畢業(yè)設(shè)計(jì)--智能小車(chē)設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　畢 業(yè) 實(shí) 踐</b></p><p>　　類 別 畢業(yè)設(shè)計(jì) </p><p>　　題 目 智能小車(chē)設(shè)計(jì) </p><p>　　完成日期 2012 年 1 月 7 日</p><p><b>　　畢業(yè)實(shí)踐課題及任務(wù)</b

2、></p><p>　　湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)實(shí)踐開(kāi)題報(bào)告書(shū)</p><p>　　電氣工程 系 機(jī)電一體化 專業(yè) </p><p>　　湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)實(shí)踐考核表</p><p>　　電氣工程 系 機(jī)電一體化 專業(yè) </p>

3、<p><b>　　智能小車(chē)設(shè)計(jì)</b></p><p>　　【摘要】智能小車(chē)，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車(chē)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(chē)速控制等模塊組成。</p><p>　　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(cè)技術(shù)、單片機(jī)

4、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(guò)Keil C和PROTEUS的仿真，通過(guò)實(shí)踐操作與調(diào)試，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)往返小車(chē)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(cè)技術(shù)等。使小車(chē)能在無(wú)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(wú)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(chē)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

5、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。</p><p>　　系統(tǒng)軟件主要由A/D轉(zhuǎn)換、LED動(dòng)態(tài)顯示、看門(mén)狗定時(shí)器、鍵盤(pán)掃描、定時(shí)中斷、繼電器驅(qū)動(dòng)、開(kāi)關(guān)機(jī)等一些模塊構(gòu)成。在具體設(shè)計(jì)中，詳細(xì)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(jìn)行編譯和仿真的。</p><p>　　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(cè)器進(jìn)行檢測(cè)信號(hào)和循線運(yùn)

6、動(dòng)。運(yùn)用單片機(jī)的運(yùn)算和處理能力來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)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)。</p><p>　　【關(guān)鍵詞】SST單片機(jī)，自動(dòng)控制，電動(dòng)小車(chē)， 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(shè)計(jì)背景…………………………………………………………………………………11</p><p>　　1.2 設(shè)計(jì)概述…………………………………………………………………………………11</p&g

8、t;<p>　　1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)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(chē)車(chē)體選擇……………………………………………………………………………13</p><p>　　2.2 主控單片機(jī)……

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

10、…14</p><p>　　2.3.1 采用步進(jìn)電機(jī)…………………………………………………………………14</p><p>　　2.3.2 采用直流電機(jī)…………………………………………………………………14</p><p>　　2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(cè)模塊…………………………………………………………..…16&l

12、t;/p><p>　　2.6.1 采用對(duì)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(cè)速及里程計(jì)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(jì)時(shí)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(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)……………………………………………………………..……19</p><p>　　3.1 主控單片機(jī)功能設(shè)計(jì)……………………………

15、…………………………….…19</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)………………………….…………………………………19</p><p>　　3.1.2 單片機(jī)引腳鎖定……………………………………………………………20</p><p>　　3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)……………………………………………….……………………22</p><p&

16、gt;　　3.3 PWM調(diào)速控制設(shè)計(jì)………………………………………. ……………………………23</p><p>　　3.4 傳感器設(shè)計(jì)…………………………………..……………………………………………26</p><p>　　3.4.1 黑線檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)……………………………………….………………26</p><p>　　3.4.2 測(cè)速、里程計(jì)量傳感器設(shè)計(jì)………

17、………………………………………31</p><p>　　3.5 液晶顯示功能設(shè)計(jì)………………………………………………....……………………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(xiàn) ……………………………………………………………………….…………………39</p><p>　　附錄 …………………………………………………………………....……………………………40</p><p><b>　　前 言</b></p><p>　　伴隨著現(xiàn)代汽車(chē)行業(yè)的飛速

19、發(fā)展，作為汽車(chē)的電子控制系統(tǒng)也勢(shì)必得到更大的發(fā)展機(jī)會(huì)，以滿足人們對(duì)汽車(chē)的安全性、智能化的要求，本文對(duì)智能往返小車(chē)自動(dòng)控制系統(tǒng)的研究是對(duì)一些問(wèn)題的初步思考。</p><p>　　智能小車(chē)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(chē)就是這種綜合體的一種嘗試。小車(chē)以單片機(jī)為核心，

20、附以外圍電路，采用光電檢測(cè)器進(jìn)行檢測(cè)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(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的自動(dòng)加速、限速、減速、前進(jìn)、后退和金屬傳感器檢測(cè)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)。</p><p>　　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(chē)。小車(chē)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(chē)位置

21、離起跑線和終點(diǎn)線偏差應(yīng)最小。在限速區(qū)小車(chē)往返均要求以低速通過(guò)，通過(guò)時(shí)間不得少于8秒，且不允許在限速區(qū)內(nèi)停車(chē)。</p><p>　　智能小車(chē)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(chē)在行駛過(guò)程中對(duì)跑道上的黑線能夠自動(dòng)檢測(cè)與識(shí)別，通過(guò)對(duì)視覺(jué)信息的處理確定小車(chē)與跑道的相對(duì)位置關(guān)系，通過(guò)執(zhí)行機(jī)構(gòu)調(diào)整小車(chē)與跑道的相對(duì)位置，使小車(chē)在賽道中心準(zhǔn)確穩(wěn)定行駛的同時(shí)又兼顧車(chē)速，盡量縮短往返時(shí)間，從而達(dá)到“穩(wěn)”和“快”的協(xié)調(diào)。

22、智能小車(chē)采用一塊SST89E516RD單片機(jī)作為其檢測(cè)和控制核心。選用SGS-THOMSON Microelectronics 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(chē)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(cè)、車(chē)速和距離檢測(cè)使用電感式接近開(kāi)關(guān)金屬傳感器進(jìn)行信號(hào)的采集，接近開(kāi)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(chē)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(chē)在無(wú)人控制狀態(tài)下實(shí)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(yùn)行的時(shí)間、路程并實(shí)時(shí)更新速度顯示。</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p><b>　　1.1 設(shè)計(jì)背景</b></p><p>　　隨著智能機(jī)器人技術(shù)、汽車(chē)工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于智能小車(chē)的研究也就越來(lái)越受人關(guān)注。全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車(chē)

24、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。智能小車(chē)，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車(chē)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(chē)速控制等模塊組成。</p><p>　　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(chē)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(chē)等功能。&l

25、t;/p><p><b>　　1.2 設(shè)計(jì)概述</b></p><p>　　智能小車(chē)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(chē)就是這種綜合體的一種嘗試。</p><p>　　自動(dòng)往返電動(dòng)小汽車(chē)是指小車(chē)能夠在跑道上自動(dòng)往返行駛，無(wú)須人的操作。小車(chē)從起跑線出發(fā)后自動(dòng)行駛到終

26、點(diǎn)，并能在終點(diǎn)停車(chē)一段時(shí)間，然后返回起點(diǎn)。同時(shí)小車(chē)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(chē)載控制系統(tǒng)。電動(dòng)小車(chē)能夠根據(jù)題目要求在直線方向上完成調(diào)速、急剎車(chē)、停車(chē)、倒車(chē)返回等各種運(yùn)動(dòng)形式。這輛小車(chē)還可以通過(guò)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(yǔ)言編程算法進(jìn)行速度調(diào)節(jié)，經(jīng)過(guò)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。</p>

27、<p>　　本系統(tǒng)主要采用C語(yǔ)言編程算法進(jìn)行速度調(diào)節(jié)。通過(guò)C語(yǔ)言編程控制和PWM脈寬調(diào)制技術(shù)的結(jié)合，提高了對(duì)小車(chē)位置的控制精度，并且實(shí)現(xiàn)了低速段車(chē)速的恒速控制。</p><p>　　1.3 設(shè)計(jì)任務(wù)和主要內(nèi)容</p><p>　　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(chē)，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。&

28、lt;/p><p>　　1. 小車(chē)從起跑線出發(fā)（出發(fā)前，車(chē)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(chē)返回）。往返一次的時(shí)間應(yīng)力求最短（從合上汽車(chē)電源開(kāi)關(guān)開(kāi)始計(jì)時(shí)）。</p><p>　　2. 到達(dá)終點(diǎn)線和返回起跑線時(shí)，停車(chē)位置離起跑線和終點(diǎn)線偏差應(yīng)最小（以小車(chē)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(cè)量值）。</p><p>　　3.

29、 D～E間為限速區(qū)，小車(chē)往返均要求以低速通過(guò)，通過(guò)時(shí)間不得少于8秒，但不允許在限速區(qū)內(nèi)停車(chē)。</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(chē)跑道頂視圖</p><p>　　各路段行駛速度要求：</p><p>　　BD段：小車(chē)全速前進(jìn)。</p><p>　　DE段：首先以最快的速度減速，并同時(shí)開(kāi)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(kāi)始加速并沖出此段區(qū)間。</p

31、><p>　　EF段：小車(chē)全速前進(jìn)。</p><p>　　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(chē)中間的傳感器探測(cè)出黑線時(shí)便立即停車(chē)。</p><p><b>　　系統(tǒng)方案論證與分析</b></p><p>　　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(cè)模塊、測(cè)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(chē)車(chē)體選擇</p><p>　　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(jìng)賽小車(chē)”散件車(chē)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(jiǎn)單等諸多特點(diǎn)。</p><p>　　該小車(chē)車(chē)體套件具備功能如下： </p><p>　

33、?。?）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 </p><p>　　（2）配置了測(cè)速碼盤(pán)（安裝在第一級(jí)輸出），提高了轉(zhuǎn)速測(cè)量精度 </p><p>　?。?）配備開(kāi)關(guān)量轉(zhuǎn)速測(cè)量傳感器接口 </p><p>　?。?）配備了外部電源接口和電池盒接口，方便了小車(chē)用電選擇 </p><p>　?。?）保留了萬(wàn)向輪固定孔，四

34、輪車(chē)可以方便改裝為三輪車(chē)</p><p>　　（6）為單片機(jī)控制板預(yù)留了電源和控制端口</p><p>　?。?）保留了 DIY競(jìng)賽小車(chē)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</p><p>　　2.2 主控單片機(jī)</p><p>　　2.2.1 采用凌陽(yáng)16位單片機(jī)<

35、;/p><p>　　采用凌陽(yáng)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(jiǎn)單、具有語(yǔ)音處理、運(yùn)算速度快等優(yōu)點(diǎn)，但考慮到對(duì)這個(gè)方案采用的微處理器并不熟悉，使用起來(lái)并不是很方便，這對(duì)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(méi)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。</p><p>　　采用SST89E516RD單片機(jī)</p&g

36、t;<p>　　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(kāi)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(shí)Block1存儲(chǔ)區(qū)燒寫(xiě)SoftICE仿真監(jiān)控程序。</p

37、><p>　　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(guò)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(xiě)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Keil C實(shí)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(shè)計(jì)的主控單片機(jī)芯片。</p><p><b>　　2.3 電機(jī)模塊</b></p><p>　　2.3.1 采用步進(jìn)電機(jī)</p><p>　　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(chē)前進(jìn)距離和位置的精確定位。步進(jìn)

39、電機(jī)是將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榻俏灰苹蚓€位移的開(kāi)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(guò)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(wú)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(lái)控制變的非常的簡(jiǎn)單。</p><p>　　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

40、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(chē)等對(duì)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(jī)</b></p><p>　　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(jiǎn)單，使用方便，電機(jī)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(shí)現(xiàn)通過(guò)單片機(jī)對(duì)直流減速電機(jī)前進(jìn)、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(jī)作為自動(dòng)往返電動(dòng)小車(chē)的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。</p><p>　　2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊</p><p>　　小車(chē)運(yùn)行過(guò)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]

42、 </p><p><b>　　[1]</b></p><p>　　n :電樞轉(zhuǎn)速, Uα :電機(jī)端電壓, Iα :電機(jī)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>　　（1）改變電機(jī)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(shí)的轉(zhuǎn)速公式[2]為: </p><p><b>　　[2]</b></p><p>　　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)

44、調(diào)節(jié)電阻Rtj并不方便、實(shí)用。因此，主要選擇通過(guò)改變電機(jī)兩端電壓的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的調(diào)速控制。</p><p>　　下面是通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)兩端電壓達(dá)到調(diào)速目的的三種方案：</p><p>　　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(wèn)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)

45、困難。</p><p>　　方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)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。這個(gè)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、機(jī)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(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(kāi)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。

46、H型電路保證了可以簡(jiǎn)單的實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。電子開(kāi)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-THOMSON Microelectronics所出產(chǎn)的雙全橋步進(jìn)電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片(Dual Full-Bridge Driver) ，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)

47、，輸出電壓最高可達(dá)50V?？梢灾苯油ㄟ^(guò)電源來(lái)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(jiǎn)單，使用比較方便。</p><p>　　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

48、驅(qū)動(dòng)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(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(jiǎn)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

49、，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。</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(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。</p><p>　　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

50、能，故采用12V蓄電池為L(zhǎng)298N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4．5～7 V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(jiǎn)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(cè)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。</p

51、><p>　　基于以上分析,小車(chē)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(cè)模塊</b></p><p>　　探測(cè)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(chē)子是否到達(dá)黑線。</p><p>　　采用集成電路技術(shù)制造的新一代

52、光電開(kāi)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(kāi)關(guān)采用脈沖調(diào)制的主動(dòng)式光電探測(cè)系統(tǒng)，可在物位檢測(cè)、速度檢測(cè)、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(lái)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(jiǎn)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(cè)。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(duì)路面情況作簡(jiǎn)單的黑白判別，檢測(cè)距離有

53、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(duì)其造成干擾。在本次比賽中，賽道只有黑白兩種顏色，小車(chē)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(guò)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(kāi)關(guān)按檢測(cè)方式可分為對(duì)射式和反射式兩種。</p><p>　　2.6.1 采用對(duì)射式紅外光電傳感器</p><p>　　用可見(jiàn)

54、發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射－接收分立對(duì)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(duì)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(cè)裝置很不方便，故無(wú)法應(yīng)用對(duì)射式光電開(kāi)關(guān)探測(cè)跑道標(biāo)志，只能采用反射式光電開(kāi)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(jiàn)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(duì)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。</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(hào)，可以減少環(huán)境光源的直流分量的干擾。考慮到環(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

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(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。</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(chē)的底部檢測(cè)黑線，擬采用經(jīng)脈沖調(diào)制的反射式紅外傳感器檢測(cè)路面黑線。</p><p>　　2.7 測(cè)速及里程計(jì)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(dāng)磁鋼正對(duì)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?chē)輪上安裝磁鋼，而將霍爾集成片安裝在固定軸上，通過(guò)對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行車(chē)速測(cè)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(jiǎn)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(chē)輪上貼上白紙黑條，當(dāng)作光電編碼盤(pán)，當(dāng)車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用紅外傳感器對(duì)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(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。</p><p>　　碼盤(pán)形狀如圖2-2所示： </p><p>　　圖2-2 測(cè)速碼盤(pán)</p><p>　　以上兩種都是比較可行的轉(zhuǎn)速測(cè)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(chē)的車(chē)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(chǎng)合，可以車(chē)輪上加較多的黑線來(lái)滿足脈沖計(jì)數(shù)的精度要求，因此擬采用方案二。</p><p><b>　　2.8 計(jì)時(shí)模塊</b></p><p>　　對(duì)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)

60、現(xiàn)系統(tǒng)的總計(jì)時(shí)和倒計(jì)時(shí)功能，而且可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件，雖然定時(shí)時(shí)間沒(méi)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。</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(jiǎn)單、價(jià)格便宜、調(diào)試方便、軟件實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易等

61、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(chē)運(yùn)行時(shí)間、速度、路程等內(nèi)容。LED數(shù)碼管無(wú)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(kù)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

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(yīng)用，因此我們選擇此方案。</p><p>　　通過(guò)以上方案論述我們選擇方案二，顯示小車(chē)運(yùn)行時(shí)各個(gè)測(cè)量參數(shù)的任務(wù)。</p><p>　　第三章 智能小車(chē)系統(tǒng)設(shè)計(jì)</p><p>　　3.1 主控單片機(jī)功能設(shè)計(jì)</p><p>　　智能小車(chē)系統(tǒng)的核心模塊即為主控單片機(jī)

63、。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(duì)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Flas

64、hFlex51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。</p><p>　　芯片內(nèi)部帶有72Kbyte的片內(nèi)FLASH EEPROM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（BOOT STRAP LOADER）的代碼，通過(guò)IAP 操作，實(shí)現(xiàn)開(kāi)始的用戶程序代碼燒錄和以后的用戶代碼升級(jí)。CHIP-ERA

65、SE 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Keil C實(shí)現(xiàn)SoftICE在線仿真調(diào)試功能。</p><p>　　故本次畢業(yè)設(shè)計(jì)選用SST89E516RD作為智能小車(chē)主控單片機(jī)。</p><p>　　3.1.1 單片機(jī)硬件結(jié)構(gòu)</p><p>　　SST89E516RD單片機(jī)是

66、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(guò)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(duì)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(gè)中斷源，2級(jí)中斷優(yōu)先

67、權(quán)。</p><p>　　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。</p><p>　　3．串行口：1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式?？捎脕?lái)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。</p><p>　　4．P1口、P2口、P3口、P4口為4個(gè)并行8位I/O口。</

68、p><p>　　圖3-1為單片機(jī)的功能方框圖：</p><p>　　圖3-1 SST89E516RD功能方框圖</p><p>　　由上可見(jiàn)，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(zhǎng)處。豐富的外部中斷、I/O口資源滿足智能小車(chē)的各種控制需求。</p><p>　　3.1.2 單片

69、機(jī)引腳鎖定</p><p>　　SST89E516RD單片機(jī)具有豐富的I/O口資源和外部中斷。小車(chē)運(yùn)行過(guò)程中需要實(shí)時(shí)進(jìn)行黑線探測(cè)和測(cè)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(chē)檢測(cè)到黑線或測(cè)速傳感器檢測(cè)到車(chē)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(lái)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

70、實(shí)現(xiàn)二級(jí)中斷嵌套）。</p><p>　　P3.2，P3.3作為兩個(gè)外部中斷端口，可分別用來(lái)檢測(cè)黑線和測(cè)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(qǐng)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：</p><p>　　圖3-2 外部中

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

72、

73、 </p><p>　　P2口是一個(gè)多功能的八位口，可以字節(jié)訪問(wèn)也可以位訪問(wèn)，其字節(jié)訪問(wèn)地址為A0H，位訪問(wèn)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?jī)?chǔ)存器讀/寫(xiě)選通期間，輸出的高八位地址是鎖存的，故無(wú)需外加地址鎖存器。由于P2口作為輸出端口，無(wú)需外接地址鎖存器，連接電路簡(jiǎn)單，因此，將P2口引腳作為小車(chē)行進(jìn)狀態(tài)控制端，控制小車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片工作

74、在不同方式下。</p><p>　　下圖3-3為控制小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)的引腳鎖定及流程圖：</p><p>　　圖3-3 小車(chē)運(yùn)行控制引腳鎖定及流程框圖</p><p>　　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</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(chē)的運(yùn)行狀態(tài)。</p><p>　　表3-1 小車(chē)運(yùn)行狀態(tài)表</p><p>　　3.2 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制設(shè)計(jì)</p><p>　　智能小車(chē)區(qū)別于普通的電動(dòng)玩具小車(chē)的最大特點(diǎn)是：可以智能調(diào)節(jié)小車(chē)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

76、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(guò)輸出端口控制電機(jī)迅速作出相應(yīng)動(dòng)作。</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用PWM調(diào)速技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)向、調(diào)速控制，因?yàn)樵O(shè)計(jì)的電動(dòng)小車(chē)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。</p><p>　　圖3-4 L298N Multiwatt封裝外形圖</p><p>　　經(jīng)過(guò)之前論證分析后，決

77、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(jiàn)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。可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓，可

78、以直接用單片機(jī)的IO口提供信號(hào)，而且電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。</p><p>　　圖3-5 電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制流程圖</p><p>　　通過(guò)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)。</p><p>　　3.3 PWM調(diào)速控制設(shè)計(jì)</p><p>　　本設(shè)計(jì)采用的是基于P

79、WM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：</p><p>　　圖3-6 H型驅(qū)動(dòng)模塊原理圖</p><p>　　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

80、向電流，通過(guò)四個(gè)保護(hù)二極管 D1、D2、D3、D4 接入回路，防止電子開(kāi)關(guān)被反向擊穿。 </p><p>　　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(duì)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(chē)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

81、平穩(wěn)，控制效果較佳。</p><p>　　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： </p><p><b>　　[1]</b></p><p>　　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)

82、轉(zhuǎn)。 </p><p>　　當(dāng)電機(jī)穩(wěn)定開(kāi)動(dòng)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(chē)的速度與脈寬成正比。 </p><p>　　由上述分析，U1、U2這對(duì)控制電壓采用了1000Hz 的周期信號(hào)控制，通過(guò)對(duì)其占空比的調(diào)整，對(duì)車(chē)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。同時(shí)，可以通過(guò)U1、U2的切換來(lái)控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。對(duì)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(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速功能。</p><p&g

84、t;　　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。</p><p>　　下圖3-7為Mutiwatt15封裝形式的L298驅(qū)動(dòng)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(hào)及功能表</p><p>　　下圖3-8為L(zhǎng)298驅(qū)動(dòng)小車(chē)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(lái)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。</p&g

86、t;<p>　　圖3-8 L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)PROTEUS仿真圖</p><p>　　在編寫(xiě)完成Keil C調(diào)速、轉(zhuǎn)向程序，與PROTEUS軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真后，通過(guò)單片機(jī)SoftICE方式在線調(diào)試。 經(jīng)多次實(shí)際測(cè)試，采用PWM技術(shù)進(jìn)行小車(chē)調(diào)速、轉(zhuǎn)向操作具有如下優(yōu)點(diǎn)：</p><p><b>　　（1）電流一定連續(xù)</b></p><p&

87、gt;　　（2）可使電動(dòng)機(jī)在四象限中運(yùn)行</p><p>　?。?）電機(jī)停止時(shí)有微振電流，能消除靜摩擦死區(qū)</p><p>　　（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</p><p>　?。?）低速平穩(wěn)性好，調(diào)速范圍較大</p><p>　　3.4 傳感器設(shè)計(jì)</p><p>　　電動(dòng)小車(chē)

88、在行進(jìn)過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車(chē)車(chē)路轉(zhuǎn)速、里程及黑線檢測(cè)。當(dāng)小車(chē)偏離跑道時(shí)啟用偱線程序，使小車(chē)做出微調(diào)，保持直線行走。每當(dāng)檢測(cè)到標(biāo)志黑線即作出相應(yīng)動(dòng)作反應(yīng)，如降速、停車(chē)、倒車(chē)返回等動(dòng)作。通過(guò)測(cè)速傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)小車(chē)運(yùn)行速度、里程，這些都離不開(kāi)傳感器的設(shè)計(jì)。 </p><p>　　3.4.1 黑線檢測(cè)傳感器設(shè)計(jì)</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(dāng)有被檢測(cè)物體經(jīng)過(guò)時(shí)，物體將光電開(kāi)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(kāi)關(guān)就產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)信號(hào)。當(dāng)被檢測(cè)物體的表面光亮或其反光率極高時(shí)，漫反射式的光電開(kāi)關(guān)是首選的檢測(cè)模式。</p><p>　　如圖3-9所示。由實(shí)驗(yàn)器材室提供的黑白線檢測(cè)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(cè)。有效探測(cè)距離達(dá) 5cm。這款黑白線傳感器受可見(jiàn)光干擾小，輸出信號(hào)為開(kāi)關(guān)量，信號(hào)處理較

90、簡(jiǎn)單，可以廣泛應(yīng)用于機(jī)器人尋跡、智能小車(chē)偱線等場(chǎng)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(shuō)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(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。</p><p>　　在實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)黑線傳感器在白紙上探測(cè)時(shí)，萬(wàn)用表測(cè)試電壓顯示為3.75V，當(dāng)檢測(cè)到黑線時(shí)，測(cè)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(cè)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，&l

92、t;/p><p>　　其跳變?yōu)?.02V。</p><p>　　因?yàn)楹诰€傳感器輸出不是標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)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。</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(jī)外部中斷。</p><p><b>　　路面標(biāo)志黑線檢測(cè)</b></p><p>　　如圖3-11所示，跑道上共有6條黑線，小車(chē)每檢測(cè)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。</p><p>　　A B C

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

95、 倒車(chē)返回7</p><p>　　圖3-11 小車(chē)跑道黑線分布圖</p><p>　　使用單片機(jī)外部中斷端口進(jìn)行黑線檢測(cè)，端口初始化為高電平。當(dāng)黑線傳感器檢測(cè)到黑線時(shí)，端口變?yōu)榈碗娖?，開(kāi)中斷0，黑線計(jì)數(shù)加1。C語(yǔ)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(cè)計(jì)數(shù)</p><p><b>　　}</b></p><p>　　接通小車(chē)的電源開(kāi)關(guān)后，小車(chē)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)。在到達(dá)限速區(qū)之前以全速行駛，當(dāng)檢測(cè)到第3條黑線的時(shí)候開(kāi)始減速，同時(shí)對(duì)小車(chē)進(jìn)行測(cè)速，當(dāng)?shù)陀谧畹退俣葧r(shí)，加速一段時(shí)間，然后繼

97、續(xù)減速前進(jìn)。如果通過(guò)限速區(qū)的時(shí)間超過(guò)8S，或者檢測(cè)到第4條黑線，則開(kāi)始全速行駛。當(dāng)檢測(cè)到5條黑線時(shí)又開(kāi)始減速行駛，到第6條黑線時(shí)停車(chē)。10秒鐘后，同前面過(guò)程原路返回。</p><p>　　總的小車(chē)程序設(shè)計(jì)流程圖如圖3-12所示：</p><p>　　圖3-12 小車(chē)程序設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　當(dāng)黑線計(jì)數(shù)為12時(shí)，即小車(chē)到達(dá)終點(diǎn)線。當(dāng)小車(chē)前面的黑線傳感器檢測(cè)到

98、要停車(chē)壓線的黑線時(shí)，延時(shí)，再檢測(cè)，如果沒(méi)檢測(cè)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(cè)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(chē)停車(chē)，并停止行駛時(shí)間計(jì)時(shí)和速度、里程測(cè)量。</p><p><b>　　C語(yǔ)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(dòng)t1,小車(chē)行駛時(shí)間計(jì)時(shí)、測(cè)速、里程測(cè)量開(kāi)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(chē)行駛時(shí)間計(jì)時(shí)停止</p><p><b>　　}</b></p

101、><p><b>　　小車(chē)偱線直行設(shè)計(jì)</b></p><p>　　本設(shè)計(jì)要求小車(chē)沿直線跑道行進(jìn)，但小車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中可能偏離跑道，因此需設(shè)計(jì)偱線程序，保證小車(chē)在偏離跑道后調(diào)整行進(jìn)方向，沿直線行走。</p><p>　　圖3-13 小車(chē)偱線設(shè)計(jì)示意圖</p><p>　　上圖3-13為小車(chē)偱線設(shè)計(jì)中傳感器安放示意圖。在小車(chē)車(chē)體

102、下兩側(cè)分別安裝黑線檢測(cè)傳感器SensorA、SensorB。當(dāng)小車(chē)沿黑線行進(jìn)時(shí)。兩側(cè)傳感器均未檢測(cè)到黑線，都為高電平；當(dāng)小車(chē)左偏時(shí)，小車(chē)右側(cè)傳感器檢測(cè)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(cè)到兩傳感器又為高電平時(shí)，啟動(dòng)直行指令；當(dāng)小車(chē)右偏時(shí)，小車(chē)左側(cè)傳感器檢測(cè)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(cè)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。</

103、p><p>　　圖3-14 小車(chē)偱線設(shè)計(jì)流程圖</p><p>　　3.4.2 測(cè)速、里程計(jì)量傳感器設(shè)計(jì)</p><p>　　采用U型紅外光電傳感器，在電機(jī)轉(zhuǎn)軸上加裝測(cè)速碼盤(pán)，可以在安裝好小齒輪后，將測(cè)速碼盤(pán)安放在小齒輪下，當(dāng)作光電編碼盤(pán)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，利用紅外傳感器對(duì)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(duì)接收到的信

104、號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。碼盤(pán)形狀及安裝如圖3-14所示：</p><p>　　圖3-15 小車(chē)測(cè)速碼盤(pán)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(kāi)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(chē)上，可以使用螺絲或膠水將傳感器固定在智能

105、小車(chē)車(chē)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(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。</p><p>　　小車(chē)電機(jī)是經(jīng)過(guò)兩級(jí)齒輪減速的：</p><p>　?。?）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。 </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(jí)減速比就是10/50。 </p><p>　　（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(chē)橡膠輪只轉(zhuǎn)過(guò) 8圈。大的減速比保證了小車(chē)的動(dòng)力。 </p><p>　　將測(cè)速碼盤(pán)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/

108、375 圈。所以測(cè)量出來(lái)的轉(zhuǎn)速精度是非常高的。圖3-18為小車(chē)三級(jí)齒輪安裝示意圖：</p><p>　　圖3-18 智能小車(chē)三級(jí)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(pán)進(jìn)行檢測(cè)，將碼盤(pán)固定于小車(chē)后輪上，將U型光電開(kāi)關(guān)架于碼盤(pán)之上。光電碼盤(pán)測(cè)距基本原理如圖3-18所示。電機(jī)旋軸轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)測(cè)速碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)，測(cè)速碼盤(pán)上刻有許多狹縫，碼盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)發(fā)射光透過(guò)狹縫被接受元件接受

109、，光電開(kāi)關(guān)就會(huì)不斷地發(fā)生導(dǎo)通和截止。這樣在光電開(kāi)關(guān)的輸出端就會(huì)得到脈沖，用計(jì)數(shù)器對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行計(jì)數(shù)。</p><p>　　圖3-18 U型紅外光電傳感器測(cè)速原理圖</p><p>　　用這種方案能很精確的算出小車(chē)已經(jīng)走過(guò)的距離,經(jīng)單片機(jī)內(nèi)部運(yùn)算計(jì)算出小車(chē)的實(shí)時(shí)速度。U型紅外光電傳感器每檢測(cè)到1個(gè)脈沖信號(hào)，小車(chē)即轉(zhuǎn)過(guò) 2/375 圈。具體算法如下：</p><p>

110、;　　小車(chē)?yán)锍?( 脈沖個(gè)數(shù)*2/375 ) *小車(chē)車(chē)輪周長(zhǎng) [1]</p><p>　　小車(chē)速度=[ ( 脈沖A-脈沖B )/375 ] [2] </p><p>　　式[2]中脈沖B為2秒前測(cè)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(chē)運(yùn)行速度為每2秒刷新一次。</p><p&g

111、t;　　3.5 液晶顯示設(shè)計(jì)</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(kù)， 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