电子设计大赛C题——只能小车智能小车摘要本智能小车以MSP超低功耗单片机系列MSP430F149为核心，完成在规定场地内实现两车交替超车领跑的功能。
在机械结构上，本智能小车选取大功率RP5坦克车体，具有动力性能强、底盘稳定性高、可原地转圈、转弯灵活等特点。
选用L298N驱动芯片控制电机，反射式红外发射-接受器作为黑线检测模块的传感器，nRF905作为无线通信模块，组成智能小车系统。
基于可靠的硬件设计和稳定的软件算法，实现题目要求，而且附加实现显示两车距离、行驶时间等扩展功能。
关键词：MSP430；检测黑线；超车；智能小车。
一、系统方案1、总体方案描述本系统以MSP超低功耗单片机系列MSP430F149为核心，由12V电池供电，选用L298N驱动芯片控制直流电机，反射式红外发射-接受器ST168作为黑线检测模块的传感器，NewMsg_RF905作为无线通信模块，LCD液晶显示模块作为显示模块，组成智能小车系统，如图1所示。
图1 总体系统框图2、方案设计与比较（1）电机驱动模块方案一：采用大功率三极管，二极管，电阻，电容等元件。
采用上述元件搭建两个H桥，通过对各路信号放大来驱动电机，原理简单。
但由于放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，很难精确控制。
方案二：采用L298N驱动芯片。
L298N芯片是较常用的电机驱动芯片。
该芯片有两个TTL/CMOS兼容电平的输入，具有良好的抗干扰性能，可用单片机的I/O口提供信号。
其优点是集成度高，电路简单，控制方便可靠，体积小，效率高，具有较高的性价比。
综合分析：方案一虽然原理简单，但是实际操作性不大，运行不稳定，而方案二则具有电路简单，控制方便，效率高等多处优点，符合本系统要求，因此选用L298N驱动芯片作为电机驱动模块。
（2）黑线检测模块方案一:采用可见光发光二极管和光敏二极管采用普通可见光发光管和光敏管组成的发射－接收电路。
其缺点在于易受到环境光源的影响，即便提高发光管亮度也难以抵抗外界光的干扰。
方案二：采用反射式红外发射－接收器ST168采用反射式红外发射－接收器ST168,直接用直流电压对发射管进行供电。
其优点是可以实现实时控制，而且灵敏度可调，受外界干扰比较小。
方案三：采用脉冲调制的红外发射－接收器在方案二的基础上采用脉冲调制发射。
由于环境光干扰主要是直流分量，因此如果采用带有特定交流分量的调制信号，则可在接收端采用相应的手段来大幅度减少外界干扰。
缺点是实现复杂﹑成本高。
综合分析：根据本题目中对探测地面的要求，由于传感器可以在车体的下部，发射、接收距地面都很近，外界光对其的干扰都很小。
因此在基本不影响效果的前提下，为了简便起见，选用反射式红外发射-接受器ST168作为黑线检测模块的传感器。
（3）无线通信模块方案一：采用2262发送芯片，2272接收芯片。
通过编码芯片PT2262发出编码信号，解码芯片PT2272接收到信号后，进行数据处理。
但由该芯片所做成的无线模块不稳定，所需的电压大，功耗高，抗干扰能力差。
方案二：采用nRF905无线传输模块NewMsg_RF905无线传输模块接收发送功能合一，收发完成中断标志。
它在室内有良好的通信效果，抗干扰性能强，有很强的扰障碍穿透性能。
另外它内置硬件8/16位CRC校验，数据传输可靠稳定，降低系统开发难度。
综合分析：方案一中的2262、2272芯片所需电压大，功耗高，抗干扰能力差。
而方案二中的nRF905接收发送功能合一，抗干扰性能强，数据传输可靠稳定，符合本系统要求，因此选用nRF905无线传输模块作为无线通信模块。
二、理论分析与计算1、信号检测与控制本系统中的信号处理主要是对黑线信号检测与控制，使小车能检测到黑线，判断不同种类的黑线，并做出相应的反应，使小车达到相应要求指标。
因此本系统中利用多个反射式红外发射-接受器按一定方式排列，使其能检测黑线，把信号传给单片机，通过算法控制小车产生相应反应。
（1）反射式红外发射-接受器的安装根据跑道分析所得，跑道中的黑线可以分为两类，其中一类为跑道四周的2cm边界黑线，另一类为跑道中的1cm转弯标志黑线和超车标志黑线。
因此在小车最前端并排装两个ST168，用于检测转弯标志线和超车标志线，小车两边分别各装一个ST168，用一根小木杆（长约5cm）延伸到小车两侧，用于检测跑道四周的边界黑线，ST168分布如图2阴影部分所示。
图2 ST168分布图（2）黑线信号的检测与处理当小车在木板上行驶时，装在小车上的红外发射管发射红外线信号，经木板反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信号，输出端将输出低电平；当小车行驶到黑线时，红外线信号被黑色吸收后，将输出高电平，从而实现了通过红外线检测信号的功能。
将检测到的信号送到单片机的I/O 口，当I/O口检测到的信号为高电平时，表明红外线被地上的黑线吸收了，表明小车处在黑线附近；同理，当I/O口检测到的信号为低电平时，表明小车行驶在木板上。
当小车前端检测到黑线时，则表明小车正在通过转弯标志线或者超车标志线，则通过单片机的相应算法，控制小车转弯或者超车，并且在一定时间内屏蔽两侧的ST168，防止出现错误。
当小车左边检测到黑线时，表明小车左边处于边界处，相应的I/O口检测的信号为高电平，则小车向右拐（左边电机转动，右边电机不动）一定幅度；同理，当小车右边检测到黑线时，小车向左拐（右边电机转动，左边电机不动）一定幅度。
因此小车通过将多个反射式红外发射-接受器按一定方式排列，并根据单片机的相应算法协调工作使小车完成相应功能，达到最好的效果。
2、两车之间的通信方法本系统为了使两辆小车能更准确的完成交替超车领跑功能，在两辆小车上分别装有无线通信模块，使两车之间能互相通信，其中无线通信模块为nRF905无线传输模块。
nRF905有两种工作模式，分别是ShockBurstTM接收模式和ShockBurstTM发送模式。
nRF905的工作模式由TRX_CE，TX_EN和PWR_UP三个引脚决定。
nRF905管脚图详见附录图1，nRF905管脚功能说明表见附录表1。
（1）ShockBurst TX 发送流程①当微控制器有数据要发送时，通过SPI接口，按时序将接收机的地址和要发送的数据传给nRF905,SPI的速率在通信协议和器件配置时确定。
②微控制器置高TRX_CE和TX_EN，激发nRF905的ShockBurstTM发送模式。
③nRF905的ShockBurstTM发送：a、射频寄存器自动开启；b、数据打包（加字头和CRC校验码）；c、发送数据包；d、当数据发送完成，数据准备引脚被置高；④AUTO_RETRAN被置高，nRF905不断重发，直到TRX_CE被置低。
⑤当TRX_CE被置低，nRF905发送完成，自动进入空闲模式。
注意：在ShockBurstTM发送中，一旦发送数据过程开始，无论TRX_CE和TX_EN是高或低，发送过程都会被处理完。
只有前一个数据包发送完，nRF905才会接受下一个发送数据包。
（2）ShockBurst RX 接收流程①当TRX_CE为高，TX_EN为低时，nRF905进入ShockBurstTM接收模式。
②650us后，nRF905不断监测，等待接收数据。
③当nRF905检测到同一频段的载波时，载波检测引脚被置高。
④当一个正确的数据包接收完毕，nRF905自动移去字头、地址和CRC校位，然后把DR 引脚置高。
⑤微控制器把TRX_CE置低，nRF905进入空闲模式。
⑥微控制器通过SPI口，以一定的速率将数据移入微控制器内。
⑦转移完毕，nRF905将DR和AM引脚置低。
⑧nRF905此时可以进入ShockBurstTM发送模式、ShockBurstTM接送模式或关机模式。
注意：当正在进数据包接收时，TRX_CE或TX_EN引脚状态发生变化，nRF905立即改变其工作模式，数据包会丢失。
当微处理器接收到AM引脚的信号后，就可以判定nRF905在正在接收数据包，可以决定让其继续接收数据包或进入另一个工作模式。
3、节能方案本系统按题目要求，小车必须用电池供电，不能使用外接电源，因此为了能使小车按规定跑道行驶数圈，必须采取一定的节能方案。
为了达到节能效果，小车的核心控制芯片采用了TI公司生产的MSP430单片机，它是一个特别强调低功耗的单片机系列，尤其适用于采用电池供电的长时间工作的场合。
MSP430降低功耗最重要的因素是应用MSP430时钟系统，最大化LPM3（低功耗模式3：CPU、MCLK、SMCLK被禁止，DCO被禁止、直流发生器被禁止，ACLK活动）的时间。
当实时时钟功能和所有中断被激活时，典型的LMP3电流消耗少于2uA。
32KHz晶振用于ACLK的时钟，DCO用于CPU激活后的突发短暂运行，因此达到低功耗的效果，从而使小车更节能增加电池的使用时间。
三、电路与程序设计1、电路设计（1）黑线检测模块采用 ST168反射式红外光电传感器，连接图如下图3所示。
当检测到黑线部分时,接收管不能接受到反射光,接收管截止,则输出端为高电平。
当检测到白色部分时,接收管能接受到反射光,接收管导通,则输出端为低电平。
寻迹模块输出端接到单片机的I/O口作为输入信号，Vcc接+5V。
一共有4个传感器，所以有4个输入I/O口，分别为P4.3～4.0。
图3 反射式红外光电传感器连接图（2）电机驱动模块电机的驱动芯片选用 L298N 作为驱动芯片。
工作稳定电机驱动信号由单片机提供，信号经过光耦隔离后，传至PWM控制芯片L298N，通过L298N的输出脚与两个电机相连，见图4。
图4 L298连接方法2．程序设计（1）系统软件的简单介绍系统的软件设计分为对双直流电机的控制、对传感器信号的处理，无线通信的处理和显示控制。
其关键部分在于对直流电机的控制，前轮电机的正转和反转分别决定小汽车方向的左拐弯、右拐弯及直线行驶。
在检测黑线过程中，单片机始终使用增量控制的方案，即在调整拐弯或速度控制以及纠偏的过程中，路面信号采样速度、行驶速度、方向调整幅度等都是需要随时调整的，而且都是以一定步进值连续增加或者连续减少这些参数值的。
传感器部分的控制主要负责从外界采集信息，不同的信息对应不同的处理方案。
无线通信部分的控制主要负责接收和发送相关信息，并控制小车采取相应的处理方案。
液晶部分的控制主要负责实时显示相关有效信息。
（2）系统软件的简单结构和流程图本系统软件设计采用原子模块循环法，原子模块循环法的原理简述为：整个程序体即为最小循环体，不断进行循环执行，直至任务结束。
程序体分为采集模块、处理模块、判断模块、存储模块、输出模块。
①采集模块通过模拟开关采回传感器的输出值。
②处理模块对采集模块采回的值进行处理。
