交替领跑智能小车设计报告.pdf
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1、智能小车(智能小车(C 题)题) 摘要摘要 本智能小车以低功耗单片机 MSP430F149 为控制核心,实现两智 能小车在赛道上交替超车领跑的功能。在机械结构上,底盘宽大且高 度较低,以保证其稳定性。由 L298N 电机控制模块、ST188 光电传感 黑线检测模块、NRF24L01 无线通信模块 共同组成小车系统。基于可 靠的硬件设计和软件算法,实现题目要求的功能,另外附加了显示模 块。 关键词:智能小车,MSP430,低功耗,超车 一、一、系统方案系统方案 1.总体方案描述 以超低功耗单片机 MSP430F149 为控制核心,12V 电池及稳压模块为供电源, L298N 芯片及直流电机为驱动
2、模块,红外光电传感器 ST188 为黑线检测模块, NRF24L01 为无线通信模块,LCD 液晶为显示模块,组成智能小车系统。 如图 1 所示: 图 1 总系统框图 2.方案设计与比较 (1)电机驱动模块 基于功能的实现需要双向转动和 PWM 调速,列出了以下方案。 方案一:采用三极管、电阻、电容组合电路。原理简单,但电路设计比 较复杂,制作起来比较麻烦,可靠性差,功率大运行不稳定。 方案二:采用集成电路。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,而且有很多种芯片选择。 分析选择:方案一虽然原理简单易理解,但稳定性不好,且功耗大。故 选择方案二,可靠性高,且节省了
3、焊电路的时间。根据需要,选择 L298N 芯片作 为驱动,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 直接用单片机的 I/O 口提供信号,使用方便。 (2)黑线检测模块 方案一:采用反射式红外传感器 ST188。直接用直流电压进行供电,电 路简单,实现方便,有一定抗干扰能力,要求不高时可用。 方案二:在方案一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。 分析选择:本系统中,传感器主要用于车体下面黑线的检测,距离地面较 近,外界光对其干扰较小
4、,不用脉冲调制也可以实现检测功能;方案二虽然能够 更好地实现,但是成本高,操作复杂,用在此处有些浪费资源和时间。为了能简 易方便地实现,选择方案一进行黑线检测。 (3)无线通信模块 方案一:HC-05 蓝牙串口通讯模块。HC-05 蓝牙模块适用于各种 3.3V 的 单片机系统,模块可以使用 AT 指令设置波特率配对、密码用户信息等。可以传 输大量信息,且抗外界干扰能力强。 方案二: NRF24L01 无线通信模块。 具有自动应答及功能及自动重发功能, 内置 2.4GHZ 天线,体积小巧,高速率,低功耗,应用成本底。 分析选择:方案一是日常生活中接触较频繁的,但是其操作应用的普及性 不高,实现较
5、复杂。方案二是智能小车中比较实用的一款通信模块。考虑到应用 实现的简单性和成本,以及所需传输数据并不多,选择 NRF24L01 足矣,故采用 方案二。 二、二、理论分析与计算理论分析与计算 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)ST188 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 1c
6、m转弯标志黑线和超车标志黑线。 因此 ST188 分布如图 2 阴影部分所示。 图 2 ST288 分布图 在小车最前端一个 ST188,用于检测转弯标志线和超车标志线;小车左边安 装两个 ST188,用于内侧循迹,右边装一个,用于外循迹;用切成长条的万用板 延伸到小车两侧,用于检测跑道四周的边界黑线。 (2)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
7、,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。 当小车左边两个都检测到黑线时, 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;若只有一个检测到黑线,则沿黑线直走;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)
8、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.通信方式与实现 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 nRF24l01 无线传输模块。 nRF24l01 有四种中作模式:工作模式、配置模式、空闲模式、关机模式。 工作模式由 CE 和寄存器内部 PWR_UP、PRIM_RX 共同控制 表 1 nRF24l01 有三种收发模式:Enhanced ShockBurst TM 收发模式,ShockBurst TM 收
9、发模式和直接收发模式。我们选择了低功耗、抗干扰能力强的 Enhanced ShockBurst TM 收发模式。 (1)Enhanced ShockBurst TM 发射流程: A.把接受机的地址和要发送的数据按时序送入 NRF24L01; B.配置 CONFIG 寄存器,是指进入发送模式; C.微控制器把 CE 置高( 至少10us ),激发 NRF24L01进行 Enhanced ShockBurstTM 发射; D.进行发射: 1给射频前端供电; 2射频数据打包; 3高速发射数据包;发射完成,进入空闲状态。 (2)Enhanced ShockBurst TM 接受流程: A.配置本机地址
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