车辆会车自动控制系统设计.doc

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1、 车辆会车自动控制系统摘要：根据题目要求，本设计方案采用TI公司生产的32位ARM CorterTMM3 LM3S1138单片机进行控制。车辆会车自动控制系统采用ZK_4WD四驱动智能车，以LM3S1138为控制核心，采用红外对管传感器检测跑道信息，漫反射红外传感器检测两车是否相遇，码盘测量电机转动步长。两车之间采用nRF24L01A无线数传模块进行无线通信，判断先行车辆，单片机通过L298N电机驱动模块驱动直流电机完成题目各项指定要求。本实验完成了题目的基本要求和发挥部分要求，在指定时间内完成车辆自动会车，并通过WT588D-U语音模块实现附加功能，进行语音提示。关键词：LM3S1138单片

2、机；ZK_4WD四驱动智能车；nRF24L01A无线数传模块；L298N电机驱动模块；WT588D-U语音模块1 方案论证与设计1.1 系统方案设计1.1.1 系统结构设计车辆自动会车系统采用四驱动智能车，车辆结构示意图如图1所示：图1 车辆会车自动控制系统结构图1.1.2 系统控制框图两车分别通过红外对管传感器采集跑道信息，利用码盘测量电机步长。两车之间通过无线通信模块进行无线通信，漫反射红外传感器测量两车距离，实现两车自动会车。单片机通过L298N电机驱动模块控制直流电机完成车辆的各项操作任务。车辆会车自动系统控制框图如图2所示。图2 车辆自动会车控制系统框图1.2 方案论证与选择1.2.

3、1 控制器的论证与选择方案一：采用AT89C51单片机，可编程各种基础控制算法和逻辑，价格低廉。但其处理速度较慢，精度低，存储空间小，功能简单，需要增加PWM波等外设硬件辅助模块。方案二：采用TI公司生产的32位ARM CorterTMM3 EasyARM1138单片机，具有极高的运算能力和中断响应能力。充足的外部引脚，拥有多个模拟比较器、多路PWM等丰富的外设资源。性能高、速度快、功率小、性价比高，调试简单。综上所述，因为小车需要PWM波驱动电机等外设资源，EasyARM1138单片机性价比高，运行速度快，所以本设计方案选择方案二。1.2.2 电机论证与选择方案一：采用步进电机，将电脉冲信号

4、转变为角位移或线位移的开环控制元件。步进电机虽然精度高，但如果控制不当容易产生共振，难以获得较大转矩和较高转速，体积大，耗电量大，不适合安装在小车上。方案二：采用直流电机，是一种输出或输入为直流电能的旋转电机，实现直流电能和机械能互相转换。调速范围广，易于平滑调速，体积小，质量轻，启动、制动和过载转矩大，易于控制，可靠性高，适用于智能车系统。综上所述，因小车空间有限，且无需高精度测控，所以本设计方案选择方案二。1.2.3 路径探测论证与选择方案一：采用光敏电阻组成光敏探测器,光敏电阻在白线和黑线上方时，光线反射强弱不同，其阻值会发生明显的变化，经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受环境影

5、响大，不能够稳定的工作。方案二：采用红外光电对管传感器，它是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个红外发光二极管，接收器是一个高灵敏度的三极管。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。内置塑料透镜可以提高灵敏度；可见光过滤器能减小离散光的影响。它体积小、结构紧凑、调节方便，工作性能稳定。综上所述，因为小车需要适应复杂的工作环境，所以本设计方案选择方案二。1.2.4 测量两车车距论证与选择方案一：采用超声波测距，其发射模块自动发射8个40KHz的方波，接收模块自动检测返回的信号。当两车会车时，会有信号返回，通过IO口输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，

6、从而计算出两车距离。虽然超声波测量距离远，但是近距测量时易受外界影响。方案二：采用红外对管测距，是一种集发射与接收于一体的光电传感器，检测距离可以根据要求进行调节，检测范围为1080cm。该传感器探测距离适中，受外界光线干扰小，外围电路简单，易于装配，使用方便，性价比高，反应灵敏。综上所述，因为红外传感器工作可靠，性能稳定，受外界环境干扰小，所以本设计方案选择方案二。2 原理分析与硬件电路2.1 系统控制原理分析2.1.1 路径测量原理分析图3 红外传感器与跑道的相对位置示意图如图3（a）所示，若车模行驶方向偏离跑道向左偏置，控制电机驱动右侧车轮倒转，车模右转弯，根据车模偏离跑道的距离控制电机

7、转速大小。如图3（b）所示，若车模行驶方向无偏置，则控制车模全速前进。如图3（c）所示，若车模行驶方向偏离跑道向右偏置，控制电机驱动左侧车轮倒转，车模左转弯，根据车模偏离跑道的距离控制电机转速大小。2.1.2 漫反射红外传感器测车距红外发射管发出的光束，遇到障碍物反射回来，落在接收管上，构成了一个等腰三角形。接收管为位置敏感装置，可以测得三角形的底，而两个底角是固定的，由发射管确定，此时便可通过底边推算出高，既我们所要的距离，其测量原理如图4所示。测得其底长为，高度为h，固定底角为，则其距离计算公式为： （公式1）图4 红外测距原理图2.1.3 码盘控制电机转动光电编码盘通过光电转换将输出轴上

8、的机械几何位移量转换成脉冲。在一定直径的圆板上等分地开通若干个长方形孔作为码盘,由于光电码盘与电动机同轴，电动机旋转时，码盘与车轮同角速度旋转，经发光二极管等电子元件组成的检测装置检测输出脉冲信号,通过对脉冲信号的捕捉，控制电机转动。测量得小车半径r为3.35cm,码盘码数m为20。设小车行驶距离为S，脉冲个数为n其计算公式如下： (公式2 )2.2 电路原理分析2.2.1 L298N电机驱动电路采用L298N电机驱动电路（如图5所示），内含4通道逻辑驱动电路，两个H桥高电压大电流双桥式驱动器。启动性能好，转矩大，转速可调，具有续流保护作用，抗干扰能力强。可实现PWM波平滑调速，驱动电机正反转

9、。图5 L298N电机驱动电路图2.2.2 红外光电对管传感器电路红外发射管发出信号照射到跑道，接收管接收经跑道反射后的信号，若红外线照射到跑道黑线时，接收到的电平信号为0；否则，接收到的电平信号为1。红外对管电路如图6所示：图6 红外对管电路图2.2.3 语音模块电路图采用WT588D-U语音芯片当做主控核心，内嵌独特的人声语音处理器，内置D/A转换器、PWM音频处理器可直接输出驱动扬声器，高品质音质输出，接口简单方便，适用于多种模式，抗干扰性强，应用范围广，操作简单。语音模块电路如图7所示：图7 语音模块电路图3 软件设计与流程3.1 系统软件开发IAR Embedded Workench

10、是IAR System公司推出的一款非常有效的嵌入式系统开发工具。支持多微处理器、多语言、多种调试工具，调试速度快，强大的仿真功能，可输出多种格式文件。有效地开发并管理应用项目，界面友好，功能完善，观察窗口调试方便。3.2 程序流程图根据题目要求对两车分别进行控制，程序流程图如图8所示，其中定义拨码开关读值为m。当拨码开关读值为1时，执行模式一，两车分别前行。当拨码开关读值为2时，执行模式二，两车相遇时A车进入会车区等待B车经过后继续前行。当拨码开关读值为3时，执行模式三，车辆启动，发送无线信号，单片机判别先行车辆，两车相遇后，先行车辆进入会车区，待后行车辆经过后继续前行。图8 程序流程图4

11、系统测试与误差分析4.1 测试仪器与环境4.1.1 测试仪器CA18303D稳压电源，34401A六位半数字万用表，DS1022C示波器，秒表。4.1.2 测试环境时间：2012.9.17； 温度：； 地点：室内。4.2 测试方法与结果4.2.1 分别发车测试分别记录A、B两车的行驶时间，车辆从发车区出发开始用秒表计时，直至车辆正常行驶至对方发车区计时停止。测试结果：两车均未出现违规现象，正常行驶至对方发车区，计时有效。表1 两车分别行驶时间A车时间（s）1415111613141514B车时间（s）13101512141311124.2.2 同时发车测试两车同时发车，车辆从发车区出发开始用秒

12、表计时，直至车辆正常行驶至对方发车区计时停止。观察两车会车过程中有无碰撞或刮擦现象。测试结果：两车均未出现违规现象，正常行驶至对方发车区，计时有效。表2 车辆行驶时间时间（s）3430323531333234碰撞或刮擦现象无无无无无无无无4.2.3 A车避让测试两车同时发车，A车首先进入号会车区避让，等待B车经过后再继续前进。车辆从发车区出发开始用秒表计时，直至车辆正常行驶至对方发车区计时停止。观察两车会车过程中有无碰撞或刮擦现象。测试结果：两车均未出现违规现象，A车避让成功，计时有效。表3 车辆行驶时间 时间（s）3331343332323034碰撞或刮擦现象无无无无无无无无4.2.4 B车

13、避让测试A车先行发车，B车稍后开行，两车在2号路段相遇后B车自动退入II号会车区避让，会车后两车继续前进。A车从发车区出发开始用秒表计时，直至两车正常行驶至对方发车区计时停止。观察两车会车过程中有无碰撞或刮擦现象。测试结果：两车均未出现违规现象，B车成功避让，计时有效。表4 车辆行驶时间时间（s）5248514749555253碰撞或刮擦现象无无无无无无无无4.2.5 任意车辆先行测试任意指定一辆车先开行，另外一辆车后开行。两车相遇后，距会车区近的车辆退入会车区避让，会车后，两车继续前行。从第一辆车出发开始用秒表计时，两车正常行驶至对方发车区计时停止。观察两车会车过程中有无碰撞或刮擦现象。测试

14、结果：两车均未出现违规现象，会车成功，计时有效。表5 车辆行驶时间时间（s）4851495154504947碰撞或刮擦现象无无无无无无无无4.3 测试结果分析根据上述测量数据分析可知，本系统运行正常，传感器能及时采集信息，并通过单片机处理，控制直流电机转动，保证在规定时间内按照题目要求完成两车会车任务，会车过程中基本实现了无刮擦、无碰撞。由于测试环境复杂多变，车模器件存在差异，测试过程中，应尽量排除外界干扰，对A、B车模参数分别进行调试，减少误差。5 总 结经组内成员团结协作，最终完成了题目的基本要求和发挥部分要求，系统设计简洁美观，程序算法严谨科学。本次比赛提高了我们分析问题、解决问题的能力，增强了我们团队协作意识和创新能力。参考文献1.谭浩强，C程序设计清华大学出版社，2005年7月第三版 2.华成英，模拟电子技术基础，高等教育出版社，20003.胡松涛，自动控制原理（第五版），科学出版社，20074.张毅刚，单片机原理及应用，高等教育出版社，20045.阎石，数字电子技术基础，高等教育出版社，20082附录1 EasyARM1138单片机电路图图1 EasyARM1138单片机电路图2 5V稳压压电路图图2 5V稳压电路图3 拨码开关图3 拨码开关4 调试界面图4 调试界面