南京工业大学信息学院电子设计大
赛（智能车）
技术报告
学校：南京工业大学
专业：电子信息工程
参赛队员：沈春娟袁乐乐袁冯杰
引言
根据本次比赛规则的要求,结合“飞思卡尔”的一些要求，本队已经完成了智能车系统的设计、制作、安装和调试。
该智能车的设计思路是：首先，通过路径识别传感器采集路径信息，经STC12C5A32S2单片机处理输出控制信号，通过电机驱动控制两个直流电机的转速，实现智能车快速寻迹的目的。
利用红外反射式传感器实现小车自动寻迹导航的设计与实现。
使用红外反射式传感器感知与地面颜色有较大反差的引导线，从而实现自主式寻迹。
利用PWM 技术对直流电机进行速度调节，两轮驱动，运用两个直流电机转速差异进行方向的控制调节。
本文所述智能车寻迹系统采用红外反射式传感器识别路径上的黑线，通过PWM技术对两个直流电机的速度进行控制，由速度差决定转向的角度，使用开环控制结合PD算法对速度进行简单修正实现直流电机的速度控制。
该系统以STC公司的生产的单片机STC 12C5A32S2为控制核心，主要由电源模块、核心控制模块、路径识别模块、（车速检测模块）和直流驱动电机控制模块组成。
为了使智能车更加快速、平稳、准确地行驶，本系统将路径识别，车速的快速检测与响应，电机和直流驱动电机的正确控制紧密地结合在一起。
技术报告共分为五个部分：第一部分为引言；第二部分是智能车系统设计，介绍智能车总体设计和软、硬件设计及实现方案；第三章是控制算法设计，详述智能车软件实现；第四章是实验验证；第五章是总结。
智能车系统设计
一．硬件设计
本系统硬件部分由电源模块、主控制器模块、路径识别模块、（车速检测模块）和直流驱动电机控制模块组成，系统硬件结构如图所示。
1. 主控制器模块
本系统中，主控制器模块采用STC 12C5A32S2单片机。
STC公司的单片机STC 12C5A32S2主要特点就是功能高度的集中，并且易于扩展，超强抗干扰，超强抗静电，低功耗。
拥有2个16位定时器(兼容普通8051定时器T0/T1)，2路PCA 可再实现2个定时器，拥有8通道、10位高速ADC，速度可达25万次/秒，2路PWM 还可当2路D/A使用。
该单片机的运算能力强，自由度大，软件编程灵活。
支持C语言程序设计、汇编语言程序设计以及C语言与汇编语言的混合程序设计，在系统可编程,无需编程器,无需仿真器，极大地方便了用户的使用，提高了系统开发效率。
我们选择这款单片机主要是因为该单片机集成了两路可编程计数器阵列(PCA)模块，可用于脉宽调制(PWM)输出，来控制车轮的转速。
2. 电源模块
本系统中，为满足智能车各部分正常工作的需要，本系统采用12V 25C航模电池，通过外围电路的整定，电源被分配给各个模块。
电源模块分为两个部分，为了保证控制核心的稳定性，单独供电，主电路板供电采用7805集成稳压块，该集成电路输出电压稳定，加之直流供电，不需要复杂的滤波系统。
缺点发热量大，电能利用率低，所以7805可以满足系统要求。
电路如图所示：
主控制器模块
电源模块
路径识别模块电机驱动模块
车速检测模块
直流电机驱动电源采用LM317T可调三端稳压电路，该电路可以调节输出电压，由于L298n存在压降，使用可调稳压模块可以方便调节电机的电压，控制转速，最大电流2A，由于散热量大，加装散热片。
电路图如图所示：
3. 路径识别模块
本系统的路径识别模块采用收发一体的红外反射式光电传感器RG149作为路径的基本检测元件。
该器件对黑白反应灵敏，几乎不受自然光线影响，反馈的电信号稳定，RG149的封装比较适合稠密排布，硬件电路简单且易于实现。
下图为其硬件原理图。
如图所示，发射管串接一330 的电阻，向反射平面（跑道）发出红外光，如果红外光被黑色路径吸收，则LM339比较器的3号脚将呈现高电平电平，通过与2号脚设定的参考电平比较，产生高电平输出；相反则产生低电平输出。
LM339集成块内部装有四个独立的电压比较器，失调电压小，典型值为2mV。
还可以组成高压数字逻辑门电路，并可直接与TTL、CMOS电路接口。
路径识别模块的安装如下图所示，9个RG149按“一”字形排列在电路板上。
由于标准大赛跑道的黑色轨迹的宽度为 2.5cm，选择每个光电管的相互间隔为2cm，依次排开。
如此可能出现两个光电管同时检测到黑线，从而增加了光电管检测区间，相应地提高了识别精度。
整个路径识别模块电路板安装在车头的两个支架上。
电路板安装越靠前，则智能车的预瞄性能越强，检测连续弯道的效果突出；越靠后安装，智能车的直道稳定性越好。
因此“一”字形的排布以及这种安装可以应对灵活多变的跑道。
图2.5 光电传感器排布图
本系统的路径识别电路是开关量输出，因此路径信息可以通过简单电平分析得到。
参考本次比赛赛道说明，系统中将十一个光电管的检测范围划分成17个区间，所以本系统对路径的识别共有18种电平状态。
由此可以简化软件设计，从而缩减路径判断的时间，进而迅速控制车子转向。
4.车速检测模块
本系统的车速检测模块采用LM2907芯片，LM2907为集成式频率／电压转换器，芯片中包含了比较器、充电泵、高增益运算放大器，号转换为直流电压信号。
LM2907工作原理：
当输入电压ui>0时，比较器的输出使阈值开关电路转向上限阈值电平3/4V+ ，此时给电容c1和c2 充电的电流源 ic 接通。
当电容器 c1充电到 3/4V+ 时， ic 又被断开，此后电容器 c1保持这个电平直到输入电压变为负值。
当输入电压ui<0时，给电容c2 充电并为c1放电的电流源iD 接通，当c1从3/4V+
放比较器阈值开关电路v i +
V +V +V +V +VC1c 1i D i C i D c 2R 2v o
I 0i C +-
电到下限阈值电平1/4V+ 时， iD再断开此后c1保持这个电平直到输入电压再次变成正值为止，如此周而复始重复不已。
注：但是由于马力不足没有把测速模块加上去。
5.电机驱动模块
本系统采用的电机驱动芯片为L298。
L298是双H桥高电压大电流功率集成电路，直接采用TTL逻辑电平控制，可用来驱动继电器、线圈、直流电动机、步进电动机等电感性负载。
它的驱动电压可达46V，直流电流总和可达4A。
其内部具有2个完全相同的PWM功率放大回路。
其中两个使能端由单片机的PWM输出端提供，从而设置两个车轮的转速。
二．软件设计
1.PWM模块
在设计循迹小车的程序时，主要是对速度的控制，这也是我们为什么选了一款自带PWM模块的单片机，而没有选择常用的80C51的原因。
下面我就简单介绍一下PWM的程序。
原理：当寄存器CL的值小于[EPCnL, CCAPnL]时，输出为低；当寄存器CL的值等于或大于[EPCnL,CCAPnL]时，输出为高。
当CL 的值由FF变为00溢出时，[EPCnH,CCAPnH]的内容装载到[EPCnL,CCAPnL]中。
这样就可实现无干扰地更新PWM。
要使能PWM模式，模块CCAPMn寄存器的PWMn和ECOMn位必须置位。
由于PWM是8位的，所以：
PWM的频率=PCA时钟输入源频率/256。
由于我们采用的系统时钟是11.0592M，频率太高，车子的速度难以达到。
所以利用定时器0的溢出对系统时钟进行了分频，经过测试，我们最终把PWM的频率定为490HZ。
2.循迹模块
最终目的是当智能车在直道行驶时，方向迅速保持稳定、不颤动，同时速度迅速升到设定的最大值并稳定；当智能车由直道高速进入弯道时，速度根据弯道的曲率迅速做出相应的改变，原则是弯道曲率越大则两车轮的速度差越大；而当智能车遇到十字交叉路段或是脱离轨迹等特殊情况时，智能车保持与上次正常情况一致的方向，速度则相应的降低。
首先通过路径识别模块的９个“一”字形排列的光电传感器检测轨迹黑线的当前位置。
然后根据检测结果判断智能车与轨迹偏离的情况。
若被正中间的光电传感器检测到黑线，就表示智能车未偏离轨迹，则控制电机使两车轮没有速度差，同时控制驱动电机使速度上升到设定的最大速度。
若被左（右）边的光电传感器检测到黑线，就表示智能车向右（左）偏离轨迹。
越被靠左（右）的传感器检测到，表示智能车向右（左）偏离轨迹的程度越大。
控制PWM的占空比使智能车向左（右）偏转，偏离程度越大，则偏转角度越大。
