3260.自動(dòng)尋跡跟蹤智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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1、 摘 要 自動(dòng)尋跡是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV—auto-guided vehicle）機(jī)器人系統(tǒng)。用以實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，以及選擇正確的路線。實(shí)驗(yàn)中采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo)，使用反射式紅外傳感器感知導(dǎo)引線和判斷障礙物。系統(tǒng)控制核心采用P89C51RA單片機(jī),系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)采用控制方式為單向PWM的直流電機(jī)。該技術(shù)可以應(yīng)用于無(wú)人駕駛機(jī)動(dòng)車，無(wú)人工廠、倉(cāng)庫(kù)、服務(wù)機(jī)器人等領(lǐng)域。 總計(jì)，智能小車系統(tǒng)中用傳感器去檢測(cè)顏色，檢測(cè)到的紅外信號(hào)由P2口輸入，再通過(guò)軟件分析，通過(guò)P1口輸出相應(yīng)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制小車，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的動(dòng)作來(lái)達(dá)到越過(guò)障礙物的目的；還有兩個(gè)紅外線傳感器用于尋軌跡，檢測(cè)

2、到的信號(hào)輸入到P3口再通過(guò)軟件完成相應(yīng)的控制動(dòng)作；另外一個(gè)傳感器便是霍爾傳感器，它檢測(cè)到的脈沖送入P3口，并進(jìn)行記數(shù)，通過(guò)程序計(jì)算出小車的里程，并由LED顯示出來(lái)。 關(guān)鍵詞 P89C51RA；紅外傳感器；霍爾傳感器 Abstract The auto-searching for track is on the base of the AGV-auto-guided vehicle system. It makes the car discern th

3、e routs, So the car can choose the right routes. In the experiment we take use of the guiding wire whose color distinguishes from the background to guide the car and the inflected infrared sensor to discern the guiding wire and obstacles. The P89C51RA Single Chip Microcomputer is used for the contro

4、l core in this system, and the one-way PWM direct current electromotor for the motive force or power system. This technology could serve to driverless mobile, robot factory, warehouse, service robot and etc. In this sysem, the car make examine the color with the sensors,they will send the signals

5、 to the I/O port 2 of the MicroController Unit,and the signals will be analyzed by the software,which generate the corresponding driving signals controlling the car,avoiding the roadblocks.The another two sensoes are used to find the orbit that we set,they will send the signals to the I/O port 3 of

6、the chip,and the signals will be analyzed by the software,which create the corresponding signals controlling the car, along the rebit.The last sensor is Hall Sensor,it gives pulses to the counter of the single chip,in the last,by the program,the distance will be calculated and displayed by the LED.

7、 Keywords: P89C51RA;Infrared Sensor;Hall Sensor 目 錄 摘 要 Ⅰ Abstract Ⅱ 第 1 章 緒論 1 1.1 單片機(jī)的簡(jiǎn)介和發(fā)展 1 1.2 軌跡跟蹤系統(tǒng)研究意義 2 1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 2 第2章 方案的分析與論證 3 2.1 主控系統(tǒng)分析與論證 3 2.2 機(jī)械系統(tǒng)分析與論證 5 2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分析與論證 5 2.4 傳感器系統(tǒng)分析與論證 6 2.4.1 反射式紅外傳感器 6 2.4.2 超聲探測(cè)器的選型與工作方式 7 2.4.3 金屬

8、探測(cè)器的選型 9 2.4.4 光電探測(cè)器的選型 9 2.5 電源電路的選型分析與論證 9 2.6 里程檢測(cè)模塊分析與論證 10 2.7顯示模塊分析與論證 11 第3章 硬件介紹與電路設(shè)計(jì) 13 3.1 P89C51簡(jiǎn)要說(shuō)明..... ........................................13 3.1.1 管腳功能..............................................14 3.2 循跡電路設(shè)計(jì)..................... ... ......................17 3.2.1 循跡

9、原理 20 3.2.2 彎道情況及解決辦法 21 3.2.3 路徑識(shí)別單元 21 3.2.4 調(diào)速控制 22 3.2.5 具體連接和控制 23 3.3 顯示模塊的設(shè)計(jì) 23 3.3.1 LED的特性 23 3.3.2 LED顯示器結(jié)構(gòu) 23 3.3.3 LED顯示器分類 24 3.3.4 LED的應(yīng)用 25 3.3.5 具體顯示模塊 26 3.4小車驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì) 28 3.5 ISP 設(shè)計(jì) 29 3.6 車輪轉(zhuǎn)數(shù)及里程檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 32 第4章 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 33 4.1 軟件設(shè)計(jì)主流程圖 33 4.2 兩側(cè)檢測(cè)黑線程序框圖

10、34 結(jié) 論 35 致 謝 36 參考文獻(xiàn) 37 附 錄 38 第1章 緒論 1.1 單片機(jī)的簡(jiǎn)介和發(fā)展 我國(guó)開(kāi)始使用單片機(jī)是在1982年，短短五年時(shí)間里 發(fā)展極為迅速。1986年在上海召開(kāi)了全國(guó)首屆單片機(jī)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用交流會(huì)，有的地區(qū)還成立了單片微型計(jì)算機(jī)應(yīng)用 協(xié)會(huì)，那是全國(guó)形成的第一次高潮。截止今日，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)飛速發(fā)展，我們上因特網(wǎng)輸入一個(gè)“單片機(jī)”的搜索，將會(huì)看到上萬(wàn)個(gè)介紹單片機(jī)的網(wǎng)站，這還不包括國(guó)外的。與它相應(yīng)的專業(yè)雜志現(xiàn)在也有很多，比如由單片機(jī)界 的權(quán)威何立民

11、主編的《單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用》雜志現(xiàn)以風(fēng)靡電子界，在2003年7月，（91 獵頭 網(wǎng)）在上海、廣州、北京等大城市所做的一次專業(yè)人才需求報(bào)告中，單片機(jī)人才的需求量位居第一。 一塊小小的片子，為何有這樣的魔力？ 我們首先從它的構(gòu)成說(shuō)起：?jiǎn)纹瑱C(jī)亦稱單片微電腦或單片微型計(jì)算機(jī)。它是把中央處理器（CPU）、隨機(jī)存取內(nèi)存（RAM）、只讀存儲(chǔ)器（ROM）、輸入/輸出埠 （I/0）等主要計(jì)算機(jī)功能部件都集成在一塊集成電路芯片上的微型計(jì)算機(jī)。 計(jì)算機(jī)的產(chǎn)生加快了人類改造世界的步伐，但是它畢竟體積大。微電腦（單片機(jī)）在這種情況下誕生了，它為我們改變了什么？縱觀我們現(xiàn)在生活的各個(gè)領(lǐng)域，從導(dǎo) 彈的導(dǎo)航裝置，到飛

12、機(jī)上各種儀表的控制，從計(jì)算機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通訊與數(shù)據(jù)傳輸，到工業(yè)自動(dòng)化過(guò)程的實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù) 處理，以及我們生活中廣泛使用的各種智能IC 卡、電子寵物等，這些都離不開(kāi)單片機(jī)。以前沒(méi)有單片機(jī)時(shí)，這些 東西也能做，但是只能使用復(fù)雜的模擬電路，然而這樣做出來(lái)的產(chǎn)品不僅體積大，而且成本高，并且由于長(zhǎng)期使用， 元器件不斷老化，控制的精度自然也會(huì)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)。在單片機(jī)產(chǎn)生后，我們就將控制這些東西變?yōu)橹腔刍?，我?只需要在單片機(jī)外圍接一點(diǎn)簡(jiǎn)單的接口電路，核心部分只是由人為的寫入程序來(lái)完。這樣產(chǎn)品的體積變小了，成本也降低了，長(zhǎng)期使用也不會(huì)擔(dān)心精度達(dá)不到了。所以,它的魔力不僅是在現(xiàn)在，在將來(lái)將會(huì)有更多的 人來(lái)接受它、使用

13、它。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的單片機(jī)年容量已達(dá)1——3 億片，且每年以大約16%的速度增長(zhǎng)，但相對(duì)于世界市場(chǎng)我國(guó)的占有率還不到1%。特別是沿海地區(qū)的玩具廠等生產(chǎn)產(chǎn)品多數(shù)用到單片機(jī)，并不斷地輻射向內(nèi)地。所以，學(xué)習(xí)單片機(jī)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用在我國(guó)是有著廣闊前景的。 1.2 軌跡跟蹤系統(tǒng)研究意義 自第一臺(tái)工業(yè)機(jī)器人誕生以來(lái)，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國(guó)防等領(lǐng)域。近年來(lái)機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們?cè)诓粩嗵接憽⒏脑?、認(rèn)識(shí)自然的過(guò)程中，制造能替代人勞動(dòng)的機(jī)器一直是人類的夢(mèng)想。 隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺(jué)傳感器種類越來(lái)越多，其中視覺(jué)傳感器成為自動(dòng)行走和

14、駕駛的重要部件。視覺(jué)的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對(duì)于視覺(jué)的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺(jué)需要通過(guò)大量的運(yùn)算也只能識(shí)別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡(jiǎn)單的目標(biāo)。視覺(jué)傳感器的核心器件是攝像管或CCD，目前的CCD已能做到自動(dòng)聚焦。但CCD傳感器的價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢(shì)，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺(jué)的系統(tǒng)中考慮使用接近覺(jué)傳感器是一種實(shí)用有效的方法。 1.3設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺(jué)功能。自動(dòng)尋跡是基于自動(dòng)導(dǎo)引小車（AGV—auto-guided vehicle

15、）系統(tǒng)，要求小車實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別路線，判斷并自動(dòng)規(guī)避障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo)，使用傳感器感知導(dǎo)引線和障礙判斷。 第2章 方案的分析與論證 2.1 主控系統(tǒng)分析與論證 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)題。據(jù)此，擬定了以下三種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下。 1.僅采用CPLD作為核心部件的方案 如圖2-1所示：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開(kāi)發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫

16、開(kāi)發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非?？欤≤嚨男羞M(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。 里程檢測(cè) 循跡檢測(cè) 障礙檢測(cè) CPLD 避開(kāi)障礙 顯示行駛里程、時(shí)間等 指示燈 顯示行駛路線 圖2-1 僅以CPLD為核心部件的系統(tǒng) 2.僅采用單片機(jī)作為核心部件的方案 如圖2-2所示：采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車

17、，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)——控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種為較為理想的方案。 圖2-2 僅以單片機(jī)為核心部件的系統(tǒng) 單片機(jī) 里程檢測(cè) 循跡檢測(cè) 障礙檢測(cè) 避開(kāi)障礙 顯示行駛里程、時(shí)間等 指示燈 顯示行駛路線 針對(duì)本設(shè)計(jì)特點(diǎn)——多開(kāi)關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長(zhǎng)處理多開(kāi)關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)器的小體

18、積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了P89C51RA單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，51單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)8K，對(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是51單片機(jī)價(jià)格非常低廉。 在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)的驅(qū)動(dòng)、顯示等諸多因素后，我們決定采用以一片單片機(jī)作為核心部件，充分利用P89C51RA單片機(jī)的資源。因其功能強(qiáng)大，程序空間多達(dá)8K足夠本次設(shè)計(jì)使用。這種方案是一種較為理想的方案。因此是我的首選。 3.采用單片機(jī)與CPLD聯(lián)合控制的方案 利用CPLD的高速精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)以向單片機(jī)給出信號(hào)以得出準(zhǔn)確的里程、時(shí)間數(shù)值，

19、大大節(jié)省了單片機(jī)的資源以做控制之用，同時(shí)可以在很大程度上減小MCU的程序量。該系統(tǒng)綜合了MCU及CPLD的優(yōu)勢(shì)，是三個(gè)方案中效果最好的一個(gè)方案。但是此系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，且開(kāi)發(fā)周期較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，在充分考慮到系統(tǒng)的需要及開(kāi)發(fā)周期的情況下，我們決定選用第2種方案，即“僅采用單片機(jī)作為核心部件的方案”。 2.2機(jī)械系統(tǒng)分析與論證 本題目要求小車的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、簡(jiǎn)單，而四輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。因此我們選用市售玩具汽車的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)并進(jìn)行了改裝： 1.驅(qū)動(dòng)部分：由于玩具汽車的直流電機(jī)功率較小，而小車上裝有電池、電機(jī)、電子器件等，使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。為使小車能夠順利啟動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在直流電機(jī)和輪車

20、軸之間加裝了三級(jí)減速齒輪。 2.顯示部分：將顯示模塊放置小車前部上方，利于觀察。 3.電池的安裝：將電池放置在車體的正下方，降低車體重心，提高穩(wěn)定性，同時(shí)可增加驅(qū)動(dòng)輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。 2.3電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分析與論證 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是本次設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分,它是使小車行駛的動(dòng)力根源。所以要選擇一個(gè)合適的驅(qū)動(dòng)電路適合小車的行走,如果轉(zhuǎn)速太大的話會(huì)使小車轉(zhuǎn)彎或停止不是很流暢,因?yàn)樾≤囋谛旭偮肪€中要避開(kāi)障礙物,避開(kāi)后還要沿著原來(lái)的軌跡行走,所以要求速度得盡量均勻些,所以對(duì)電機(jī)的要求提出了四種放方案如下。

21、 1. 采用步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的一個(gè)顯著的特點(diǎn)就是具有快速啟動(dòng)和停止能力，能夠達(dá)到我們所要求的標(biāo)準(zhǔn)。如果負(fù)荷不超過(guò)步進(jìn)電機(jī)所能提供的動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩值，就能夠立即是步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)或反轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)換靈敏度比較高。正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)控制靈活。但是步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格比較昂貴，對(duì)

22、于我們的現(xiàn)狀相差太遠(yuǎn)。 2. 采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開(kāi)或關(guān)進(jìn)行控制 通過(guò)開(kāi)關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。 3. 采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器 此種方法可以調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問(wèn)題在于一般的電動(dòng)機(jī)電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 4. 采用功率三極管作為功率放大器 采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，采用由達(dá)林頓管組成的 H型PWM電

23、路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高；H型保證了簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子管的開(kāi)關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)。 這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。 2.4 傳感器系統(tǒng)分析與論證 2.4.1 反射式紅外傳感器 反射式紅外發(fā)射—接收裝置，只有物體反射紅外光的時(shí)后才有信號(hào)輸入，其信號(hào)的強(qiáng)度與小車到障礙物的

24、距離是成正比的。因此可利用信號(hào)的強(qiáng)度來(lái)判斷障礙物及避開(kāi)障礙物。 （1）紅外探測(cè)器的選型 紅外探測(cè)器按其工作模式可大致分為主動(dòng)式與被動(dòng)式，主動(dòng)式紅外探測(cè)器自帶紅外光源，通過(guò)對(duì)光源的遮擋、反射、折射等光學(xué)手段可以完成對(duì)被探測(cè)物體位置的判別。被動(dòng)式紅外探測(cè)器本身沒(méi)有光源，通過(guò)接受被探測(cè)物體的特征光譜輻射來(lái)測(cè)量被探測(cè)物的位置、溫度或進(jìn)行紅外成像。直流直接驅(qū)動(dòng)方式裝置簡(jiǎn)單但檢測(cè)距離和抗干擾能力都比較差；交流調(diào)制方式由于可以采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問(wèn)題從而可以大大提高檢測(cè)的距離，同時(shí)由于環(huán)境光產(chǎn)生的干擾多數(shù)情況是信號(hào)的直流或低頻分量可以由濾波器加以隔絕，因此交流調(diào)試方式抗干擾能力也比較強(qiáng)

25、，缺點(diǎn)是系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。在本體中我們要利用紅外探測(cè)器檢測(cè)障礙物的距離，顯然選用主動(dòng)式紅外傳感器比較合適，系統(tǒng)的造價(jià)可以降低可靠性可以提高。 主動(dòng)式紅外傳感器又可分為分立元件型、透射遮擋型和反射型。分立元件型發(fā)光管和接收管是相互獨(dú)立的，用戶在使用時(shí)候可以根據(jù)需要靈活的設(shè)定發(fā)光管與接受管的不同位置，缺點(diǎn)是裝置相對(duì)來(lái)說(shuō)比較麻煩。透射遮擋型和反射型通過(guò)塑料模具將發(fā)光管與接收管封裝在一起，非常方便用戶使用，在本題中對(duì)障礙物的檢測(cè)我使用反射型紅外傳感器。 （2）主動(dòng)式紅外探測(cè)器的驅(qū)動(dòng)方式 主動(dòng)式紅外探測(cè)器自帶紅外光源，能夠通過(guò)對(duì)光源的遮擋、反射、折射等方式來(lái)完成對(duì)被探測(cè)物體位置的判別。主動(dòng)式紅外探測(cè)器

26、的工作方式選取主要是直流與交流的選取，最通用的驅(qū)動(dòng)方式可分為直流直接驅(qū)動(dòng)方式和交流調(diào)制方式，直流直接驅(qū)動(dòng)方式搭建起來(lái)比較簡(jiǎn)單但在檢測(cè)距離和抗干擾能力方面都比較差；交流調(diào)制方式由于可以采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問(wèn)題從而可以大大提高檢測(cè)的距離。但其也有缺點(diǎn)，系統(tǒng)太龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，對(duì)于比較大型的來(lái)說(shuō)是一種理想的選擇，利用紅外探測(cè)器檢測(cè)障礙物的距離，顯然選用主動(dòng)式紅外傳感器比其他它的更優(yōu)越一些。 2.4.2 超聲探測(cè)器的選型與工作方式 （1）超聲探測(cè)器的選型 在當(dāng)前科技高速的運(yùn)轉(zhuǎn)中，超聲波傳感器已成為被廣泛應(yīng)用的一種高科技技術(shù)，超聲探測(cè)技術(shù)主要應(yīng)用于中程測(cè)距、結(jié)構(gòu)探傷等領(lǐng)域，超聲波

27、換能器是其核心部件，換能器按其工作介質(zhì)可分為氣相、液相和固相換能器三種；按其發(fā)射波束寬度可分為寬波束和窄波束換能器；按其工作頻率又可分為38KHz、40KHz等不同的等級(jí)。 （2）用超聲波探測(cè)器測(cè)距的工作方式的選取 當(dāng)利用超聲波探測(cè)器測(cè)距時(shí)通常用的兩種方法——強(qiáng)度法和反射時(shí)間法，強(qiáng)度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來(lái)測(cè)量被測(cè)物的距離，被測(cè)物越遠(yuǎn)其反射信號(hào)越弱，根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱就可以知道被測(cè)物的遠(yuǎn)近,但在使用這種方法時(shí)由于換能器之間的直接耦合信號(hào)很難消除，在放大器增益較高時(shí)這一直接耦合信號(hào)就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效其原理如圖2-3所示，由于直接耦合信號(hào)的直接耦合信號(hào) 被測(cè)物反射信

28、號(hào) 圖2-3 強(qiáng)度法示意圖 影響強(qiáng)度法測(cè)距只適合較短距離的且精度要求不高的場(chǎng)合。 反射時(shí)間法是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離其原理如圖2-4所示，對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間T利用公式其中，S為被測(cè)距離、V為空氣中聲速、T為回波時(shí)間（），可以計(jì)算出路。采用反射式超聲波換能器，只有物體反射超聲波時(shí)才有信號(hào)輸入，測(cè)量發(fā)射接收信號(hào)間的時(shí)間差T2-T1，利用L=0.5V(T2-T1)得到障礙物的距離，將該信息送給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)改變小車的轉(zhuǎn)向，使小車不與障礙物發(fā)生接觸。該方法適合較遠(yuǎn)距離障礙物檢測(cè)。 反射式超聲

29、波換能器成本高，電路設(shè)計(jì)復(fù)雜，因?yàn)椴灰髾z測(cè)的很遠(yuǎn)，于是選自了反射式紅外傳感器，在本題中對(duì)前方障礙物的檢測(cè)因?yàn)橐髾z測(cè)距離較遠(yuǎn)，受到環(huán)境光的干擾比較大，因此我們選用抗干擾能力較強(qiáng)的交流調(diào)制工作方式；這樣采用交流的可以使小車的抗干擾力更強(qiáng)，而對(duì)小車側(cè)面障礙物的檢測(cè)由于要求檢測(cè)距離較近，外界干擾相對(duì)較弱，對(duì)于驅(qū)動(dòng)方面就相對(duì)于要求不是很高，所以為簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)我們選用直流直接驅(qū)動(dòng)方式。 圖2-4 反射時(shí)間法 2.4.3 金屬探測(cè)器的選型 金屬物體的非接觸探測(cè)常用的方法有兩種，對(duì)于鐵、鈷、鎳等磁性金屬常使用磁場(chǎng)傳感器如霍爾器件，而對(duì)一般的金屬材料我們通常利用磁路敞開(kāi)的線圈來(lái)進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)金屬

30、材料靠近磁路敞開(kāi)的線圈時(shí)，線圈的電感量和Q值都會(huì)改變，通過(guò)測(cè)量線圈這兩個(gè)參量的變化就可以知道金屬材料的位置，電感量的測(cè)量一般是將線圈接入到LC振蕩器中，用測(cè)量頻率的方法來(lái)間接的測(cè)量電感量，但由于電感量的變化不會(huì)很大加上LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度比較低，事實(shí)上這種方法并不理想。線圈的Q值測(cè)量比較麻煩，但很多情況我們并不需要精確的知道Q值，只需知道Q是否改變就可以了，比較成熟的方案是將線圈接成阻尼可調(diào)的振蕩器，并調(diào)節(jié)阻尼電阻使線路剛剛起振，由于絕大多數(shù)金屬接近線圈時(shí)都會(huì)使線圈的Q值降低從而使線路停振，這樣我們通過(guò)檢測(cè)線路是否振蕩就可以知道金屬是否靠近。但是此中方法比較麻煩,所以我們選取紅外傳感器。

31、2.4.4 光電探測(cè)器的選型 光電探測(cè)器一般特制可見(jiàn)光光譜范圍的光電探測(cè)器，包括光電導(dǎo)探測(cè)器、光伏型探測(cè)器、倍增管等，在熱釋電探測(cè)器、光電本題中可見(jiàn)光源是200W功率的白熾燈，功率較強(qiáng)，因此不必選用適合微光照探測(cè)的光電倍增管，同時(shí)光源光強(qiáng)相對(duì)比較分散選用熱釋電探測(cè)器（如碳斗）也不合適，光電導(dǎo)探測(cè)器溫度、線性和穩(wěn)定性不好。光伏型探測(cè)器又可分為光電二極管、PIN探測(cè)器、光電三極管和雪崩光電管(APD)，光電二極管量子效率較低，光點(diǎn)三極管漏電流較大，APD驅(qū)動(dòng)電路復(fù)雜造價(jià)較高都不適合，因此我們選用硅材料（可見(jiàn)光光譜范圍）的PIN 探測(cè)器。可見(jiàn)光光電探測(cè)器抗干擾能力較差，非常容易受到環(huán)境光的干擾，

32、同時(shí)由于本題中光源未經(jīng)調(diào)制，因此僅靠電子線路自身的設(shè)計(jì)很難取得好的效果，所以我們放棄這種選擇。 2.5 電源電路的選型分析與論證 電源是每一種電子產(chǎn)品必備的一部分,它是一切需電設(shè)備的能源和動(dòng)力。本次設(shè)計(jì)的智能小車更是少不了電源,對(duì)于適合小車的電源我們提出了兩種選擇方案具體如下。 1.采用單一電源（4節(jié)AA電池） 這樣供電比較簡(jiǎn)單；但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾，嚴(yán)重時(shí)可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，缺點(diǎn)十分明顯。 2.雙電源供電 將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)及其周邊電路電源完全隔離，利用光電耦合器傳輸信號(hào)。這樣做法雖然不如

33、單電源方便靈活，但可將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾完全消除，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。 2.6 里程檢測(cè)模塊分析與論證 對(duì)于智能小車的設(shè)計(jì),其中有對(duì)于里程的計(jì)數(shù),需要測(cè)量出小車所走的路程,這樣的小車才更智能化人性化。所以我們要選則能夠具有檢測(cè)里程的裝置,于是提出了兩種方案如下。 1.由發(fā)光二極管和光敏二極管組成發(fā)射接收裝置 此裝置是將一帶四個(gè)孔的遮光塑料板貼于車輪，將此裝置固定車輪一側(cè)，車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，發(fā)射接收正對(duì)四次，通過(guò)對(duì)接受脈沖計(jì)數(shù)從而得到車的里程,安裝困難,所以我們放棄此種方案。 2.利用霍爾傳感器 半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這

34、種物理現(xiàn)象是美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)的，即稱為霍爾效應(yīng)，相應(yīng)的電動(dòng)勢(shì)稱為霍爾電動(dòng)勢(shì)，半導(dǎo)體薄片稱為霍爾片或霍爾元件。利用霍爾效應(yīng)實(shí)現(xiàn)磁電轉(zhuǎn)換的傳感器稱為霍爾式傳感器，它應(yīng)有幾個(gè)基本組成部分：霍爾元件、加于激勵(lì)電極兩端的激勵(lì)電源、與霍爾電極輸出端相連的測(cè)量電路、產(chǎn)生某種具有磁場(chǎng)特性的裝置。 霍爾元件來(lái)對(duì)轉(zhuǎn)過(guò)的車輪圈數(shù)來(lái)計(jì)程，在車輪子上裝小磁片，霍爾集成片安 裝在固定位置，當(dāng)磁鐵與霍爾集成片正對(duì)時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)從而得到車輪轉(zhuǎn)數(shù)。霍爾元件靠近磁片一次計(jì)程為車輪周長(zhǎng)。此方案?jìng)鞲械男盘?hào)強(qiáng)， 電路簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。所以我們選擇此方案。 如圖2-5所示： 磁片 車輪

35、 圖2-5 霍爾元件安裝效果圖 通過(guò)計(jì)算車輪的轉(zhuǎn)數(shù)間接測(cè)量距離，利用了霍爾元件感應(yīng)磁塊產(chǎn)生脈沖的原理，再對(duì)脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)。通過(guò)程序求出里程，通過(guò)ZLG7289顯示。經(jīng)分析，擬選用此種方案。 2.7顯示模塊分析與論證 1.采用LCD顯示 隨著科技的不斷發(fā)展，LCD在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)被逐漸認(rèn)可，代替CRT巳是大勢(shì)所趨。但是它還存在著色彩表現(xiàn)有所欠缺、信號(hào)反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等瑕疵，用單片機(jī)可實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)，但顯示亮度和字體大小在演示時(shí)不盡人意，價(jià)格也比較昂貴。 2.通過(guò)單片機(jī)直接驅(qū)動(dòng)LED 通過(guò)8個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)八個(gè)LED，8個(gè)I/O口驅(qū)動(dòng)LED的八段發(fā)光二級(jí)管，此方

36、法占用大量的I/O口。還需擴(kuò)展I/O口，很麻煩所以放棄這種方案。 3.采用驅(qū)動(dòng)芯片 使用ZLG7289顯示驅(qū)動(dòng)芯片，ZLG7289A 是一片具有串行接口的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8 位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立LED的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片。ZLG7289A 內(nèi)部含有譯碼器可直接接受BCD碼或16進(jìn)制碼并同時(shí)具有2種譯碼方式此外還具有多種控制指令如消隱﹑閃爍﹑左移﹑右移﹑段尋址等。ZLG 7289A 采用串行方式與微處理器通訊串行數(shù)據(jù)從DATA 引腳送入芯片并由CLK端同步。有操作方便占用I/O口少等優(yōu)點(diǎn)，選用這種方案是比較合理的一種。同時(shí)也符合P89C51RA的功能，因此選用驅(qū)動(dòng)芯片ZLG7289與顯示器連接

37、的。故選用此種方案。 第3章 硬件介紹與電路設(shè)計(jì) 經(jīng)過(guò)方案論證的過(guò)程之后，我們選定了僅采用單片機(jī)作為核心部件的方案，其系統(tǒng)總方框圖如圖3-1所示。 具體的功能設(shè)置已通過(guò)圖3-1所示做了直觀的說(shuō)明。 車體左側(cè)循跡傳感器 里程傳感器 車體右側(cè)循跡傳感器 P89C51RA PWM控制直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 車體左前循跡傳感器 車體右前循跡傳感器 LED顯示模塊（時(shí)間、里程） 圖3-1 系統(tǒng)總原理框圖 3.1 P89C5

38、1RA簡(jiǎn)要說(shuō)明 P89C51RA2 具有8K并行可編程的非易失性FLASH 程序存儲(chǔ)器,并可實(shí)現(xiàn)對(duì)器件串行在系統(tǒng)編程ISP 和在應(yīng)用中編程(IAP)。IAP（In-Application Programming）MCU可以在系統(tǒng)中獲取新代碼并對(duì)自己重新編程，這種方法允許通過(guò)調(diào)制解調(diào)器連接進(jìn)行遠(yuǎn)程編程。Flash代碼中則不需要加載程序?qū)τ贗AP 用戶程序通過(guò)使用片內(nèi)ROM 中的標(biāo)準(zhǔn)程序?qū)lash 存儲(chǔ)器進(jìn)行擦除和重新編程,管腳如圖3-2所示。 圖3-2 P89C51RA芯片 3.1.1 管腳功能 表3-1 管腳功能 名稱 管

39、腳號(hào) 類型 名稱和功能 Vss 20 I 地0V 參考點(diǎn) 名稱 管腳號(hào) 類型 名稱和功能 Vcc 40 I 電源：提供掉電空閑正常工作電壓 P0.0-0.7 39-32 I/O P0口：P0口是開(kāi)漏雙向口，可向其寫入1 使其狀態(tài)為懸浮，用作高阻輸入。P0 也可以在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)作地址的低字節(jié)，在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)作數(shù)據(jù)總線，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送1。 P1.0-1.7 1-8 1 2 3 4 5 6 7 8 I/O I/O I I I/O I/O I/O

40、 I/O I/O P1 口：P1口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O 口，向P1口寫入1時(shí)P1口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的P1 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流(見(jiàn)DC 電氣特性)。 P1 口第2 功能： T2(P1.0)：定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 的外部計(jì)數(shù)輸入/時(shí)鐘輸出 T2EX(P1.1)：定時(shí)/計(jì)數(shù)器2 重裝載/捕捉/方向控制 ECI(P1.2)：PCA 的外部時(shí)鐘輸入 CEX0(P1.3)：PCA 模塊0 捕獲/比較模式的外部I/O管腳 CEX1(P1.4)：PCA 模塊1 捕獲/比較模式的外部I/O管腳 CEX2(P1.5)：PCA 模塊2 捕獲

41、/比較模式的外部I/O管腳 CEX3(P1.6)：PCA 模塊3 捕獲/比較模式的外部I/O管腳 CEX4(P1.7)：PCA 模塊4 捕獲/比較模式的外部I/O 管腳 P2.0-2.7 21-28 I/O P2 口：P2口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P2 口寫入1時(shí)P2口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)被外部拉低的P2口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流(見(jiàn)DC 電氣特性)。在訪問(wèn)外部程序存儲(chǔ)器和外部數(shù)據(jù)時(shí)分別作為地址高位字節(jié)和16位地址(MOVX @DPTR)，此時(shí)通過(guò)內(nèi)部強(qiáng)上拉傳送1。當(dāng)使用8位尋址方式訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，P2口發(fā)送P2特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2.7

42、在編程/擦除時(shí)必須為1。 P3.0-3.7 10-17 10 11 12 13 14 15 16 17 I/O I O I I I I I I P3 口：P3 口是帶內(nèi)部上拉的雙向I/O口，向P3 口寫入1時(shí)P3口被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入口。當(dāng)作為輸入腳時(shí)，被外部拉低的P3 口會(huì)因?yàn)閮?nèi)部上拉而輸出電流(見(jiàn)DC 電氣特性)。P89C51RX2 的P3口腳具有以下特殊功能： RxD(p3.0)：串行輸入口 TxD(P3.1)：串行輸出口 INT0(P3.2)：外部中斷0 INT1(P3.3)：外部中斷 T0(P

43、3.4)：定時(shí)器0 外部輸入 T1(P3.5)：定時(shí)器1 外部輸入 WR(P3.6)：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫信號(hào) RD(P3.7)：外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀信號(hào) RST 9 I 復(fù)位：當(dāng)晶振在運(yùn)行中只要復(fù)位管腳出現(xiàn)2個(gè)機(jī)器周期高電平即可復(fù)位。內(nèi)部有擴(kuò)散電阻連接到Vss，僅需要外接一個(gè)電容到Vcc，即可實(shí)現(xiàn)上電復(fù)位。 ALE 30 O 地址鎖存使能，在訪問(wèn)外部存儲(chǔ)器時(shí)輸出脈沖鎖存地址的低字節(jié)，在正常情況下ALE 輸出信號(hào)恒定為1/6 振蕩頻率，并可用作外部時(shí)鐘或定時(shí)，注意每次訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)時(shí)一個(gè)ALE 脈沖將被忽略ALE，可以通過(guò)置位SFRauxililary.0禁止置

44、位后ALE只能在執(zhí)行MOVX 指令時(shí)被激活。 PSEN 29 O 程序存儲(chǔ)使能，讀外部程序存儲(chǔ)，當(dāng)從外部讀取程序時(shí)，PSEN 每個(gè)機(jī)器周期被激活兩次，在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器PSEN無(wú)效，訪問(wèn)內(nèi)部程序存儲(chǔ)器時(shí)PSEN無(wú)效。 EA/Vpp 31 I 外部尋址使能/編程電壓，在訪問(wèn)整個(gè)外部程序存儲(chǔ)器時(shí)，EA必須外部置低。如果EA為高時(shí)，將執(zhí)行內(nèi)部程序。當(dāng)RST 釋放后EA 腳的值被鎖存任何時(shí)序的改變都將無(wú)效。該引腳在對(duì)FLASH編程時(shí)用于輸入編程電壓(Vpp)。 XTAL1 19 I 晶體1，振蕩反向放大器輸入端和內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生電路輸入端。 XTAL2

45、 18 O 晶體2，振蕩反向放大器輸出端。 (1) 振蕩器特性 XTAL1 和XTAL2 分別作為一個(gè)反相放大器的輸入和輸出此管腳可配置為使用內(nèi)部振蕩器要使用。其晶振的兩種方式如圖3-3和3-4所示。 外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件時(shí)XTAL2 可以不連接而由XTAL1 驅(qū)動(dòng)外部時(shí)鐘信號(hào)無(wú)占空比的要求但高低電平的最長(zhǎng)和最短時(shí)間必須符合手冊(cè)的規(guī)定。 圖3-3 內(nèi)部方式 圖3-4 外部方式 該器件在出廠時(shí)配置為每機(jī)器周期12 個(gè)時(shí)鐘參見(jiàn)12 時(shí)鐘模式可通過(guò)商用的Flash 編程器或ISP或軟件配置為每機(jī)器周期6 個(gè)時(shí)鐘參見(jiàn)

46、6 時(shí)鐘模式 時(shí)鐘控制寄存器CKCON。該器件支持通過(guò)SFR 位X2 或Flash 配置位FX2 位于保密Flash 塊中對(duì)6 時(shí)鐘/12 時(shí)鐘模式進(jìn)行配置當(dāng)FX2 編程為6 時(shí)鐘模式時(shí)X2 CKCON.0 將不起作用CKCON 還支持單獨(dú)對(duì)外圍功能的時(shí)鐘速率進(jìn)行配置當(dāng)運(yùn)行于6 時(shí)鐘模式時(shí)外圍功能可單獨(dú)由fOSC/6 或fOSC/12 驅(qū)動(dòng)運(yùn)行于12 時(shí)鐘模式時(shí)則只能使用fOSC/12 (2) 復(fù)位 在振蕩器工作時(shí)將RST 腳保持至少兩個(gè)機(jī)器周期高電平6 時(shí)鐘模式時(shí)為12 個(gè)振蕩器周期12 時(shí)鐘模式時(shí)為24 個(gè)振蕩器周期可實(shí)現(xiàn)復(fù)位為了保證上電復(fù)位的可靠RST 必須保持足夠長(zhǎng)時(shí)間的高電平，

47、該時(shí)間至少為振蕩器的穩(wěn)定時(shí)間通常為幾個(gè)毫秒加上兩個(gè)機(jī)器周期上電時(shí)VCC 和RST 必須同時(shí)上升。 3.2 循跡電路設(shè)計(jì) 在此次設(shè)計(jì)中最主要就是要求小車能實(shí)現(xiàn)循跡的功能，使小車能按照指定的線條行駛，由于尋跡的傳感器種類很多，我選擇了適合本次設(shè)計(jì)的裝置，在沿著軌跡行駛的電路中，利用紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線三極管進(jìn)行接收。此電路主要用于兩側(cè)檢測(cè)路徑顏色，電路如圖3-5所示。在智能小車的底前部裝2個(gè)紅外傳感器用來(lái)檢測(cè)地面的導(dǎo)引線。當(dāng)檢測(cè)到導(dǎo)引線，比較器的輸出，LM324是低電平，其他輸出是高電平。LM324是14腳DIP封裝，內(nèi)置四個(gè)運(yùn)算放大器的集成器件，電路簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快、波形規(guī)則、

48、調(diào)試簡(jiǎn)單。 圖3-5 兩側(cè)循跡傳感器電路 檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)是本次的一個(gè)很重要的部分,智能小車要實(shí)現(xiàn)的功能之一必須有成功檢測(cè)前方顏色的電路,這也是循跡的一種，需要兩個(gè)這樣的傳感器分別加到小車的車體最前方兩側(cè)，它是檢測(cè)前方線路顏色的傳感器,若檢測(cè)前方為白色則前行一點(diǎn)點(diǎn)，然后再由兩側(cè)的尋跡進(jìn)行判斷顏色是左拐還是又拐 。 本課題組設(shè)計(jì)制作了一款具有循跡功能的小車，功能強(qiáng)大。小車具有以下幾個(gè)功能：循跡功（按路面的黑色軌道行駛）；計(jì)算并顯示所走的路程和行走的時(shí)間，并可由二極管發(fā)光報(bào)警。檢測(cè)顏色傳感器安裝位置分別位于小車前、左、右三個(gè)方向，用于檢測(cè)前方、左邊和右邊的檢測(cè)。自主式循跡、循跡智能小車的硬

49、件設(shè)計(jì)包括了傳感器測(cè)量電路、控制處理器電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、顯示處理器電路，以及電源、顯示部分。系統(tǒng)中采用了電機(jī)的專用三極管放大器驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，電機(jī)速度采用PWM方式進(jìn)行脈寬調(diào)制控制。程序設(shè)計(jì)主要考慮穩(wěn)定性、抗干擾性，主程序主要起到導(dǎo)向和決策功能，決定什么時(shí)候小車該做什么。各種功能的實(shí)現(xiàn)通過(guò)調(diào)用具體的子程序，包括：尋跡、90度、轉(zhuǎn)向、直線前進(jìn)、顯示、定時(shí)等。 圖3-6 前方循跡檢測(cè)電路 對(duì)前方的檢測(cè)因?yàn)橐髾z測(cè)距離較，受到環(huán)境光的干擾比較大，因此我們選用抗干擾能力較強(qiáng)的交流調(diào)制工作方。如圖3-6所示，在發(fā)射端通過(guò)改變NPN三級(jí)管（9013）的開(kāi)斷使發(fā)光二級(jí)管產(chǎn)生50Hz到500H

50、z的脈沖。在接受端，采用0.01u的濾波電容，來(lái)阻止環(huán)境光的干擾。輸入信號(hào)通過(guò)LM358集成運(yùn)方放大輸出，被單片機(jī)數(shù)據(jù)采集口讀入。小車正面的傳感器安裝位置請(qǐng)參看圖3-7。 紅外傳感器 圖3-7 正面?zhèn)鞲衅魑恢? 特色設(shè)計(jì)： （1）發(fā)光二級(jí)管端加入可變電阻，用于調(diào)節(jié)發(fā)光二級(jí)管的發(fā)光強(qiáng)度，通過(guò)可調(diào)節(jié)可對(duì)白黑產(chǎn)生反射信號(hào)。 （2）在此設(shè)計(jì)中，采用同向放大，發(fā)大倍數(shù)為： 分子R為100K，分母R為4.7K，10K，27K。通過(guò)三位撥盤來(lái)調(diào)節(jié)LM358的防大倍數(shù)。 （3）在LM358的輸出端增加一個(gè)發(fā)光二級(jí)管，通過(guò)LM358的輸出信號(hào)控制NPN三級(jí)管的通斷

51、，來(lái)控制二級(jí)管是否發(fā)光。 3.2.1 循跡原理 這里的循跡是指小車在白色地板上循黑線行走，通常采取的方法是紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限，一般最大不應(yīng)超過(guò)15cm。對(duì)于發(fā)射和接收紅外線的紅外探，可以自己制作或直接采用集成式紅外探頭。 （1）自制紅外探頭，。當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)

52、，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號(hào)，經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號(hào)，那么光敏三極管將導(dǎo)通，比較器輸出為高電平；當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時(shí)，紅外線信號(hào)被黑色吸收后，光敏三極管截止，比較器輸出低電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過(guò)紅外線檢測(cè)信號(hào)的功能。將檢測(cè)到的信號(hào)送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為高電平時(shí)，表明紅外光被地上的白色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測(cè)到的信號(hào)為低電平時(shí)，表明小車行駛在黑色地面上。此種方法簡(jiǎn)單，價(jià)格便宜，靈敏度可調(diào)，但是容易受到周圍環(huán)境的影響，特別是在較強(qiáng)的日光燈下，對(duì)檢測(cè)到的信號(hào)有一定的影響。 （2）集成式紅外探頭可以采用型

53、號(hào)為E3F－DS10C4集成斷續(xù)式光電開(kāi)關(guān)探測(cè)器，它具有簡(jiǎn)單、可靠的工作性能，只要調(diào)節(jié)探頭上的一個(gè)旋鈕就可以控制探頭的靈敏度。該探頭輸出端只有三根線（電源線、地線、信號(hào)線），只要將信號(hào)線接在單片機(jī)的I/O口，然后不停地對(duì)該I/O口進(jìn)行掃描檢測(cè)，當(dāng)其為高電平時(shí)則檢測(cè)到白紙，當(dāng)為低電平時(shí)則檢測(cè)到黑線。此種探頭還能有效地防止普通光源（如日光燈等）的干擾。其缺點(diǎn)則是體積比較大，占用了小車有限的空間。 （3）紅外探頭的安裝在小車具體的循跡行走過(guò)程中，為了能精確測(cè)定黑線位置并確定小車行走的方向，需要同時(shí)在底盤裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個(gè)紅外探頭的具體位置。循跡傳感

54、器共安裝4個(gè)，全部在一條直線上。其中InfraredMR與InfraredML 為第一級(jí)方向控制傳感器，InfraredSR 與InfraredSL 為第二級(jí)方向控制傳感器。小車行走時(shí)，始終保持黑線（行走軌跡黑線）在InfraredMR和InfraredML這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)探測(cè)器一旦探測(cè)到有黑線，單片機(jī)就會(huì)按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控 制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對(duì)小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到白紙，則小車會(huì)繼續(xù)行走；若小車由于慣性過(guò)大依舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)第二級(jí)動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，使之回到正

55、確軌道上去。可以看出，第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，從而提高了小車循跡的可靠性。 3.2.2 彎道情況及解決辦法 智能車系統(tǒng)根據(jù)檢測(cè)到的路況和車速的當(dāng)前信息，控制轉(zhuǎn)向舵機(jī)和直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)，相應(yīng)地調(diào)整小車的行駛方向和速度；最終的目的是使智能車能快速、穩(wěn)定地按給定的黑色引導(dǎo)線行駛。小車在行駛過(guò)程中會(huì)遇到以下兩種路況：①當(dāng)小車由直道高速進(jìn)入彎道時(shí)，轉(zhuǎn)角方向和車速應(yīng)根據(jù)彎道的曲率迅速做出相應(yīng)的改變，原則是彎道曲率越大則方向變化角 度越大，車速越低。②當(dāng)小車遇到十字交叉路段或是脫離軌跡等特殊情況時(shí)，智能車應(yīng)當(dāng)保持與上次正常情況一致的方向行駛，速度則相應(yīng)降低。因此，對(duì)智能車的設(shè)計(jì)，要求具有實(shí)時(shí)

56、路徑檢測(cè)功能 和良好的調(diào)速功能。 3.2.3 路徑識(shí)別單元 為提高小車轉(zhuǎn)向角的控制精度，系統(tǒng)路徑識(shí)別單元采用4個(gè)發(fā)射和接收一體的反射式紅外光電傳感器作為路徑檢測(cè)元件。紅外線具有極強(qiáng)的反射能力，應(yīng)用廣泛，采用專用的紅外發(fā)射管和接收管可以有效地防止周圍可見(jiàn)光的干擾，提高系統(tǒng)的抗干擾能力。對(duì)于小車循跡場(chǎng)地的黑白兩種顏色，發(fā)射管發(fā)出同樣的光強(qiáng)，接收管接收到的光強(qiáng)不同，因此輸出的電壓值也不同；給定一個(gè)基準(zhǔn)電壓，通過(guò)對(duì)不同輸出電壓值進(jìn)行比 較，則電路的輸出為高低電平。當(dāng)檢測(cè)到黑白線時(shí)分別輸出為高低電平，這樣不僅系統(tǒng)硬件電路簡(jiǎn)單，而且信號(hào)處理速度快 角度控制單元 3.2.4 調(diào)速控制 我們把小車

57、直線行進(jìn)時(shí)分成三種狀態(tài)，當(dāng)中間四個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線時(shí)，小車在跑道的正上方，這時(shí)控制兩電機(jī)同速度全速運(yùn)行。當(dāng)檢測(cè)到有一個(gè)傳感器或者同側(cè)的另一個(gè)個(gè)傳感器偏出黑線時(shí)，小車處于微偏狀態(tài)，這時(shí)將一個(gè)電機(jī)速度調(diào)慢，另一電機(jī)速度調(diào)快，完成調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到有一個(gè)電機(jī)偏出時(shí)，小車處于較大的偏離狀態(tài)，這時(shí)把另一個(gè)電機(jī)的速度調(diào)至極低，偏出電機(jī)全速運(yùn)行，從而在較短時(shí)間內(nèi)完成路線的調(diào)整。小車轉(zhuǎn)向角的控制通過(guò)輸入PWM信號(hào)進(jìn)行開(kāi)環(huán)控制。根據(jù)檢測(cè)的不同路徑，判斷出小車所在位置，按不同的區(qū)間給出不同的舵機(jī)PWM控制信號(hào)，小車轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度。考慮到實(shí)際舵機(jī)的轉(zhuǎn)向角與所給PWM信號(hào)的占空比基本成線性關(guān)系，所以舵機(jī)的控制方案采用查

58、表法。在程序中預(yù)先創(chuàng)建控制表，路徑識(shí)別單元檢測(cè)當(dāng)前的路況，單片機(jī)通過(guò)查表可知當(dāng)前的賽道，然后給出相應(yīng)的PWM信號(hào)控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向。 系統(tǒng)角度控制單元在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，舵機(jī)的輸出轉(zhuǎn)角與給定的PWM信號(hào)值成線性關(guān)系，以 PWM信號(hào)為系統(tǒng)輸入信號(hào)，實(shí)現(xiàn)舵機(jī)開(kāi)環(huán)控制。舵機(jī)響應(yīng)曲線如圖3-8所示。由于舵機(jī)的開(kāi)環(huán)轉(zhuǎn)向力矩足夠，單片機(jī)通過(guò)采集的當(dāng)前路況，給定 PWM控制信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的轉(zhuǎn)向。 圖3-8 舵機(jī)影響曲線 3.2.5 具體連接和控制 兩個(gè)循跡傳感器的輸出端分別接入P89C51RA2的P3口，車左邊傳感器的輸出端接入P3.6, 車右邊

59、傳感器的輸出端接入P3.7。設(shè)計(jì)中引導(dǎo)線寬大于兩傳感器間距離，所以當(dāng)P3.6和P3.7接收到的都是低電平時(shí)，小車前行；當(dāng)P3.6接收到的信號(hào)為低，P3.7接收到的信號(hào)為高時(shí)，小車左拐；反之，小車右拐。 3.3 顯示模塊的設(shè)計(jì) 顯示模塊也是這次設(shè)計(jì)的一個(gè)必不可少的部分,主要是時(shí)間，里程數(shù)據(jù)的顯示。顯示器采用的是LED數(shù)碼管，通過(guò)ZLG7289和LED顯示器相連把數(shù)據(jù)送到顯示器上。 3.3.1 LED的特性 （1）允許功耗Pm:允許加于LED兩端正向直流電壓與流過(guò)它的電流之積的最大值。超過(guò)此值，LED發(fā)熱、損壞。 （2）最大正向直流電流IFm：允許加的最大的正向直流電流。超過(guò)此值

60、可損壞二極管。 （3）最大反向電壓VRm：所允許加的最大反向電壓。超過(guò)此值，發(fā)光二極管可能被擊穿損壞。 （4）工作環(huán)境topm:發(fā)光二極管可正常工作的環(huán)境溫度范圍。低于或高于此溫度范圍，發(fā)光二極管將不能正常工作，效率大大降低。 3.3.2 LED顯示器結(jié)構(gòu) 基本的半導(dǎo)體數(shù)碼管是由七個(gè)條狀發(fā)光二極管芯片按圖3-9所示排列而成的?？蓪?shí)現(xiàn)0～9的顯示。其具體結(jié)構(gòu)有“反射罩式”、“條形七段式”及“單 圖3-9 LED顯示器的結(jié)構(gòu) 片集成式多位數(shù)字式”等。 （1）反射罩式數(shù)碼管一般用白色塑料做成帶反射腔的七段式外殼，將單個(gè)LED貼在與反射罩的七個(gè)反射腔互相對(duì)位的印刷電路板上，每

61、個(gè)反射腔底部的中心位置就是LED芯片。在裝反射罩前，用壓焊方法在芯片和印刷電路上相應(yīng)金屬條之間連好φ30μm的硅鋁絲或金屬引線，在反射罩內(nèi)滴入環(huán)氧樹脂，再把帶有芯片的印刷電路板與反射罩對(duì)位粘合，然后固化。反射罩式數(shù)碼管的封裝方式有空封和實(shí)封兩種。實(shí)封方式采用散射劑和染料的環(huán)氧樹脂，較多地用于一位或雙位器件?？辗夥绞绞窃谏戏缴w上濾波片和勻光膜，為提高器件的可靠性，必須在芯片和底板上涂以透明絕緣膠，這還可以提高光效率。這種方式一般用于四位以上的數(shù)字顯示（或符號(hào)顯示）。 （2）條形七段式數(shù)碼管屬于混合封裝形式。它是把做好管芯的磷化鎵或磷化鎵圓片，劃成內(nèi)含一只或數(shù)只LED發(fā)光條，然后把同樣的七條粘在

62、日字形“可伐”框上，用壓焊工藝連好內(nèi)引線，再用環(huán)氧樹脂包封起來(lái)。 （3）單片集成式多位數(shù)字顯示器是在發(fā)光材料基片上（大圓片），利用集成電路工藝制作出大量七段數(shù)字顯示圖形，通過(guò)劃片把合格芯片選出，對(duì)位貼在印刷電路板上，用壓焊工藝引出引線，再在上面蓋上“魚眼透鏡”外殼。它們適用于小型數(shù)字儀表中。 （4）符號(hào)管、米字管的制作方式與數(shù)碼管類似。 （5）矩陣管（發(fā)光二極管點(diǎn)陣）也可采用類似于單片集成式多位數(shù)字顯示器工藝方法制作。 3.3.3 LED顯示器分類 （1）按字高分：筆畫顯示器字高最小有1mm（單片集成式多位數(shù)碼管字高一般在2～3mm）。其他類型筆畫顯示器最高可達(dá)12.7mm（

63、0.5英寸）甚至達(dá)數(shù)百mm。 （2）按顏色分有紅、橙、黃、綠等數(shù)種。 （3）按結(jié)構(gòu)分，有反射罩式、單條七段式及單片集成式。 （4）從各發(fā)光段電極連接方式分有共陽(yáng)極和共陰極兩種。 所謂共陽(yáng)方式是指筆畫顯示器各段發(fā)光管的陽(yáng)極（即P區(qū)）是公共的，而陰極互相隔離.如圖3-10所示所謂共陰方式是筆畫顯示器各段發(fā)光管的陰極（即N區(qū)）是公共的，而陽(yáng)極是互相隔離的。如圖3-11所示。 圖3-10 共陰極方式 圖3-11 共陽(yáng)極方式 3.3.4 LED的應(yīng)用 由于發(fā)光二極管的顏色、尺寸、形狀、發(fā)光強(qiáng)度及透明情況等不同，所以使用發(fā)光二極管時(shí)應(yīng)根據(jù)實(shí)際需要進(jìn)行

64、恰當(dāng)選擇。由于發(fā)光二極管具有最大正向電流IFm、最大反向電壓VRm的限制，使用時(shí)，應(yīng)保證不超過(guò)此值。為安全起見(jiàn)，實(shí)際電流IF應(yīng)在0.6IFm以下；應(yīng)讓可能出現(xiàn)的反向電壓VR<0.6VRm。LED被廣泛用于種電子儀器和電子設(shè)備中，可作為電源指示燈、電平指示或微光源之用。紅外發(fā)光管常被用于電視機(jī)、錄像機(jī)等的遙控器。 （1）利用高亮度或超高亮度發(fā)光二極管制作微型手電的電路如圖3-12所示。圖中電阻R限流電阻，其值應(yīng)保證電源電壓最高時(shí)應(yīng)使LED的電流小于最大允許電流IFm 。 圖3-12 微型手電電路 （2）圖 3-13、3-14、3-15所示，分別為直流電源、整流電源及交流電源指示電路。

65、 圖3-13中的電阻≈（E-VF）/IF； 圖3-14中的R≈（1.4Vi-VF）/IF; 圖3-15中的R≈Vi/IF 式中，Vi——交流電壓有效值。 圖3-13 直流電源 圖3-14 整流電源 圖 3-15 交流電源 （3）單LED電平指示電路。在放大器、振蕩器或脈沖數(shù)字電路的輸出端，可用LED表示輸出信號(hào)是否正常，如圖3-16所示。R為限流電阻。只有當(dāng)輸出電壓大于LED的閾值電壓時(shí)，LED才可能發(fā)光。 圖3-16 單LED指示電路 圖3-17低壓穩(wěn)壓管 （4）

66、單LED可充作低壓穩(wěn)壓管用。由于LED正向?qū)ê螅娏麟S電壓變化非?？?，具有普通穩(wěn)壓管穩(wěn)壓特性。發(fā)光二極管的穩(wěn)定電壓在1.4～3V間，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇VF，如圖3-17所示。 3.3.5 具體顯示模塊 顯示模塊的設(shè)計(jì)主要是顯示小車的時(shí)間和里程,對(duì)于本設(shè)計(jì)應(yīng)采用共陰極的數(shù)碼管顯示,對(duì)于顯示器的外圍電路,采用驅(qū)動(dòng)芯片ZLG7289來(lái)實(shí)現(xiàn), 因?yàn)閆LG7289A 是一片具有串行接口的可同時(shí)驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64 只獨(dú)立LED 的智能顯示驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片同時(shí)還可連接多達(dá)64 鍵的鍵盤矩陣。單片即可完成LED 顯示﹑鍵盤接口的全部功能。它可以不用外圍電路直接接到LED顯示器上。 如圖3-18所示。 圖3-18 顯示器模塊及外圍電路 此設(shè)計(jì)采用的是廣州周立功有限公司研發(fā)的串行接口8 位LED 數(shù)碼管及64 鍵鍵盤智能控制芯片(ZLG 7289A)。此顯示要求位與位之間掃描時(shí)間不能超過(guò)10ms,同時(shí)要滿足八位一次行掃描時(shí)間不能超過(guò)30ms。接口實(shí)例：ZLG72