單片機(jī)控制的智能電動(dòng)小車的設(shè)計(jì)

1、摘 要智能電動(dòng)小車，是一個(gè)集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動(dòng)行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感、信息、通信、導(dǎo)航、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體1。本文以AT89C51單片機(jī)為控制核心，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用光電傳感器、金屬探測(cè)傳感器、超聲波傳感器等組成不同的檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)小車在行駛中自動(dòng)尋跡、探測(cè)預(yù)埋金屬鐵片、躲避障礙物、測(cè)量里程等問題。利用光電傳感器進(jìn)行自動(dòng)尋跡，實(shí)現(xiàn)了小車能夠沿著黑線行走。利用超聲波傳感器檢測(cè)道路上的障礙物。采用金屬探測(cè)傳感器探測(cè)金屬鐵片。通過LCD1602記錄時(shí)間，最后在光源的引導(dǎo)下順利到達(dá)目的地，停車。 關(guān)鍵詞：AT89C51; 自動(dòng)

2、尋跡; 金屬探測(cè); 超聲波測(cè)障 AbstractSmart electric car is an integrated system that includes environmental awareness, planning decision-making, driving automatically and so on. It intensively uses the computer, sensing, information, communication, navigation, automatic control technology and artificial intellig

3、ence. It is a typical high-tech complex.This design adopts AT89C51 single chip computer of MCS-51 series. The core of the control circuit of AT89C51 to SCM adopts the modular structure design.The different detection circuits are composed of photoelectric sensor, metal detection sensors, ultrasonic s

4、ensors and so on. In the track, the intelligence car can automatically track orbit、detect the metal plates embedded、evade obstacles、measure mileage and so on. Using photoelectric sensor automatically track, it can make the car to walk along the black line. Using ultrasonic sensors, it can detect obs

5、tacles on the road. It can use the metals detection sensors to detect metal and record time by the LCD1602. At last, the car smoothly stops through the final guidance of light source.Keywords: AT89C51 single chip microcomputer; automatically track orbit; detect the metal plates; ultrasonic barrier m

6、easurement 目 錄摘 要IAbstractII1 緒論11.1 引言11.2 課題來源11.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀22 方案設(shè)計(jì)與論證32.1 總體方案論證與比較32.2 探測(cè)軌跡模塊42.3 檢測(cè)金屬鐵片模塊52.4 避障模塊52.5 尋找光源模塊62.6 顯示模塊62.7 測(cè)量里程模塊72.8 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊73 硬件電路設(shè)計(jì)93.1 AT89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)93.2 探測(cè)軌跡電路143.3 檢測(cè)金屬片電路153.4 檢測(cè)障礙物電路163.5 檢測(cè)光源電路203.6 顯示電路213.7 測(cè)量里程電路223.8 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路234 軟件設(shè)計(jì)254.1 程序設(shè)計(jì)254.2 主程序設(shè)計(jì)2

7、54.3 探測(cè)金屬程序設(shè)計(jì)304.4 測(cè)量里程程序設(shè)計(jì)314.5 躲避障礙物子程序設(shè)計(jì)324.6 部分模塊仿真345 結(jié)束語40參考文獻(xiàn)41附錄42致謝531 緒論 引言智能作為現(xiàn)代的新發(fā)明，是以后的發(fā)展方向，它可以按照預(yù)先設(shè)定的模式在一個(gè)環(huán)境里自動(dòng)的運(yùn)作，不需要人為的管理，可應(yīng)用于科學(xué)勘探等用途。智能電動(dòng)小車就是其中的一個(gè)體現(xiàn)。設(shè)計(jì)者可以通過軟件編程實(shí)現(xiàn)它的行進(jìn)、繞障、停止的精確控制以及檢測(cè)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、顯示，無需人工干預(yù)。因此，智能電動(dòng)小車具有再編程的特性，是機(jī)器人的一種。根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求，確定如下方案：以AT89C51單片機(jī)為核心的控制電路，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用光電傳感器、金屬探測(cè)傳

8、感器、超聲波傳感器組成不同的檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)小車在行駛中自動(dòng)尋跡、探測(cè)預(yù)埋金屬鐵片、躲避障礙物、測(cè)量里程等問題。并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的智能控制。這種方案能實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。本設(shè)計(jì)采用了比較先進(jìn)的AT89C51為控制核心，功耗很低。該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、娛樂等許多方面。尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)1.2 課題來源隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速進(jìn)步，智能化

9、技術(shù)的開發(fā)速度越來越快 ,智能度越來越高 ,應(yīng)用范圍也得到了極大的擴(kuò)展。在海洋開發(fā)、宇宙探測(cè)、工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、軍事、社會(huì)服務(wù)、娛樂等各個(gè)領(lǐng)域。智能電動(dòng)小車系統(tǒng)以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多個(gè)學(xué)科。主要由路徑識(shí)別、角度控制及車速控制等功能模塊組成2。同時(shí)，當(dāng)今機(jī)器人技術(shù)發(fā)展的如火如荼，其應(yīng)用在國(guó)防等眾多領(lǐng)域得到廣泛開展。神五、神六升天、無人飛船等等無不得益于機(jī)器人技術(shù)的迅速發(fā)展。一些發(fā)達(dá)國(guó)家已把機(jī)器人制作比賽作為創(chuàng)新教育的戰(zhàn)略性手段。如日本每年都要舉行諸如“NHK杯大學(xué)生機(jī)器人大賽”、“全日本機(jī)器人相撲大會(huì)”、“機(jī)器人足球賽”等各種類型的機(jī)器

10、人制作比賽，參加者多數(shù)為學(xué)生，目的在于通過大賽全面培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手能力、創(chuàng)造能力、合作能力和進(jìn)取精神，同時(shí)也普及智能機(jī)器人的知識(shí)。從某種意義上來說,機(jī)器人技術(shù)反映了一個(gè)國(guó)家綜合技術(shù)實(shí)力的高低,而智能電動(dòng)小車是機(jī)器人的雛形,它的控制系統(tǒng)的研制將有助于推動(dòng)智能機(jī)器人控制系統(tǒng)的發(fā)展，同時(shí)為智能機(jī)器人的研制提供更有利的手段。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國(guó)電子競(jìng)賽和省內(nèi)電子競(jìng)賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設(shè)計(jì)是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車能夠?qū)崿F(xiàn)在行駛中自動(dòng)尋跡、探測(cè)預(yù)埋金屬鐵片、躲避障礙物

11、、測(cè)量距離、實(shí)時(shí)顯示時(shí)間，最后在光源的引導(dǎo)下到達(dá)目的地，停車。 1.3 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀在國(guó)內(nèi)外，智能化系統(tǒng)主要采用單片機(jī)作為控制核心。因此，單片機(jī)的發(fā)展將有助于智能化技術(shù)的開發(fā)。在本設(shè)計(jì)中,采用比較先進(jìn)的AT89C51單片機(jī)為控制核心，它的功耗很低。單片機(jī)技術(shù)發(fā)展至今，掌握最先進(jìn)技術(shù)的仍然是國(guó)外的幾大公司。如Intel公司發(fā)展的MCS-51系列的新一代產(chǎn)品，如8C152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8C451、8C452,還包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色與80C51

12、兼容的單片機(jī)。新一代的單片機(jī)的最主要的技術(shù)特點(diǎn)是向外部接口電路擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)Microcomputer完善的控制功能為己任，可連接一些外部接口功能單元如A/D、PWM、PCA(可編程計(jì)數(shù)器陣列)WDT(監(jiān)視定時(shí)器)高速I/O口、計(jì)數(shù)器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機(jī)中，在總線方面最重要的進(jìn)展是為單片機(jī)配置了芯片間的串行總線，為單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機(jī)80C51系列8C592單片機(jī)引入了具有較強(qiáng)功能的設(shè)備間網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總線-CAN(Controller Area Network BUS)。2 方案設(shè)計(jì)與論證 總體方案論證與比較方案一、采用AT89C51

13、單片機(jī)作為整機(jī)的控制單元。以AT89C51單片機(jī)為核心的控制電路，采用模塊化的設(shè)計(jì)方案，運(yùn)用光電傳感器、金屬探測(cè)傳感器、超聲波傳感器組成不同的檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)小車在行駛中自動(dòng)尋跡、探測(cè)預(yù)埋金屬鐵片、躲避障礙物、測(cè)量里程等問題。并將測(cè)量數(shù)據(jù)傳送至單片機(jī)進(jìn)行處理，然后由單片機(jī)根據(jù)所檢測(cè)的各種數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)小車的智能化控制3。在本系統(tǒng)中，反射式紅外光電傳感器檢測(cè)黑線，然后將信號(hào)傳送到單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，使小車沿軌道自主行走；電感式接近開關(guān)電路代替金屬傳感器探測(cè)預(yù)埋在軌道下的金屬鐵片，并發(fā)出聲光信息進(jìn)行提示；通過霍爾元件測(cè)量小車行駛里程；采用H型脈沖寬度調(diào)制（PWM）全橋式驅(qū)動(dòng)電路控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電

14、動(dòng)小車的正反向行駛、快慢速行駛及轉(zhuǎn)彎；采用LCD1602實(shí)時(shí)顯示小車行駛的時(shí)間。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡(jiǎn)潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，具有高度的智能化、人性化，一定程度體現(xiàn)了智能，能滿足系統(tǒng)的要求。此方案的基本原理如圖2.1所示。圖  智能車運(yùn)行基本原理圖框圖方案二、采用各類數(shù)字電路來組成電動(dòng)小車的控制系統(tǒng)。采用數(shù)字電路對(duì)外圍探測(cè)軌跡信號(hào)，檢測(cè)金屬信號(hào)，避障信號(hào)，尋找光源信號(hào)分部進(jìn)行處理。但對(duì)輸入輸出都是模擬量的小裝置，如果采用數(shù)字化方案，則要先用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，經(jīng)過數(shù)字電路處理后，再經(jīng)D/A轉(zhuǎn)換器將數(shù)字量轉(zhuǎn)換為模擬量。這樣必然帶

15、來高成本、電路復(fù)雜等缺點(diǎn)。因此，本方案靈活性不高，效率低，不利于電動(dòng)小車智能化的擴(kuò)展。同時(shí)，對(duì)各路信號(hào)處理也比較困難。比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案一簡(jiǎn)潔、靈活、可擴(kuò)展性好，能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，因此本設(shè)計(jì)采用方案一來實(shí)現(xiàn)。 探測(cè)軌跡模塊 在本設(shè)計(jì)中，要求電動(dòng)小車沿著路面的黑色軌道行駛。其探測(cè)路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙對(duì)光的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱來判斷是否是黑線。利用這個(gè)原理，可以控制電動(dòng)小車行走的路跡。下面幾種方案是根據(jù)本原理設(shè)計(jì)的。方案一、采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收。由于光敏二極管受可見光的影響較大，穩(wěn)定性差，所以放棄該方案。方案二、利用

16、光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。方案三、采用反射式紅外線光電傳感器。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)4。在小車行駛過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，反射光被裝在電動(dòng)小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，電動(dòng)小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)根據(jù)是否收到反射回來

17、的紅外光來確定黑線的位置，從而控制小車的行走路線。采用紅外線發(fā)射，外面可見光對(duì)接收信號(hào)的影響較小，再用射極輸出器對(duì)信號(hào)進(jìn)行隔離。紅外線光電傳感器的特點(diǎn)是尺寸小、使用方便、工作狀態(tài)受溫度影響小。它的外圍電路簡(jiǎn)單。因此本方案易于實(shí)現(xiàn)，也比較可靠。所以本設(shè)計(jì)采用方案三。2.3 檢測(cè)金屬鐵片模塊方案一、采用探測(cè)線圈和探測(cè)儀構(gòu)成的金屬探測(cè)器。此類金屬探測(cè)器利用探測(cè)線圈產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)在接近金屬材料時(shí)產(chǎn)生微弱變化這一原理，將變化信號(hào)放大處理進(jìn)而實(shí)現(xiàn)探測(cè)金屬的目的，但是該探測(cè)器的結(jié)構(gòu)復(fù)雜。因此不易采用。 方案二、采用根據(jù)電渦流原理自制的傳感器。該傳感器取才方便，但難以調(diào)試，輸出信號(hào)也不可靠，成功率比較低，難以

18、準(zhǔn)確輸出傳感信息。方案三、利用電感式接近開關(guān)代替金屬探測(cè)器。接近開關(guān)又稱無觸點(diǎn)接近開關(guān)，是理想的電子開關(guān)量傳感器。它除可以完成行程控制和限位保護(hù)外，還是一種非接觸型的檢測(cè)裝置，可用于檢測(cè)零件尺寸和測(cè)速等，也可用于變頻計(jì)數(shù)器、變頻脈沖發(fā)生器、液面控制和加工程序的自動(dòng)銜接等。當(dāng)金屬檢測(cè)體接近開關(guān)的感應(yīng)區(qū)域，開關(guān)就能無接觸，無壓力、無火花、迅速發(fā)出電氣指令，準(zhǔn)確反應(yīng)出運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的位置和行程，即使用于一般的行程控制。其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調(diào)整的方便性和對(duì)惡劣環(huán)境的適用能力，是一般機(jī)械式行程開關(guān)所不能相比的5。因此用它作為小車的金屬傳感器，簡(jiǎn)單易行、準(zhǔn)確且抗干擾性能優(yōu)越。綜合考慮以上三種方案

19、的優(yōu)越性，本設(shè)計(jì)選擇方案三。2.4 避障模塊考慮到在測(cè)障過程中小車車速及反應(yīng)調(diào)向速度的限制，小車應(yīng)在距障礙物40CM的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣在順利繞過障礙物后，可尋找到最佳的位置和方向。否則，如果范圍太大，則可能產(chǎn)生對(duì)障礙物的判斷失誤；范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實(shí)現(xiàn)理想定向。根據(jù)上述要求，提出以下方案。方案一、采用激光傳感器探測(cè)障礙物。該傳感器能非常準(zhǔn)確地測(cè)出障礙物的存在，但價(jià)格高，處理復(fù)雜，不符合該設(shè)計(jì)的要求。方案二、采用超聲波傳感器探測(cè)障礙物。超聲波傳感器安裝于小車前端，在規(guī)定的檢測(cè)距離內(nèi)，當(dāng)探測(cè)到障礙物時(shí)，超聲波傳感器給出脈沖信號(hào)至單片機(jī)，單片機(jī)檢測(cè)到該信號(hào)后，

20、調(diào)整小車的方向，以控制小車準(zhǔn)確地繞過障礙物，而且避免因小車自然轉(zhuǎn)彎而導(dǎo)致的盲目方向控制。這樣不但能準(zhǔn)確完成測(cè)量，而且能避免電路的復(fù)雜性。同時(shí)，超聲波傳感器具有頻率高、波長(zhǎng)短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對(duì)液體、固體的穿透本領(lǐng)很大，尤其是在光線不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質(zhì)或分界面會(huì)產(chǎn)生顯著反射，形成回波，碰到活動(dòng)物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國(guó)防、生物醫(yī)學(xué)等方面6。智能電動(dòng)小車應(yīng)以準(zhǔn)確、智能見優(yōu)，因此采用方案二。2.5 尋找光源模塊方案一、采用多只方向性較強(qiáng)的光敏二極管作光源定位器。若干定位器在水平面上按不同角度展

21、開，在尋找光源時(shí)根據(jù)每個(gè)定位器接收到的光線強(qiáng)弱（有無）得出光源的方位。該方案若采用方向性較強(qiáng)的光敏二極管作為光源定位器，要么是需要很多的器件，要么是難以檢測(cè)到光源的方向。方案二、利用由光敏電阻組成的光控開關(guān)電路。利用光敏電阻阻值隨光強(qiáng)弱變化的特性組成光控開關(guān)電路，檢測(cè)光源。光敏電阻是用光電導(dǎo)體制成的光電器件，又稱光電管，它是基于半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)工作的。當(dāng)無光照射時(shí)，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流很小。當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值（亮電阻）急劇減少，因此電路中電流迅速增加。光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性，光譜響應(yīng)從紫外區(qū)一直到紅外區(qū)，而且體積小、重量輕、性能穩(wěn)定，

22、因此在自動(dòng)化技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用【7】。綜合考慮到上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用方案二。2.6 顯示模塊方案一、采用LED數(shù)碼管顯示。在系統(tǒng)中要用到多只LED數(shù)碼管進(jìn)行動(dòng)態(tài)顯示即可達(dá)到要求。其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)是只能顯示09的數(shù)字和一些簡(jiǎn)單的字符，電路設(shè)計(jì)繁鎖，且占用空間。方案二、采用LCD1602液晶顯示器。LCD廣泛應(yīng)用于微型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中。與LED相比，它具有功耗低，抗干擾能力強(qiáng)，體積小，廉價(jià)的特點(diǎn)，且有良好的人機(jī)界面，直觀，顯示效果漂亮。目前已廣泛應(yīng)用在各種顯示領(lǐng)域。另外，LCD在大小和形狀上更加靈活，接口簡(jiǎn)單，不但可以顯示數(shù)字、字符，而且可以顯示漢字和圖形，因此在袖珍儀表

23、、醫(yī)療儀器、分析儀器及低功耗便攜式儀器中，LCD已成為一種占主導(dǎo)地位的顯示器件【8】。因此，本設(shè)計(jì)采用方案二。 測(cè)量里程模塊方案一、通過測(cè)試得出小車平均速度v，在行駛過程中將行駛時(shí)間與其乘積t*v作為駛過的里程。但該方案受電池電量、路面介質(zhì)等因素的影響，在大多數(shù)情況下均暴露出誤差較大的缺點(diǎn)。故不予采用。方案二、采用開關(guān)式霍爾元件。在車輪上安裝小磁鋼，將霍爾開關(guān)器件安裝在固定軸上。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磁鋼也跟著轉(zhuǎn)動(dòng),霍爾元件感應(yīng)到磁場(chǎng)的變化時(shí),就會(huì)產(chǎn)生通斷效果,使單片機(jī)的輸入端產(chǎn)生高低電平的變化,從而使其計(jì)數(shù)小車車輪轉(zhuǎn)的圈數(shù),假設(shè)為N,并設(shè)車輪的周長(zhǎng)為L(zhǎng),通過S=N*L,就可以計(jì)算出小車在一段時(shí)間內(nèi)的

24、里程?；魻栐捎谒幕魻栃?yīng)顯著而得到實(shí)用和發(fā)展，被廣泛用于電流、磁場(chǎng)、位移、壓力等物理量的測(cè)量。同時(shí)，霍爾元件具有體積小，頻率響應(yīng)寬度大，動(dòng)態(tài)特性好，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)外圍電路要求簡(jiǎn)單，使用壽命長(zhǎng)，價(jià)格低廉等特點(diǎn)，安裝也較為方便【7】。只要磁鋼在后輪上的位置足夠精確，霍爾開關(guān)固定牢靠，就可以獲得較好的測(cè)試效果。方案三、采用透射式光電開關(guān)。在齒輪箱中安裝透射式光電開關(guān)，測(cè)出變速齒輪的每秒轉(zhuǎn)速，用變速比和車輪周長(zhǎng)計(jì)算出線速度，積分求行駛里程。但在齒輪箱中使用光電開關(guān)，要求有足夠的安裝位置，不能影響傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的機(jī)械動(dòng)作。通過比較上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合多方面因素決定選用方案二。2.8 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方

25、案一、使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)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大，對(duì)于小車的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行不利。方案二、采用繼電器控制電機(jī)。采用繼電器對(duì)電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制。通過開關(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【1】。方案三、采用H型脈沖寬度調(diào)制（PWM）全橋式驅(qū)動(dòng)電路。通過PWM脈寬調(diào)制的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的控制。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)頻繁的快

26、速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，是一種廣泛采用的調(diào)速技術(shù)。H型全橋式電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。這種驅(qū)動(dòng)電路可以很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。為了電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，采用電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298N，其驅(qū)動(dòng)電流大，瞬時(shí)電流最高可達(dá)2A，為電機(jī)驅(qū)動(dòng)專門設(shè)計(jì)，工作穩(wěn)定可靠。完全滿足設(shè)計(jì)要求9。綜合三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定選擇方案三。3 硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)（SCM）是單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microcomputer）的簡(jiǎn)稱。它是把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、I/O接口電路、定時(shí)/計(jì)數(shù)器以及輸入輸出適配器都集成在一塊芯

27、片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。隨著SCM在技術(shù)上、體系上不斷擴(kuò)展其控制功能，國(guó)際上已經(jīng)采用MCU（MicroControllerUnit）代替單片機(jī)的名詞。它的最大優(yōu)點(diǎn)是體積小，可放在儀表內(nèi)部。但存儲(chǔ)量小，輸入輸出適配器簡(jiǎn)單，功能較低。目前，單片機(jī)在民用和工業(yè)測(cè)控領(lǐng)域得到最廣泛的應(yīng)用，早已深深地融入人們的生活中。近年來，AT89C51在我國(guó)非常流行，它最大的特點(diǎn)是內(nèi)部有可以多次重復(fù)編程的閃爍ROM,并且閃爍ROM可以直接用編程器來擦寫（電擦寫），使用起來比較方便【10】。一個(gè)單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴(kuò)展，即單片機(jī)內(nèi)部的功能單元，如ROMRAMI/O口定時(shí)/記數(shù)器

28、中斷系統(tǒng)等能量不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，既要按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器打印機(jī)A/DD/A轉(zhuǎn)換器等，又要設(shè)計(jì)合適的接口電路。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為中央處理器。其主要任務(wù)是在小車行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數(shù)據(jù)，將得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后，來控制小車行走，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)送顯示單元?jiǎng)討B(tài)顯示。 在本系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)的P1口用于LCD1602顯示，P、口用于電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)控制，P、P口用于探測(cè)軌跡，口用于探測(cè)障礙物，口用于尋找光源。用于LED提示，用于蜂鳴器報(bào)警，外部中斷0用于檢測(cè)金屬鐵片，外部

29、中斷1用于計(jì)數(shù)脈沖，從而達(dá)到測(cè)量里程的目的。 AT89C51單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)AT89C51是一種低功耗/低電壓、高性能的八位CMOS單片機(jī)，片內(nèi)有一個(gè)4KB的FLASH可編程可擦除只讀存儲(chǔ)器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory），它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MSC51兼容。片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲(chǔ)單元，片內(nèi)的存儲(chǔ)器允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程。因此，AT89C51是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便的應(yīng)

30、用于各種控制領(lǐng)域11。 主要特性(1)與MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)兼容 (2)4K字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 (3)壽命：1000寫/擦循環(huán)(4)數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年(5)全靜態(tài)工作：0Hz-24Hz(6)三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定(7)128*8位內(nèi)部RAM(8)32可編程I/O線(9)兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(10)6個(gè)中斷源 (11)可編程串行通道(12)低功耗的閑置和掉電模式(13)片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 另外，AT89C51是用靜態(tài)邏輯來設(shè)計(jì)的，其工作頻率可下降到零并提供兩種軟件的省電方式-空閑方式和掉電方式。在空閑方式中，CPU停止工作。在掉電方式中，片內(nèi)振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功

31、能都暫停，只保存片內(nèi)RAM中的內(nèi)容，直到下次硬件復(fù)位為止。 管腳說明 VCC（40）：供電電壓，其工作電壓為5V。GND（20）：接地。P0端口（）：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當(dāng)P1口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)，P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。P1端口）：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內(nèi)部上拉為高電平，可用作輸入，P1口被外部下拉為

32、低電平時(shí)，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。 P2端口）：P2口為一個(gè)內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個(gè)TTL門電流，當(dāng)P2口被寫“1”時(shí)，其管腳被內(nèi)部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內(nèi)部上拉的緣故。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時(shí)，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢(shì)，當(dāng)對(duì)外部八位地址數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行讀寫時(shí)，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。P3

33、端口（）：P3口管腳是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電阻的8位的雙向I/O端口，可接收輸出4個(gè)TTL門電流。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入端時(shí)，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如表3.1所示。表3.1 P3端口引腳兼用功能表P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。復(fù)位RST(9)：復(fù)位輸入。在振蕩器運(yùn)行時(shí)，有兩個(gè)機(jī)器周期（24個(gè)振蕩周期）以上的高電平出現(xiàn)在此引腳時(shí)，將使單片機(jī)復(fù)位，只要這個(gè)腳保持高電平，51芯片便循環(huán)復(fù)位。復(fù)位后口均置1，引腳表現(xiàn)為高電平，程序計(jì)數(shù)器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當(dāng)

34、復(fù)位腳由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片為ROM的00H處開始運(yùn)行程序。復(fù)位操作不會(huì)對(duì)內(nèi)部RAM有所影響。ALE/(30)：當(dāng)訪問外部存儲(chǔ)器時(shí)，地址鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節(jié)。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時(shí)，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號(hào)，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。然而要注意的是：每當(dāng)用作外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，將跳過一個(gè)ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時(shí)， ALE只有在執(zhí)行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。 (

35、29)：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指令期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的信號(hào)將不出現(xiàn)。EA/VPP(31)：當(dāng)保持低電平時(shí)，則在此期間外部程序存儲(chǔ)器（0000H-FFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。注意加密方式1時(shí)，將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1(19)：反向振蕩放大器的輸入及內(nèi)部時(shí)鐘工作電路的輸入。XTAL2(18)：來自反向振蕩器的輸出。其引腳圖如圖3.1所示。圖 AT89C51引腳圖 振蕩器特性 XTAL1和XTAL2分別為反向

36、放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內(nèi)振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時(shí)鐘源驅(qū)動(dòng)器件，XTAL2應(yīng)不接。有余輸入至內(nèi)部時(shí)鐘信號(hào)要通過一個(gè)二分頻觸發(fā)器，因此對(duì)外部時(shí)鐘信號(hào)的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。 芯片擦除整個(gè)PEROM陣列和三個(gè)鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號(hào)組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲(chǔ)字節(jié)被重復(fù)編程以前，該操作必須被執(zhí)行。此外，AT89C51設(shè)有穩(wěn)態(tài)邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態(tài)邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時(shí)器，計(jì)

37、數(shù)器，串口和中斷系統(tǒng)仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內(nèi)容并且凍結(jié)振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個(gè)硬件復(fù)位為止。 AT89C51最小系統(tǒng) AT89C51最小系統(tǒng)接線如圖3.2所示，在XTAL1、XTAL2端接上晶振及兩個(gè)諧振電容，在RESET端接上相應(yīng)的電阻、電容，如需要按鍵復(fù)位，加上按鍵即可組成一個(gè)最小系統(tǒng)，按要求通電后，系統(tǒng)就可以工作了。 圖 AT89C51最小系統(tǒng) 探測(cè)軌跡電路軌跡探測(cè)電路根據(jù)反射接收原理配置了一對(duì)紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個(gè)紅外發(fā)光二極管、一個(gè)紅外光敏三極管及其上拉電阻。如圖所示。紅外發(fā)光二極管發(fā)射一定強(qiáng)度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射

38、回來的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個(gè)電平跳變信號(hào)。當(dāng)小車在白色地面行駛時(shí)，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)，那么圖3.3中光敏三極管將導(dǎo)通，輸出低電平，經(jīng)LM306電壓比較器送單片機(jī)控制。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，輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測(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黑色引導(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)，表明小車行駛在白色地面上。即當(dāng)小車底部的某邊紅外線收發(fā)對(duì)管遇到黑帶時(shí)輸入電平為高

39、電平，反之為低電平4。圖 軌跡探測(cè)電路圖為了保證小車沿黑線行駛，采用了兩個(gè)檢測(cè)器并行排列，左右方向都可以進(jìn)行控制，控制精度得以提高。在小車行走過程中，結(jié)合查詢方式，通過程序控制小車行走軌跡。如果左方向偏離黑線，則右側(cè)的探頭就會(huì)檢測(cè)到黑線，把信號(hào)傳送到單片機(jī)，進(jìn)行處理校正。控制其向右轉(zhuǎn)；如果右方向偏離黑線，則左側(cè)的探頭就會(huì)檢測(cè)到黑線，把信號(hào)傳送到單片機(jī)，進(jìn)行處理校正?？刂破湎蜃筠D(zhuǎn)。從而保證小車沿黑線行駛。電路中的可調(diào)電阻可調(diào)節(jié)靈敏度，以滿足小車在不同光度的環(huán)境中能夠?qū)ほE。由于接收對(duì)管裝在車底，發(fā)射距離的遠(yuǎn)近較難控制，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻，靈敏度不高，因此采用在對(duì)管上套一塑料管，屏蔽外界光的影響，靈敏度將

40、大幅提升。在該電路中，加比較器LM306的目的是使模擬量轉(zhuǎn)化為開關(guān)量，便于處理。 3.3 檢測(cè)金屬片電路電感式接近開關(guān)由三大部分組成：LC振蕩器、開關(guān)電路及放大輸出電路。它的工作原理是外界的金屬性物體對(duì)它的高頻振蕩器產(chǎn)生非接觸式感應(yīng)作用。振蕩器即是由纏繞在鐵氧體磁芯上的線圈構(gòu)成的LC振蕩電路。振蕩器通過傳感器的感應(yīng)面，在其前方產(chǎn)生一個(gè)高頻交變的電磁場(chǎng)。當(dāng)外界的金屬性導(dǎo)電物體接近這一磁場(chǎng)，并到達(dá)感應(yīng)區(qū)時(shí)，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，這個(gè)渦流反作用于接近開關(guān)，從而導(dǎo)致LC振蕩電路振蕩能力衰減，振幅變小，內(nèi)部電路的參數(shù)發(fā)生變化，即稱之為阻尼現(xiàn)象。這一振蕩的變化，即被開關(guān)的后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定

41、的輸出信號(hào)，觸發(fā)開關(guān)并驅(qū)動(dòng)控制器件，從而達(dá)到非接觸式目標(biāo)檢測(cè)之目的。這種接近開關(guān)所能檢測(cè)的物體必須是金屬物體。其原理框圖如圖3.4所示。圖 接近開關(guān)原理框圖在車底中部安裝一個(gè)金屬檢測(cè)傳感器，將其檢測(cè)面對(duì)準(zhǔn)運(yùn)行路面，當(dāng)小車通過金屬鐵塊時(shí)，輸出端輸出一個(gè)高電平信號(hào)，將這個(gè)高電平信號(hào)通過74LS04反相器，將信號(hào)用單片機(jī)檢測(cè)出來，借此控制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的動(dòng)作，并聲光提示。檢測(cè)金屬鐵片電路原理圖如圖3.5所示。圖 檢測(cè)金屬鐵片電路原理圖 檢測(cè)障礙物電路 采用超聲波傳感器探測(cè)障礙物。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，其頻率超過20KHz，分橫向振蕩和縱向振蕩兩種，超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，其

42、傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器，結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫(yī)療及家電中獲得廣泛應(yīng)用。作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，它可以將電能轉(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時(shí)它接收到超聲波時(shí)，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報(bào)警器、接近開關(guān)、測(cè)距及材料探傷、測(cè)厚等。本設(shè)計(jì)應(yīng)用反射式超聲波探測(cè)電路探測(cè)障礙物。該電路分為超聲發(fā)射電路，超聲接收電路和信號(hào)處理電路12。（1）超聲發(fā)射電路超聲發(fā)射電路由時(shí)基電路555組成，

43、555振蕩電路的頻率可以調(diào)整，調(diào)節(jié)電位器RP1可以將接受超聲傳感器的輸出電壓調(diào)至最大，通?？烧{(diào)至40kHz。電路如圖3.6所示。圖 超聲波發(fā)射電路該電路用到時(shí)基電路LM555。 LM555 時(shí)基電路內(nèi)部由分壓器、比較器、觸發(fā)器、輸出管和放電管等組成，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。其各個(gè)引腳的功能如下：6腳為閥值端（TH），是上比較器的輸入。2腳為觸發(fā)端（TR），是下比較器的輸入。3腳為輸出端（OUT），有0和1兩種狀態(tài)，它的狀態(tài)由輸入端所加的電平?jīng)Q定。7腳為放電端（DIS），是內(nèi)部放電管的輸出，它有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定。4腳為復(fù)位端（R），叫上低電平（）時(shí)可使輸出端為低電

44、平。5腳為控制電壓端(CV )，可以用它來改變上下觸發(fā)電平值。8腳為電源（VCC），1腳為地（GND）。一般可以把 LM555 電路等效成一個(gè)大放電開關(guān)的R-S 觸發(fā)器。這個(gè)特殊的觸發(fā)器有兩個(gè)輸入端：閥值端（TH）可看成是置零端 R，高電平有效；觸發(fā)端（TR）可看成是置位端S，低電平有效。它只有一個(gè)輸出端OUT，OUT可等效成觸發(fā)器的Q 端。放電端（DIS）可看成由內(nèi)部放電開關(guān)控制的一個(gè)接點(diǎn)，放電開關(guān)由觸發(fā)器的反Q端控制：反Q=1時(shí)DIS 端接地；反Q=0時(shí)DIS端懸空。此外這個(gè)觸發(fā)器還有復(fù)位端 R，控制電壓端CV，電源端VCC和接地端GND。圖3.7是等效的觸發(fā)器和它的功能真值表。 圖 等效

45、的觸發(fā)器和它的功能真值表這個(gè)特殊的R-S 觸發(fā)器工作原理：兩個(gè)輸入端的觸發(fā)電平要求一高一低：置零端R即閥值端TH要求高電平，而置位端S即觸發(fā)端TR則要求低電平。兩個(gè)輸入端的觸發(fā)電平，是使它們翻轉(zhuǎn)的閥值電壓值也不同，當(dāng)CV端不接控制電壓時(shí)，對(duì)TH（R）端來講，大于2/3VCC是高電平1，小于2/3VCC是低電平0；而對(duì) TR（S）端來講，大于1/3VCC是高電平1，小于1/3VCC是低電平0。如果在控制端CV加上控制電壓VC，這時(shí)上觸發(fā)電平就變成VC值，而下觸發(fā)電平則變成 1/2VC?？梢姼淖兛刂贫说目刂齐妷褐悼梢愿淖兩舷掠|發(fā)電平值。（2）超聲波接收電路 超聲波接收電路使用超聲波接收傳感器，當(dāng)它

46、接收到超聲波信號(hào)（為正弦波信號(hào)）后輸入到集成比較器LM393進(jìn)行處理。LM393輸出的是比較規(guī)范的方波信號(hào)。將此方波信號(hào)輸出到信號(hào)處理電路。電路如圖3.8所示。圖 超聲波接收和處理電路 （3）信號(hào)處理電路 信號(hào)處理電路使用集成電路LM2907N，它原是測(cè)量轉(zhuǎn)速用的IC,其內(nèi)部有F/V轉(zhuǎn)換器和比較器、充電泵、高增益運(yùn)算放大器，它的輸出要求有一定頻率的信號(hào)，能將頻率信號(hào)轉(zhuǎn)換為直流電壓信號(hào)。LM2907N具有以下特點(diǎn)： LM2907N進(jìn)行頻率倍增時(shí)只需使用一個(gè)RC網(wǎng)絡(luò)； 以地為參考點(diǎn)的轉(zhuǎn)速計(jì)（頻率）輸入可直接從輸入管腳接入； 運(yùn)算放大器比較器采用浮動(dòng)三極管輸出； 最大50mA的輸出電流可驅(qū)動(dòng)開關(guān)管、

47、發(fā)光二極管等； 內(nèi)含的轉(zhuǎn)速計(jì)使用充電泵技術(shù)，對(duì)低紋波有頻率倍增功能； 比較器的滯后電壓為30mV利用這個(gè)特性可以抑制外界干擾； 輸出電壓與輸入頻率成正比，線性度典型值為±0.3%； 具有保護(hù)電路，不會(huì)受高于Vcc值或低于地參考點(diǎn)輸入信號(hào)的損傷； 在零頻率輸入時(shí)，LM2907N的輸出電壓可根據(jù)外圍電路自行調(diào)節(jié)； 當(dāng)輸入頻率達(dá)到或超過某一給定值時(shí)，可將輸出用于驅(qū)動(dòng)繼電器、指示燈等負(fù)載。LM2907N的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及各引腳功能如圖3.9所示，LM2907N的引腳功能如下： 腳（F）和11腳（IN-）為運(yùn)算放大器比較器的輸入端 腳接充電泵的定時(shí)電容（C1） 3腳接充電泵的輸出電阻和積分電容（R1

48、/C2） 4腳（IN+）和10腳（UF1）為運(yùn)算放大器的輸入端 5腳為輸出晶體管的發(fā)射極（U0） 8腳為輸出晶體管的集電極，一般接電源（UC） 9腳為正電源端（VCC） 12腳為接地端（GND） 6，7，13，14腳未用圖 LM2907N原理框圖將LM2907N的8腳接到單片機(jī)輸入口。由圖3.8可以看出，由于兩個(gè)串聯(lián)電阻的分壓，LM290N7的10腳電壓Vop-=6V，這是內(nèi)部比較器的參考電壓。內(nèi)部比較器的4腳電壓為Vop+輸入電壓，它是電阻R（51K）上的電壓，這個(gè)電壓和頻率有關(guān)的。當(dāng)Vop+大于Vop-時(shí)，比較器輸出為“1”，LM2907N內(nèi)部三極管導(dǎo)通（或飽和）輸出為“0”,則發(fā)光二極管

49、LED點(diǎn)亮。因此，當(dāng)超聲發(fā)射電路由LM555產(chǎn)生40KHz方波來起振超聲波發(fā)射探頭，使其發(fā)射超聲波，如智能電動(dòng)小車前方遇到障礙物時(shí)，此超聲波信號(hào)被障礙物反射回來，超聲波接收電路接收到超聲波信號(hào)（為正弦波信號(hào)）后輸入到比較器LM393使其調(diào)整為方波輸出到LM2907N，LM2907N芯片會(huì)把此方波信號(hào)的頻率轉(zhuǎn)化為對(duì)應(yīng)電壓值，當(dāng)此電壓值大于由4號(hào)引腳輸入的門電壓時(shí)，LM2907N的8號(hào)引腳輸出低電平，LED處于發(fā)光狀態(tài)。即當(dāng)有障礙物時(shí)LED處于發(fā)光狀態(tài)，LM2907N的8號(hào)引腳輸出低電平，同時(shí)通過8腳將信號(hào)送給單片機(jī)，使單片機(jī)該根據(jù)信號(hào)控制小車轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)避開障礙物的目的。 檢測(cè)光源電路利用光敏

50、電阻阻值隨光強(qiáng)弱變化的特性組成光控開關(guān)電路，如圖3.10所示，檢測(cè)光源。為了檢測(cè)光線的強(qiáng)弱，我們?cè)谛≤囎笄胺健⒂仪胺郊恿?只光敏傳感器，即光敏電阻。它根據(jù)照射在它上面的光線的強(qiáng)弱，阻值發(fā)生變化，輸出電壓隨之變化。當(dāng)小車前方無光照射時(shí), 光敏電阻阻值很大，三極管處于截止?fàn)顟B(tài), 集電極輸出高電平；當(dāng)有光照射時(shí), 光敏電阻阻值變小, 三極管飽和導(dǎo)通7。將檢測(cè)到的高低電平信號(hào)送單片機(jī), 依此調(diào)整車頭方向, 使其沿光源方向行駛。圖 光源檢測(cè)電路 顯示電路本設(shè)計(jì)采用LCD1602顯示，其與單片機(jī)的連接方式如圖1所示。單片機(jī)的P1口與LCD1602的連接。圖 顯示電路該電路用到2行16個(gè)字的DM-162液晶

51、模塊，它采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳接口，如圖2所示。其中:圖 DM-162液晶模塊(1)第1腳：VSS為地電源(2)第2腳：VDD接5V正電源(3)第3腳：V0為液晶顯示器對(duì)比度調(diào)整端，接正電源時(shí)對(duì)比度最弱，接地電源時(shí)對(duì)比度最高。(4)第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時(shí)選數(shù)據(jù)寄存器、低電平時(shí)選指令寄存器。(5)第5腳：RW為讀寫信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫操作。當(dāng)RS和RW共同為低電平時(shí)可以寫入指令或者顯示地址，當(dāng)RS為低電平RW為高電平時(shí)可以讀忙信號(hào)，當(dāng)RS為高電平RW為低電平時(shí)可以寫入數(shù)據(jù)。(6)第6腳：E端為使能端，當(dāng)E端由高電平跳成低電平時(shí)，液晶模塊執(zhí)行命令。(7)第714腳：D0

52、D7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 測(cè)量里程電路本設(shè)計(jì)采用霍爾傳感器A4EE測(cè)量里程。A4EE集成霍爾開關(guān)屬于開關(guān)型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬（18V），其輸出的信號(hào)符合TTL電平標(biāo)準(zhǔn)。它由穩(wěn)壓器A、霍爾電勢(shì)發(fā)生器(即硅霍爾片)B、差分放大器C、施密特觸發(fā)器D和OC門輸出E五個(gè)基本部分組成12。如圖3所示。在輸入端輸入電壓VCC，經(jīng)穩(wěn)壓器穩(wěn)壓后加在霍爾電勢(shì)發(fā)生器的兩端，根據(jù)霍爾效應(yīng)原理，當(dāng)霍爾片處在磁場(chǎng)中時(shí)，在垂直于磁場(chǎng)的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會(huì)產(chǎn)生霍爾電勢(shì)差HV輸出，該HV信號(hào)經(jīng)放大器放大后送至施密特觸發(fā)器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到工作點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器輸出高

53、電壓(相對(duì)于地電位)，使三極管導(dǎo)通，此時(shí)OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態(tài)稱為開。當(dāng)施加的磁場(chǎng)達(dá)到釋放點(diǎn)時(shí)，觸發(fā)器輸出低電壓，三極管截止，使OC門輸出高電壓，這種狀態(tài)稱為關(guān)。兩次電壓的變換，霍耳開關(guān)就完成了一次開關(guān)動(dòng)作。圖 霍爾傳感器A4EE的內(nèi)部結(jié)構(gòu)將霍爾元器件以一定方式裝成后，再將霍爾傳感器H的1腳和3腳間接2K的電阻12，霍爾傳感器的使用原理如圖4所示。在非磁材料的車后輪上粘貼片磁鋼（N、S磁極），將霍爾傳感器固定在小磁鋼（N、S磁極）附近，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),磁鋼也跟著轉(zhuǎn)動(dòng),霍爾元件感應(yīng)到磁場(chǎng)的變化。若N極經(jīng)過霍爾開關(guān)，其輸出電壓為正，則S極經(jīng)過霍爾開關(guān)，其輸出電壓為負(fù);反之，亦然。所以

54、N極穿過霍爾開關(guān)產(chǎn)生正脈沖，S極穿過霍爾開關(guān)產(chǎn)生負(fù)脈沖。每經(jīng)過一對(duì)N、S極，就出現(xiàn)一個(gè)完整的正弦波或一對(duì)正、負(fù)方波。因此，汽車后輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾元件產(chǎn)生個(gè)脈沖，將其送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)小汽車車輪轉(zhuǎn)的圈數(shù)，轉(zhuǎn)一周所產(chǎn)生的正負(fù)方波總長(zhǎng)度，即是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)周期T。將其送入單片機(jī)進(jìn)行計(jì)數(shù)，假設(shè)為N,并設(shè)車輪的周長(zhǎng)為L(zhǎng),通過S=N*L,就可以計(jì)算出小車在一段時(shí)間內(nèi)的距離。本設(shè)計(jì)選擇P3.3口作為信號(hào)的輸入端，內(nèi)部采用外部中斷1，車輪每轉(zhuǎn)一圈，霍爾開關(guān)就檢測(cè)并輸出信號(hào)，引起單片機(jī)的中斷，從而對(duì)脈沖計(jì)數(shù)。 圖 霍爾傳感器測(cè)速電路 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用最廣泛的就是H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路。這種驅(qū)動(dòng)電路可以

55、很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對(duì)應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動(dòng)、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動(dòng)。它的基本原理圖如圖5所示。 圖 H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路 全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開關(guān)管都工作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，S3、 S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動(dòng)；當(dāng)S3、S4導(dǎo)通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動(dòng)。當(dāng)全部導(dǎo)通時(shí)，電機(jī)處于剎車狀態(tài)。當(dāng)全部關(guān)斷時(shí)，電機(jī)將自由滑行8。其工作狀態(tài)表如表3.2所示。表3.2 電機(jī)工作狀態(tài)表狀態(tài)S1S2S3S4正轉(zhuǎn)1100反轉(zhuǎn)0011剎車1111滑行

56、0000在本設(shè)計(jì)中用到電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N。PWM輸出脈沖信號(hào)經(jīng)雙H橋功率驅(qū)動(dòng)電路L298N后接至電機(jī)，控制小車運(yùn)動(dòng)。如圖6所示。L298N芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，其設(shè)計(jì)是為接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)和驅(qū)動(dòng)電感負(fù)載的。每個(gè)H橋的下側(cè)橋臂晶體管發(fā)射極連在一起，其輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來連接電流檢測(cè)電阻。Vcc接邏輯控制的電源。Vs為電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源。IN1-IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號(hào)，用來控制H橋的開與關(guān)即實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。圖 H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路4 軟件設(shè)計(jì) 程序設(shè)計(jì)程序設(shè)計(jì)(Programming)是指設(shè)計(jì)、編制、調(diào)試程序的方法和過程。它是目標(biāo)明確的智力活動(dòng)。在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)