畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）智能電動(dòng)小車(chē)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、摘 要幾年來(lái)智能技術(shù)得到了較大和較快的發(fā)展，而智能電動(dòng)小車(chē)作為智能技術(shù)的一個(gè)簡(jiǎn)單體現(xiàn)是畢業(yè)設(shè)計(jì)一個(gè)很好的課題。另外最近幾年國(guó)內(nèi)外的電子設(shè)計(jì)方面的比賽和競(jìng)賽都有該方面的題目出現(xiàn)，可見(jiàn)得到了該領(lǐng)域的研究者、設(shè)計(jì)者和學(xué)習(xí)者的青睞和重視。本課程設(shè)計(jì)是以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(chē)在行駛中自動(dòng)尋跡、躲避障礙物、探測(cè)光源及探測(cè)預(yù)埋金屬鐵片，并能顯示運(yùn)行時(shí)間和自動(dòng)入庫(kù)等問(wèn)題。運(yùn)行時(shí)小車(chē)的測(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(chē)的智能化控制。設(shè)計(jì)的具體思路是反射式紅外光電

2、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(chē)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；超聲波傳感器檢測(cè)障礙物通過(guò)單片機(jī)控制電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)避障的目的；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(chē)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(chē)行駛的時(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(lèi)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。關(guān)鍵字 智能電動(dòng)小車(chē)；尋跡；避障；尋光；pwm；檢測(cè)金屬。the design of

3、 intelligent electronic carsabstractin recent years ,intelligent technology has been improved by a huge margin . intelligent electric car as intelligent technology is a simple graduation design and a good topic. these years at home and abroad, electronic design competition are the aspects of subject

4、, visible on the field of researchers, designers and learners and attention. this course design based on at89c51 control circuit, modular design, using photoelectric sensors, metal detection sensor, ultrasonic sensors, the realization of different detection circuit automatically in driving car traci

5、ng, evades obstacles, detection and light metal sheet, and having that running time and automatic warehousing etc. when the car running measurement data transfer process, then by single-chip microcontroller according to test data for intelligent control of electric cars.design of concrete ideas are

6、reflex electrcal sensor detection, and black signals to scm system, make cars along the track independent walking, inductive proximity switch circuit sensor embedded instead of metal in orbit, the metal sheet and light information clew, ultrasonic sensor detection obstacles through the single-chip m

7、icrocomputer control motor to achieve the purpose of obstacle avoidance, using the h pulse width modulation (pwm) bridge type driving circuit control motor, electric car to drive, the speed of the pros and cons of speed and turn, using lcd1602 real-time display car driving time.this system is more a

8、gile, using software method to solve complex hardware circuit, make the system hardware is concise, easy to realize and various functions are highly intelligent, humanization, partly reflects the intelligence, can satisfy the requirement of system.keywords at89c51，electric car，automatic track findin

9、g(atf).目 錄第一章 緒論11.1 背景及意義11.2 智能技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀11.3 智能技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)21.4 本文研究?jī)?nèi)容2第二章 方案論證32.1 總體方案論證與比較32.2 各模塊的方案論證42.2.1 尋跡模塊42.2.2 檢測(cè)金屬鐵片模塊42.2.3 避障模塊52.2.4 尋找光源模塊52.2.5 顯示模塊62.2.6電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊6第三章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)83.1 at89c51模塊83.1.1 主要特性93.1.2 管腳說(shuō)明93.1.3振蕩器特性123.1.4 at89c51最小系統(tǒng)1232 檢測(cè)軌跡電路1233 檢測(cè)金屬片電路1434 檢測(cè)障礙物電路1535

10、 檢測(cè)光源電路1836 顯示電路1937 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路20第四章 軟件設(shè)計(jì)234.1 程序設(shè)計(jì)234.2 主程序設(shè)計(jì)234.3 探測(cè)金屬程序設(shè)計(jì)254.4 躲避障礙物子程序設(shè)計(jì)25總結(jié)27參考文獻(xiàn)28附錄1：程序清單30附錄2：系統(tǒng)原理圖40第一章 緒論1.1 背景及意義隨著科技的發(fā)展，對(duì)于未知空間和人類(lèi)所不能直接到達(dá)的地域的探索逐步成為熱門(mén)，這就使機(jī)器人的自動(dòng)避障有了重大的意義。在科學(xué)探索和緊急搶險(xiǎn)中經(jīng)常會(huì)遇到對(duì)與一些危險(xiǎn)或人類(lèi)不能直接到達(dá)的地域的探測(cè)，這些就需要用機(jī)器人來(lái)完成。而在機(jī)器人在復(fù)雜地形中行進(jìn)時(shí)自動(dòng)避障是一項(xiàng)必不可少也是最基本的功能。因此，自動(dòng)避障系統(tǒng)的研發(fā)就應(yīng)運(yùn)而生。我們的自

11、動(dòng)避障小車(chē)就是自動(dòng)避障機(jī)器人中的一類(lèi)。自動(dòng)避障小車(chē)可以作為地域探索機(jī)器人和緊急搶險(xiǎn)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，讓機(jī)器人在行進(jìn)中自動(dòng)避過(guò)障礙物。另外隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和制造技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)碼相機(jī)、dvd、洗衣機(jī)、汽車(chē)等消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品越來(lái)越呈現(xiàn)光機(jī)電一體化、智能化、小型化等趨勢(shì)。各種智能化小車(chē)市場(chǎng)玩具中也占一個(gè)很大的比例。根據(jù)美國(guó)玩具協(xié)會(huì)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，近年來(lái)全球玩具銷(xiāo)量增幅與全球平均gdp增幅大致相當(dāng)。而全球玩具市場(chǎng)的內(nèi)在結(jié)構(gòu)比重卻發(fā)生了重大變化：傳統(tǒng)玩具的市場(chǎng)比重正在逐步縮水，高科技含量的電子玩具則蒸蒸日上。美國(guó)玩具市場(chǎng)的高科技電子玩具的年銷(xiāo)售額2004年2003年增長(zhǎng)52%，而傳統(tǒng)玩具的年銷(xiāo)售額僅增長(zhǎng)

12、3%。英國(guó)玩具零售商協(xié)會(huì)選出的2001圣誕最受歡迎的十大玩具中，有七款玩具配有電子元件。從這些數(shù)字可以看出，高科技含量的電子互動(dòng)式玩具已經(jīng)成為玩具行業(yè)發(fā)展的主流。因此，遙控加智能的技術(shù)研究、應(yīng)用都是非常有意義而且有很高市場(chǎng)價(jià)值的。智能小車(chē)，也稱(chēng)輪式機(jī)器人，是一種以汽車(chē)電子為背景，涵蓋控制、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(chē)速控制等模塊組成。本次課題準(zhǔn)備設(shè)計(jì)一種能夠?qū)崟r(shí)采集傳感器信號(hào)、智能分析外部環(huán)境以及路徑信息、自動(dòng)實(shí)現(xiàn)方向控制等功能的智能小車(chē)。1.2 智能技術(shù)的發(fā)展歷史及現(xiàn)狀在80年代中期，設(shè)計(jì)和制造機(jī)器人的浪潮已

13、席卷全球，世界上一些著名的公司開(kāi)始研制移動(dòng)機(jī)器人（此時(shí)的移動(dòng)機(jī)器人的主要用作大學(xué)實(shí)驗(yàn)室及研究機(jī)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)），并促進(jìn)了移動(dòng)機(jī)器人學(xué)多種研究方向的出現(xiàn)。90年代以來(lái)，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)、高適應(yīng)性的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)和真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，開(kāi)展了移動(dòng)機(jī)器人的更高層次的研究?，F(xiàn)在機(jī)器人的應(yīng)用越來(lái)越廣，種類(lèi)也越來(lái)越多，但大體上可分為輪式機(jī)器人和足式機(jī)器人。智能小車(chē)就是輪式機(jī)器人的一種，雖然是最基本的機(jī)器人雛形，但其中已包含了大部分功能，綜合國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家解釋?zhuān)善毡檎J(rèn)為機(jī)器人一般是具有如下功能的機(jī)器：（1）動(dòng)作機(jī)構(gòu)具有類(lèi)似于人或其他生物體某些器官（肢體、感官等）的功能；（2）

14、有通用性，工作種類(lèi)多樣，動(dòng)作程序靈活易變；（3）有一定程度的智能，如記憶、感知、推測(cè)、決策和學(xué)習(xí)等；（4）有獨(dú)立性，完整的機(jī)器人系統(tǒng)在工作時(shí)不依賴(lài)于人的操縱。1.3 智能技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展趨勢(shì)如今知識(shí)工程、計(jì)算，機(jī)科學(xué)、機(jī)電一體化和工業(yè)一體化等許多領(lǐng)域都在討論智能系統(tǒng)，人們要求系統(tǒng)越來(lái)越智能化。顯然傳統(tǒng)的控制觀念是無(wú)法滿足人們的需求，而智能控制能與這些傳統(tǒng)的控制有機(jī)的結(jié)合起來(lái)取長(zhǎng)補(bǔ)短，提高整體的優(yōu)勢(shì)更好的滿足人們的需求。隨著人工智能技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，智能控制必將迎來(lái)它的發(fā)展新時(shí)代。機(jī)器人領(lǐng)域近幾年有如下幾個(gè)發(fā)展趨勢(shì)：（1）性?xún)r(jià)比逐步提高，性能不斷提高（高速度、高精度、高可

15、靠性、便于操作和維修），而單價(jià)不斷下降。（2）傳感器的作用日益重要，除傳統(tǒng)的位置、速度、加速度等傳感器外，視覺(jué)、聲覺(jué)、力覺(jué)等多種傳感器的融合技術(shù)已用來(lái)進(jìn)行環(huán)境建模及決策控制。（3）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)器人中的作用已從仿真、預(yù)演發(fā)展到用于過(guò)程控制，加速遙控機(jī)器人操作者產(chǎn)生置身于遠(yuǎn)端作業(yè)環(huán)境中的感覺(jué)來(lái)操作機(jī)器人。（4）當(dāng)代遙控機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展特點(diǎn)不是追求全自治系統(tǒng)，而是致力于操作者與機(jī)器人的人機(jī)交互控制，即遙控加局部自主系統(tǒng)構(gòu)成完整的操作系統(tǒng)，使智能機(jī)器人走出實(shí)驗(yàn)室走入使用化階段。1.4 本文研究?jī)?nèi)容做為畢業(yè)設(shè)計(jì)的論文，本文設(shè)計(jì)的是一個(gè)智能電動(dòng)小車(chē)，研究的內(nèi)容包括以下方面：（1）尋跡：小車(chē)能夠沿著預(yù)設(shè)

16、的黑線自動(dòng)前進(jìn)。（2）避障：小車(chē)在行駛的過(guò)程中能夠避開(kāi)障礙物。（3）尋光：小車(chē)能尋找固定光源并前進(jìn)5秒后停車(chē)。（4）檢測(cè)金屬:小車(chē)能檢測(cè)埋在軌道下面的金屬并給予聲光報(bào)警。（5）顯示：智能小車(chē)能隨時(shí)顯示運(yùn)行時(shí)間和狀態(tài)。第二章 方案論證2.1 總體方案論證與比較方案一：采用各類(lèi)數(shù)字電路來(lái)組成電動(dòng)小車(chē)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)，避障信號(hào)，尋找光源信號(hào)和金屬檢測(cè)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

17、率低，不利于電動(dòng)小車(chē)智能化的擴(kuò)展。同時(shí)，對(duì)各路信號(hào)處理也比較困難。方案二：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、超聲波傳感器和金屬檢測(cè)傳感器組成不同的檢測(cè)電路，實(shí)現(xiàn)小車(chē)在行駛中自動(dòng)尋跡、尋光、躲避障礙物和檢測(cè)金屬等問(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(chē)的智能化控制。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(chē)沿軌道自主行走；通過(guò)超聲波傳感器發(fā)射和接受兩部分電路來(lái)躲避預(yù)設(shè)的障礙物；采用h型脈沖寬度調(diào)制（pwm）全橋式驅(qū)動(dòng)電路控

18、制電機(jī)的轉(zhuǎn)向，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小車(chē)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(chē)行駛的時(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(lèi)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 方案二系統(tǒng)框圖比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡(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)采用方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)。2.2 各模塊的方案論證如題目要求，系統(tǒng)主要由控制器模塊、尋跡模塊、光源跟蹤模塊、金屬檢測(cè)模塊、顯示模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊和避障模塊構(gòu)成，下面分別論證這幾個(gè)模塊的選擇。2.2.1 尋跡模塊 在本

19、設(shè)計(jì)中，要求電動(dòng)小車(chē)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(chē)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?chē)h(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(guò)比較器就可以輸出高低

20、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(chē)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(chē)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(chē)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(chē)的行走路線。采用紅外線發(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

21、靠。所以本設(shè)計(jì)采用方案三。2.2.2 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(lèi)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，難以準(zhǔn)確輸出傳感信息。方案三：利用電感式接近開(kāi)關(guān)代替金屬探測(cè)器。接近開(kāi)關(guān)又稱(chēng)無(wú)觸點(diǎn)接近開(kāi)關(guān)，是理想的電子開(kāi)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)

22、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(kāi)關(guān)的感應(yīng)區(qū)域，開(kāi)關(guān)就能無(wú)接觸，無(wú)壓力、無(wú)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(kāi)關(guān)所不能相比的。因此用它作為小車(chē)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的優(yōu)越性，本設(shè)計(jì)選擇方案三。2.2.3 避障模塊考慮到在測(cè)障過(guò)程中小車(chē)車(chē)速及反應(yīng)調(diào)向速度的限制，小車(chē)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

23、；范圍過(guò)小又很容易造成車(chē)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(chē)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(chē)的方向，以控制小車(chē)準(zhǔn)確地繞過(guò)障礙物，而且避免因小車(chē)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)。

24、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(chē)應(yīng)以準(zhǔn)確、智能見(jiàn)優(yōu)，因此采用方案二。2.2.4 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

25、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(chēng)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)采用方案二。2.2.5 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

26、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、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。因此，本設(shè)計(jì)采用方案二。2.2.6電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：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)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能

27、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(chē)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(chē)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。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(chē)速度的控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性?xún)?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)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。這

28、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(zhuān)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(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)，工作穩(wěn)定可靠。完全滿足設(shè)計(jì)要求。綜合三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定選擇方案三。第三章 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)圖3.0 系統(tǒng)框圖3.1 at89c51模塊單片機(jī)（scm）是單片微型計(jì)算機(jī)（single chip microcomputer）的簡(jiǎn)稱(chēng)。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在技術(shù)上、體

29、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(xiě)（電擦寫(xiě)），使用起來(lái)比較方便。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)，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選

30、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(pán)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(chē)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(chē)行走，同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)送顯示單元?jiǎng)討B(tài)顯示。 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可編程課擦除只讀存儲(chǔ)器（fperom-flash programmable and erasable read only memory），它常用了cmos工藝和atmel公司的高密度非易失

31、性存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與msc-51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)，可方便應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。在本系統(tǒng)中，at89c51單片機(jī)的p1口用于lcd1602顯示，p2.0、p2.1、p2.2、p2.3、p3.4用于電動(dòng)機(jī)的pwm驅(qū)動(dòng)控制，p0.3、p0.4用于探測(cè)軌跡，p0.5用于探測(cè)障礙物，p0.0、p0.1、p0.2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外部中斷0用于檢測(cè)金屬鐵片。3.1.1

32、主要特性與mcs-51 兼容 4k字節(jié)可編程閃爍存儲(chǔ)器 壽命：1000寫(xiě)/擦循環(huán) 數(shù)據(jù)保留時(shí)間：10年 全靜態(tài)工作：0hz-24mhz 三級(jí)程序存儲(chǔ)器鎖定 1288位內(nèi)部ram 32可編程i/o線 兩個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器 5個(gè)中斷源 可編程串行通道 低功耗的閑置和掉電模式 片內(nèi)振蕩器和時(shí)鐘電路 另外，at89c51是用靜態(tài)邏輯來(lái)設(shè)計(jì)的，其工作頻率可降到零并提供兩種軟件的省電方式-空閃方式和掉電方式。在空閃方式中，cpu停止工作。在掉電方式中，片內(nèi)的振蕩器停止工作，由于時(shí)鐘被“凍結(jié)”，使一切功能都暫停，只保存片內(nèi)ram中的內(nèi)容，直到下次硬件復(fù)位為止。3.1.2 管腳說(shuō)明圖3.1 at89c51

33、引腳 vcc（40）：供電電壓,其工作電壓為5v。 gnd（20）：接地。 p0口（p0.0-p0.7）：p0口為一個(gè)8位漏級(jí)開(kāi)路雙向i/o口，每腳可吸收8ttl門(mén)電流。當(dāng)p1口的管腳第一次寫(xiě)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口(p1.0-p1.7)：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(mén)電流。p1口管腳寫(xiě)入1后，被內(nèi)部上拉為高，可用作輸入，p1口被外部下拉為低電平時(shí)，將輸出電流，這是由

34、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口(p2.0-p2.7)：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(mén)電流，當(dāng)p2口被寫(xiě)“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(xiě)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口(p3

35、.0-p3.7)：p3口管腳是8個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的雙向i/o口，可接收輸出4個(gè)ttl門(mén)電流。當(dāng)p3口寫(xiě)入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。作為輸入，由于外部下拉為低電平，p3口將輸出電流（ill）這是由于上拉的緣故。 p3口也可作為at89c51的一些特殊功能口，如下表3.1所示：表3.1 p3口第二功能介紹端口管腳第二功能p3.0rxd（串行輸入口）p3.1txd（串行輸出口）p3.2/int0（外部中斷0）p3.3/int1（外部中斷1）p3.4t0（記時(shí)器0外部輸入）p3.5t1（記時(shí)器1外部輸入）p3.6/wr（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫(xiě)選通）p3.7/rd（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）

36、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)。 rst（9）：復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持rst腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。 ale/prog(30)：當(dāng)訪問(wèn)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(guò)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

37、處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ale禁止，置位無(wú)效。 /psen(29)：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。在由外部程序存儲(chǔ)器取指期間，每個(gè)機(jī)器周期兩次/psen有效。但在訪問(wèn)外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/psen信號(hào)將不出現(xiàn)。 /ea/vpp(31)：當(dāng)/ea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)，/ea將內(nèi)部鎖定為reset；當(dāng)/ea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(lái)自反向振蕩器的

38、輸出。3.1.3振蕩器特性xtal1和xtal2分別為反向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(guò)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(wú)任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3.1.4 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)的電阻和電容，如果需要按鍵復(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)就可以正常工作了。at89c51的最小系統(tǒng)圖如下圖3.2：圖3.2 a

39、t89c51最小系統(tǒng)32 檢測(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3.3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(chē)在白色地面行駛時(shí)，裝在車(chē)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(chē)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

40、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(chē)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(chē)行駛在白色地面上。即當(dāng)小車(chē)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3.3 探測(cè)軌跡電路為了保證小車(chē)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(chē)行走過(guò)程中，結(jié)合查詢(xún)方式，通過(guò)程序控制小車(chē)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

41、片機(jī)，進(jìn)行處理校正?？刂破湎蜃筠D(zhuǎn)。從而保證小車(chē)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(chē)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(chē)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(kāi)關(guān)量，便于處理。 33 檢測(cè)金屬片電路電感式接近開(kāi)關(guān)由三大部分組成：lc振蕩器、開(kāi)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(guò)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

42、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(kāi)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(chēng)之為阻尼現(xiàn)象。這一振蕩的變化，即被開(kāi)關(guān)的后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定的輸出信號(hào)，觸發(fā)開(kāi)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(kāi)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3.4 接近開(kāi)關(guān)原理框圖在車(chē)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(chē)通過(guò)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(guò)74ls04反相器，將信號(hào)用單片機(jī)檢測(cè)出來(lái)，借此控制電動(dòng)機(jī)產(chǎn)生

43、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3.5 檢測(cè)金屬鐵片電路34 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(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

44、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(lèi)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)超聲波發(fā)射電路 超聲波發(fā)射電路原理如圖3.6.1所示。發(fā)射電路主要由反相器74ls04和超聲波發(fā)射換能器t構(gòu)成，單片機(jī)p3.4端口輸出的40khz的方波信號(hào)一路經(jīng)一級(jí)反相器后送到超聲波換能器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級(jí)反相器后送到超聲波換能器的另一個(gè)電極，用這種推換形式將方波信號(hào)加到超聲波換能器的兩端，可以提高超聲波的發(fā)射強(qiáng)度。輸出端采用兩個(gè)反相器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動(dòng)能力。上位電阻r41、r42

45、一方面可以提高反相器74ls04輸出高電平的驅(qū)動(dòng)能力，另一方面可以增加超聲波換能器的阻尼效果，縮短其自由震蕩時(shí)間。 圖3.6 .1 超聲波發(fā)射電路壓電式超聲波換能器是利用壓電晶體的諧振來(lái)工作的。超聲波換能器內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3.6.2所示，它有兩個(gè)壓電晶片和一個(gè)換能板。當(dāng)它的兩級(jí)外加脈沖信號(hào)，其頻率等于壓電晶片的固有震蕩頻率時(shí)，壓電晶片會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板震動(dòng)產(chǎn)生超聲波，這時(shí)它就是一個(gè)超聲波發(fā)生器；反之，如果兩電極間未外加電壓，當(dāng)共振板接受到超聲波時(shí)，將壓迫壓電晶片作震動(dòng)，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，這時(shí)它就成為超聲波接收換能器了。超聲波發(fā)射換能器與接收換能器在結(jié)構(gòu)上稍有不同，使用時(shí)應(yīng)分清器件上的標(biāo)志

46、。圖3.6 .2 超聲波換能器結(jié)構(gòu)圖（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3.8所示。圖3.8 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

47、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

48、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3.9 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)5.1k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

49、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)射電路由單片機(jī)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(chē)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)引腳輸入的門(mén)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

50、機(jī)該根據(jù)信號(hào)控制小車(chē)轉(zhuǎn)向，從而實(shí)現(xiàn)避開(kāi)障礙物的目的。35 檢測(cè)光源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，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≤?chē)左前方、右前方加了2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(chē)前方無(wú)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。將檢測(cè)到的高低電平信號(hào)送單片機(jī), 依此調(diào)整車(chē)頭方向, 使其沿光源方向行駛。圖3.10 光源檢測(cè)電路36 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3.11所

51、示。單片機(jī)的p1口與lcd1602的連接。圖3.11 lcd1602顯示電路該電路用到2行16個(gè)字的lcd1602液晶模塊，它采用標(biāo)準(zhǔn)的14腳接口，如圖3.12所示。圖3.12 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(xiě)信號(hào)線，高電平時(shí)進(jìn)行讀操作，低電平時(shí)進(jìn)行寫(xiě)操作。當(dāng)rs和rw共同為低電平時(shí)可以寫(xiě)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

52、平時(shí)可以寫(xiě)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：d0d7為8位雙向數(shù)據(jù)線。 37 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3.13所示。圖3.13 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、

53、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(chē)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3.2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(chē)1111滑行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(chē)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)

54、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(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。3.14 h型全橋式驅(qū)動(dòng)電路第四章 軟件設(shè)計(jì)4.1 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(guò)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)的時(shí)候，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)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要的地位。對(duì)于本系統(tǒng)，軟件業(yè)占有重要的地位。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類(lèi)型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集

55、、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。、為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一個(gè)部分叫做一個(gè)模塊。把一個(gè)程序分成具有多個(gè)明確任務(wù)的程序模塊，分別編制、調(diào)試后再把它們連接在一起形成一個(gè)完整的程序，這樣的程序設(shè)計(jì)方法稱(chēng)為模塊化程序設(shè)計(jì)。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上是能完成一定功能，并相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法稱(chēng)為模塊程序設(shè)計(jì)法。模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)是：（1） 單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫(xiě)、調(diào)試及修改。（2） 程序的易讀性好。（3） 程序的修改可局部化。（4） 模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不

56、同條件下調(diào)用。（5） 模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、中斷程序（探測(cè)金屬）、躲避障物、自動(dòng)尋跡、顯示和尋光子程序構(gòu)成。4.2 主程序設(shè)計(jì)在系統(tǒng)的程序設(shè)計(jì)中，主控模塊只負(fù)責(zé)根據(jù)消息調(diào)用相應(yīng)模塊的處理函數(shù)，具體如何處理這些消息有各功能模塊中的相應(yīng)程序決定。在主程序模塊中，需要完成對(duì)各模塊接口的初始化，lcd1602的初始化、中斷向量的設(shè)計(jì)以及開(kāi)中斷循環(huán)等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設(shè)置啟動(dòng)/清除標(biāo)志寄存器，并對(duì)它們進(jìn)行初始化。然后，主程序?qū)⒏鶕?jù)各標(biāo)志寄存器的內(nèi)容，分別完成不同的操作。主程序流程圖如圖所示。當(dāng)接通電源時(shí)，小車(chē)啟動(dòng)，同時(shí)lcd1602開(kāi)始計(jì)時(shí)。在行駛的過(guò)程中，結(jié)合程序查詢(xún)方式，若p0.3為高電平表示小車(chē)左方向偏離黑線，則控制小車(chē)右轉(zhuǎn)；若p0.4為高電平