智能小車硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)正文

1、1 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(guò)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(wú)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、躲避障礙物等問(wèn)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

2、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(lè)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)。1.1 智能電動(dòng)小車設(shè)計(jì)概述 隨著計(jì)算機(jī)、微電子、信息技術(shù)的快速進(jìn)步，智能化技術(shù)的開(kāi)發(fā)速度越來(lái)越快 ,智能度越來(lái)越高 ,應(yīng)用范圍也得到了極大的擴(kuò)展。在海洋開(kāi)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(lè)等各個(gè)領(lǐng)域。智能電動(dòng)小車系統(tǒng)

3、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(kāi)展。神五、神六升天、無(wú)人飛船等等無(wú)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)器人制作比賽，參加者多數(shù)為學(xué)生，目的在于通過(guò)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(lái)說(shuō),機(jī)器人技

4、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(lái)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。可見(jiàn)其研究意義很大。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、實(shí)時(shí)顯示鐵片數(shù)目，躲避障礙物,實(shí)時(shí)顯示鐵片數(shù)目最后在光源的引導(dǎo)下到達(dá)目的地，停車。 1.2 智能電動(dòng)小車的設(shè)計(jì)依據(jù)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

5、此，單片機(jī)的發(fā)展將有助于智能化技術(shù)的開(kāi)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

6、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 智能電動(dòng)小車設(shè)計(jì)方案比較2.1 總體方案論證與比較方案一、采用AT89C51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

7、、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、光源的引導(dǎo)等問(wèn)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。避障模塊尋找光源模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊探測(cè)軌跡模塊聲光提示AT89C51單片機(jī)顯示模塊在本系統(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(kāi)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；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)電動(dòng)小車的正反向行駛、快慢速行駛及轉(zhuǎn)彎；采用LED實(shí)時(shí)顯示小車行駛的

8、時(shí)間。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來(lái)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2.1  智能小車運(yùn)行基本原理圖框圖方案二、采用各類數(shù)字電路來(lái)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(guò)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。這樣必然帶來(lái)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

9、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(lái)實(shí)現(xiàn)。2.2探測(cè)軌跡模塊方案比較 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(lái)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(jiàn)光的影響較大，穩(wěn)定性差，所以放棄該方案。方案二、利用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

10、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(guò)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(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(lái)的紅外光來(lái)確定黑線的位置，從而控制小車的行走路線。采用

11、紅外線發(fā)射，外面可見(jiàn)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)采用反射式紅外線光電傳感器。2.4避障模塊方案比較 考慮到在測(cè)障過(guò)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(guò)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(guò)小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過(guò)障礙物卻無(wú)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

12、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，調(diào)整小車的方向，以控制小車準(zhǔn)確地繞過(guò)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)。

13、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(jiàn)優(yōu)，因此采用超聲波傳感器探測(cè)障礙物。2.5尋找光源模塊方案比較方案一、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開(kāi)，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(wú)）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(kāi)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(kāi)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(wú)光照射時(shí)，光敏

14、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，因此在自動(dòng)化技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用。綜合考慮到上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)采用光敏電阻組成的光控開(kāi)關(guān)電路。2.6顯示模塊方案比較方案一、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

15、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、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】。LED數(shù)碼顯示價(jià)格便宜，在課程設(shè)計(jì)中用到的比較多，比較熟悉，設(shè)計(jì)要求中數(shù)碼管只用來(lái)顯示鐵片個(gè)數(shù)，用一位LED數(shù)碼顯示足夠，因此，本設(shè)計(jì)采用LED數(shù)碼管顯示。2.7電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案比較方案一、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

16、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(guò)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(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【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(guò)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(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的快速啟動(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

17、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)，選擇H型脈沖寬度調(diào)制（PWM）全橋式驅(qū)動(dòng)電路。3 系統(tǒng)的硬件電路設(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片上，構(gòu)成一個(gè)完整的微型計(jì)算機(jī)。隨著SCM在

18、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(lái)，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(lái)擦寫（電擦寫），使用起來(lái)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

19、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(guò)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(lái)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LED數(shù)碼顯示，P2.0、P2.1口用于電動(dòng)機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)控制，P0.3、P0.4口用于探測(cè)軌跡，P0.5口用于探測(cè)障礙物，P0.0、P0.1口用于尋找光源。P0.6用于LED提示，P0.7用于蜂鳴器報(bào)警，P3.2外部

20、中斷0用于檢測(cè)金屬鐵片。3.1 檢測(cè)軌跡電路設(shè)計(jì) 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3.4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回來(lái)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3.1中光敏三極管將導(dǎo)通，輸出低電平，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，輸出高電平，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/

21、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)輸入電平為高電平，反之為低電平。 圖3.1 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(guò)程中，結(jié)合查詢方式，通過(guò)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?？刂破湎蛴肄D(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?？?/p>

22、制其向左轉(zhuǎn)。從而保證小車沿黑線行駛。3.3 檢測(cè)障礙物電路設(shè)計(jì)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(guò)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，其傳播速度不同。它有折射和反射現(xiàn)象，且在傳播過(guò)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

23、兩種類型，常用于防盜報(bào)警器、接近開(kāi)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。（1）超聲發(fā)射電路超聲發(fā)射電路由時(shí)基電路555組成，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，通常可調(diào)至40kHz。電路如圖3.4所示。圖3.4 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

24、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（< 0.3V）時(shí)可使輸出端為低電平。5腳為控制電壓端(CV )，可以用它來(lái)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(kāi)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

25、內(nèi)部放電開(kāi)關(guān)控制的一個(gè)接點(diǎn)，放電開(kāi)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3.5 等效的觸發(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(lái)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(lái)講，大于1/3VCC是高電平1

26、，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?jiàn)改變控制端的控制電壓值可以改變上下觸發(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3.6所示。圖3.6 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

27、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(kāi)關(guān)管、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(guò)某一給定值時(shí)，可將輸

28、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/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3.7 LM2907N原理框圖將LM2907N的8腳接到單片機(jī)輸入口。由圖3.7可以看出，由于兩個(gè)串聯(lián)5.1k電阻的分壓，LM290N7的1

29、0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LED點(diǎn)亮。因此，當(dāng)超聲發(fā)射電路由LM555產(chǎn)生40KHz方波來(lái)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(lái)，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

30、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(guò)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(kāi)障礙物的目的。3.4 檢測(cè)光源電路設(shè)計(jì)利用光敏電阻高靈敏感光特性，在小車車頭兩端對(duì)稱安裝兩個(gè)光敏電阻，在小車不正對(duì)光源行駛的時(shí)候，兩個(gè)電阻的阻值不同，所以輸出的電壓不同，輸出電壓通過(guò)電壓比較器LM339比較，輸出高低電平控制小車前進(jìn)。LM339集成塊內(nèi)部裝有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，該電壓比較器的特點(diǎn)是： 失調(diào)電壓小，典型值為2mV；電源電壓范圍寬，單電源為2-36V，雙電源電壓為&#

31、177;1V-±18V；對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬；共模范圍很大，為0（Ucc-1.5V）Vo；差動(dòng)輸入電壓范圍較大，大到可以等于電源電壓；輸出端電位可靈活方便地選用。 LM339集成塊采用C-14型封裝，圖1為外型及管腳排列圖。由于LM339使用靈活，應(yīng)用廣泛，所以世界上各大IC生產(chǎn)廠、公司竟相推出自己的四比較器，如IR2339、ANI339、SF339等，它們的參數(shù)基本一致，可互換使用。圖3.8 LM339外型及管腳排列圖LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作

32、比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，因此，把LM339用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只電阻（稱為上拉電阻，選3-15K）。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng)輸出晶體三極管截止時(shí)，它

33、的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。另外，各比較器的輸出端允許連接在一起使用。 圖3.9 單限比較器電路圖3.10尋燈光進(jìn)入車庫(kù)電路3.5 顯示電路設(shè)計(jì)采用CD4518組成8421碼同步十進(jìn)制計(jì)數(shù)器，對(duì)單片機(jī)輸出的脈沖信號(hào)下降沿進(jìn)行計(jì)數(shù)。為滿足下降沿計(jì)數(shù)的要求，需將CD4518的cp端接地，計(jì)數(shù)脈沖信號(hào)接EN輸入端。因CD4518內(nèi)含兩個(gè)相同的計(jì)數(shù)器，可將第一級(jí)的Q4輸出接第二級(jí)的EN端，構(gòu)成兩級(jí)串行計(jì)數(shù)，實(shí)現(xiàn)099的計(jì)數(shù)顯示。CD4518的第7、15腳為清零端Cr，通過(guò)電阻R接地為零電平，與電容C一起實(shí)現(xiàn)開(kāi)機(jī)清零作用。譯碼電路采用CD4543分別組成BCD7段譯碼器，驅(qū)動(dòng)LED數(shù)碼顯

34、示器。電阻R14R20為限流電阻。設(shè)計(jì)要求顯示電路顯示鐵片的數(shù)目，只需一位顯示就足夠了所以電路圖如下：圖3.11顯示電路3.6 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)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3.12所示。 圖3.12 H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路全橋式驅(qū)動(dòng)電路的4只開(kāi)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，

35、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。其工作狀態(tài)表如表3.13所示。狀態(tài)S1S2S3S4正轉(zhuǎn)1100反轉(zhuǎn)0011剎車1111滑行0000表3.1 3 電機(jī)工作狀態(tài)表在本設(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3.14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(lái)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

36、源。IN1-IN4輸入引腳為標(biāo)準(zhǔn)TTL 邏輯電平信號(hào)，用來(lái)控制H橋的開(kāi)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(lái)輸入PWM信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)調(diào)速。圖3.14 L298N芯片圖3.15 H型全橋式驅(qū)動(dòng)電路4 系統(tǒng)測(cè)試為了確定系統(tǒng)與題目要求的符合程度，我們對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵部分進(jìn)行了實(shí)際的測(cè)試。4.1線路檢測(cè)部分測(cè)試紅外發(fā)射接受對(duì)管的感應(yīng)距離為0.8cm，發(fā)射管的保護(hù)電阻R2=510，接收管D1的保護(hù)電阻R1=20K。表4.1 光電傳感器測(cè)試數(shù)據(jù)次數(shù)傳感器與地面距離 (cm)輸出電壓(V)10514.521.53.7322.0該系統(tǒng)采用的是兩對(duì)紅外發(fā)射接收對(duì)管，與地的間距為0.5cm-0

37、.8cm之間，兩個(gè)對(duì)管之間的距離為1.5cm左右，兩個(gè)對(duì)管的角度在30度以內(nèi)就能夠穩(wěn)定的檢測(cè)出黑線。如果兩邊檢測(cè)出都是黑線則直線行走，左邊檢測(cè)到黑線右邊檢測(cè)到白線則左轉(zhuǎn)，反之小車右轉(zhuǎn)，最終小車能夠沿著黑線走完軌道。4.3超聲波發(fā)射接收測(cè)試在仿真電路中用555能產(chǎn)生一個(gè)40KHZ的方波，由于仿真軟件中沒(méi)有超聲波發(fā)射接收的器件，電子市場(chǎng)也沒(méi)有買到，所以在仿真中就直接給接收電路一個(gè)40KHZ的方波，功能能夠?qū)崿F(xiàn)。4.4電機(jī)電路測(cè)試小車在行駛過(guò)程中不需要反向行駛，所以在電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298 IN1和IN3腳輸入高電平，由IN2和IN4來(lái)控制電機(jī)的減速，從而實(shí)現(xiàn)小車的左右轉(zhuǎn)向。結(jié) 束 語(yǔ)通過(guò)本次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使

38、我學(xué)到了許多書本上無(wú)法學(xué)到的知識(shí),也使我深刻體會(huì)到單片機(jī)技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的廣泛。不僅讓我對(duì)學(xué)過(guò)的單片機(jī)知識(shí)有了很多的鞏固，同時(shí)也對(duì)單片機(jī)這一門課程產(chǎn)生了更大的興趣。本設(shè)計(jì)涉及到電機(jī)學(xué)、單片機(jī)原理及應(yīng)用、傳感器與檢測(cè)技術(shù)、微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、模擬電子技術(shù)等學(xué)科。讓我對(duì)專業(yè)知識(shí)有了更深的理解。在本次畢業(yè)設(shè)計(jì)過(guò)程中，我學(xué)會(huì)了在網(wǎng)絡(luò)上查找有關(guān)本設(shè)計(jì)的各硬件的資源，其中包括：智能小車國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀、AT89C51單片機(jī)及其引腳說(shuō)明、LM2907N引腳圖及其引腳功能等，為本次課程設(shè)計(jì)提供了一定的資料。在做設(shè)計(jì)的初期階段，難度很大，沒(méi)有頭緒。通過(guò)網(wǎng)上找資料、理清了思路。同時(shí)，在圖書館里、網(wǎng)上查閱資料，攻克了畢業(yè)設(shè)計(jì)中的道道難題。辦事只要有了頭緒，就會(huì)簡(jiǎn)單很多。本次設(shè)計(jì)我能獨(dú)立完成，算是有了很大的收獲?？偟母惺苡幸韵聨追矫妫?、鞏固了課本上的知識(shí)。通過(guò)本次設(shè)計(jì)，我不但對(duì)單片機(jī)有了更為深入的了解，對(duì)一個(gè)課題如何畫流程圖，編程序等，有了一定的認(rèn)識(shí)。2、在本次設(shè)計(jì)中，我進(jìn)一步加強(qiáng)了自