畢業(yè)設計--智能小車設計

1、<p><b>　　畢 業(yè) 實 踐</b></p><p>　　類 別 畢業(yè)設計 </p><p>　　題 目 智能小車設計 </p><p>　　完成日期 2012 年 1 月 7 日</p><p><b>　　畢業(yè)實踐課題及任務</b

2、></p><p>　　湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)實踐開題報告書</p><p>　　電氣工程 系 機電一體化 專業(yè) </p><p>　　湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院畢業(yè)實踐考核表</p><p>　　電氣工程 系 機電一體化 專業(yè) </p>

3、<p><b>　　智能小車設計</b></p><p>　　【摘要】智能小車，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋智能控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子電氣、計算機、機械等多學科的科技創(chuàng)意性設計。一般主要由路徑識別、速度采集 、角度控制及車速控制等模塊組成。</p><p>　　本系統(tǒng)以SST系列單片機為核心控制模塊，充分利用了自動檢測技術(shù)、單片機

4、最小系統(tǒng)、液晶顯示模塊電路，以及聲光信號的控制、電機的驅(qū)動電路。通過Keil C和PROTEUS的仿真，通過實踐操作與調(diào)試，實現(xiàn)自動往返小車設計。綜合運用單片機技術(shù)、自動控制理論、檢測技術(shù)等。使小車能在無人操作情況下，借助傳感器識別路面環(huán)境，由單片機控制行進，實現(xiàn)初步的無人控制。單片機具有體積小、重量輕、耗電少、功能強、控制靈活方便且價格低廉等優(yōu)點。智能小車采用單片機為控制器核心，其集成度高、體積小、抗干擾能力強，具有獨特的控制功能，單

5、片機的應用正從根本上改變著傳統(tǒng)的控制系統(tǒng)設計思想和設計方法。</p><p>　　系統(tǒng)軟件主要由A/D轉(zhuǎn)換、LED動態(tài)顯示、看門狗定時器、鍵盤掃描、定時中斷、繼電器驅(qū)動、開關(guān)機等一些模塊構(gòu)成。在具體設計中，詳細地給出了各部分程序流程框圖和完整的程序。程序調(diào)試方面，用WAVE6000進行編譯和仿真的。</p><p>　　本設計以單片機為核心，附以外圍電路，采用光電檢測器進行檢測信號和循線運

6、動。運用單片機的運算和處理能力來實現(xiàn)小車的自動加速、限速、減速、定時、前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、顯示行駛速度、行駛路程、行駛時間等智能控制系統(tǒng)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】SST單片機，自動控制，電動小車， PWM調(diào)速，傳感器</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　前言 ……………………………………………………………

7、……………………………………10</p><p>　　第一章 緒論……………………………………………………………………………………….11</p><p>　　1.1 設計背景…………………………………………………………………………………11</p><p>　　1.2 設計概述…………………………………………………………………………………11</p&g

8、t;<p>　　1.3 設計任務和主要內(nèi)容…………………………………………………………………11</p><p>　　第二章 系統(tǒng)方案論證與分析……………………………………………………………..13</p><p>　　2.1 小車車體選擇……………………………………………………………………………13</p><p>　　2.2 主控單片機……

9、…………………………………………………………………………14</p><p>　　2.2.1 采用凌陽16位單片機………………………………………………………14</p><p>　　2.2.2 采用SST89E516RD單片機…………………………………………………14</p><p>　　2.3 電機模塊…………………………………………………………………………………

10、…14</p><p>　　2.3.1 采用步進電機…………………………………………………………………14</p><p>　　2.3.2 采用直流電機…………………………………………………………………14</p><p>　　2.4 電機驅(qū)動調(diào)速模塊………………………………………………………………………15</p><p>　　2.5 電源

11、管理………………………………………………………………………..…16</p><p>　　2.5.1 采用單電源供電…………………………………………………..…16</p><p>　　2.5.2 采用雙電源供電…………………………………………………..…16</p><p>　　2.6 路面黑線探測模塊…………………………………………………………..…16&l

12、t;/p><p>　　2.6.1 采用對射式紅外光電傳感器………………………………………16</p><p>　　2.6.2 采用反射式紅外光電傳感器………………………………………17</p><p>　　2.7 測速及里程計量模塊………………………………………………………..…17</p><p>　　2.7.1 采用霍爾傳感器……………

13、………………………………………………17</p><p>　　2.7.2 采用U型紅外光電傳感器…………………………………………17</p><p>　　2.8 計時模塊………………………………………………….. ……………………18</p><p>　　2.9 顯示模塊………………………………………………………………………..…18</p><

14、p>　　2.9.1 采用LED數(shù)碼管……………………………………………………………18</p><p>　　2.9.2 采用LCD液晶顯示…………………………………………………………18</p><p>　　第三章 智能小車系統(tǒng)設計……………………………………………………………..……19</p><p>　　3.1 主控單片機功能設計……………………………

15、…………………………….…19</p><p>　　3.1.1 單片機硬件結(jié)構(gòu)………………………….…………………………………19</p><p>　　3.1.2 單片機引腳鎖定……………………………………………………………20</p><p>　　3.2 電機驅(qū)動控制設計……………………………………………….……………………22</p><p&

16、gt;　　3.3 PWM調(diào)速控制設計………………………………………. ……………………………23</p><p>　　3.4 傳感器設計…………………………………..……………………………………………26</p><p>　　3.4.1 黑線檢測傳感器設計……………………………………….………………26</p><p>　　3.4.2 測速、里程計量傳感器設計………

17、………………………………………31</p><p>　　3.5 液晶顯示功能設計………………………………………………....……………………33</p><p>　　第四章 128×64液晶功能分析…………….………………………….……………………35</p><p>　　結(jié)論 …………………………………………………………………………..…………………

18、……38</p><p>　　參考文獻 ……………………………………………………………………….…………………39</p><p>　　附錄 …………………………………………………………………....……………………………40</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　伴隨著現(xiàn)代汽車行業(yè)的飛速

19、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)展機會，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控制系統(tǒng)的研究是對一些問題的初步思考。</p><p>　　智能小車是一個集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自動行駛等功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中地運用了計算機、傳感器、信息、通訊、導航、人工智能及自動控制等技術(shù)—是典型的高新技術(shù)綜合體。本次畢設的自動往返電動小汽車就是這種綜合體的一種嘗試。小車以單片機為核心，

20、附以外圍電路，采用光電檢測器進行檢測信號和循線運動。運用單片機的運算和處理能力來實現(xiàn)小車的自動加速、限速、減速、前進、后退和金屬傳感器檢測等功能，可液晶實時顯示行駛速度、行駛路程、行駛時間的智能控制系統(tǒng)。</p><p>　　本次畢業(yè)設計要求設計并制作一個能自動往返于起跑線與終點線間的小汽車。小車從起跑線出發(fā)，到達終點線后停留10秒，然后自動返回起跑線，往返一次的時間應力求最短。到達終點線和返回起跑線時，停車位置

21、離起跑線和終點線偏差應最小。在限速區(qū)小車往返均要求以低速通過，通過時間不得少于8秒，且不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。</p><p>　　智能小車設計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檢測與識別，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)行機構(gòu)調(diào)整小車與跑道的相對位置，使小車在賽道中心準確穩(wěn)定行駛的同時又兼顧車速，盡量縮短往返時間，從而達到“穩(wěn)”和“快”的協(xié)調(diào)。

22、智能小車采用一塊SST89E516RD單片機作為其檢測和控制核心。選用SGS-THOMSON Microelectronics 所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片L298作為小車電機驅(qū)動，利用PWM技術(shù)動態(tài)控制電動機的轉(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)金屬傳感器進行信號的采集，接近開關(guān)反饋的信號送入單片機處理，由控制單元處理信號并控制小車的運行模式及液晶數(shù)據(jù)顯示。實現(xiàn)了自動往返小車在無人控制狀態(tài)下實現(xiàn)智能循跡、限速

23、、壓線的智能控制，液晶顯示電路顯示運行的時間、路程并實時更新速度顯示。</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 設計背景</b></p><p>　　隨著智能機器人技術(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

24、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，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋智能控制、模式識別、傳感技術(shù)、電子電氣、計算機、機械等多學科的科技創(chuàng)意性設計。一般主要由路徑識別、速度采集、角度控制及車速控制等模塊組成。</p><p>　　本設計就是在這樣的背景下提出的，設計的智能電動小車應該能夠?qū)崟r顯示時間、速度、里程，具有智能PWM限速、返回、準確定位停車等功能。&l

25、t;/p><p><b>　　1.2 設計概述</b></p><p>　　智能小車系統(tǒng)集中地運用了計算機、傳感器、信息通訊、人工智能及自動控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。本次畢設的自動往返電動小汽車就是這種綜合體的一種嘗試。</p><p>　　自動往返電動小汽車是指小車能夠在跑道上自動往返行駛，無須人的操作。小車從起跑線出發(fā)后自動行駛到終

26、點，并能在終點停車一段時間，然后返回起點。同時小車可以在要求區(qū)域內(nèi)自動加速和減速。以單片機為控制核心，輔以傳感器、控制電路、顯示電路等外圍器件，構(gòu)成了一個車載控制系統(tǒng)。電動小車能夠根據(jù)題目要求在直線方向上完成調(diào)速、急剎車、停車、倒車返回等各種運動形式。這輛小車還可以通過液晶實時顯示一次往返時間和行駛距離、行駛速度。另外，采用C語言編程算法進行速度調(diào)節(jié)，經(jīng)過PROTEUS仿真后，成功地實現(xiàn)了從最高速降至低速的平穩(wěn)調(diào)速。</p>

27、<p>　　本系統(tǒng)主要采用C語言編程算法進行速度調(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，并且實現(xiàn)了低速段車速的恒速控制。</p><p>　　1.3 設計任務和主要內(nèi)容</p><p>　　設計并制作一個能自動往返于起跑線與終點線間的小汽車，能在如圖1-1所示的跑道上自動往返行駛。在跑道B,C,D,E,F和G處設有2cm寬的金屬線。&

28、lt;/p><p>　　1. 小車從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車體不得超出起跑線），到達終點線后停留10秒，然后自動返回起跑線（允許倒車返回）。往返一次的時間應力求最短（從合上汽車電源開關(guān)開始計時）。</p><p>　　2. 到達終點線和返回起跑線時，停車位置離起跑線和終點線偏差應最小（以小車中心點與終點線或起跑線中心線之間距離作為偏差的測量值）。</p><p>　　3.

29、 D～E間為限速區(qū)，小車往返均要求以低速通過，通過時間不得少于8秒，但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車。</p><p>　　A B C D E F G</p><p><b>　　0.5m</b></p><p>　　0.5m

30、 2m 0.5m</p><p>　　圖1-1 小車跑道頂視圖</p><p>　　各路段行駛速度要求：</p><p>　　BD段：小車全速前進。</p><p>　　DE段：首先以最快的速度減速，并同時開始計時，降至慢速度后保持基本恒速前進，當接近8秒時，開始加速并沖出此段區(qū)間。</p

31、><p>　　EF段：小車全速前進。</p><p>　　FG段：首先以最快的速度減速，并且保持最低速度前進，當小車中間的傳感器探測出黑線時便立即停車。</p><p><b>　　系統(tǒng)方案論證與分析</b></p><p>　　根據(jù)題目中的設計要求，本系統(tǒng)主要由主控單片機模塊、電源模塊、電機驅(qū)動模塊、黑線檢測模塊、測速模塊

32、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：</p><p>　　2.1 小車車體選擇</p><p>　　在確定了畢業(yè)設計選題以后，指導老師就給我提供了由億學通電子推出的“DIY 競賽小車”散件車體。其具有結(jié)構(gòu)小巧、運動靈活、擴展性強、控制簡單等諸多特點。</p><p>　　該小車車體套件具備功能如下： </p><p>　

33、　（1）支持四個獨立電機的安裝，增大了驅(qū)動力和轉(zhuǎn)彎的靈活性 </p><p>　?。?）配置了測速碼盤（安裝在第一級輸出），提高了轉(zhuǎn)速測量精度 </p><p>　?。?）配備開關(guān)量轉(zhuǎn)速測量傳感器接口 </p><p>　　（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 </p><p>　?。?）保留了萬向輪固定孔，四

34、輪車可以方便改裝為三輪車</p><p>　?。?）為單片機控制板預留了電源和控制端口</p><p>　?。?）保留了 DIY競賽小車的擴展板，可以直接把單片機電路、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，方便了擴展</p><p>　　2.2 主控單片機</p><p>　　2.2.1 采用凌陽16位單片機<

35、;/p><p>　　采用凌陽公司的16位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力強、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、具有語音處理、運算速度快等優(yōu)點，但考慮到對這個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計和軟件編程增加了難度。且實驗室器材室沒有此型號單片機。因此決定不再使用此方案，考慮其他方案。</p><p>　　采用SST89E516RD單片機</p&g

36、t;<p>　　SST89E516RD是8位集成存儲器的51系列兼容單片機，和51系列單片機軟件兼容、開發(fā)工具兼容、管腳也兼容。SST89E516RD片內(nèi)有兩塊SuperFlash EEPROM，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Block1存儲區(qū)燒寫SoftICE仿真監(jiān)控程序。</p

37、><p>　　SST89E516RD具有在應用可編程(IAP)和在系統(tǒng)可編程(ISP)的功能，其中IAP是通過串口實現(xiàn)的。由于SST89E516RD具有兩塊獨立的SuperFlash程序存儲區(qū)，當監(jiān)控程序在Block1存儲區(qū)中運行時可以改寫B(tài)lock0程序存儲區(qū)中的程序，使用在線SoftICE模式，不需要反復的將調(diào)試程序下載到單片機中，避免了單片機的老化損壞，可方便的與Keil C實現(xiàn)SoftICE在線仿真調(diào)試功能。

38、</p><p>　　因此決定采用SST89E516RD作為本次畢業(yè)設計的主控單片機芯片。</p><p><b>　　2.3 電機模塊</b></p><p>　　2.3.1 采用步進電機</p><p>　　采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機，由于其轉(zhuǎn)動的角度可以精確定位，可以實現(xiàn)小車前進距離和位置的精確定位。步進

39、電機是將電脈沖信號轉(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，電機的轉(zhuǎn)速、停止的位置只取決于脈沖信號的頻率和脈沖數(shù)，而不受負載變化的影響，即給電機加一個脈沖信號，電機則轉(zhuǎn)過一個步距角。這一線性關(guān)系的存在，加上步進電機只有周期性的誤差而無累積誤差等特點。使得在速度、位置等控制領(lǐng)域用步進電機來控制變的非常的簡單。</p><p>　　雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，但步進電機并不能象普通的直流電機，交流電機在常

40、規(guī)下使用。它必須由雙環(huán)形脈沖信號、功率驅(qū)動電路等組成控制系統(tǒng)方可使用。步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高的轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低時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。</p><p><b>　　采用直流電機</b></p><p>　　采用直流減速電機。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便，電機內(nèi)部裝

41、有減速齒輪組，所以并不需要考慮調(diào)速功能，很方便的就可以實現(xiàn)通過單片機對直流減速電機前進、后退、停止等操作。</p><p>　　綜合以上考慮，我選擇使用直流減速電機作為自動往返電動小車的驅(qū)動電機。</p><p>　　2.4 電機驅(qū)動調(diào)速模塊</p><p>　　小車運行過程中要求電動機的轉(zhuǎn)速在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié),調(diào)速范圍根據(jù)負載的要求而定。由公式[1]

42、 </p><p><b>　　[1]</b></p><p>　　n :電樞轉(zhuǎn)速, Uα :電機端電壓, Iα :電機端電流,</p><p>　　Rα :電樞電阻, Ce :常數(shù), φ :每極總磁通</p><p>　　可以看出,調(diào)速可以有三種方法:</p><p>　?。?）改變電機端

43、電壓Uα,即改變電樞電源電壓;</p><p>　　（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;</p><p>　?。?）在電樞回路中串聯(lián)調(diào)節(jié)電阻Rtj。此時的轉(zhuǎn)速公式[2]為: </p><p><b>　　[2]</b></p><p>　　在實際電路設計中，改變電機的磁通φ或調(diào)節(jié)樞回路中串聯(lián)

44、調(diào)節(jié)電阻Rtj并不方便、實用。因此，主要選擇通過改變電機兩端電壓的方法來實現(xiàn)電機的調(diào)速控制。</p><p>　　下面是通過調(diào)節(jié)電機兩端電壓達到調(diào)速目的的三種方案：</p><p>　　方案一：采用電阻網(wǎng)絡或數(shù)字電位器調(diào)整電動機的分壓，從而達到調(diào)速的目的。但是電阻網(wǎng)絡只能實現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動機的電阻很小，但電流很大，分壓不僅會降低效率且實現(xiàn)

45、困難。</p><p>　　方案二：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，缺點是繼電器的響應時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞，壽命較短、可靠性不高。</p><p>　　方案三：采用由達林頓管組成的H型PWM電路。用單片機控制達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)整電動機轉(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。

46、H型電路保證了可以簡單的實現(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，是一種廣泛采用的PWM調(diào)速技術(shù)。L298為SGS-THOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片(Dual Full-Bridge Driver) ，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。內(nèi)含二H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準 TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機

47、，輸出電壓最高可達50V?？梢灾苯油ㄟ^電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，可以直接用單片機的IO口提供信號，而且電路簡單，使用比較方便。</p><p>　　PWM脈寬調(diào)制實際上就是改變電機端電壓的平均值從而進行調(diào)速的一種方法。這種方法便于與單片機等數(shù)字系統(tǒng)接口，實現(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到單片機控制目的，基于以上分析, 在電動機驅(qū)動模塊上擬選定采用PWM脈寬調(diào)制方法。選用L298雙全橋步進電機專用

48、驅(qū)動芯片。</p><p><b>　　2.5 電源管理</b></p><p>　　2.5.1 采用單電源供電</p><p>　　所有器件采用12V蓄電池為直流電機供電。將12V電壓降壓、穩(wěn)壓后給單片機系統(tǒng)和其它芯片供電。這樣供電比較簡單，但是由于電動機啟動瞬間電流很大，而且PWM驅(qū)動的電動機電流波動較大，會造成電壓不穩(wěn) 、有毛刺等干擾

49、，嚴重時可能造成單片機系統(tǒng)掉電，缺點十分明顯。因此我們放棄此方案。</p><p>　　2.5.2 采用雙電源供電</p><p>　　采用雙電源供電方式。將電動機驅(qū)動電源與單片機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，但可以將電動機驅(qū)動所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。</p><p>　　蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性

50、能，故采用12V蓄電池為L298N電機驅(qū)動芯片供給電源電壓。L298N接受標準TTL邏輯電平信號VSS，VSS可接4．5～7 V電壓。因此采用單一電源（4節(jié)AA電池）為單片機、Vss端和傳感器供電。這樣供電比較簡單采用4.8V可充電動力電池組。動力電池組具有較強的電流驅(qū)動能力及穩(wěn)定的電壓輸出性能，經(jīng)測試在用此種供電方式下，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，直流電機工作良好，且電池體積較小、可以充電、能夠重復利用等，能夠滿足系統(tǒng)的要求。</p

51、><p>　　基于以上分析,小車系統(tǒng)選用蓄電池和AA電池的雙電源供電方式。</p><p><b>　　路面黑線探測模塊</b></p><p>　　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)接收到的反射光強弱判斷車子是否到達黑線。</p><p>　　采用集成電路技術(shù)制造的新一代

52、光電開關(guān)器件具有延時、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)制的主動式光電探測系統(tǒng)，可在物位檢測、速度檢測、液位控制、計數(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)點就是結(jié)構(gòu)簡明，實現(xiàn)方便，成本低廉，免去了繁復的圖像處理工作，反應靈敏，響應時間低，便于近距離路面情況的檢測。但紅外傳感器的缺點是，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

53、限，而且容易受到諸多擾動的影響，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確的路面信息。經(jīng)過綜合考慮，在本項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。</p><p>　　2.6.1 采用對射式紅外光電傳感器</p><p>　　用可見

54、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。這種方案的缺點在于，其他環(huán)境光源會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。在跑道上設置檢測裝置很不方便，故無法應用對射式光電開關(guān)探測跑道標志，只能采用反射式光電開關(guān)。</p><p>　　2.6.2 采用反射式紅外光電傳感器</p>&l

55、t;p>　　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。</p><p>　　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，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，則可大幅度

56、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，在平均電流不變的情況下，瞬時電流可以很大（50～100mA），這樣也大大提高了信噪比。</p><p>　　基于上述考慮，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。</p><p>　　2.7 測速及里程計量模塊</p><

57、p>　　2.7.1 采用霍爾傳感器</p><p>　　霍爾傳感器內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當磁鋼正對金屬板時，由于霍爾效應，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，通過對脈沖的計數(shù)進行車速測量。此方案的優(yōu)點是霍爾傳感器響應速度快，結(jié)構(gòu)簡單，但精度不夠高。</p><p>　　2.7.2 采用U型紅外光電傳感器</p><p

58、>　　采用U型紅外光電傳感器，在車輪上貼上白紙黑條，當作光電編碼盤，當車輪轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤轉(zhuǎn)動，利用紅外傳感器對不同顏色的物體反射的光線強度的不同，從而導致接收管的導通和截止。用中斷對接收到的信號進行計數(shù)。</p><p>　　碼盤形狀如圖2-2所示： </p><p>　　圖2-2 測速碼盤</p><p>　　以上兩種都是比較可行的轉(zhuǎn)速測量方案。尤其是霍

59、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數(shù)的精度要求，因此擬采用方案二。</p><p><b>　　2.8 計時模塊</b></p><p>　　對于定時器，由于我們選用的單片機內(nèi)部已經(jīng)有定時器了，使用單片機內(nèi)部的定時器已經(jīng)可以實

60、現(xiàn)系統(tǒng)的總計時和倒計時功能，而且可以簡化系統(tǒng)硬件，雖然定時時間沒有專用的計時芯片精確，但誤差也不會很大。故我們采用單片機內(nèi)部的定時器作為計時模塊。</p><p><b>　　2.9 顯示模塊</b></p><p>　　2.9.1 采用LED數(shù)碼管</p><p>　　LED顯示具有硬件電路結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、調(diào)試方便、軟件實現(xiàn)相對容易等

61、優(yōu)點，但占用單片機IO口太多，而且顯示的信息不多。由于我們計劃要顯示小車運行時間、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。</p><p>　　2.9.2 采用LCD液晶顯示</p><p>　　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)省單片機的IO口。LCD液晶具有功

62、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用，因此我們選擇此方案。</p><p>　　通過以上方案論述我們選擇方案二，顯示小車運行時各個測量參數(shù)的任務。</p><p>　　第三章 智能小車系統(tǒng)設計</p><p>　　3.1 主控單片機功能設計</p><p>　　智能小車系統(tǒng)的核心模塊即為主控單片機

63、。選擇一片數(shù)據(jù)處理能力強大、片內(nèi)資源豐富的單片機，對設計各功能的更好實現(xiàn)具有極大意義。一個單片機應用系統(tǒng)的硬件電路設計包含有兩部分內(nèi)容：一是系統(tǒng)擴展，即單片機內(nèi)部的功能單元，如ROM﹑RAM﹑I/O口﹑定時/記數(shù)器﹑中斷系統(tǒng)等。若不能滿足應用系統(tǒng)的要求時，必須在片外進行擴展。二是系統(tǒng)配置，既按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設備，如液晶顯示器﹑A/D﹑D/A轉(zhuǎn)換器等，且需要設計合適的接口電路。SST89E516RD是SST公司8位微處理器Flas

64、hFlex51系列的成員，是采用先進的閃存CMOS半導體技術(shù)設計和制造，芯片采用8051的指令集，并和標準的8051控制器管腳兼容。</p><p>　　芯片內(nèi)部帶有72Kbyte的片內(nèi)FLASH EEPROM存儲器，使用了SST公司專利的CMOS閃存技術(shù)。單片機已經(jīng)預先燒錄一段引導下裝（BOOT STRAP LOADER）的代碼，通過IAP 操作，實現(xiàn)開始的用戶程序代碼燒錄和以后的用戶代碼升級。CHIP-ERA

65、SE 操作會擦除該引導下裝程序。使用在線SoftICE模式，不需要反復的將調(diào)試程序下載到單片機中，避免了單片機的老化損壞，可方便的與Keil C實現(xiàn)SoftICE在線仿真調(diào)試功能。</p><p>　　故本次畢業(yè)設計選用SST89E516RD作為智能小車主控單片機。</p><p>　　3.1.1 單片機硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　SST89E516RD單片機是

66、把那些作為控制應用所必需的基本內(nèi)容都集成在一個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)存儲器、程序存儲器、并行I/O口、串行口、定時器/計數(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。</p><p>　　1．中斷系統(tǒng)：具有5個中斷源，2級中斷優(yōu)先

67、權(quán)。</p><p>　　2．定時器/計數(shù)器：片內(nèi)有2個16位的定時器/計數(shù)器， 具有四種工作方式。</p><p>　　3．串行口：1個全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕磉M行串行通訊，擴展并行I/O口，甚至與多個單片機相連構(gòu)成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。</p><p>　　4．P1口、P2口、P3口、P4口為4個并行8位I/O口。</

68、p><p>　　圖3-1為單片機的功能方框圖：</p><p>　　圖3-1 SST89E516RD功能方框圖</p><p>　　由上可見，SST89E516RD單片機的硬件結(jié)構(gòu)具有功能部件種類全，功能強等特點，在數(shù)據(jù)采集，運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。</p><p>　　3.1.2 單片

69、機引腳鎖定</p><p>　　SST89E516RD單片機具有豐富的I/O口資源和外部中斷。小車運行過程中需要實時進行黑線探測和測速、里程計量，當CPU正在處理某項事務時，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)動等，要求CPU暫停正在處理的工作轉(zhuǎn)而處理這個緊急事件，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系列單片機允許有5個中斷源，提供兩個中斷優(yōu)先級（能

70、實現(xiàn)二級中斷嵌套）。</p><p>　　P3.2，P3.3作為兩個外部中斷端口，可分別用來檢測黑線和測速、里程計量。設定、為跳變觸發(fā)方式，電平發(fā)生由高到低的跳變時觸發(fā)，置IT0、IT1為1，在CPU響應中斷后，由內(nèi)部硬件自動復位中斷標志TF0、TF1和IE0、IE1，而自動撤出中斷請求。下面圖3-2為兩個外部中斷接收、處理并發(fā)出相應控制指令流程框圖：</p><p>　　圖3-2 外部中

71、斷控制引腳鎖定及流程框圖</p><p>　　來自P3.2引腳上的外部中斷請求（外中斷0）。</p><p>　　來自P3.3引腳上的外部中斷請求（外中斷1）。

72、

73、 </p><p>　　P2口是一個多功能的八位口，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狀態(tài)控制端，控制小車電機驅(qū)動芯片工作

74、在不同方式下。</p><p>　　下圖3-3為控制小車運行狀態(tài)的引腳鎖定及流程圖：</p><p>　　圖3-3 小車運行控制引腳鎖定及流程框圖</p><p>　　IN1、IN2控制左側(cè)兩個電機正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)，IN3、IN4控制右側(cè)兩個電機正轉(zhuǎn)及反轉(zhuǎn)。EN1為左側(cè)兩電機控制使能端，EN2為右側(cè)兩電機控制使能端。下</p><p>　　表3-1

75、為P2.0~P2.5各端口在不同電平組合狀態(tài)下小車的運行狀態(tài)。</p><p>　　表3-1 小車運行狀態(tài)表</p><p>　　3.2 電機驅(qū)動控制設計</p><p>　　智能小車區(qū)別于普通的電動玩具小車的最大特點是：可以智能調(diào)節(jié)小車運行狀態(tài)。如改變其運動方向、運動速度。在接收到外部主控單片機發(fā)出的指令后，能迅速做出“應答”，這就需要電機驅(qū)動芯片發(fā)揮作用。主

76、控單片機發(fā)出指令給電機驅(qū)動芯片，驅(qū)動芯片接收到單片機指令后，通過輸出端口控制電機迅速作出相應動作。</p><p>　　本設計采用PWM調(diào)速技術(shù)來實現(xiàn)小車轉(zhuǎn)向、調(diào)速控制，因為設計的電動小車為四驅(qū)控制，裝配4個直流電機，采用左、右側(cè)兩組4個電機獨立控制。</p><p>　　圖3-4 L298N Multiwatt封裝外形圖</p><p>　　經(jīng)過之前論證分析后，決

77、定選用L298電機驅(qū)動芯片。 L298雙全橋步進電機專用驅(qū)動芯片，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)動電路，可以方便的驅(qū)動兩個直流電機，或一個兩相步進電機。恒壓恒流橋式2A驅(qū)動芯片L298內(nèi)含二個H-Bridge 的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準 TTL邏輯準位信號，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機，輸出電壓最高可達50V。可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓，可

78、以直接用單片機的IO口提供信號，而且電路簡單，使用比較方便。</p><p>　　圖3-5 電機驅(qū)動控制流程圖</p><p>　　通過圖3-5，可清楚看出單片機→電機驅(qū)動芯片→直流電機的三級控制結(jié)構(gòu)。采用此種控制結(jié)構(gòu)，各級職責明確，結(jié)構(gòu)清晰易于實現(xiàn)。</p><p>　　3.3 PWM調(diào)速控制設計</p><p>　　本設計采用的是基于P

79、WM原理的H型驅(qū)動電路實現(xiàn)調(diào)速功能。采用H橋電路可以增加驅(qū)動能力，同時保證了完整的電流回路。具體電路如圖3-6所示：</p><p>　　圖3-6 H型驅(qū)動模塊原理圖</p><p>　　圖3-6中當U1為高電平， U2為低電平時， Q3、Q6管導通，Q4、Q5管截止，電動機正轉(zhuǎn)。當U1為低電平，U2為高電平時，Q3、Q6管截止，Q4、Q5管導通，電動機反轉(zhuǎn)。電機工作狀態(tài)切換時線圈會產(chǎn)生反

80、向電流，通過四個保護二極管 D1、D2、D3、D4 接入回路，防止電子開關(guān)被反向擊穿。 </p><p>　　采用 PWM 方法調(diào)整電機的速度，首先應確定合理的脈沖頻率。脈沖寬度一定時，頻率對電機運行的平穩(wěn)性有較大影響，脈沖頻率高,馬達運行的連續(xù)性好，但帶負載能力差，脈沖頻率低則反之。當脈沖頻率在 100Hz 以下時，電機轉(zhuǎn)動有明顯的跳動現(xiàn)象，小車不能連續(xù)順暢運行。經(jīng)反復試驗，選擇脈沖頻率1000Hz，電機轉(zhuǎn)動較

81、平穩(wěn)，控制效果較佳。</p><p>　　脈寬調(diào)速實質(zhì)上是調(diào)節(jié)加在電機兩端的平均功率，其表達式[1]為： </p><p><b>　　[1]</b></p><p>　　式中P為電機兩端的平均功率；為電機全速運轉(zhuǎn)的功率；K 為脈寬。 當 K=1 時，相當于加入直流電壓，這時電機全速運轉(zhuǎn)， ；當 K=0 時，相當于電機兩端不加電壓，電機靠慣性運

82、轉(zhuǎn)。 </p><p>　　當電機穩(wěn)定開動后，有(f 為摩擦力 ) </p><p>　　則 [2]</p><p>　　所以， [3]</p><p>　　由[3]式可知

83、智能小車的速度與脈寬成正比。 </p><p>　　由上述分析，U1、U2這對控制電壓采用了1000Hz 的周期信號控制，通過對其占空比的調(diào)整，對車速進行調(diào)節(jié)。同時，可以通過U1、U2的切換來控制電動機的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。對于L298驅(qū)動芯片，內(nèi)部已集成2個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，即改變加載到電機兩端的電壓平均值，來實現(xiàn)調(diào)速功能。</p><p&g

84、t;　　當IN1端為高電平、IN2端為低電平時，二極管D1到D4導通，電機正轉(zhuǎn)；反之，二極管D3到D2導通，電機反轉(zhuǎn)。IN3、IN4端控制方法與IN1、IN2端相同，不再贅述。</p><p>　　下圖3-7為Mutiwatt15封裝形式的L298驅(qū)動芯片引腳及外形圖。</p><p>　　圖3-7 L298引腳及外形圖</p><p>　　表3-2列出了L298的

85、各引腳功能。</p><p>　　表3-2 L298引腳符號及功能表</p><p>　　下圖3-8為L298驅(qū)動小車電機的PROTEUS功能仿真圖。L298需要兩個電壓，一個為邏輯電路工作所需的5V電壓Vcc，另一個為功率電路所需的驅(qū)動電壓Vs。為保護電路，需加上八個續(xù)流二極管，二極管的選用要根據(jù)PWM的頻率和電機的電流來確定。二極管要有足夠的回復時間和足夠電流承受能力。</p&g

86、t;<p>　　圖3-8 L298驅(qū)動電機PROTEUS仿真圖</p><p>　　在編寫完成Keil C調(diào)速、轉(zhuǎn)向程序，與PROTEUS軟件進行聯(lián)合仿真后，通過單片機SoftICE方式在線調(diào)試。 經(jīng)多次實際測試，采用PWM技術(shù)進行小車調(diào)速、轉(zhuǎn)向操作具有如下優(yōu)點：</p><p><b>　?。?）電流一定連續(xù)</b></p><p&

87、gt;　?。?）可使電動機在四象限中運行</p><p>　　（3）電機停止時有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)</p><p>　　（4）低速時，每個晶體管的驅(qū)動脈沖仍較寬，有利于保證晶體管可靠導通</p><p>　　（5）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍較大</p><p>　　3.4 傳感器設計</p><p>　　電動小車

88、在行進過程中需要實時監(jiān)測小車車路轉(zhuǎn)速、里程及黑線檢測。當小車偏離跑道時啟用偱線程序，使小車做出微調(diào)，保持直線行走。每當檢測到標志黑線即作出相應動作反應，如降速、停車、倒車返回等動作。通過測速傳感器實時監(jiān)測小車運行速度、里程，這些都離不開傳感器的設計。 </p><p>　　3.4.1 黑線檢測傳感器設計</p><p>　　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

89、接收器于一體的傳感器，當有被檢測物體經(jīng)過時，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。當被檢測物體的表面光亮或其反光率極高時，漫反射式的光電開關(guān)是首選的檢測模式。</p><p>　　如圖3-9所示。由實驗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 5cm。這款黑白線傳感器受可見光干擾小，輸出信號為開關(guān)量，信號處理較

90、簡單，可以廣泛應用于機器人尋跡、智能小車偱線等場合。</p><p>　　圖3-9 紅外反射式光電傳感器</p><p>　　表3-3為選用的黑線傳感器電氣特性、外形尺寸說明。</p><p>　　表3-3 紅外反射式光電傳感器技術(shù)參數(shù)</p><p>　　下圖3-9為黑線傳感器的電路連接圖：</p><p>　　圖3

91、-9 紅外反射式光電傳感器</p><p>　　紅線接電源VCC，藍線接地，黃線為信號輸出端，外接1K上拉電阻后接VCC。輸出信號與單片機外部中斷端口相連。</p><p>　　在實際測試過程中，當黑線傳感器在白紙上探測時，萬用表測試電壓顯示為3.75V，當檢測到黑線時，測試電壓顯示為3.73V。經(jīng)多次反復試驗發(fā)現(xiàn)，傳感器監(jiān)測黑線靈敏度還是非常高的，當黑線出現(xiàn)時，其電平會立即發(fā)生跳變，&l

92、t;/p><p>　　其跳變?yōu)?.02V。</p><p>　　因為黑線傳感器輸出不是標準開關(guān)量電平信號，不能被單片機端口采集到，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。</p><p>　　圖3-10 741差分放大電路</p><p>　　參考端電壓值為3.73V，將黑線傳感器輸出接到放

93、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)單片機外部中斷。</p><p><b>　　路面標志黑線檢測</b></p><p>　　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，黑線計數(shù)器加1，最終計夠12條黑線，黑線傳感器計數(shù)程序結(jié)束。</p><p>　　A B C

94、 D E F G</p><p><b>　　0.5m</b></p><p>　　起點1 2 入限速區(qū)3 出限速區(qū)4 壓線5 停車（10s）6 </p><p>　　停車12 壓線11 出限速區(qū)10 入限速區(qū)9 8

95、 倒車返回7</p><p>　　圖3-11 小車跑道黑線分布圖</p><p>　　使用單片機外部中斷端口進行黑線檢測，端口初始化為高電平。當黑線傳感器檢測到黑線時，端口變?yōu)榈碗娖?，開中斷0，黑線計數(shù)加1。C語言源程序如下：</p><p>　　void int0(void) interrupt 0 //int0外部中斷</p><

96、;p><b>　　{</b></p><p>　　blackline++;//黑線檢測計數(shù)</p><p><b>　　}</b></p><p>　　接通小車的電源開關(guān)后，小車開始運動。在到達限速區(qū)之前以全速行駛，當檢測到第3條黑線的時候開始減速，同時對小車進行測速，當?shù)陀谧畹退俣葧r，加速一段時間，然后繼

97、續(xù)減速前進。如果通過限速區(qū)的時間超過8S，或者檢測到第4條黑線，則開始全速行駛。當檢測到5條黑線時又開始減速行駛，到第6條黑線時停車。10秒鐘后，同前面過程原路返回。</p><p>　　總的小車程序設計流程圖如圖3-12所示：</p><p>　　圖3-12 小車程序設計流程圖</p><p>　　當黑線計數(shù)為12時，即小車到達終點線。當小車前面的黑線傳感器檢測到

98、要停車壓線的黑線時，延時，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)，直到延時后依舊可以檢測到黑線。這樣可以實現(xiàn)精確地定位。關(guān)閉單片機計數(shù)器T1，使小車停車，并停止行駛時間計時和速度、里程測量。</p><p><b>　　C語言源程序如下：</b></p><p>　　if(blackline>=1 &&blackline<=

99、11)</p><p><b>　　{</b></p><p>　　TR1=1; //啟動t1,小車行駛時間計時、測速、里程測量開始</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(blackline>=12)</p><p>　　{duty_c

100、ycle=0;</p><p>　　en1=0; en2=0;</p><p>　　p20=0; p21=0;</p><p>　　p22=0; p23=0;</p><p>　　TR1=0; //關(guān)閉t1,小車行駛時間計時停止</p><p><b>　　}</b></p

101、><p><b>　　小車偱線直行設計</b></p><p>　　本設計要求小車沿直線跑道行進，但小車在行進過程中可能偏離跑道，因此需設計偱線程序，保證小車在偏離跑道后調(diào)整行進方向，沿直線行走。</p><p>　　圖3-13 小車偱線設計示意圖</p><p>　　上圖3-13為小車偱線設計中傳感器安放示意圖。在小車車體

102、下兩側(cè)分別安裝黑線檢測傳感器SensorA、SensorB。當小車沿黑線行進時。兩側(cè)傳感器均未檢測到黑線，都為高電平；當小車左偏時，小車右側(cè)傳感器檢測到黑線，SensorA為高電平，SensorB為低電平，啟動右轉(zhuǎn)指令，當檢測到兩傳感器又為高電平時，啟動直行指令；當小車右偏時，小車左側(cè)傳感器檢測到黑線，SensorA為低電平，SensorB為高電平，啟動左轉(zhuǎn)指令，當檢測到兩傳感器又為高電平時，啟動直行指令。如下圖3-14所示。</

103、p><p>　　圖3-14 小車偱線設計流程圖</p><p>　　3.4.2 測速、里程計量傳感器設計</p><p>　　采用U型紅外光電傳感器，在電機轉(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，當作光電編碼盤，當電機轉(zhuǎn)動時，帶動碼盤轉(zhuǎn)動，利用紅外傳感器對不同顏色的物體反射的光線強度的不同，從而導致接收管的導通和截止。用外部中斷對接收到的信

104、號進行計數(shù)。碼盤形狀及安裝如圖3-14所示：</p><p>　　圖3-15 小車測速碼盤安裝圖</p><p>　　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計小巧，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

105、小車車體上，非常方便。</p><p><b>　　圖</b></p><p>　　3-16 U型紅外光電傳感器外觀及尺寸圖</p><p>　　下圖3-17為黑線傳感器的電路連接圖：</p><p>　　圖3-17 U型紅外光電傳感器電路連接圖</p><p>　　紅線接電源VCC，黑線接地，黃

106、線為信號輸出端，外接1K上拉電阻后接VCC作為負載。輸出信號與單片機外部中斷端口相連。</p><p>　　小車電機是經(jīng)過兩級齒輪減速的：</p><p>　?。?）齒輪③是直接安裝在電機輸出軸上的。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。 </p><p>　?。?）齒輪②連接的是齒輪①，齒

107、輪①的外齒也是50。這樣齒輪②和齒輪①組成的第二級減速比就是10/50。 </p><p>　　（3）整個減速比就是：（8/50）*（10/50）=8/250。即電機轉(zhuǎn)動 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力。 </p><p>　　將測速碼盤安裝在電機輸出軸上，它的分辨率為 1/6，轉(zhuǎn)換到最終級輸出就是，電機轉(zhuǎn)動一轉(zhuǎn)，橡膠輪只轉(zhuǎn)動了 8/(250*6)，即 2/

108、375 圈。所以測量出來的轉(zhuǎn)速精度是非常高的。圖3-18為小車三級齒輪安裝示意圖：</p><p>　　圖3-18 智能小車三級齒輪安裝示意圖</p><p>　　使用U型紅外光電傳感器配合光電碼盤進行檢測，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。電機旋軸轉(zhuǎn)動，帶動測速碼盤轉(zhuǎn)動，測速碼盤上刻有許多狹縫，碼盤轉(zhuǎn)動時發(fā)射光透過狹縫被接受元件接受

109、，光電開關(guān)就會不斷地發(fā)生導通和截止。這樣在光電開關(guān)的輸出端就會得到脈沖，用計數(shù)器對接受到的信號進行計數(shù)。</p><p>　　圖3-18 U型紅外光電傳感器測速原理圖</p><p>　　用這種方案能很精確的算出小車已經(jīng)走過的距離,經(jīng)單片機內(nèi)部運算計算出小車的實時速度。U型紅外光電傳感器每檢測到1個脈沖信號，小車即轉(zhuǎn)過 2/375 圈。具體算法如下：</p><p>

110、;　　小車里程=( 脈沖個數(shù)*2/375 ) *小車車輪周長 [1]</p><p>　　小車速度=[ ( 脈沖A-脈沖B )/375 ] [2] </p><p>　　式[2]中脈沖B為2秒前測得脈沖個數(shù)，脈沖A為當前脈沖個數(shù)。經(jīng)單片機運算后得到的小車運行速度為每2秒刷新一次。</p><p&g

111、t;　　3.5 液晶顯示設計</p><p>　　金鵬公司生產(chǎn)的OCMJ4X8C型128 x64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 個中文字型(16x16 點陣)，顯示數(shù)據(jù)RAM提供64x2個字節(jié)的空間，最多可以控制4行16字（64個字）的中文字型顯示。所有的功能，包含顯示RAM，字型產(chǎn)生器，都包含在一個芯片里面，只要一個最小的微處理系統(tǒng)，就可以方便操作模塊