2021年全国大学生电子设计竞赛C题.pdf

目录目录 摘要摘要. 3 3 1. 1.设计任务及规定设计任务及规定. 4 4 1.1 设计任务 . 4 1.2 设计规定. 4 2. 2.系统方案系统方案. 5 5 2.1 控制模块论证与选取 . 5 2.2 电源模块论证与选取 . 5 2.3 小车车体论证与选取 . 6 2.4 电机模块论证与选取 . 6 2.5 电机驱动模块论证与选取 . 6 2.6 寻迹模块论证与选取 . 7 2.7 避障模块论证与选取 . 7 2.8 显示模块论证与选取 . 7 2.9 按键模块论证与选取 . 8 2.10 通信模块论证与选取 . 8 2.11 方案选定 . 9 3. 3.系统理论分析与计算系统理论分析与计算.1 10 0 3.1 系统信号检测与控制 . 10 3.1.1 系统信号检测.10 3.1.2 系统信号控制 . 10 3.2 两车之间通信办法 . 11 3.3 节能. 11 4. 4.电路与程序设计电路与程序设计. 1 12 2 4.1 电路设计 . 12 4.1.1 系统总体框图.12 4.1.2 控制器电路设计 . 13 4.1.3 稳压电源电路设计.13 4.1.4 电机驱动电路设计 . 14 4.2 程序设计. 15 4.2.1 程序功能描述与设计.15 4.2.2 程序流程图 . 16 5. 5.测试办法与测试成果测试办法与测试成果.1 19 9 5.1 测试方案 . 19 5.2 测试条件与仪器 . 19 5.3 测试成果及分析 . 19 5.3.1 测试数据.19 5.3.2 测试分析与结论 . 19 参照文献参照文献. 1 17 7 附录附录 1 1. 1 18 8 附录附录 2 2. 1 19 9 附录附录 3 3. 2 20 0 智能小车设计智能小车设计 摘要：摘要：本作品以低功耗 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 间通信；结合了PWM 调速等技术，设计了一组智能小车。

该小车车体由控制、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 个模块构成，可用于无人驾驶、自动探测等人工智能领域 核心字：核心字：ATmega16、MP2307、光电、LN298N 1.1. 设计任务及规定设计任务及规定 1.11.1 设计任务设计任务 甲车车头紧靠起点标志线,乙车车尾紧靠边界,甲、乙两辆小车同步起动， 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 所示 图1-1 赛车跑道 1.21.2 设计规定设计规定 1. 基本规定 （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 所示位置同步起动，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、乙两车在完毕(2)时行驶时间要尽量短 2. 发挥某些 （1）在完毕基本规定(2)后,甲、乙两车继续行驶第二圈，规定甲车通过超 车标志线后要实现超车功能，并先于乙车到达终点标志线，即第二圈完毕甲车超 过乙车，实现了交替领跑甲、乙两车在第二圈行驶时间要尽量短 （2）甲、乙两车继续行驶第三圈和第四圈，并交替领跑；两车行驶时间 要尽量短。

（3）在完毕上述功能后，重新设定甲车起始位置（在离起点标志线迈进方 向40cm 范畴内任意设定），实现甲、乙两车四圈交替领跑功能，行驶时间要尽 量短 2.2. 系统方案系统方案 本系统重要由控制模块、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构成，其构造框图如 2-1 所示，下面分别论证这几种模块选取 电源模块 按键输入控制模块电机驱动模块 寻 显 示 模 块 迹 模 块 避 障 模 块 电机模块 小车车体 2-1 智能小车系统框图 2.12.1 控制模块论证与选取控制模块论证与选取 方案一：采用凌阳SPCE061A 小板作为主控制芯片，并且可以采用凌阳小车 模组， 可以不久完毕其基本功能， 但是用该小板存在一定局限性， 较难扩展功能， 并且各个模块拼凑，没有比集成在一块板稳定性高 方案二： 采用 ATmega16 作为主控制芯片， 该芯片内部 Flsah、 EEPROM、 SRAM 容量较大；所有型号 Flash、EEPROM 都可以重复烧写、所有支持编程烧写 (ISP)；每个IO 口都可以以推动驱动方式输出高、低电平，驱动能力强；内部资 源丰富，普通都集成 AD、DA 转换器、PWM、SPI、USART、TWI、I2C 通信口、丰 富中断源等。

具备 C 语言风格汇编语言，有与原则 C 兼容 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朴 因而， 采用该芯片可以比较灵活选取各个模块控制芯片，可以精确计算出时间，有较好 实时性 基于以上分析，咱们选取了方案二，采用 ATmega16 作为智能小车主控制芯 片 2.22.2 电源模块论证与选取电源模块论证与选取 方案一：采用升压型稳压电路用 1 片 MC34063 芯片别将 3V 电池电压进行 直流斩波调压，得到 5V 稳压输出只需使用一节电池，即节约了电池，又减小 了系统体积重量但该电路供电电流小，供电时间短，无法使相对庞大系统稳定 运作 方案二：采用由 MP2307 构成开关稳压电路MP2307 具备转换效率高，速度 快等长处该器件可集成 100m功率 MOSFET 负载，提供 3A 持续输出电流；其 带宽工作输入电压为4.75V 到 23V电流模式控制可提供迅速瞬态响应和 cycle-by-cycle 电流限制可编程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；具备耐热增强型 8-pin SOIC 包装，可满足题目中小车 节能规定。

基于以上分析，咱们选取了方案二采用 MP2307 稳压电路 2.32.3 小车车体论证与选取小车车体论证与选取 方案一：自己制作智能小车普通说来，自己制作车体比较粗糙，车身重 量以及平衡都要有精准测量，并且也要控制好小车行驶路线和转弯力矩及角度， 这些都比较难较好地实现 方案二：购买车模购买车模具备完整车架车轮，其左右两轮转动动轴在 电机驱动下可精准调节转弯角度车模具备如下长处：一方面，这种车模由于装 配紧凑，使得各种所需电路安装十分以便，看起来也比较美观另一方面，车模 是依托电机与有关齿轮一起驱动，能实现小车精确迈进、转弯、后退、停止等功 能 基于以上分析，咱们选取了方案二 2.42.4 电机模块论证与选取电机模块论证与选取 方案一：采用步进电机作为该系统驱动电机其转过角度可以精准定位， 可实现小车迈进路程和位置精准定位但步进电机输出力矩较低，随转速升高而 下降，且在较高转速时会急剧下降，不合用于小车等有一定速度规定系统 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， 装配简朴， 使用以便 由于其内部由高速电动机提供原始动力， 带动变速 （减速） 齿轮组，可以产生大扭矩。

对于直流电机速度调节，可以采用变化电压办法，也 可采用 PWM 调速办法PWM 调速就是使加在直流电机两端电压为方波形式，通过 变化方波占空比实现对电机转速调节 综合考虑后，选取方案二采用直流减速电机作为驱动电机 2.52.5 电机驱动模块论证与选取电机驱动模块论证与选取 方案一：采用 SM6135W 电机遥控驱动模块SM6135W 是专为遥控车设计大 规模集成电路能实现迈进、后退、向右、向左、加速五个功能，但是其采用是 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，并且该电机模块 价格比较高 方案二：用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片L298N 是一种具备高电压 大电流全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 L298N 可以分别控制两个直流电机， 并且还带有控制使能端用该芯片作为电机驱动，操作以便，稳定性好，性能优 良 综合考虑后，选取方案二采用 LN298N 作为电机驱动芯片 2.62.6 寻迹模块论证与选取寻迹模块论证与选取 方案一：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺陷：易受到外界光源干扰， 有时甚至检测不到黑线，重要是由于可见光反射效果跟地表平坦限度、地表材料 反射状况均对检测效果产生直接影响。

克服此缺陷办法：采用超高亮度发光二极 管能减少一定干扰，但这又会增长检测系统功耗 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 传感器 它一方面把被测量变化转换成光信号变化，然后借助光电元件进一步将 光信号转换成电信号它普通由光源、光学通路和光电元件三某些构成光电式 传感器是以光电器件作为转换元件传感器，光电检测办法具备精度高、反映快、 非接触等长处，并且可测参数多且构造简朴 综合考虑后，选取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 2.72.7 避障模块论证与选取避障模块论证与选取 方案一：采用激光距离检测器实现它是运用激光时间测距原理在漫反 射测量模式下， 虽然处在闪亮背景前，此类检测器仍可远距离测量表面特性复杂 细小物体如果测量范畴较远，则应采用镜反射模式检测其距离在这种模式下 可靠测量距离可远达500m 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 传感器 它一方面把被测量变化转换成光信号变化，然后借助光电元件进一步将 光信号转换成电信号它普通由光源、光学通路和光电元件三某些构成光电式 传感器是以光电器件作为转换元件传感器，光电检测办法具备精度高、反映快、 非接触等长处，并且可测参数多且构造简朴。

结合题目规定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 2.82.8 显示模块论证与选取显示模块论证与选取 方案一：采用字符型 LCD 显示LCD 具备低功耗、长寿命、高可靠性等特 点，可显示英文、中文及数字运用单片机来驱动液晶显示模块，设计简朴，且 界面美观舒服，耗电少但依照设计方案，采用计数方式测距，计标志线数目 方案二： 采用 LED 发光二极管方式显示LED 发光二极管亮度高，醒目， 且能达到设计规定 综合考虑后，选取方案二，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 口所接四个发光二极管，以十六进制方式显示 图 2-3 显示电路 2.92.9 按键模块论证与选取按键模块论证与选取 方案一：矩阵键盘虽然占用单片机端口少，节约单片机硬件资源，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，重要针对多键盘设 计，合用于控制规定高、控制功能多系统 方案二：采用简朴键盘，设计简朴，易于实现键盘在系统中重要作运营控制选 取，简朴键盘减少了系统复杂度 基于以上分析，咱们选取了方案二 按键某些作为系统输入，由于ATmega16每个IO口均有内部上拉电阻，因而 只要在单片机编程时使能相应上拉电阻，那么这个某些便不需要任何其他元件， 设计较为简朴。

按下图设计按键后，当有按键按下时相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营，PC1口所接按键控制超车运 营 图 2-4 按键电路图 2 21010 通信模块论证与选取通信模块论证与选取 方案一：采用315M单工无线通信模块实现单片机传播数据用PT2262进行 编码后送给无线发射模块，实现近距离载波信号传播数据接受则采用了超再生 接受原理， 接受到信号后要通过配套解码芯片PT2272解码， 然后传送给单片机进 行数据解决，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，以减少功耗，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。