自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車設(shè)計(jì)

自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車設(shè)計(jì)摘要智能小車，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋智能控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)。一般主要由路徑識(shí)別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。本系統(tǒng)以SST系列單片機(jī)為核心控制模塊，充分利用了自動(dòng)檢測技術(shù)、單片機(jī)最小系統(tǒng)、液晶顯示模塊電路，以及聲光信號(hào)的控制、電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路。通過KeilC和PROTEUS的仿真，通過實(shí)踐操作與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)往返小車設(shè)計(jì)。綜合運(yùn)用單片機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制理論、檢測技術(shù)等。使小車能在無人操作情況下，借助傳感器識(shí)別路面環(huán)境，由單片機(jī)控制行進(jìn)，實(shí)現(xiàn)初步的無人控制。單片機(jī)具有體積小、重量輕、耗電少、功能強(qiáng)、控制靈活方便且價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。智能小車采用單片機(jī)為控制器核心，其集成度高、體積小、抗干擾能力強(qiáng)，具有獨(dú)特的控制功能，單片機(jī)的應(yīng)用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)思想和設(shè)計(jì)方法。本設(shè)計(jì)以單片機(jī)為核心，附以外圍電路，采用光電檢測器進(jìn)行檢測信號(hào)和循線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用單片機(jī)的運(yùn)算和處理能力來實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)加速、限速、減速、定時(shí)、前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、顯示行駛速度、行駛路程、行駛時(shí)間等智能控制系統(tǒng)。關(guān)鍵詞：SST單片機(jī)，自動(dòng)控制，電動(dòng)小車，PWM調(diào)速，傳感器

THEDESIGNOFAUTOMATICELECTRICCARSABSTRACTSmartcars,alsocalledwheeledrobots,isakindofautomobileelectronicbackground,intelligentcontrol,patternrecognitionandsensingtechnology,electronic,computer,machineryandmultidisciplinarysciencecreativedesign.Generallyconsistsmainlyofpathrecognition,speedacquisition,anglecontrolandspeedcontrolmodule.SystemdesignforthecoreofSSTseriesmicrocontrollercontrolmodule.Makefulluseoftheautomaticdetectiontechnology,MCUsmallestsystem,LCDmodulecircuit,thecontrolofsignal,andthemotordrivecircuit.ThroughthesimulationKeilCandPROTEUS,practiceanddebugging,andtherealizationofautomaticcardesign.Comprehensiveuseofmicrocontrollertechnology,automaticcontroltheory,thedetectiontechnology,etc.Thatcarinunattendedoperationcircumstance,usingsensoridentifyroadenvironment.Travelbysingle-chipmicrocomputercontrol,thepreliminarynocontrol.MCUiswellestablishedforitsflexibleoperations,smallvolume,lightweight,lessconsumption,powerfulfunctions,andlowinprice.Thisdesignbasedonsinglechip,peripheralcircuit,byusingphotoelectricdetectorsignaldetectionandfollowedthemovement.UsingMCUtorealizetheautomaticforward,backward,left,right,anddisplayspeed,drivingdistance,timeofintelligentcontrolsystem.TheapplicationofMCUisfundamentallychangingthetraditionalcontrolsystemdesignideasanddesignmethod.KEYWORDS:SSTmicrocontroller,automatic,PWMspeedadjusting,sensor目錄前言 1第1章緒論 2§1.1設(shè)計(jì)背景 2§1.2設(shè)計(jì)概述 2§1.3設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容 3第2章系統(tǒng)方案論證與分析 4§2.1小車車體選擇 4§2.2主控單片機(jī) 5采用凌陽16位單片機(jī) 5采用SST89E516RD單片機(jī) 5§2.3電機(jī)模塊 6采用步進(jìn)電機(jī) 6采用直流電機(jī) 6§2.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊 6§2.5電源管理 8采用單電源供電 8采用雙電源供電 8§2.6路面黑線探測模塊 9采用對射式紅外光電傳感器 9采用反射式紅外光電傳感器 9§2.7測速及里程計(jì)量模塊 10采用霍爾傳感器 10采用U型紅外光電傳感器 10§2.8計(jì)時(shí)模塊 11§2.9顯示模塊 11采用LED數(shù)碼管 11采用LCD液晶顯示 11第3章智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì) 12§3.1主控單片機(jī)功能設(shè)計(jì) 12單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu) 12單片機(jī)引腳鎖定 13§3.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì) 15§3.3PWM調(diào)速控制設(shè)計(jì) 17§3.4傳感器設(shè)計(jì) 20黑線檢測傳感器設(shè)計(jì) 20測速、里程計(jì)量傳感器設(shè)計(jì) 25§3.5液晶顯示功能設(shè)計(jì) 28第4章128×64液晶功能分析 30§4.1×××××× 30結(jié)論 34參考文獻(xiàn) 35致謝 37附錄 38工作原理 53光電傳感器類型介紹 53光電傳感器技術(shù)參數(shù) 54光電傳感器使用注意事項(xiàng) 54前言伴隨著現(xiàn)代汽車行業(yè)的飛速發(fā)展，作為汽車的電子控制系統(tǒng)也勢必得到更大的發(fā)展機(jī)會(huì)，以滿足人們對汽車的安全性、智能化的要求，本文對智能往返小車自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究是對一些問題的初步思考。智能小車是一個(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)、傳感器、信息、通訊、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。本次畢設(shè)的自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車就是這種綜合體的一種嘗試。小車以單片機(jī)為核心，附以外圍電路，采用光電檢測器進(jìn)行檢測信號(hào)和循線運(yùn)動(dòng)。運(yùn)用單片機(jī)的運(yùn)算和處理能力來實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)加速、限速、減速、前進(jìn)、后退和金屬傳感器檢測等功能，可液晶實(shí)時(shí)顯示行駛速度、行駛路程、行駛時(shí)間的智能控制系統(tǒng)。本次畢業(yè)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能自動(dòng)往返于起跑線與終點(diǎn)線間的小汽車。小車從起跑線出發(fā)，到達(dá)終點(diǎn)線后停留10秒，然后自動(dòng)返回起跑線，往返一次的時(shí)間應(yīng)力求最短。到達(dá)終點(diǎn)線和返回起跑線時(shí)，停車位置離起跑線和終點(diǎn)線偏差應(yīng)最小。在限速區(qū)小車往返均要求以低速通過，通過時(shí)間不得少于8秒，且不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。智能小車設(shè)計(jì)的核心思想便是建立賽道可行區(qū)域感知系統(tǒng)，使小車在行駛過程中對跑道上的黑線能夠自動(dòng)檢測與識(shí)別，通過對視覺信息的處理確定小車與跑道的相對位置關(guān)系，通過執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整小車與跑道的相對位置，使小車在賽道中心準(zhǔn)確穩(wěn)定行駛的同時(shí)又兼顧車速，盡量縮短往返時(shí)間，從而達(dá)到“穩(wěn)”和“快”的協(xié)調(diào)。智能小車采用一塊SST89E516RD單片機(jī)作為其檢測和控制核心。選用SGS-THOMSONMicroelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298作為小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)，利用PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。路面金屬線線檢測、車速和距離檢測使用電感式接近開關(guān)金屬傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，接近開關(guān)反饋的信號(hào)送入單片機(jī)處理，由控制單元處理信號(hào)并控制小車的運(yùn)行模式及液晶數(shù)據(jù)顯示。實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)往返小車在無人控制狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)智能循跡、限速、壓線的智能控制，液晶顯示電路顯示運(yùn)行的時(shí)間、路程并實(shí)時(shí)更新速度顯示。緒論設(shè)計(jì)背景隨著智能機(jī)器人技術(shù)、汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于智能小車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究，可見其研究意義很大。智能小車，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋智能控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)。一般主要由路徑識(shí)別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，設(shè)計(jì)的智能電動(dòng)小車應(yīng)該能夠?qū)崟r(shí)顯示時(shí)間、速度、里程，具有智能PWM限速、返回、準(zhǔn)確定位停車等功能。設(shè)計(jì)概述智能小車系統(tǒng)集中地運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感器、信息通訊、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。本次畢設(shè)的自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車就是這種綜合體的一種嘗試。自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車是指小車能夠在跑道上自動(dòng)往返行駛，無須人的操作。小車從起跑線出發(fā)后自動(dòng)行駛到終點(diǎn)，并能在終點(diǎn)停車一段時(shí)間，然后返回起點(diǎn)。同時(shí)小車可以在要求區(qū)域內(nèi)自動(dòng)加速和減速。以單片機(jī)為控制核心，輔以傳感器、控制電路、顯示電路等外圍器件，構(gòu)成了一個(gè)車載控制系統(tǒng)。電動(dòng)小車能夠根據(jù)題目要求在直線方向上完成調(diào)速、急剎車、停車、倒車返回等各種運(yùn)動(dòng)形式。這輛小車還可以通過液晶實(shí)時(shí)顯示一次往返時(shí)間和行駛距離、行駛速度。另外，采用C語言編程算法進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，經(jīng)過PROTEUS仿真后，成功地實(shí)現(xiàn)了從最高速降至低速的平穩(wěn)調(diào)速。本系統(tǒng)主要采用C語言編程算法進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。通過C語言編程控制和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的結(jié)合，提高了對小車位置的控制精度，并且實(shí)現(xiàn)了低速段車速的恒速控制。設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容設(shè)計(jì)并制作一個(gè)能自動(dòng)往返于起跑線與終點(diǎn)線間的小汽車，能在如圖1-1所示的跑道上自動(dòng)往返行駛。在跑道B,C,D,E,F和G處設(shè)有2cm寬的金屬線。1.小車從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車體不得超出起跑線），到達(dá)終點(diǎn)線后停留10秒，然后自動(dòng)返回起跑線（允許倒車返回）。往返一次的時(shí)間應(yīng)力求最短（從合上汽車電源開關(guān)開始計(jì)時(shí)）。2.到達(dá)終點(diǎn)線和返回起跑線時(shí)，停車位置離起跑線和終點(diǎn)線偏差應(yīng)最小（以小車中心點(diǎn)與終點(diǎn)線或起跑線中心線之間距離作為偏差的測量值）。3.D～E間為限速區(qū)，小車往返均要求以低速通過，通過時(shí)間不得少于8秒，但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。ABCDEFG0.5m0.5m2m0.5m圖1-1小車跑道頂視圖各路段行駛速度要求：BD段：小車全速前進(jìn)。DE段：首先以最快的速度減速，并同時(shí)開始計(jì)時(shí)，降至慢速度后保持基本恒速前進(jìn)，當(dāng)接近8秒時(shí)，開始加速并沖出此段區(qū)間。EF段：小車全速前進(jìn)。FG段：首先以最快的速度減速，并且保持最低速度前進(jìn)，當(dāng)小車中間的傳感器探測出黑線時(shí)便立即停車系統(tǒng)方案論證與分析根據(jù)題目中的設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由主控單片機(jī)模塊、電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、黑線檢測模塊、測速模塊以及液晶顯示模塊構(gòu)成。本系統(tǒng)的方框圖如圖2-1所示：SST89E516RD主控單片機(jī)SST89E516RD主控單片機(jī)L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片黑線檢測模塊測速模塊電源模塊液晶顯示圖2-1系統(tǒng)原理框圖小車車體選擇在確定了畢業(yè)設(shè)計(jì)選題以后，指導(dǎo)老師就給我提供了由億學(xué)通電子推出的“DIY競賽小車”散件車體。其具有結(jié)構(gòu)小巧、運(yùn)動(dòng)靈活、擴(kuò)展性強(qiáng)、控制簡單等諸多特點(diǎn)。該小車車體套件具備功能如下：（1）支持四個(gè)獨(dú)立電機(jī)的安裝，增大了驅(qū)動(dòng)力和轉(zhuǎn)彎的靈活性（2）配置了測速碼盤（安裝在第一級(jí)輸出），提高了轉(zhuǎn)速測量精度（3）配備開關(guān)量轉(zhuǎn)速測量傳感器接口（4）配備了外部電源接口和電池盒接口，方便了小車用電選擇（5）保留了萬向輪固定孔，四輪車可以方便改裝為三輪車（6）為單片機(jī)控制板預(yù)留了電源和控制端口（7）保留了DIY競賽小車的擴(kuò)展板，可以直接把單片機(jī)電路、顯示電路、通訊電路、遙控電路等焊接上面，不需要再額外增加電路，方便了擴(kuò)展主控單片機(jī)采用凌陽16位單片機(jī)采用凌陽公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng)、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、具有語音處理、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，但考慮到對這個(gè)方案采用的微處理器并不熟悉，使用起來并不是很方便，這對于硬件電路的設(shè)計(jì)和軟件編程增加了難度。且實(shí)驗(yàn)室器材室沒有此型號(hào)單片機(jī)。因此決定不再使用此方案，考慮其他方案。采用SST89E516RD單片機(jī)SST89E516RD是8位集成存儲(chǔ)器的51系列兼容單片機(jī)，和51系列單片機(jī)軟件兼容、開發(fā)工具兼容、管腳也兼容。SST89E516RD片內(nèi)有兩塊SuperFlashEEPROM，分為64K主塊(Block0)和8K次塊(Block1)。Block0的地址范圍是0000h～ffffh；Block1的地址范圍是10000h～11fffh。做仿真器時(shí)Block1存儲(chǔ)區(qū)燒寫SoftICE仿真監(jiān)控程序。SST89E516RD具有在應(yīng)用可編程(IAP)和在系統(tǒng)可編程(ISP)的功能，其中IAP是通過串口實(shí)現(xiàn)的。由于SST89E516RD具有兩塊獨(dú)立的SuperFlash程序存儲(chǔ)區(qū)，當(dāng)監(jiān)控程序在Block1存儲(chǔ)區(qū)中運(yùn)行時(shí)可以改寫B(tài)lock0程序存儲(chǔ)區(qū)中的程序，使用在線SoftICE模式，不需要反復(fù)的將調(diào)試程序下載到單片機(jī)中，避免了單片機(jī)的老化損壞，可方便的與KeilC實(shí)現(xiàn)SoftICE在線仿真調(diào)試功能。因此決定采用SST89E516RD作為本次畢業(yè)設(shè)計(jì)的主控單片機(jī)芯片。電機(jī)模塊采用步進(jìn)電機(jī)采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，由于其轉(zhuǎn)動(dòng)的角度可以精確定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)距離和位置的精確定位。步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開環(huán)控制元件。在非超載的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號(hào)的頻率和脈沖數(shù)，而不受負(fù)載變化的影響，即給電機(jī)加一個(gè)脈沖信號(hào)，電機(jī)則轉(zhuǎn)過一個(gè)步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進(jìn)電機(jī)只有周期性的誤差而無累積誤差等特點(diǎn)。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進(jìn)電機(jī)來控制變的非常的簡單。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但步進(jìn)電機(jī)并不能象普通的直流電機(jī)，交流電機(jī)在常規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號(hào)、功率驅(qū)動(dòng)電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低時(shí)不適于小車等對速度有一定要求的系統(tǒng)。因此決定放棄此方案。

采用直流電機(jī)采用直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，電機(jī)內(nèi)部裝有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實(shí)現(xiàn)通過單片機(jī)對直流減速電機(jī)前進(jìn)、后退、停止等操作。綜合以上考慮，我選擇使用直流減速電機(jī)作為自動(dòng)往返電動(dòng)小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊小車運(yùn)行過程中要求電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),調(diào)速范圍根據(jù)負(fù)載的要求而定。由公式[1][1]n:電樞轉(zhuǎn)速,Uα:電機(jī)端電壓,Iα:電機(jī)端電流,Rα:電樞電阻,Ce:常數(shù),φ:每極總磁通可以看出,調(diào)速可以有三種方法:（1）改變電機(jī)端電壓Uα,即改變電樞電源電壓;（2）改變磁通φ,即改變激磁回路的調(diào)節(jié)電阻Rj以改變激磁電流Ij;（3）在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rtj。此時(shí)的轉(zhuǎn)速公式[2]為:[2]在實(shí)際電路設(shè)計(jì)中，改變電機(jī)的磁通φ或調(diào)節(jié)樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rtj并不方便、實(shí)用。因此，主要選擇通過改變電機(jī)兩端電壓的方法來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。下面是通過調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓達(dá)到調(diào)速目的的三種方案：方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但是電阻網(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。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率且實(shí)現(xiàn)困難。方案二：采用繼電器對電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單，缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞，壽命較短、可靠性不高。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài),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型電路保證了可以簡單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。L298為SGS-THOMSONMicroelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片(DualFull-BridgeDriver)，可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。內(nèi)含二H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)

TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V。可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，而且電路簡單，使用比較方便。PWM脈寬調(diào)制實(shí)際上就是改變電機(jī)端電壓的平均值從而進(jìn)行調(diào)速的一種方法。這種方法便于與單片機(jī)等數(shù)字系統(tǒng)接口，實(shí)現(xiàn)方便，而前兩種方法必須要配合一定的外圍模擬電路才能達(dá)到單片機(jī)控制目的，基于以上分析,在電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊上擬選定采用PWM脈寬調(diào)制方法。選用L298雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片。電源管理采用單電源供電所有器件采用12V蓄電池為直流電機(jī)供電。將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其它芯片供電。這樣供電比較簡單，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。因此我們放棄此方案。采用雙電源供電采用雙電源供電方式。將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)以及周邊電路電源完全隔離。這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能，故采用12V蓄電池為L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片供給電源電壓。L298N接受標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào)VSS，VSS可接4．5～7V電壓。因此采用單一電源（4節(jié)AA電池）為單片機(jī)、Vss端和傳感器供電。這樣供電比較簡單采用4.8V可充電動(dòng)力電池組。動(dòng)力電池組具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測試在用此種供電方式下，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機(jī)工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復(fù)利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求?；谝陨戏治?小車系統(tǒng)選用蓄電池和AA電池的雙電源供電方式。路面黑線探測模塊探測路面黑線的大致原理是：光線照射到路面并反射，由于黑線和白線的反射系數(shù)不同，可以根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷車子是否到達(dá)黑線。采用集成電路技術(shù)制造的新一代光電開關(guān)器件具有延時(shí)、展寬、外同步、抗相互干擾、可靠性高和工作區(qū)域穩(wěn)定等優(yōu)良性能。這種光電開關(guān)采用脈沖調(diào)制的主動(dòng)式光電探測系統(tǒng)，可在物位檢測、速度檢測、液位控制、計(jì)數(shù)、寬度判別等諸多領(lǐng)域。使用光電傳感器來采集路面信息。使用紅外傳感器最大的優(yōu)點(diǎn)就是結(jié)構(gòu)簡明，實(shí)現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復(fù)的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間低，便于近距離路面情況的檢測。但紅外傳感器的缺點(diǎn)是，它所獲取的信息是不完全的，只能對路面情況作簡單的黑白判別，檢測距離有限，而且容易受到諸多擾動(dòng)的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異，傳感器高度位置的差異等都將對其造成干擾。在本次比賽中，賽道只有黑白兩種顏色，小車只要能區(qū)分黑白兩色就可以采集到準(zhǔn)確的路面信息。經(jīng)過綜合考慮，在本項(xiàng)目中采用紅外光電傳感器作為信息采集元件。光電開關(guān)按檢測方式可分為對射式和反射式兩種。采用對射式紅外光電傳感器用可見發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射－接收分立對管光電傳感器。這種方案的缺點(diǎn)在于，其他環(huán)境光源會(huì)對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判。雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。在跑道上設(shè)置檢測裝置很不方便，故無法應(yīng)用對射式光電開關(guān)探測跑道標(biāo)志，只能采用反射式光電開關(guān)。采用反射式紅外光電傳感器1.不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射－接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾；但如果直接使用直流電壓對管子進(jìn)行供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在10mA左右，仍然容易受到干擾。2.脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射－接收器。采用帶有交流分量的調(diào)制信號(hào)，可以減少環(huán)境光源的直流分量的干擾?？紤]到環(huán)境光干擾主要是直流分量，如果采用帶有交流分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界干擾。另外，紅外發(fā)射管的最大工作電流取決于平均電流，如果使用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流可以很大（50～100mA），這樣也大大提高了信噪比?；谏鲜隹紤]，考慮到本系統(tǒng)的傳感器主要是安裝在小車的底部檢測黑線，擬采用經(jīng)脈沖調(diào)制的反射式紅外傳感器檢測路面黑線。測速及里程計(jì)量模塊采用霍爾傳感器霍爾傳感器內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鋼正對金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在車輪上安裝磁鋼，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過對脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行車速測量。此方案的優(yōu)點(diǎn)是霍爾傳感器響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)簡單，但精度不夠高。采用U型紅外光電傳感器采用U型紅外光電傳感器，在車輪上貼上白紙黑條，當(dāng)作光電編碼盤，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，利用紅外傳感器對不同顏色的物體反射的光線強(qiáng)度的不同，從而導(dǎo)致接收管的導(dǎo)通和截止。用中斷對接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。碼盤形狀如圖2-2所示：圖2-2測速碼盤以上兩種都是比較可行的轉(zhuǎn)速測量方案。尤其是霍爾元件，在工業(yè)上得到廣泛采用。但是在本題中，小車的車輪較小，方案一的磁片密集安裝十分困難，容易產(chǎn)生相互干擾。相反，方案二適用于精度較高的場合，可以車輪上加較多的黑線來滿足脈沖計(jì)數(shù)的精度要求，因此擬采用方案二。計(jì)時(shí)模塊對于定時(shí)器，由于我們選用的單片機(jī)內(nèi)部已經(jīng)有定時(shí)器了，使用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的總計(jì)時(shí)和倒計(jì)時(shí)功能，而且可以簡化系統(tǒng)硬件，雖然定時(shí)時(shí)間沒有專用的計(jì)時(shí)芯片精確，但誤差也不會(huì)很大。故我們采用單片機(jī)內(nèi)部的定時(shí)器作為計(jì)時(shí)模塊。顯示模塊采用LED數(shù)碼管LED顯示具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、價(jià)格便宜、調(diào)試方便、軟件實(shí)現(xiàn)相對容易等優(yōu)點(diǎn)，但占用單片機(jī)IO口太多，而且顯示的信息不多。由于我們計(jì)劃要顯示小車運(yùn)行時(shí)間、速度、路程等內(nèi)容。LED數(shù)碼管無法顯示如此豐富的內(nèi)容，因此我們放棄此方案。采用LCD液晶顯示采用LCD液晶顯示。用自帶中文字符庫的液晶顯示模塊，顯示方便美觀，而且人機(jī)交互界面也很友好。采用串口通訊的顯示方式，可以大大節(jié)省單片機(jī)的IO口。LCD液晶具有功耗低、顯示內(nèi)容豐富、清晰，顯示信息量大，顯示速度較快，界面友好等而得到廣泛應(yīng)用，因此我們選擇此方案。通過以上方案論述我們選擇方案二，顯示小車運(yùn)行時(shí)各個(gè)測量參數(shù)的任務(wù)。智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)主控單片機(jī)功能設(shè)計(jì)智能小車系統(tǒng)的核心模塊即為主控單片機(jī)。選擇一片數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)大、片內(nèi)資源豐富的單片機(jī)，對設(shè)計(jì)各功能的更好實(shí)現(xiàn)具有極大意義。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ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定時(shí)/記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等。若不能滿足應(yīng)用系統(tǒng)的要求時(shí)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如液晶顯示器﹑A/D﹑D/A轉(zhuǎn)換器等，且需要設(shè)計(jì)合適的接口電路。SST89E516RD是SST公司8位微處理器FlashFlex51系列的成員，是采用先進(jìn)的閃存CMOS半導(dǎo)體技術(shù)設(shè)計(jì)和制造，芯片采用8051的指令集，并和標(biāo)準(zhǔn)的8051控制器管腳兼容。芯片內(nèi)部帶有72Kbyte的片內(nèi)FLASHEEPROM存儲(chǔ)器，使用了SST公司專利的CMOS閃存技術(shù)。單片機(jī)已經(jīng)預(yù)先燒錄一段引導(dǎo)下裝（BOOTSTRAPLOADER）的代碼，通過IAP操作，實(shí)現(xiàn)開始的用戶程序代碼燒錄和以后的用戶代碼升級(jí)。CHIP-ERASE操作會(huì)擦除該引導(dǎo)下裝程序。使用在線SoftICE模式，不需要反復(fù)的將調(diào)試程序下載到單片機(jī)中，避免了單片機(jī)的老化損壞，可方便的與KeilC實(shí)現(xiàn)SoftICE在線仿真調(diào)試功能。故本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用SST89E516RD作為智能小車主控單片機(jī)。單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)SST89E516RD單片機(jī)是把那些作為控制應(yīng)用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個(gè)尺寸有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能寄存器。它們都是通過片內(nèi)單一總線連接而成，其基本結(jié)構(gòu)依舊是CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式。但對各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。1．中斷系統(tǒng)：具有5個(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。2．定時(shí)器/計(jì)數(shù)器：片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。3．串行口：1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多機(jī)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。4．P1口、P2口、P3口、P4口為4個(gè)并行8位I/O口。圖3-1為單片機(jī)的功能方框圖：圖3-1SST89E516RD功能方框圖由上可見，SST89E516RD單片機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強(qiáng)等特點(diǎn)，在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算處理方面有明顯的長處。豐富的外部中斷、I/O口資源滿足智能小車的各種控制需求。單片機(jī)引腳鎖定SST89E516RD單片機(jī)具有豐富的I/O口資源和外部中斷。小車運(yùn)行過程中需要實(shí)時(shí)進(jìn)行黑線探測和測速、里程計(jì)量，當(dāng)CPU正在處理某項(xiàng)事務(wù)時(shí)，如果外界或內(nèi)部發(fā)生了緊急事件，例如小車檢測到黑線或測速傳感器檢測到車輪轉(zhuǎn)動(dòng)等，要求CPU暫停正在處理的工作轉(zhuǎn)而處理這個(gè)緊急事件，待處理完成后再回到被中斷的地方，繼續(xù)執(zhí)行原來被中斷的程序。SST系列單片機(jī)允許有5個(gè)中斷源，提供兩個(gè)中斷優(yōu)先級(jí)（能實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套）。P3.2，P3.3作為兩個(gè)外部中斷端口，可分別用來檢測黑線和測速、里程計(jì)量。設(shè)定、為跳變觸發(fā)方式，電平發(fā)生由高到低的跳變時(shí)觸發(fā)，置IT0、IT1為1，在CPU響應(yīng)中斷后，由內(nèi)部硬件自動(dòng)復(fù)位中斷標(biāo)志TF0、TF1和IE0、IE1，而自動(dòng)撤出中斷請求。下面圖3-2為兩個(gè)外部中斷接收、處理并發(fā)出相應(yīng)控制指令流程框圖：SST89E516RDSST89E516RD單片機(jī)黑線檢測測速、里程計(jì)量P3.2（）P3.3（）單片機(jī)控制小車相應(yīng)運(yùn)動(dòng)方式液晶顯示圖3-2外部中斷控制引腳鎖定及流程框圖來自P3.2引腳上的外部中斷請求（外中斷0）。來自P3.3引腳上的外部中斷請求（外中斷1）。P2口是一個(gè)多功能的八位口，可以字節(jié)訪問也可以位訪問，其字節(jié)訪問地址為A0H，位訪問地址為A0H~A7H。由于P2口的輸出鎖存功能，在取值周期內(nèi)或外部儲(chǔ)存器讀/寫選通期間，輸出的高八位地址是鎖存的，故無需外加地址鎖存器。由于P2口作為輸出端口，無需外接地址鎖存器，連接電路簡單，因此，將P2口引腳作為小車行進(jìn)狀態(tài)控制端，控制小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片工作在不同方式下。下圖3-3為控制小車運(yùn)行狀態(tài)的引腳鎖定及流程圖：P2.0P2.0P2.1P2.2P2.3P2.4P2.5IN1IN2IN3IN4EN1EN2SST89E516RD電動(dòng)小車控制圖3-3小車運(yùn)行控制引腳鎖定及流程框圖IN1、IN2控制左側(cè)兩個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，IN3、IN4控制右側(cè)兩個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)。EN1為左側(cè)兩電機(jī)控制使能端，EN2為右側(cè)兩電機(jī)控制使能端。下表3-1為P2.0~ P2.5各端口在不同電平組合狀態(tài)下小車的運(yùn)行狀態(tài)。表3-1小車運(yùn)行狀態(tài)表IN1IN2IN3IN4EN1EN2小車狀態(tài)101011直行010111倒車100011左轉(zhuǎn)001011右轉(zhuǎn)XXXX00停車電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)智能小車區(qū)別于普通的電動(dòng)玩具小車的最大特點(diǎn)是：可以智能調(diào)節(jié)小車運(yùn)行狀態(tài)。如改變其運(yùn)動(dòng)方向、運(yùn)動(dòng)速度。在接收到外部主控單片機(jī)發(fā)出的指令后，能迅速做出“應(yīng)答”，這就需要電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片發(fā)揮作用。主控單片機(jī)發(fā)出指令給電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，驅(qū)動(dòng)芯片接收到單片機(jī)指令后，通過輸出端口控制電機(jī)迅速作出相應(yīng)動(dòng)作。本設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)速技術(shù)來實(shí)現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向、調(diào)速控制，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電動(dòng)小車為四驅(qū)控制，裝配4個(gè)直流電機(jī)，采用左、右側(cè)兩組4個(gè)電機(jī)獨(dú)立控制。圖3-4L298NMultiwatt封裝外形圖經(jīng)過之前論證分析后，決定選用L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。

L298雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片，比較常見的是15腳Multiwatt封裝的L298如圖3-4所示，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動(dòng)電路，可以方便的驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)，或一個(gè)兩相步進(jìn)電機(jī)。恒壓恒流橋式2A驅(qū)動(dòng)芯片L298內(nèi)含二個(gè)H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)

TTL邏輯準(zhǔn)位信號(hào)，可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V?？梢灾苯油ㄟ^電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，可以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，而且電路簡單，使用比較方便。主控單片機(jī)SST989E516RD主控單片機(jī)SST989E516RD電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298直流電機(jī)單片機(jī)作為核心控制器，由I/O口發(fā)出各種高低電平組號(hào)信號(hào)，控制L298。L298接受到單片機(jī)控制信號(hào)，輸出控制信號(hào)給電機(jī)，完成相應(yīng)運(yùn)行動(dòng)作。直行左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)倒車圖3-5電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制流程圖通過圖3-5，可清楚看出單片機(jī)→電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片→直流電機(jī)的三級(jí)控制結(jié)構(gòu)。采用此種控制結(jié)構(gòu)，各級(jí)職責(zé)明確，結(jié)構(gòu)清晰易于實(shí)現(xiàn)。PWM調(diào)速控制設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)采用的是基于PWM原理的H型驅(qū)動(dòng)電路實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。采用H橋電路可以增加驅(qū)動(dòng)能力，同時(shí)保證了完整的電流回路。具體電路如圖3-6所示：圖3-6H型驅(qū)動(dòng)模塊原理圖圖3-6中當(dāng)U1為高電平，U2為低電平時(shí)，Q3、Q6管導(dǎo)通，Q4、Q5管截止，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)U1為低電平，U2為高電平時(shí)，Q3、Q6管截止，Q4、Q5管導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)工作狀態(tài)切換時(shí)線圈會(huì)產(chǎn)生反向電流，通過四個(gè)保護(hù)二極管D1、D2、D3、D4接入回路，防止電子開關(guān)被反向擊穿。采用PWM方法調(diào)整電機(jī)的速度，首先應(yīng)確定合理的脈沖頻率。脈沖寬度一定時(shí)，頻率對電機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性有較大影響，脈沖頻率高,馬達(dá)運(yùn)行的連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差，脈沖頻率低則反之。當(dāng)脈沖頻率在100Hz以下時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)有明顯的跳動(dòng)現(xiàn)象，小車不能連續(xù)順暢運(yùn)行。經(jīng)反復(fù)試驗(yàn)，選擇脈沖頻率1000Hz，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)較平穩(wěn)，控制效果較佳。脈寬調(diào)速實(shí)質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機(jī)兩端的平均功率，其表達(dá)式[1]為：[1]式中P為電機(jī)兩端的平均功率；為電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)的功率；K為脈寬。當(dāng)K=1時(shí)，相當(dāng)于加入直流電壓，這時(shí)電機(jī)全速運(yùn)轉(zhuǎn)，；當(dāng)K=0時(shí)，相當(dāng)于電機(jī)兩端不加電壓，電機(jī)靠慣性運(yùn)轉(zhuǎn)。當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定開動(dòng)后，有(f為摩擦力)則[2]所以，[3]由[3]式可知智能小車的速度與脈寬成正比。由上述分析，U1、U2這對控制電壓采用了1000Hz的周期信號(hào)控制，通過對其占空比的調(diào)整，對車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，可以通過U1、U2的切換來控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。對于L298驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部已集成2個(gè)H橋，只需在使能控制端EN1、EN2加載PWM波，通過調(diào)節(jié)PWM波的占空比，即改變加載到電機(jī)兩端的電壓平均值，來實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。當(dāng)IN1端為高電平、IN2端為低電平時(shí)，二極管D1到D4導(dǎo)通，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，二極管D3到D2導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。IN3、IN4端控制方法與IN1、IN2端相同，不再贅述。下圖3-7為Mutiwatt15封裝形式的L298驅(qū)動(dòng)芯片引腳及外形圖。圖3-7L298引腳及外形圖表3-2列出了L298的各引腳功能。表3-2L298引腳符號(hào)及功能表引腳功能Mutiwatt15封裝1、15SEN1、SEN2分別為兩個(gè)H橋的電流反饋腳，不用是可以接地2、31Y1、1Y2輸出端，與對應(yīng)輸入端（IN1、IN2）同邏輯4Vs驅(qū)動(dòng)電壓，最小值需比輸入的低電平電壓高2.5V5、7IN1、IN2輸入端，TTL電平兼容6、11EN1、EN2使能端，低電平禁止輸出8GND地9Vss邏輯電源，4.5~7V10、12IN3、IN4輸入端，TTL電平兼容13、142Y1、2Y2輸出端，與對應(yīng)輸入端（IN3、IN4）同邏輯下圖3-8為L298驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)的PROTEUS功能仿真圖。L298需要兩個(gè)電壓，一個(gè)為邏輯電路工作所需的5V電壓Vcc，另一個(gè)為功率電路所需的驅(qū)動(dòng)電壓Vs。為保護(hù)電路，需加上八個(gè)續(xù)流二極管，二極管的選用要根據(jù)PWM的頻率和電機(jī)的電流來確定。二極管要有足夠的回復(fù)時(shí)間和足夠電流承受能力。圖3-8L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)PROTEUS仿真圖在編寫完成KeilC調(diào)速、轉(zhuǎn)向程序，與PROTEUS軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真后，通過單片機(jī)SoftICE方式在線調(diào)試。經(jīng)多次實(shí)際測試，采用PWM技術(shù)進(jìn)行小車調(diào)速、轉(zhuǎn)向操作具有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）電流一定連續(xù)（2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行（3）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)（4）低速時(shí)，每個(gè)晶體管的驅(qū)動(dòng)脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導(dǎo)通（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍較大傳感器設(shè)計(jì)電動(dòng)小車在行進(jìn)過程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測小車車路轉(zhuǎn)速、里程及黑線檢測。當(dāng)小車偏離跑道時(shí)啟用偱線程序，使小車做出微調(diào)，保持直線行走。每當(dāng)檢測到標(biāo)志黑線即作出相應(yīng)動(dòng)作反應(yīng)，如降速、停車、倒車返回等動(dòng)作。通過測速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測小車運(yùn)行速度、里程，這些都離不開傳感器的設(shè)計(jì)。黑線檢測傳感器設(shè)計(jì)根據(jù)此前方案論證，選用紅外反射式光電傳感器，它是一種集發(fā)射器和接收器于一體的傳感器，當(dāng)有被檢測物體經(jīng)過時(shí)，物體將光電開關(guān)發(fā)射器發(fā)射的足夠量的光線反射到接收器，于是光電開關(guān)就產(chǎn)生了開關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。如圖3-9所示。由實(shí)驗(yàn)器材室提供的黑白線檢測傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器，主要用于黑白線檢測。有效探測距離達(dá)5cm。這款黑白線傳感器受可見光干擾小，輸出信號(hào)為開關(guān)量，信號(hào)處理較簡單，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人尋跡、智能小車偱線等場合。圖3-9紅外反射式光電傳感器表3-3為選用的黑線傳感器電氣特性、外形尺寸說明。表3-3紅外反射式光電傳感器技術(shù)參數(shù)電氣特性外形尺寸U:5VDC長(L):20mmI:20mA寬(W):9mmSn:0-5cm高(H):9mm上拉電阻：1K下圖3-9為黑線傳感器的電路連接圖：紅紅藍(lán)黃VCCVCCOUT圖3-9紅外反射式光電傳感器紅線接電源VCC，藍(lán)線接地，黃線為信號(hào)輸出端，外接1K上拉電阻后接VCC。輸出信號(hào)與單片機(jī)外部中斷端口相連。在實(shí)際測試過程中，當(dāng)黑線傳感器在白紙上探測時(shí)，萬用表測試電壓顯示為3.75V，當(dāng)檢測到黑線時(shí)，測試電壓顯示為3.73V。經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，傳感器監(jiān)測黑線靈敏度還是非常高的，當(dāng)黑線出現(xiàn)時(shí)，其電平會(huì)立即發(fā)生跳變，其跳變?yōu)?.02V。因?yàn)楹诰€傳感器輸出不是標(biāo)準(zhǔn)開關(guān)量電平信號(hào)，不能被單片機(jī)端口采集到，所以考慮利用741放大器搭建差分放大電路。下圖3-10為用PROTEUS仿真軟件搭建的放大電路。圖3-10741差分放大電路參考端電壓值為3.73V，將黑線傳感器輸出接到放大器正向端，經(jīng)差分放大200倍后，即可得到4V電壓，能夠觸發(fā)單片機(jī)外部中斷。路面標(biāo)志黑線檢測如圖3-11所示，跑道上共有6條黑線，小車每檢測到一次黑線，黑線計(jì)數(shù)器加1，最終計(jì)夠12條黑線，黑線傳感器計(jì)數(shù)程序結(jié)束。ABCDEFG0.5m起點(diǎn)12入限速區(qū)3出限速區(qū)4壓線5停車（10s）6停車12壓線11出限速區(qū)10入限速區(qū)98倒車返回7圖3-11小車跑道黑線分布圖使用單片機(jī)外部中斷端口進(jìn)行黑線檢測，端口初始化為高電平。當(dāng)黑線傳感器檢測到黑線時(shí)，端口變?yōu)榈碗娖剑_中斷0，黑線計(jì)數(shù)加1。C語言源程序如下：voidint0(void)interrupt0//int0外部中斷{blackline++; //黑線檢測計(jì)數(shù)}接通小車的電源開關(guān)后，小車開始運(yùn)動(dòng)。在到達(dá)限速區(qū)之前以全速行駛，當(dāng)檢測到第3條黑線的時(shí)候開始減速，同時(shí)對小車進(jìn)行測速，當(dāng)?shù)陀谧畹退俣葧r(shí)，加速一段時(shí)間，然后繼續(xù)減速前進(jìn)。如果通過限速區(qū)的時(shí)間超過8S，或者檢測到第4條黑線，則開始全速行駛。當(dāng)檢測到5條黑線時(shí)又開始減速行駛，到第6條黑線時(shí)停車。10秒鐘后，同前面過程原路返回?？偟男≤嚦绦蛟O(shè)計(jì)流程圖如圖3-12所示：開始開始全速行駛第3條黑線剎車速度過小智能加速慢速行駛第5條黑線定位停車10s全速行駛第4條黑線或8s倒車，相同過程駛回到起點(diǎn)第6條黑線圖3-12小車程序設(shè)計(jì)流程圖當(dāng)黑線計(jì)數(shù)為12時(shí)，即小車到達(dá)終點(diǎn)線。當(dāng)小車前面的黑線傳感器檢測到要停車壓線的黑線時(shí)，延時(shí)，再檢測，如果沒檢測到黑線，則減慢速度反相行駛，如此循環(huán)，直到延時(shí)后依舊可以檢測到黑線。這樣可以實(shí)現(xiàn)精確地定位。關(guān)閉單片機(jī)計(jì)數(shù)器T1，使小車停車，并停止行駛時(shí)間計(jì)時(shí)和速度、里程測量。C語言源程序如下：if(blackline>=1&&blackline<=11){TR1=1; //啟動(dòng)t1,小車行駛時(shí)間計(jì)時(shí)、測速、里程測量開始}if(blackline>=12){duty_cycle=0;en1=0;en2=0;p20=0;p21=0;p22=0;p23=0;TR1=0; //關(guān)閉t1,小車行駛時(shí)間計(jì)時(shí)停止} 小車偱線直行設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)要求小車沿直線跑道行進(jìn)，但小車在行進(jìn)過程中可能偏離跑道，因此需設(shè)計(jì)偱線程序，保證小車在偏離跑道后調(diào)整行進(jìn)方向，沿直線行走。AAB循線傳感器SensorB循線傳感器SensorA小車跑道直行黑線圖3-13小車偱線設(shè)計(jì)示意圖上圖3-13為小車偱線設(shè)計(jì)中傳感器安放示意圖。在小車車體下兩側(cè)分別安裝黑線檢測傳感器SensorA、SensorB。當(dāng)小車沿黑線行進(jìn)時(shí)。兩側(cè)傳感器均未檢測到黑線，都為高電平；當(dāng)小車左偏時(shí)，小車右側(cè)傳感器檢測到黑線，SensorA為高電平，SensorB為低電平，啟動(dòng)右轉(zhuǎn)指令，當(dāng)檢測到兩傳感器又為高電平時(shí)，啟動(dòng)直行指令；當(dāng)小車右偏時(shí)，小車左側(cè)傳感器檢測到黑線，SensorA為低電平，SensorB為高電平，啟動(dòng)左轉(zhuǎn)指令，當(dāng)檢測到兩傳感器又為高電平時(shí)，啟動(dòng)直行指令。如下圖3-14所示。SensorA=1SensorA=1SensorB=1SensorA=1SensorB=0小車左偏SensorA=0SensorB=1小車右偏右轉(zhuǎn)程序左轉(zhuǎn)程序開始直行圖3-14小車偱線設(shè)計(jì)流程圖測速、里程計(jì)量傳感器設(shè)計(jì)采用U型紅外光電傳感器，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上加裝測速碼盤，可以在安裝好小齒輪后，將測速碼盤安放在小齒輪下，當(dāng)作光電編碼盤，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，利用紅外傳感器對不同顏色的物體反射的光線強(qiáng)度的不同，從而導(dǎo)致接收管的導(dǎo)通和截止。用外部中斷對接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。碼盤形狀及安裝如圖3-14所示：圖3-15小車測速碼盤安裝圖U型紅外光電傳感器將傳感器相關(guān)電路做到了殼體內(nèi)部，直接開關(guān)量輸出。方便了傳感器的安放位置，也提高了使用的靈活性，下圖3-16為U型紅外光電傳感器的外觀圖及產(chǎn)品尺寸圖，由其產(chǎn)品尺寸參數(shù)可知，U型紅外光電傳感器設(shè)計(jì)小巧，方便安裝在智能小車上，可以使用螺絲或膠水將傳感器固定在智能小車車體上，非常方便。圖3-16U型紅外光電傳感器外觀及尺寸圖下圖3-17為黑線傳感器的電路連接圖：紅紅黑黃VCCVCCOUT圖3-17U型紅外光電傳感器電路連接圖紅線接電源VCC，黑線接地，黃線為信號(hào)輸出端，外接1K上拉電阻后接VCC作為負(fù)載。輸出信號(hào)與單片機(jī)外部中斷端口相連。小車電機(jī)是經(jīng)過兩級(jí)齒輪減速的：（1）齒輪③是直接安裝在電機(jī)輸出軸上的。它的齒數(shù)為8；和齒輪③連接的是齒輪②。齒輪②的外齒為50，內(nèi)齒為10；這樣齒輪③和齒輪②組成的減速比就是8/50。（2）齒輪②連接的是齒輪①，齒輪①的外齒也是50。這樣齒輪②和齒輪①組成的第二級(jí)減速比就是10/50。（3）整個(gè)減速比就是：（8/50）*（10/50）=8/250。即電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)250轉(zhuǎn)，小車橡膠輪只轉(zhuǎn)過8圈。大的減速比保證了小車的動(dòng)力。將測速碼盤安裝在電機(jī)輸出軸上，它的分辨率為1/6，轉(zhuǎn)換到最終級(jí)輸出就是，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一轉(zhuǎn)，橡膠輪只轉(zhuǎn)動(dòng)了8/(250*6)，即2/375圈。所以測量出來的轉(zhuǎn)速精度是非常高的。圖3-18為小車三級(jí)齒輪安裝示意圖：圖3-18智能小車三級(jí)齒輪安裝示意圖使用U型紅外光電傳感器配合光電碼盤進(jìn)行檢測，將碼盤固定于小車后輪上，將U型光電開關(guān)架于碼盤之上。光電碼盤測距基本原理如圖3-18所示。電機(jī)旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)測速碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)，測速碼盤上刻有許多狹縫，碼盤轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)射光透過狹縫被接受元件接受，光電開關(guān)就會(huì)不斷地發(fā)生導(dǎo)通和截止。這樣在光電開關(guān)的輸出端就會(huì)得到脈沖，用計(jì)數(shù)器對接受到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。計(jì)數(shù)器對接受到信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)數(shù)器對接受到信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)信號(hào)處理運(yùn)算速度里程SST89E516RD圖3-18U型紅外光電傳感器測速原理圖用這種方案能很精確的算出小車已經(jīng)走過的距離,經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算計(jì)算出小車的實(shí)時(shí)速度。U型紅外光電傳感器每檢測到1個(gè)脈沖信號(hào)，小車即轉(zhuǎn)過2/375圈。具體算法如下：小車?yán)锍?(脈沖個(gè)數(shù)*2/375)*小車車輪周長[1]小車速度=[(脈沖A-脈沖B)/375][2]式[2]中脈沖B為2秒前測得脈沖個(gè)數(shù)，脈沖A為當(dāng)前脈沖個(gè)數(shù)。經(jīng)單片機(jī)運(yùn)算后得到的小車運(yùn)行速度為每2秒刷新一次。液晶顯示設(shè)計(jì)金鵬公司生產(chǎn)的OCMJ4X8C型128x64液晶顯示功能豐富，內(nèi)置中文字庫，2M位中文字型ROM(CGROM)總共提供8192個(gè)中文字型(16x16點(diǎn)陣)，顯示數(shù)據(jù)RAM提供64x2個(gè)字節(jié)的空間，最多可以控制4行16字（64個(gè)字）的中文字型顯示。所有的功能，包含顯示RAM，字型產(chǎn)生器，都包含在一個(gè)芯片里面，只要一個(gè)最小的微處理系統(tǒng)，就可以方便操作模塊。OCMJ4X8C型128x64液晶主要參數(shù)：1、工作電壓(VDD)：4.5～5.5V2、邏輯電平:2.7～5.5V3、LCD驅(qū)動(dòng)電壓(Vo)：0～7V液晶與單片機(jī)連接通信端口如下圖3-19所示：sbitcs=P1^2;sbitstd=P1^1;sbitsclk=P1^0;sbitpsb=P1^3;//H=并口;L=串口;sbitrst=P1^4;//ResetSignal低電平有效OCMJ4XOCMJ4X8C型128x64液晶SCLKSTDCSPSBRSTP1^0P1^1P1^2P1^3P1^4SST89E516RD單片機(jī)數(shù)據(jù)顯示圖3-19OCMJ4X8C型128x64液晶顯示連接框圖下面代碼段可實(shí)現(xiàn)128x64液晶中文界面初始化顯示。液晶實(shí)際顯示效果圖左圖3-20所示：ucharcodetab1[]={"☆小車☆張錚畢設(shè)""路程：cm""時(shí)間：s條""速度：cm/s" }圖3-20128x64液晶初始化顯示圖系統(tǒng)測試結(jié)果分析小車各模塊設(shè)計(jì)完成后，將L298驅(qū)動(dòng)芯片電路、黑線檢測傳感器、測速傳感器安裝在小車車體上，完成小車的硬件連接。如圖4-1所示：圖4-1小車組裝完成實(shí)物圖選用學(xué)校自主設(shè)計(jì)的單片機(jī)開發(fā)板,SST89E516RD單片機(jī)為主控芯片，ZLG72920作為4x4鍵盤控制芯片。OCMJ4X8C型128x64液晶作為液晶顯示芯片。使用SST系列芯片專用下載器SSTFlashFlex51將編寫完成的C語言源程序到下載SST89E516RD單片機(jī)上，如下圖4-2所示：圖4-2SSTFlashFlex51下載器當(dāng)小車檢測到第1條黑線時(shí)，小車全速前進(jìn)，實(shí)際測試時(shí)液晶顯示截圖4-3如下所示：圖4-3第1條黑線檢測液晶顯示當(dāng)小車檢測到第3條黑線時(shí)，小車進(jìn)入限速區(qū)，降速前行，并開始8秒倒計(jì)時(shí)。當(dāng)小車程序計(jì)夠8秒，全速行駛出限速區(qū)；若未計(jì)夠8秒就檢測到第4條黑線，即小車出限速區(qū)，則全速行駛。實(shí)際測試時(shí)液晶顯示截圖4-4如下所示：圖4-4第3條黑線檢測液晶顯示當(dāng)小車檢測到第5條黑線時(shí)，小車進(jìn)入壓線剎車區(qū)，大幅降速前行，等待小車壓線。實(shí)際測試時(shí)液晶顯示截圖4-5如下所示：圖4-5第5條黑線檢測液晶顯示當(dāng)小車檢測到第6條黑線時(shí)，小車立即執(zhí)行壓線停車10秒倒計(jì)時(shí)程序，10秒倒計(jì)時(shí)結(jié)束后小車全速倒車返回。實(shí)際測試時(shí)液晶顯示截圖4-6如下所示：圖4-6第6條黑線檢測液晶顯示當(dāng)小車檢測到第12條黑線時(shí)，小車到達(dá)終點(diǎn)線立即停車，并顯示全程行進(jìn)時(shí)間、路程。實(shí)際測試時(shí)液晶顯示截圖4-7如下所示：圖4-7第12條黑線檢測液晶顯示結(jié)論【結(jié)論兩字格式不需修改。直接在標(biāo)題下空一行添加內(nèi)容即可?！拷Y(jié)論是對整個(gè)研究工作進(jìn)行歸納和綜合而得出的總結(jié)，對所得結(jié)果與已有結(jié)果的比較和課題尚存在的問題，以及進(jìn)一步開展研究的見解與建議。結(jié)論要寫得概括、簡短。在結(jié)論中不能出現(xiàn)“我從畢業(yè)設(shè)計(jì)中學(xué)到了…”等體會(huì)性的語句，不要寫成心得體會(huì)。電機(jī)速度的控制方法有待進(jìn)一步改善，小車?yán)锍虦y試的精度還要提高。參考文獻(xiàn)【參考文獻(xiàn)格式不需做改變，標(biāo)題下空一行寫】【列入主要參考文獻(xiàn)20篇以上。參考文獻(xiàn)一律要求是經(jīng)公開出版、發(fā)表的著作或期刊（論文）。參考文獻(xiàn)統(tǒng)一用阿拉伯?dāng)?shù)字進(jìn)行自然編號(hào)，序碼用方括號(hào)括起。文中引用的參考文獻(xiàn)按文中出現(xiàn)的順序編號(hào)，文中沒有引用的文獻(xiàn)排列在后面。】參考文獻(xiàn)中著錄格式要求：①期刊序號(hào)作者.題名.刊名，出版年份，卷號(hào)（期號(hào)），起止頁碼②專著序號(hào)作者.書名.版本（第1版不標(biāo)注）.出版地：出版者，出版年：起止頁碼③論文集序號(hào)作者.題名.論文集名.出版地，出版年：起止頁碼④畢業(yè)論文序號(hào)作者.題名：[畢業(yè)論文]（英文用[Dissertation]）.保存地點(diǎn)：保存單位，年份，起止頁碼⑤專利序號(hào)專利申請者.題名.國別，專利文獻(xiàn)種類，專利號(hào)出版日期⑥技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)序號(hào)起草責(zé)任者.標(biāo)準(zhǔn)代號(hào).標(biāo)準(zhǔn)順序號(hào)—發(fā)布年.標(biāo)準(zhǔn)名稱.出版地：出版者，出版年度鄭人杰.計(jì)算機(jī)軟件測試技術(shù).北京:清華大學(xué)出版社,1992WolfW,孫玉芳等譯.嵌入式計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理.北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2002郝躍,馬佩軍,張衛(wèi)東.功能成品率估算的缺陷特征參數(shù)提取法.電子學(xué)報(bào),2000,28(8):76-78羅建林.漢語形式語法中的空位和非常序.見：陳力為主編.計(jì)算語言學(xué)研究與應(yīng)用.北京:北京語言學(xué)院出版社，1993.1-8PattersonDA&HennessyJL.Computerorganizationanddesign:Thehardware/softwareinterface.2ndEdition,SanFrancisco:MorganKaufmann,1994CarreiraJ,MadeiraHandSilvaJG.Xception:Atechniquefortheexperimentalevaluationofdependabilityinmoderncomputers.IEEETransactionsonSoftwareEngineering,1998,24(2):125-136KoopmanPandDeValeK.ComparingtherobustnessofPOSIXoperatingsystems.In:ProceedingsoftheIEEE29thInternationalSymposiumonFault-TolerantComputing,Madison,IEEECSPress,June1999,pp.30-37苗奪謙.RoughSet理論在機(jī)器學(xué)習(xí)中的應(yīng)用研究[博士學(xué)位論文].中國科學(xué)院自動(dòng)化研究所,北京,1997南京大學(xué),天津大學(xué),重慶大學(xué),等.粘滯流體力學(xué).北京:高等教育出版社,1987GB9078-1996,工業(yè)爐窯大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn).ClarkDW.Thememorysystemofahighperformancepersonalcomputer.XeroxPaloAltoResearchCenter,MC88100RSICMicroprocessorUser’sManual(Secondedition).EnglewoodCliffs:PrenticeHall,1990/spin/whatispin.html,2003-10××××××××××××××××××××××××××××××××××××致謝歷時(shí)三個(gè)月的畢業(yè)設(shè)計(jì)已經(jīng)告一段落。經(jīng)過自己的探索努力以及齊老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本設(shè)計(jì)已經(jīng)基本完成。同時(shí)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室的開放也為我的設(shè)計(jì)提供了實(shí)習(xí)場地。在此對一并電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)所有老師表示深深的感謝。通過這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識(shí)到學(xué)好專業(yè)知識(shí)的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，這次畢業(yè)設(shè)計(jì)使我對單片機(jī)有了更加深刻的了解和掌握。并且檢驗(yàn)了大學(xué)四年的學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對于知識(shí)的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這三個(gè)月的設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)知識(shí)的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中一定存在很多不足之處，敬請各位老師批評(píng)指正。附錄英文原文：TheintroductionofAT89C51Background8AT89C51theCHMOScraftmonolithicintegratedcircuitisdesignedusesintoprocessthehighspeedcomputationandthefastinput/output.TheMCS-51monolithicintegratedcircuitmodelapplicationisthehighspeedeventcontrolsystem.Commercialuseincludingmodem,motorcontrolsystem,printer,photogravurepress,airconditioningcontrolsystem,diskdriverandmedicalequipment.TheautomobileindustryusesintheenginecontrolsystemtheMCS-51monolithicintegratedcircuit,thesuspensionsystemandlocksontheothersidethebrakingsystem.AT89C51especiallyverygoodissuitablefrombenefitsfromonitsprocessingspeedandtheenhancementpiecetheperipheryfunctioncollection,suchas:Theautomobilepowercontrol,thevehiclesdynamicarehanging,lockontheothersideapplythebrakewiththestablecontrolapplication.Asaresultofthesedecisiveapplications,themarketrequirementonekindreliablehaslowlydisturbstheexpense-potencycontrollerwhichtheambushresponds,theservicemassivetimeandtheeventactuatestheintegratedperipheryabilitywhichneedsinthereal-timeapplication,hasoutdoestheaverageprocessingpowerinthesoleroutinepackagethecentralprocessor.Hastheequipmenteconomyandthelegalriskwhichtheoperationcannotbeforecastareveryhigh.Onceentersthemarket,especiallythedutydecisivenessapplicationsuchasautopilotorlocksontheothersidethebrakingsystem,willbewrongwillbeinthefinancialresourceforbids.Theredesignexpensemayreachashighas500KUSdollar.Thesingleslicemachineisalsocalledtinycontroller,isbecauseitwasusedintheindustrytocontrolrealmattheearlieststage.SingleslicemachinefrominsidechiphaveCPUappropriationprocessortodeveloponlysincethen.AttheearlieststageofdesigntheprincipleistopasstointegrateagreatdealofperipheralsandCPUinachip,makingcalculatorsystemsmaller,integratingmoreeasilyintocomplicatedofbuttomentiontorequestastrictcontrolequipmentsinthemiddle.TheINTELZ80istheprocessorwhichdesignedaccordingtothiskindofthoughtattheearlieststage,fromnowon,singleslicethedevelopmentofthemachineandappropriationprocessorwentbydifferentroadsthen.Thesinglesliceoftheearlierperiodallofmachinesare8or4.Amongthem,theINTELismostsuccessfulof8031,becauseofinbriefdependablebutthefunctionwasquitegoodtoacquireverybiggoodopinion.Henceforthat8031updevelopedMCS51seriesesasingleslicemachinesystem.Accordingtothesinglesliceofthissystemmachinesystemisstillintheextensiveusagetillnow.Becausetheindustrycontrolstheexaltationof[with]realmrequest,s