【正文】 制，小車應(yīng)在距障礙物40CM的范圍內(nèi)做出反應(yīng)，這樣在順利繞過障礙物后，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)生對障礙物的判斷失誤；范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實(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障礙物。該傳感器能非常準(zhǔn)確地測出障礙物的存在，但價格高，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障礙物。超聲波傳感器安裝于小車前端，在規(guī)定的檢測距離內(nèi)，當(dāng)探測到障礙物時，超聲波傳感器給出脈沖信號至單片機(jī)，單片機(jī)檢測到該信號后，調(diào)整小車的方向，以控制小車準(zhǔn)確地繞過障礙物，而且避免因小車自然轉(zhuǎn)彎而導(dǎo)致的盲目方向控制。這樣不但能準(zhǔn)確完成測量，而且能避免電路的復(fù)雜性。同時，超聲波傳感器具有頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點(diǎn)。超聲波對液體、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)或分界面會產(chǎn)生顯著反射，形成回波，碰到活動物體能產(chǎn)生多普勒效應(yīng)。因此超聲波檢測廣泛應(yīng)用在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等方面[6]。智能電動小車應(yīng)以準(zhǔn)確、智能見優(yōu)，因此采用方案二。 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，在尋找光源時根據(jù)每個定位器接收到的光線強(qiáng)弱（有無）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，要么是難以檢測到光源的方向。方案二、利用由光敏電阻組成的光控開關(guān)電路。利用光敏電阻阻值隨光強(qiáng)弱變化的特性組成光控開關(guān)電路，檢測光源。光敏電阻是用光電導(dǎo)體制成的光電器件，又稱光電管，它是基于半導(dǎo)體內(nèi)光電效應(yīng)工作的。當(dāng)無光照射時，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范圍的光照時，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，因此在自動化技術(shù)中得到了廣泛的應(yīng)用【7】。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。 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)行動態(tài)顯示即可達(dá)到要求。其優(yōu)點(diǎn)是價格便宜，壽命長。缺點(diǎn)是只能顯示0～9的數(shù)字和一些簡單的字符，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，接口簡單，不但可以顯示數(shù)字、字符，而且可以顯示漢字和圖形，因此在袖珍儀表、醫(yī)療儀器、分析儀器及低功耗便攜式儀器中，LCD已成為一種占主導(dǎo)地位的顯示器件【8】。因此，本設(shè)計(jì)采用方案二。 測量里程模塊方案一、通過測試得出小車平均速度v，在行駛過程中將行駛時間與其乘積t*v作為駛過的里程。但該方案受電池電量、路面介質(zhì)等因素的影響，在大多數(shù)情況下均暴露出誤差較大的缺點(diǎn)。故不予采用。方案二、采用開關(guān)式霍爾元件。在車輪上安裝小磁鋼，將霍爾開關(guān)器件安裝在固定軸上。當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時,磁鋼也跟著轉(zhuǎn)動,霍爾元件感應(yīng)到磁場的變化時,就會產(chǎn)生通斷效果,使單片機(jī)的輸入端產(chǎn)生高低電平的變化,從而使其計(jì)數(shù)小車車輪轉(zhuǎn)的圈數(shù),假設(shè)為N,并設(shè)車輪的周長為L,通過S=N*L,就可以計(jì)算出小車在一段時間內(nèi)的里程。霍爾元件由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到實(shí)用和發(fā)展，被廣泛用于電流、磁場、位移、壓力等物理量的測量。同時，霍爾元件具有體積小，頻率響應(yīng)寬度大，動態(tài)特性好，抗干擾能力強(qiáng)，對外圍電路要求簡單，使用壽命長，價格低廉等特點(diǎn)，安裝也較為方便【7】。只要磁鋼在后輪上的位置足夠精確，霍爾開關(guān)固定牢靠，就可以獲得較好的測試效果。方案三、采用透射式光電開關(guān)。在齒輪箱中安裝透射式光電開關(guān)，測出變速齒輪的每秒轉(zhuǎn)速，用變速比和車輪周長計(jì)算出線速度，積分求行駛里程。但在齒輪箱中使用光電開關(guān)，要求有足夠的安裝位置，不能影響傳動機(jī)構(gòu)的機(jī)械動作。通過比較上述方案的優(yōu)缺點(diǎn)，綜合多方面因素決定選用方案二。 電動機(jī)驅(qū)動模塊方案一、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)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時，通過電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大，對于小車的長時間運(yùn)行不利。方案二、采用繼電器控制電機(jī)。采用繼電器對電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制。,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高【1】。方案三、采用H型脈沖寬度調(diào)制（PWM）全橋式驅(qū)動電路。通過PWM脈寬調(diào)制的方法,實(shí)現(xiàn)對小車速度的控制。這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，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、制動和反轉(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單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制。這種驅(qū)動電路可以很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。為了電路設(shè)計(jì)簡單，采用電機(jī)專用驅(qū)動芯片L298N，其驅(qū)動電流大，瞬時電流最高可達(dá)2A，為電機(jī)驅(qū)動專門設(shè)計(jì)，工作穩(wěn)定可靠。完全滿足設(shè)計(jì)要求[9]。綜合三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，決定選擇方案三。第3節(jié) 系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)單片機(jī)（SCM）是單片微型計(jì)算機(jī)（Single Chip Microputer）的簡稱。它是把中央處理器CPU、隨機(jī)存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時/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)成一個完整的微型計(jì)算機(jī)。隨著SCM在技術(shù)上、體系上不斷擴(kuò)展其控制功能，國際上已經(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。但存儲量小，輸入輸出適配器簡單，功能較低。目前，單片機(jī)在民用和工業(yè)測控領(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，AT89C51在我國非常流行，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擦寫（電擦寫），使用起來比較方便【10】。一個單片機(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/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，必須在片外進(jìn)行擴(kuò)展，選擇適當(dāng)?shù)男酒?，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電路。二是系統(tǒng)配置，既要按照系統(tǒng)功能要求配置外圍設(shè)備，如鍵盤顯示器﹑打印機(jī)﹑A/D﹑D/A轉(zhuǎn)換器等，又要設(shè)計(jì)合適的接口電路。本系統(tǒng)采用AT89C51單片機(jī)作為中央處理器。其主要任務(wù)是在小車行走過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，來控制小車行走，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)送顯示單元動態(tài)顯示。 在本系統(tǒng)中，AT89C51單片機(jī)的P1口用于LCD1602顯示，、，、。，，從而達(dá)到測量里程的目的。3．1 檢測軌跡電路 軌跡探測電路根據(jù)反射接收原理配置了一對紅外線發(fā)射、接收傳感器。該電路包括一個紅外發(fā)光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。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的紅外線后導(dǎo)通，發(fā)出一個電平跳變信號。當(dāng)小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線信號， 經(jīng)白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，輸出低電平，經(jīng)LM306電壓比較器送單片機(jī)控制。當(dāng)小車行駛到黑色引導(dǎo)線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，輸出高電平，從而實(shí)現(xiàn)了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機(jī)I/O口，當(dāng)I/O口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導(dǎo)線吸收了，表明小車處在黑色的引導(dǎo)線上；同理，當(dāng)I/O口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。即當(dāng)小車底部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時輸入電平為高電平，反之為低電平[4]。 軌跡探測電路圖為了保證小車沿黑線行駛，采用了兩個檢測器并行排列，左右方向都可以進(jìn)行控制，控制精度得以提高。在小車行走過程中，結(jié)合查詢方式，通過程序控制小車行走軌跡。如果左方向偏離黑線，則右側(cè)的探頭就會檢測到黑線，把信號傳送到單片機(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)的探頭就會檢測到黑線，把信號傳送到單片機(jī)，進(jìn)行處理校正。控制其向左轉(zhuǎn)。從而保證小車沿黑線行駛。電路中的可調(diào)電阻可調(diào)節(jié)靈敏度，以滿足小車在不同光度的環(huán)境中能夠?qū)ほE。由于接收對管裝在車底，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)化為開關(guān)量，便于處理。 檢測金屬片電路電感式接近開關(guān)由三大部分組成：LC振蕩器、開關(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。振蕩器通過傳感器的感應(yīng)面，在其前方產(chǎn)生一個高頻交變的電磁場。當(dāng)外界的金屬性導(dǎo)電物體接近這一磁場，并到達(dá)感應(yīng)區(qū)時，在金屬物體內(nèi)產(chǎn)生渦流效應(yīng)，這個渦流反作用于接近開關(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，即稱之為阻尼現(xiàn)象。這一振蕩的變化，即被開關(guān)的后置電路放大處理并轉(zhuǎn)換為一確定的輸出信號，觸發(fā)開關(guān)并驅(qū)動控制器件，從而達(dá)到非接觸式目標(biāo)檢測之目的。這種接近開關(guān)所能檢測的物體必須是金屬物體。 接近開關(guān)原理框圖在車底中部安裝一個金屬檢測傳感器，將其檢測面對準(zhǔn)運(yùn)行路面，當(dāng)小車通過金屬鐵塊時，輸出端輸出一個高電平信號，將這個高電平信號通過74LS04反相器，將信號用單片機(jī)檢測出來，借此控制電動機(jī)產(chǎn)生相應(yīng)的動作，并聲光提示。圖27 顯示電路 檢測金屬鐵片電路原理圖 檢測障礙物電路采用超聲波傳感器探測障礙物。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)鞲衅鳎梢詫㈦娔苻D(zhuǎn)變成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉(zhuǎn)變成電能，故它分為發(fā)送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報(bào)警器、接近開關(guān)、測距及材料探傷、測厚等。本設(shè)計(jì)應(yīng)用反射式超聲波探測電路探測障礙物。該電路分為超聲發(fā)射電路，超聲接收電路和信號處理電路[12]。（1）超聲發(fā)射電路超聲發(fā)射電路由時基電路555組成，555振蕩電路的頻率可以調(diào)整，調(diào)節(jié)電位器RP1可以將接受超聲傳感器的輸出電壓調(diào)至最大，通?？烧{(diào)至40kHz。 超聲波發(fā)射電路該電路用到時基電路LM555。 LM555 時基電路內(nèi)部由分壓器、比較器、觸發(fā)器、輸出管和放電管等組成，是模擬電路和數(shù)字電路的混合體。其各個引腳的功能如下：6腳為閥值端（TH），是上比較器的輸入。2腳為觸發(fā)端（TR），是下比較器的輸入。3腳為輸出端（OUT），有0和1兩種狀態(tài)，它的狀態(tài)由輸入端所加的電平?jīng)Q定。7腳為放電端（DIS），是內(nèi)部放電管的輸出，它有懸空和接地兩種狀態(tài)，也是由輸入端的狀態(tài)決定。4腳為復(fù)位端（R），叫上低電平（ ）時可使輸出端為低電平。5腳為控制電壓端(CV )，可以用它來改變上下觸發(fā)電平值。8腳為電源（VCC），1腳為地（GND）。一般可以把 LM555 電路等效成一個大放電開關(guān)的RS 觸發(fā)器。這個特殊的觸發(fā)器有兩個輸入端：閥值端（TH）可看成是置零端 R，高電平有效；觸發(fā)端（TR）可看成是置位端S，低電平有效。它只有一個輸出端OUT，OUT可等效成觸發(fā)器的Q 端。放電端（DIS）可看成由內(nèi)部放電開關(guān)控制的一個接點(diǎn)，放電開關(guān)由觸發(fā)器的反Q端控制：反Q=1時DIS 端接地；反Q=0時DIS端懸空。此外這個觸發(fā)