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全国电子设计竞赛控制类赛题简易智能电动车完整版设计报告

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2020年4月19日
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淮北师范大学
电赛预选赛方案设计

（一）

题目：简易智能电动车（ E题）
姓名：杨东、卓泽坤、王定强
实验地点：物理楼411
时间： 4月1号—4月20号

基于单片机的简易智能电动车
摘要
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外传感器，经过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，行驶距离使用对射光电传感器加以码盘进行检测，经过红外传感器进行壁障处理。经过障碍探测模块，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，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。

关键词：STM32F103RB 光电传感器 L298N控制电动机
光敏二极管 障碍探测模块 TFT彩屏

Abstract
This system is mainly based on a chip called STC12C5A60S2. This intelligent car designed by us three can run automatically through black lines on the ground.

KEY WORDS:
single-chip microcomputer control system
photosensitive diode L298n
Obstacle detection module

设计任务与要求

一、任务
设计并制作一个简易智能电动车，其行驶路线示意图如下：

 二、要求
1、基本要求
（1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B点。在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1~3块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。
（2）电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。
（3）电动车在光源的引导下，经过障碍区进入停车区并到达车库。电动车必须在两个障碍物之间经过且不得与其接触。
（4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。
2、发挥部分
（1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。
（2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车的车身完全进入车库。
（3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。
（4）其它。

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。
1.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，从而达到调速的目的。可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；分压不但会降低效率，而且很难实现。
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。
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进和后退。经过STC12C5A60S2内部的集成PWM定时器，实现整车的加速与减速，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。
基于上述理论分析，拟选择方案四。

2.路面黑带检测模块
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。
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。这种方案的缺点在于其它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能够降低一定的干扰，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，并经过反相斯密特触发器之后送入单片机，能够降低环境干扰。
基于上述理论分析，拟选择方案二。

3.路面黑带检测模块
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，而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，能满足显示的要求。
基于上述理论分析，拟选择方案二。

4. 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；可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。
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，但能够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。
基于上述理论分析，拟选择方案二。

5. 控制单元模块
方案一：采用纯数字电路
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。
方案二：用单片机控制
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。经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。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，因此我们选用第二种方案。用单片机进行控制。

6.障碍探测模块：
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障碍物或虽绕过障碍物却无法实现理想定向方案。
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，也能够检测到障碍物的存在，但难以确定小车在水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。
方案二、采用二只红外传感器分置于小车两边。
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。
方案二、采用一个光源定位器。
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米之外就能够确定电源的方向。当小车绕过障碍物之后，经过不停地旋转使定位器获得最大光线照射以确定光源方向，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。
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，在短期内不可能完成制作，为节省时间，我们放弃了该方案。
方案二、使用电感式接近开关代替金属探测器。
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、准确且抗干扰性能优越。
本系统中采用方案二。

二、系统实现方框图与主要参数设计。
1．总体设计方案描述

总体设计方案的硬件部分详细框图如下：

STM32F103RB

电机
PWM电机驱动模块
红外检线模块

声光模块

红外光电测速模块
防撞
检测模块
铁片检测模块
光源检测模块

TFT彩屏显示模块

2．硬件电路设计
1. STC12C5A60S2单片机最小系统
此系统以STC12C5A60S2为核心，最小系统如图所示：

2. 黑线检测部分：
我们采用两个反射式光电检测电路对跑道上的黑线进行检测，并使用六反相斯密特触发器输出高低电平信号，这样能够消除外界光线的干扰，单片机同时检测到两个光电传感器输出由高到低的电平跳变时，这为黑线，硬件如图所示：

3．光电测速部分：
采用对射光电传感器，经过对电机上的码盘线计数，产生下降沿，经过LM393电压比较器输出高低电平，这能有效克服环境干扰。
每50ms计算一次，按照公式：
瞬时速度=下降沿个数÷电机减速比÷码盘线数×车轮周长；
总路程=∑（每50ms路程）；
由此能够计算出路程和速度。
硬件图如下：

4．显示模块
采用LCD1602显示模块，硬件连接如下图：

5. L298N电动机驱动模块部分
该电路采用电动机驱动芯片L298来控制电动机的正转与反转，加以第二路电机电源保证了电动机启动时有足够的电流。在试验中控制电压为单片机输出的高低电平直接控制。具体电路图连接如下：

6.电源部分
考虑到L298N输出的压降，故使用2节3.6V18650可充电电池给电机供电。而单片机也用2节3.6V18650可充电电池，并使用1117 5v稳压芯片给单片机供电。

7.障碍探测部分：
在电路设计中能够再输出端黄线加上拉电阻10K到5V，再接入单片机检测，会比较稳定，如果采用随机检测能够采用单片机的外部硬件中断INT0 INT1等来实现。

8.光源检测部分（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。能够检测周围环境的亮度和光强（与光敏电阻比较，方向性比较好，能够感知固定方向的光源）。模块在无光条件或者光强达不到设定阈值时，DO口输出高电平，当外界环境光强超过设定阈值时，模块D0输出低电平；小板数字量输出D0能够与单片机直接相连，经过单片机来检测高低电平，由此来检测环境的光强改变；

9.铁片检测部分：
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、准确且抗干扰性能优越。

3．系统的软件设计
软件设计流程图如下：

1. 定时器控制倒计时的软件控制：
所有倒计时，计时都经过计时器0中断控制，根据RAM单元中相应的控制位选择不同的工作。在行驶到跑道的末端时候，计时器计到10秒时，停车停止，小车开始倒车。小车的全程行驶时间能够经过定时器0的控制存储行驶时间。

2. 显示路程的软件控制：
经过轮子带动码盘的转动，码盘的转动使得测速传感器产生数个中断，每来一个中断，经过外部中断0累加一次，经过以下方程进行路程的计算：
SpeedNum=SpeedCount/SpeedRate/IsrPerCircle*CircleLength; //计算瞬时速度；
Distance=Distance+SpeedNum;
//计算路程；

3. 经过黑线条数统计的软件控制：
与其它方式不同，这里我们为了节省端口，采用的是查询的方式检测黑线，若检测到的是黑线，则控制速度函数进行相应的控制；若检测到的不是黑线，则进行其它的操作。

4.铁片检测的软件设计：
经过查询的方式，若检测到铁片，则相应的管脚置为低电平，单片机执行相应动作，且累加检测到的铁片数量，分别执行不同操作。若没有检测到铁片，则为其它。

5.光源检测，而且顺光源运动的软件设计：
初始化AD转换函数，启动ADC电源，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（大小、有无）对小车方向进行不同的控制，从而得出实时车库方位。

6.防撞系统的软件设计：
检测防撞传感器是否置为低电平，来对小车进行不同的转向动作。

测试结果及结果分析

次数
总时间（秒）
第一片金属中线离起点距离（米）
第二片金属中线离起点距离（米）
第三片金属中线离起点距离（米）
是否发生碰撞
是否入车库
1
32.93
0.713
1.483
1.889
否
是
2
33.64
0.716
1.473
1.890
否
是
3
34.01
0.719
1.483
1.889
否
是
实际

0.710
1.470
1.880

一、 铁片数目的检测：
测量方式：观察LCD显示的铁片数量。
测量仪器：铁片传感器。

表1 测量结果数据
实际测量铁片数目
LCD显示铁片数目

二、 车体完成所有动作的时间检测：
测量方式：观察车体在不同时间内进行的动作，以及车体完成所有规定动作后的时间统计。
测量仪器：秒表。

车体全程行驶时间
车体90s后的动作

三、 每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离距离的显示：
测量方式：观察小车经过每个铁片的时候显示的铁片与起跑线的距离，并记录。
测量仪器：米尺。

实际测量距离
LCD显示距离
第一块铁片

第二块铁片

第三块铁片

第四块铁片