the car after the test run the system more stable, basically achieve the desired objectives.

Keywords: AVR mega128, traction, cornering

目录

0引言 ................................................................................................................................ 1 1 系统方案设计分析........................................................................................................ 2 1.1 控制器的选择 .......................................................................................................

1.2 光电开关检测模块 ...................................................................................... 3 1.3 7.2V直流电机与L298N电机控制模块的论证与选择 .................................. 3 1.4电源模块的选择 ................................................................................................. 4 2 理论分析与计算......................................................................................................... 4

2.1 RPR220检测计算与控制 .......................................................................... 5 2.2节能 ..................................................................................................................... 6 3 硬件设计........................................................................................................................ 6 3.1 RPR220检测电路 .............................................................................................. 6 3.2 L298N驱动电路 ................................................................................................. 7 4 程序设计与流程............................................................................................................ 8 4.1程序功能描述与设计思路 ................................................................................. 8 4.1.1 程序功能描述 ........................................................................................... 8 4.1.2 程序设计思路 ........................................................................................... 8 4.2程序流程图 ........................................................................................................ 9 5 测试方法与测试结果.................................................................................................. 11 5.1测试方案 ........................................................................................................... 11 5.2 测试条件与仪器 ............................................................................................... 11 5.3 测试数据与结果分析 ....................................................................................... 11 5.3.1 PWM调速 .............................................................................................. 11 5.3.2 超车时间控制 ......................................................................................... 12 6 总结.............................................................................................................................. 12 6.1 设计小结 ........................................................................................................... 12 参考文献......................................................................................................................... 13 附录1：系统原理图...................................................................................................... 14 附录2：部分源程序...................................................................................................... 15

0引言

在本设计中，要求车头紧靠起点标志线，在跑道中黑线的2、3、8、9处转

弯，在1、4、5、6、7处正常循迹，在10处停止。跑道如图1 。

0 Introduction

In this design, requiring the front line against the starting flag, the black line on the runway at the turn of 2,3,8,9, 1,4,5,6,7 place in normal driving, stop at 10. Figure 1 runway.

图0-1 小车跑道

具体要求如下所示： 1. 基本要求

（1）小车从起点标志线开始，在行车道各正常行驶一圈。

（2）在跑道中黑线的2、3、8、9处转弯，在1、4、5、6、7处正常行驶，在10处停止。

1 系统方案设计分析

小车系统由光电循迹模块、L298N电机控制模块、电源模块组成。系统总体框图如图1-1所示。

图1-1 小车系统框图

下面分别对这几个模块的进行选择：

1.1 控制器的选择

在本设计系统中中，我们选择AVRmega128为小车的控制器。因为AVRmega128单片机处理数据的速度是普通单片机的8-12倍，内部自带SPI、ADC、EEPROM PWM及双UART高性能、 先进的 RISC 结构和强大的外围设施等。

1.2 光电循迹模块的论证与选择

方案一：采用4个RPR220循迹。此方案运用4个RPR220检测转弯标志及跑道两侧的边沿标志。，它测量距离近，但反应灵敏、准确。

方案二：采用光电开关循迹。小车跑道两侧均有一定的高度差，可以通过控制光电开关的灵敏度实现边沿检测，实现小车的循迹。

在本设计中在转弯处都有两厘米宽度的黑胶带，无论小车前端走到何处，都可以利用RPR220很灵敏的检测到转弯标志，由于跑道两侧的高度差不是很大，故RPR220更容易控制小车，防止小车冲出跑道。 因此，综合以上两种种方案，选择方案一。

1.3 5V直流电机与L298N电机控制模块的论证与选择

方案一：采用继电器对电机的开关进行控制，可以完成电机的正转，反转，调速，但继电器响应时间慢，使小车运动灵敏度降低，增加了避障的难度。而且机械结构易磨损，可靠性不高。它适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机则极不经济。

方案二：采用L298N控制芯片，通过单片机I/O口输入改变控制端的电平，即可实现5V直流电机正反转、停止的操作。运用此方案可以很好的利用单片机程序控制达到控制电机的目的。 基于以上两种的方案的比较，选择方案二。

1.4电源模块的选择

整个电路系统我们采用电池组供电，能够满足系统要求。5V电池为控制器及外围电路供电，7.2V电池为两个电动机供电。

2 理论分析与计算

2.1信号检测与控制

2.1.1 光电开关检测计算与控制

在本设计中我们运用的光RPR220是一种灵敏度可调，可以根据不同的环境的光线强度进行调节以使其准确的响应检测信号。

控制方法原理：把RPR220接入TTL电平，根据RPR220光电对管的发出和返回的红外线的多少来识别检测信号，即RPR220光电对管是否压到黑线。具体做法是先让4个RPR220未压到黑线，通过调节与其相连的电位器使4盏相对应的二极管点亮，然后让4个RPR220压到黑线，看4盏相对应的二极管是否全部熄灭，否则通过调节与其相连的电位器使相对应的二极管熄灭。如此反复调试最终达到4个RPR220未压到黑线时，4盏相对应的二极管全部熄灭；当4个RPR220压到黑线，4盏相对应的二极管全部点亮，让控制如图2-1所示

图2-1 RPR220光电对管工作原理图

图2-1 RPR220与地面垂直高度

2.2节能

电机功耗计算：

直流电机功率=机械效率*电压*电流 扭矩=9.55*（功率/转速） 机械效率=输出功率/输入功率 输入功率=电压*电流

我们需要运用的电机是直流，并且为了使小车有足够的动力，选电压值为7.2V。要求电机的扭矩在一定值范围内。由于小车要循迹和超车，小车的速度要求也比较小，通过以上直流电机功率计算公式可知：选用7.2V直流电机，电机的功率小，并且机械效率高。

3 硬件设计

3.1 RPR220检测电路

当红外传感器检测到黑胶带时，会传送给控制器一个跳变信号，从而使控制器实行相关操作。电路如图3-1所示

图3-1 RPR220检测电路

3.2 L298N驱动电路

电路如图3-2所示，即可通过单片机I/O直接口至电机转动。

图3-2 L298N驱动电路

4 程序设计与流程

4.1程序功能描述与设计思路

4.1.1程序功能描述

1、当单片机接收到RPR220的检测到信号后，控制电机左转右转;以此实现循迹

4.1.2 程序设计思路 1、循迹转弯设计思路

当左右两边RPR220都接收检测到信号时，两光电开关都输出低电平，小车直行；当左右RPR220分别为接收不到信号、接收到信号时，左右光电开关分别输出高、底电平，小车右拐；当左右RPR220分别为接收到信号、接收不到信号时，左右光电开关分别输出底、高电平，小车左拐；

当中间RPR220检测到拐弯标志线时，输出为高电平，并实现对标志线计数功能，作为小车起始、拐弯，实现小车的起始、拐弯。

4.2程序流程图

1、主程序流程图

图4-1 主程序流程图

2、循迹子程序流程图

图4-2 循迹子程序流程图

图4-3 超车子程序流程图

5 测试方法与测试结果

5.1测试方案

一、硬件模块测试：系统本身由两个的模块构成，所以分两部分进行

调试。

1、接入5V电源，把光电开关与RPR220固定在小车上，单独调试，调整其灵敏度

2、接入7.2V电源，调试L298N电机驱动电路。

二、软件模块测试：采用自下而上的调试方式，先进行模块测试程序的调试，待全部通过之后将所有的软件程序串接起来并结合硬件电路进行整体调试。

5.2 测试条件与仪器

测试条件：检查多次，仿真电路和硬件电路必须与系统原理图完全相同，并且检查无误，硬件电路保证无虚焊。

测试仪器：数字万用表、秒表，计算器、直尺。

5.3 测试数据与结果分析

5.3.1 PWM调速 测试数据如表5-1所示：

表5-1 小车前进10s行驶的距离（单位：cm）

占空比1：占空比1：3 占空比1：2 占空比1：0.5 1 次数 1 2 3 4 拐弯误差 占空比1：0.3 3.4 3.3 3.3 3.4 较大 0.4 0.5 0.4 0.4 太大 0.7 0.7 0.6 0.5 较小 1.3 1.1 1.2 1.1 可以 2.2 2 2.1 2.1 较小

结果分析：

当车速过快过慢时，小车容易冲出轨道。当占空比为1:1时，小车行驶

最稳定，可以作为小车正常行驶速度。当占空比为1:2与1:0.5时拐弯误差较小，所以可选用占空比1：0.4与1:1.8应用于小车的加速与减速。

6 总结

6.1 设计小结

本设计每辆小车利用光电开关与RPR220光电对管实现循迹功能，通过调整

能够使小车沿着跑道行驶一圈。在循迹的过程中，RPR220光电对管反应灵敏，能够非常正确的捕获信号，实现循迹。本系统性能稳定，达到了设计目标。

参考文献

[1]童诗白. 模拟电子技术基础 第三版. 北京：高等教育出版社，2001.1 [2]孙肖子. 实用电子电路手册（模拟分册）.北京：高等教育出版社，1992 [3]谭浩强. C语言程序设计(第二版). 北京：清华大学出版社，2000 [4]黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛训练教程. 北京：电子工业出版社，2005

附录1：系统原理图

2：部分源程序

附录