20##全国大学生电子设计大赛
设计报告
智能小车
（C题）
2011.09.03
摘 要
本设计以STC12C5A60S2单片机为控制核心，STC12C5A60S2是一款16位Flash单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。小车采用L298驱动芯片控制直流减速电机，用大功率、大容量的12V/6800mAh蓄电池给电机供电，通过内部程序对智能小车的左右电机进行PWM调速控制。根据题目要求，前进过程中安放在车身不同位置的检测器件对小车的周围环境进行检测，包括采用光电传感器检测黑线命令小车转弯、无线模块作为两智能车之间的通信工具以完成在行车道正常行走及交替领跑任务。其中，本系统设计的重点是控制直流电机使两小车在转弯及正常行驶；难点是实现在规定区域的超车以达到交替领跑。
采用的技术主要有：
（1）、通过编程来控制小车的速度及转向；
（2）、传感器的有效应用及新型芯片的采用；
( 3 )、放射式红外光电传感器ST188的使用；
（4）、无线模块作为俩小车的通信工具及交替领跑。
关键词：STC12C5A60S2单片机；PWM调速；无线通信；交替领跑。
Abstract: This design to STC12C5A60S2 microcontroller as control core, STC 12 C5A60S2 is a 16 bit Flash microcontroller, it's easy to use and more functional by many user high praise. The L298 drive chip control motor, with high power and large capacity 6800 mAh battery to power supply, through the internal procedures motor of intelligent electric vehicles or so motor speed control PWM. According to the topic request, progressive process of the body and laid it in different locations of the detection devices to the circumstances of the car testing, including adopting photoelectric sensor test black line command module as the turning of the car, wireless communication between two intelligent car tool to finish walk normally and lead the alternate task. Among them, the system design is the focus of the control dc motor car in turning to both on the turn and normal operation; Difficulty is to realize in the provisions in order to achieve regional overtaking alternate scorer.
The technique to be used mainly has:
(1), through the programming to control the speed of the car and steering;
(2), sensor effective application of a new type of chip and use;
(3), wireless module as two car communication tools and alternate scorer.
Key words: STC12C5A60S2 single-chip microcomputer; PWM speed; Wireless communication; Alternate scorer.
目 录
摘 要.... 1
目 录.... i
1 设计任务与要求.... 2
1.1 设计任务... 2
1.2 设计要求... 2
2 方案比较与论证.... 2
2.1 方案设计... 2
2.2 方案论证... 2
2.3 总体总结... 4
3 硬件设计.... 5
3.1 总体硬件框图... 5
3.2 单元电路设计... 5
4 软件设计.... 11
4.1 总体软件框图... 12
4.2主程序... 13
5 系统调试与测试.... 13
5.1 硬件调试... 13
5.2 软件调试... 13
5.3软硬件联合调试... 13
6 设计总结.... 14
参考文献.... 15
附录.... 15
附录A：元器件清单... 15
附录B：程序清单... 15
前 言
众所周知，汽车的研究是伴随着汽车工业的蓬勃发展而越来越受人关注。基本全国电子大赛和省内电子大赛每次都有智能小车这方面的题目，全国各高校也都很重视该题目的研究，可见其研究意义很大。本题目是结合科研项目的设计类课题，设计的智能电动小车应该能够周围环境进行检测（检测是否有黑线）、能通过无线模块进行通信、能交替领跑任务。
根据题目的要求及组内讨论，确定如下方案：设计两辆电动智能小车（甲车、乙车）能够按照给出的程序，甲前乙后同时起跑，而且准确无误并无碰撞地在给定区域内同向行走，并在超车区内实现超车，以完成交替领跑任务。
STC12系列有6种型号:分别是STC12C5412AD, STC12C5410AD,STC12C5408AD、STC12C5406AD、STC12C5404AD、和STC12C5402AD。它们区别在于Flash的容量大小，本设计所用到的STC12C5A60S2的Flash容量为10K。
本设计以STC12C5A60S2单片机为控制核心，。STC12C5A60S2是一款16位Flash单片机，它的易用性和多功能性受到了广大使用者的好评。STC 12系列单片机是宏晶科技公司新的低功耗16位Flash单片机，它的16级中断、高效寻址方式、10K大容量Flash, EEPROM, A/D转换、硬件乘法器、硬件脉宽调制器(PWM)等功能特点，较好的实现了强大的功能与超低功耗的结合，因此具有很好的性价比和应用适应性。
本设计就采用了比较先进的STC12C5A60S2为控制核心，STC12C5A60S2采用CHOMS工艺，功耗很低。该设计具有实际意义，可以应用于考古、机器人、医疗器械等许多方面。尤其是在足球机器人研究方面具有很好的发展前景；在考古方面也应用到了超声波传感器进行检测。所以本设计与实际相结合，现实意义很强。
1 设计任务与要求
1.1 设计任务
通过组内讨论以及题目的要求，在下面的文章中我们总体介绍智能小车的结构。
（1）、寻轨模块：用于探测黑线的有无，基础每辆小车由6个RPR220和4个ST188光电管组成，通过反射红外线的变化判断黑线的有无。
（2）、电机驱动模块：由于单片机输出的电流有限，无法直接驱动电机工作，因此需要通过专业的电路进行驱动，本小车采用L298芯片驱动电机。
（3）、单片机模块：根据使用的传感器和控制策略的不同，单片机的选择也不同。本设计主要采用STC-12系列中的STC12C5A60S2单片机。
（4）、红外传感器开关：寻找前面是否有小车，作为通讯工具。
（4）、电源模块：本设计主要用12V/6800mAh的锂电池，其输入电压 12.6V DC；输出12V DC。能稳定安全地给电机供电。
1.2 设计要求
甲车车头紧靠起点标志线，乙车车尾紧靠边界，甲、乙两辆小车同时起动，先后通过起点标志线，在行车道同向而行，实现两车交替超车领跑功能。
2 方案比较与论证
2.1 方案设计
根据题目的要求和组内讨论，本设计采用了比较先进的STC12C5A60S2为控制核心，采用L298芯片驱动电机，主要用12V/6800mAh的锂电池给电机供电。通过寻找黑白交线和避边界命令俩小车能顺利无碰撞地沿着轨道跑，用调速模块达到俩小车相互领跑的效果。
2.2 方案论证
调速模块
方案一：串电阻调速系统。
方案二：静止可控整流器。简称V-M系统。
方案三：脉宽调速系统。
旋转变流系统由交流发电机拖动直流电动机实现变流，由发电机给需要调速的直流电动机供电，调节发电机的励磁电流即可改变其输出电压，从而调节电动机的转速。改变励磁电流的方向则输出电压的极性和电动机的转向都随着改变，所以G-M系统的可逆运行是很容易实现的。该系统需要旋转变流机组，至少包含两台与调速电动机容量相当的旋转电机，还要一台励磁发电机，设备多、体积大、费用高、效率低、维护不方便等缺点。且技术落后，因此搁置不用。
V-M系统是当今直流调速系统的主要形式。它可以是单相、三相或更多相数，半波、全波、半控、全控等类型，可实现平滑调速。V-M系统的缺点是晶闸管的单向导电性，它不允许电流反向，给系统的可逆运行造成困难。它的另一个缺点是运行条件要求高，维护运行麻烦。最后，当系统处于低速运行时，系统的功率因数很低，并产生较大的谐波电流危害附近的用电设备。
采用晶闸管的直流斩波器基本原理与整流电路不同的是，在这里晶闸管不受相位控制，而是工作在开关状态。当晶闸管被触发导通时，电源电压加到电动机上，当晶闸管关断时，直流电源与电动机断开，电动机经二极管续流，两端电压接近于零。脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation），简称PWM。脉冲周期不变，只改变晶闸管的导通时间，即通过改变脉冲宽度来进行直流调速。
与V-M系统相比，PWM调速系统有下列优点：
（1）由于PWM调速系统的开关频率较高，仅靠电枢电感的滤波作用就可以获得脉动很小的直流电流，电枢电流容易连续，系统的低速运行平稳，调速范围较宽，可达1：10000左右。由于电流波形比V-M系统好，在相同的平均电流下，电动机的损耗和发热都比较小。
（2）同样由于开关频率高，若与快速响应的电机相配合，系统可以获得很宽的频带，因此快速响应性能好，动态抗扰能力强。
（3）由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。
根据以上综合比较，以及本设计中受控电机的容量和直流电机调速的发展方向，本设计采用了H型单极型可逆PWM变换器进行调速。
脉宽调速系统的主电路采用脉宽调制式变换器，简称PWM变换器。
脉宽调速也可通过单片机控制继电器的闭合来实现，但是驱动能力有限。为顺利实现电动小汽车的前行与倒车，本设计采用了可逆PWM变换器。可逆PWM变换器主电路的结构式有H型、T型等类型。我们在设计中采用了常用的双极式H型变换器，它是由4个三极电力晶体管和4个续流二极管组成的桥式电路。
综合考虑系统的各项性能，最后我们决定采用PWM调速系统。
寻黑白交线模块
方案一：采用光电自动寻轨传感器，通过采集黑白线返回主控制单片机的电信号不同，来实现自动寻迹的功能。
方案二：采用反射式红外传感器来进行探测。只要选择数量和探测距离合适的红外传感器，可以准确的判断出跑道边界的位置。
方案的选择：方案一中的光电传感器驱动方便，识别率高，并且采集速度快，返回信号准确，能够实现题目的要求，即能精确实现循迹黑线，方案二虽然效果更佳，但价格较昂贵。所以选择方案一。
转向装置模块
方案一：双电机控制。采用两个直流电机控制小车后轮，检测不到黑线走直线时，单片机控制两轮转速相等。当传感器检测到黑线，需要向左转时，增加右轮转速，降低左轮转速；需要向右转时，增加左轮转速，降低右轮转速。但此种方法必须精确控制两车轮转速直行时相等，否则将会出现小摇摆及抖动，达不到平滑运动的效果。
方案二：步进电机控制前轮。步进电机将电脉冲信号转换成相应的角位移的特种电机，步进电机的显著特点是快速启动能力，测到障碍物时能够快速转向；另外步进电机的精度高，每步可以小至0.72度，不会失步，在负荷不超过动态转矩值时，可以瞬间启动和停止。逆转时能够精确返回原始位置。外加机械机构可以把角度变成直线位移。但步进电机的价格比较昂贵。
经过比较分析，采用方案一即两个直流电机控制转向。
2.3 总体总结
通过我们组内讨论以及题目的要求，我们的电动智能小车选主要采用STC-12系列中的STC12C5A60S2单片机，其设计主要用12V/6800mAh的锂电池，能稳定安全地给电机供电；由于单片机输出的电流有限，无法直接驱动电机工作，因此需要通过专业的电路进行驱动，只要单片机给出相应的控制信号，便可控制电机工作。以STC 12C5A60S2为控制核心，用于探测黑白交线的位置，基础由若干个光电管组成，通过反射红外线的变化判断黑白交线的有无，便于走黑白交线。
综合考虑系统的各项性能，我们决定采用PWM调速系统；采用光电自动寻轨传感器，通过采集黑白线返回主控制单片机的电信号不同，来实现自动寻迹的功能；采用双电机控制控制小车的转向。
3 硬件设计
3.1 总体硬件框图
图3-1 硬件总框图
3.2 单元电路设计
ST188传感器模块
图3-2 ST188传感器
放射式红外光电传感器ST188采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，检测距离可调整范围大，4-13mm可用。本设计中ST188主要是检测跑道上的黑白交线，这样小车就能沿着跑道顺利走。
RPR220传感器模块
图3-3 RPR220传感器
在本设计中我们采用红外一体式发射接收器，发射管和接收管的直径都为3mm，系统中我们设计反射距离在1.5cm左左，此时探测环境都在检测电路板之下，不易受到其他光线的干扰。传感器都选用RPR220发射红外传感器。该封装形状规则，便于安装。
红外一体式发射接收器由于感应的是红外光，常见光对它不干扰。红外一体式发射接收器检测黑线的原理为：由于黑色吸光，当红外发射管发出的关照射在上面后反射的部分比较小，接收管接收到地红外线也就较少，表现为电阻比较大，通过外接的电路就可以读出检测的状态，同理当照在白色表面时发射的红外线就比较多，表现为接收管的电阻比较小。本设计中当RPR220检测到黑线，小车会自动偏转而远离边缘的黑线。
电机驱动模块
图3-4电机驱动
L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装，主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达到45V；输出电流大，瞬间峰值电流课达到3A，持续工作电流为2A；额定功率25W。内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机。
单片机模块
图3-5 STC12C5A60S2单片机
单片机是小车的控制核心，单片机最小系统的合理设计是小车平稳运行的前提。本设计用的是S12系列单片机。
图中的S12单片机最小系统有以下几个部分组成：
1、晶振电路，单片机要想工作必须有一个外部的时钟源，这个时钟源由外部晶振产生，具体电路如图3-2-3的P2、C1、C2，在电路板晶振和电容要靠近18脚和19脚放置。
2、复位电路，S12的复位是由外部的复位电路来实现的。复位引脚RST通过一个斯密特触发器用来抑制噪声，在每个机器周期的S5P2,斯密特触发器的输出电平由复位电路采样一次，然后才能得到内部复位操作所需要的信号。
复位电路通常采用上电自动复位和按钮复位两种方式。
最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要Vcc的上升时间不超过1ms,就可以实现自动上电复位。时钟频率用11.0592MHZ时C取30uF,R取1KΩ。
除了上电复位外，有时还需要按键手动复位。本设计就是用的按键手动复位。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中电平复位是通过RST端经电阻与电源Vcc接通而实现的。
电源模块
图3-6 电源
本设计的电源为车载电源。为保证电源工作可靠，单片机系统与动力伺服系统的电源采用了大功率、大容量的12V/6800mAh蓄电池。
测距模块
测距模块采用E18-D80NK传感器，此传感器不仅能准确地控制两小车的距离，还能作为两小车的通信工具，即两小车能按照所测的距离不变地在跑道上行驶，当到达超车区域时位于后面的小车会超过前面的小车，如此循环，以达到交替领跑的功能。
4 软件设计
统软件设计说明
在进行微机控制系统设计时，除了系统硬件设计外，大量的工作就是如何根据每个生产对象的实际需要设计应用程序。因此，软件设计在微机控制系统设计中占重要地位。对于本系统，软件更为重要。
在单片机控制系统中，大体上可分为数据处理、过程控制两个基本类型。数据处理包括：数据的采集、数字滤波、标度变换等。过程控制程序主要是使单片机按一定的方法进行计算，然后再输出，以便控制生产。
为了完成上述任务，在进行软件设计时，通常把整个过程分成若干个部分，每一部分叫做一个模块。所谓“模块”，实质上就是所完成一定功能，相对独立的程序段，这种程序设计方法叫模块程序设计法。
模块程序设计法的主要优点是：
单个模块比起一个完整的程序易编写及调试；
模块可以共存，一个模块可以被多个任务在不同条件下调用；
模块程序允许设计者分割任务和利用已有程序，为设计者提供方便。
模块程序简单性为观察者带来方便。
4.1 总体软件框图
N
Y
Y
N
N
Y
N
Y
图4-1 软件总框图
4.2主程序
根据题目要求用C语言编写程序以达到各项功能。（具体程序附在程序清单）
5 系统调试与测试
5.1 硬件调试
测试仪器与方法
（1）、测试仪器
测试仪器包括秒表、米尺、数字万用表、直流稳压电源等。
（2）、测试方法
数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、漏电流、截止/导通状态等参数；测量模块板是否可行。
软件KEIL4用于调试软件；
直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电；
秒表用于产品测试，按照任务书的基本要求对制成的电动车进行产品测试。
电机运行调试
掌握电机运行速度与软件设定值的关系，与软件算法协调调试，使静态误差最小。
5.2 软件调试
本程序较大且复杂，因此采用C语言编写，通过keil软件的不断修改，采用自下而上的调试方法，先调试功能电路，再调试整个系统。在调试的过程中与硬件的调试相结合，提高了调试的效率。
5.3软硬件联合调试
当软件和硬件的基本功能分别调试后，进行软硬件联合调试及优化。
6 设计总结
全国大学生电子设计竞赛给我们提供了一个培养创新、协作和钻研精神的平台，是大学生展现自己、积累经验的舞台。激情创造，精彩无限！
参加过“瑞萨杯”电子设计竞赛的人，都从中体会到了奋斗的快乐、团队力量的伟大和来自压力的动力。电子设计竞赛是一块“试金石”，更是一个“练金场”。要想取得成功，需要有丰富的知识积累、灵活的头脑、坚强的意志、塌实肯干和永不放弃的精神。以下我在本次竞赛中的体会和感想：
一、态度
性格决定命运，气度影响格局，态度决定高度，细节决定成败。对于电子竞赛，我们应该有正确的认识，我们要以学知识为目的，拿奖为动力。只有我们有丰富的知识和经验的积累，才能在赛场上赢得胜利。培训到竞赛是一个漫长的过程，期间心态很重要，会遇到很多问题，比如：做训练时不懂的知识，硬件、软件调不出来，队员之间的矛盾，外界压力等，都需要我们去克服。其中，最重要的是处理好队员之间的矛盾和心态；不懂的知识可以去学习；硬件、软件调不出来，只要有耐心，认真分析就能找出原因； 阻碍我们发展的往往是自己心情，心胸开阔，善于接受意见和容忍别人的错误，才能在培训和竞赛中有所收获。
三、积累
电子竞赛要求较强的动手能力，将理论转换为实际的操做，“纸上得来终觉浅，绝知此事要躬行”。知识和经验需要我们在做课题时不断的积累，做课题时一定要合理分工，严格按要求完成，否则到比赛时就后悔莫及。
学会看英文文档，我们用到的芯片资料都是英文的，要学会找重点，找我们需要的东西，别人翻译的文档有可能错误或没说清楚。编程软件也是英文的，如果是没人教，就得自己看资料学习。
四、交流
交流不仅能促进队员们的学习，还能及时发现问题处理问题。队员之间交流过少，可能做出来的东西分开调试都满足要求，一旦连接起来就出问题了。所以不管是比赛还是在日常的学习中都要与他人沟通，利用一切可以提高自己能力的资源。网络上更有丰富的资源，要做的东西在网上都能找到相关内容，这也是一个学习的过程，特别在一些论坛里有着丰富的资源。
总的来说，我们学会了很多，为以后的发展奠定了基础。
参考文献
［1］ 张金，电子设计与制作100例—北京：电子工业出版社，20##-10.
［2］ 李群芳，张士军，黄建，单片微型计算机与接口技术—北京：电子工业出版社，2008.5
［3］ 汪杰，数据结构经典算法实现与习题解答—北京：人民邮电出版社，2004.1
附录
（相关设计文档，如电路图，电路板图、元器件清单与程序清单等等）
附录A：元器件清单
STC12C5A60S2单片机、ST188放射式红外光电传感器、RPR220发射红外传感器、E18-D80NK传感器、L298N电机驱动芯片、12V/6800mAh蓄电池、直流减速电机、车轮、有机玻璃等等。
附录B：程序清单
#include"reg51.h"
sfr CCON = 0xD8; // PCA控制寄存器
sbit CCF0 = CCON^0; // PCA模块0中断标志
sbit CCF1 = CCON^1; // PCA模块0中断标志
sbit CR = CCON^6; // PCA计数器阵列溢出标志位
sbit CF = CCON^7; // PCA计数器阵列运行控制位
sfr CMOD = 0xD9; // PCA工作模式寄存器
sfr CL = 0xE9; // PCA的16位计数器----低8位
sfr CH = 0xF9; // PCA的16位计数器----高8位
sfr CCAPM0 = 0xDA; // PCA模块0的输出脉冲频率
sfr CCAP0L = 0xEA; // PCA捕获、比较寄存器——低位字节
sfr CCAP0H = 0xFA; // PCA捕获、比较寄存器——高位字节
sfr CCAPM1 = 0xDB; // PCA模块1的输出脉冲频率
sfr CCAP1L = 0xEB; // 同上
sfr CCAP1H = 0xFB; // 同上
sfr PCAPWM0= 0xf2; // PCA模块0的PWM寄存器
sfr PCAPWM1= 0xf3; // PCA模块1的PWM寄存器
sbit k =P2^6; //定义红外开关输入端口
unsigned char g; //常数g
sbit in1 = P0^0; //电机模块管脚
sbit in2 = P0^1;
sbit in3 = P0^2;
sbit in4 = P0^3;
sbit led1 = P0^4; //循迹模块管脚
sbit led2 = P0^5;
sbit led3 = P0^6;
sbit led4 = P0^7;
sbit led5 = P2^4;
sbit led6 = P2^5;
sbit led7 = P2^0;
sbit led8 = P2^3;
/***************************向前走*****************************/
void forward()
{
in1=1;
in2=0;
in3=1;
in4=0;
}
/***************************延时函数***************************/
void delay(unsigned int c) {
unsigned char i,j;
for(;c>0;c--)
for(i=100;i>0;i--)
for(j=200;j>0;j--);
}
/*****************************检测前面是否有小车*******************************/
void sj()
{
if(k==1)
g=1;
else
g=0;
}
/****************************速度设定*******************************************/
void pwm0(unsigned int a) {
CCAP0L=a;
CCAP0H=a;
}
void pwm1(unsigned int b) {
CCAP1L=b;
CCAP1H=b;
}
/****************************判断小车是否靠边***********************************/
void xj()
{
if(led7==1)
{
pwm0(0);
pwm1(200);
delay(4);
}
if(led8==1)
{
pwm0(200);
pwm1(0);
delay(4);
}
}
/*************************主函数***********************************/
main()
{
CL=0;
CH=0;
CMOD=0x00;
CCAP0H=CCAP0L=0x00;
CCAPM0=0x42;
CCAP1H=CCAP1L=0x00;
CCAPM1=0x42;
CR=1;
sj();
forward();
delay(200);
while(1)
{
if(k==0)
{
pwm0(150);
pwm1(150);
}
if(led1==0&&led2==0&&led3==0)
{
forward();
pwm0(0);
pwm1(190);
}
if(led1==0&&led2==0&&led3==1)
{
forward();
pwm0(0);
pwm1(0);
}
if(led1==0&&led2==1&&led3==1)
{
forward();
pwm0(190);
pwm1(0);
}
if(led1==1&&led2==1&&led3==1)
{
for(;;)
{
in1=1;
in2=0;
in3=0;
in4=1;
pwm0(40);
pwm1(0);
if(led2==0)
break;
}
}
if(led1==1&&led2==0&&led3==1)
{
forward();
pwm0(0);
pwm1(190);
}
if(led5==1&&led6==1)
{
forward();
pwm0(0);
pwm1(90);
delay(90);
if(g==1)
{
while(led7!=1)
{
forward();
pwm0(0);
pwm1(56);
}
while(led7==1){
pwm0(0);
pwm1(190);
delay(2);
}
pwm0(0);
pwm1(0);
delay(10);
for(;;)
{
pwm0(168);
pwm1(168);
xj();
if((k==0||led6==1)&&led7==0)
break;
}
for(;;)
{
pwm0(40);
pwm1(40);
xj();
if(led6==1)
break;
}
g=!g;
}
else
{
g=!g;
//delay(50);
pwm0(0);
pwm1(100);
delay(40);
pwm0(0);
pwm1(255);
delay(20);
}
}
}
}