【正文】 難題。為此，我們不采用該種方案，進而提出了第二種設(shè)想。方案二：采用單片機作為整個系統(tǒng)的核心，用其控制行進中的小車，以實現(xiàn)其既定的性能指標。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實現(xiàn)小車的自動控制，而在這一點上，單片機就顯現(xiàn)出來它的優(yōu)勢控制簡單、方便、快捷。這樣一來，單片機就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強大的控制功能及可位尋址操作功能、價格低廉等優(yōu)點。因此，這種方案是一種較為理想的方案。針對本設(shè)計特點多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，需要擅長處理多開關(guān)量的標準單片機，而不能用精簡I/O口和程序存儲器的小體積單片機，D/A、A/D功能也不必選用。根據(jù)這些分析,我選定了AT89C51單片機作為本設(shè)計的主控裝置，51單片機具有功能強大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達8K，對于本設(shè)計也綽綽有余，更可貴的是51單片機價格非常低廉。 電機驅(qū)動模塊方案設(shè)計與論證方案一：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制,缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。方案二：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)節(jié)電動機的分壓，從而達到分壓的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)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的電動機電阻很小，但電流很大，分壓不僅回降低效率，而且實現(xiàn)很困難。方案三：采用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅(qū)動的電路結(jié)構(gòu)和原理簡單，加速能力強，采用由達林頓管組成的 H型橋式電路(如圖22)。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)下，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，H型橋式電路保證了簡單的實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，電子管的開關(guān)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)?，F(xiàn)市面上有很多此種芯片，我選用了L298N。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，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟動、制動和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點。因此決定采用使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。圖22 H橋式電路 顯示模塊方案設(shè)計與論證方案一：采用數(shù)碼管靜態(tài)顯示，一個鎖存器對應(yīng)一個數(shù)碼管。此方案雖然軟件設(shè)計比較簡單，但是硬件設(shè)計相對復(fù)雜，并且用數(shù)碼管進行狀態(tài)顯示很不直觀。方案二：采用數(shù)碼管動態(tài)顯示，利用視覺暫留效應(yīng)，通過對數(shù)碼管進行不停的掃描來產(chǎn)生視覺效果。這樣硬件設(shè)計簡單，但軟件設(shè)計復(fù)雜，并且要占用太多CPU時間。對于本系統(tǒng)來說，由于CPU任務(wù)多，時間資源有限，此方案反而會使系統(tǒng)變得復(fù)雜而且難以調(diào)試。并且用數(shù)碼管顯示不直觀。方案三：為了能直觀的顯示出小車的各種狀態(tài)，這里使用LCD液晶屏顯示這樣不僅能直觀的顯示出小車的運動狀態(tài)，而且能顯示小車的運動模式。軟件部分可以直接調(diào)用液晶屏對應(yīng)的顯示子程序，漢字代碼可以在漢字顯示字庫里查詢，直觀方便。綜上方案，方案三直觀方便， 是我設(shè)計最佳的狀態(tài)顯示方案。 循跡模塊方案設(shè)計與論證方案一：采用簡易光電傳感器結(jié)合外圍電路探測，但實際效果并不理想，對行駛過程中的穩(wěn)定性要求很高，且誤測幾率較大、易受光線環(huán)境和路面介質(zhì)影響。在使用過程極易出現(xiàn)問題，而且容易因為 該部件造成整個系統(tǒng)的不穩(wěn)定。故最終未采用該方案。方案二：采用2只紅外對管，分別置于小車車身前軌道的兩側(cè)，根據(jù)兩只光電開關(guān)接受到白線與黑線的情況來控制小車轉(zhuǎn)向來調(diào)整車向，測試表明，只要合理安裝好兩只光電開關(guān)的位置就可以很好的實現(xiàn)循跡的功能。只不過如果小車運動速度過快，由于慣性的緣故，左右只有一級方向控制傳感器的情況下，不能很好地實現(xiàn)循跡功能，有可能跨國黑線，導(dǎo)致整個設(shè)計所要求的功能不能很好地實現(xiàn)，故未采納此方案。方案三：采用同時在底盤裝設(shè)4只紅外對管，進行兩級方向糾正控制，提高其循跡的可靠性。這4個紅外探測器的具體位置如圖23所示。圖中循跡傳感器共安裝4個，全部在一條直線上。其中R1與L1 為第一級方向控制傳感器， R2 與L2 為第二級方向控制傳感器。小車行走時，始終保持黑線在R1和L1這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑線時，第一級傳感器一旦探測到有黑線，單片機就會按照預(yù)先編定的程序發(fā)送指令給小車的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再對小車路徑予以糾正。若小車回到了軌道上，即4個探測器都只檢測到白紙，則小車會繼續(xù)行走；若小車由于慣性過大依舊偏離軌道，越出了第一級兩個傳感器的探測范圍，這時第二級動作，再次對小車的運動進行糾正，使之回到正確軌道上去。可以看出，第二級方向傳感器實際是第一級的后備保護，從而提高了小車循跡的可靠性。通過比較，我選擇第三種方案來實現(xiàn)循跡功能。 R2L1R1L2圖23 小車底面仰視圖 避障模塊方案設(shè)計與論證方案一：采用一只紅外對管置于小車中央。其安裝簡易，也可以檢測到障礙物的存在，但難以確定小車在水平方向上是否會與障礙物相撞，也不易讓小車做出精確的轉(zhuǎn)向反應(yīng)。方案二：采用二只紅外對管分別置于小車的前端兩側(cè)，方向與小車前進方向平行，對小車與障礙物相對距離和方位能作出較為準確的判別和及時反應(yīng)。但此方案過于依賴硬件、成本較高、缺乏創(chuàng)造性，而且置于小車左方的紅外對管用到的幾率很小，所以最終未采用。方案三：采用超聲波傳感器置于小車右側(cè)，方向與小車前進方向平行，當前方出現(xiàn)障礙物時，超聲波傳感器會收到信號，并將傳給單片機，檢測距離調(diào)整在20cm內(nèi)，即只有在20cm之內(nèi)有障礙時小車才會做出避讓動作，在這個范圍之外的障礙小車不予處理。方案四：采用一只紅外對管置于小車右側(cè)。通過測試此種方案就能很好的實現(xiàn)小車避開障礙物，且充分的利用資源而不浪費。通過比較，我采用方案三。 電源模塊方案設(shè)計與論證方案一：采用實驗室有線電源通過穩(wěn)壓芯片供電，其優(yōu)點是可穩(wěn)定的提供5V電壓，但占用資源過大。方案二：，但6V的電壓太小不能同時給單片機與與電機供電。方案三：。所以，我選擇了方案三來實現(xiàn)供電。 紅外線模塊方案設(shè)計與論證由于在遙控端的按鍵數(shù)目有多個，而紅外通道傳輸?shù)闹荒苁怯?、1組成的串行代碼，所以需要在發(fā)射端對按鍵進行“并串”編碼，在接收端相應(yīng)的要進行“串并”解碼。碼的波特率在收、發(fā)兩端應(yīng)該是一致的。方案一：將紅外碼調(diào)制成38KHZ的脈沖信號通過紅外發(fā)射二極管將紅外碼發(fā)出。不過這些工作都由一塊集成電路完成，自己需要做的是搭建外圍電路，當選定一種型號的發(fā)射IC后只要按照它的說明書上的典型電路搭建就可以了。開始時參照了《電子制作》上的一篇論文，使用的是NEC的upd6121，但是后來發(fā)現(xiàn)這種芯片不是很好買到，即所謂的市場貨源不充足，這是電子制作必須考慮的問題，所以放棄了這款芯片，改選HOTEK的HT6221，他們的性能及其外圍電路幾乎相同。方案二：采用臺灣瑞昱公司生產(chǎn)的專用于遙控車模的CMOS大規(guī)模集成電路TX2/RX2，該編解碼芯片具有5種控制功能，使用方便。TX2的11腳和12腳之間接的電阻決定振蕩頻率；3腳接地；10腳接35V電源；14腳、1腳、4腳、5腳、6腳分別為5路發(fā)射控制端；9腳為發(fā)射指示端，當有按鍵按下時LED1發(fā)光提示；7腳為帶載波的編碼信號輸出端，即編碼信號已經(jīng)內(nèi)調(diào)制到38KHZ的載波上，該腳的信號通過一個NPN型三極管放大后可直接驅(qū)動紅外發(fā)射二極管發(fā)射信號；8腳為不帶載波的編碼信號輸出端。接收電路RX2的4腳和5腳之間接的電阻阻值要和TX2的11腳、12腳間的電阻阻值接近，相差在20%之內(nèi)方可正確的解碼，本設(shè)計中這兩個電阻都選用150KΩ；2腳接地；13腳接35V電源；3腳接輸入信號，由一體化紅外接收頭1838輸出的信號需要加一個反向器才是正確的編碼信號；6腳、7腳、10腳、11腳、12腳為5路遙控命令的輸出端，分別和TX2的5路輸入端的狀態(tài)相對應(yīng)。另外，為了方便操作，可以將TX2的5路功能擴展成9功能，即在遙控發(fā)射端可以接9個按鍵。這是通過對原先的5路輸入進行組合得到的。通過比較，兩種方案都可實現(xiàn)無線遙控功能，不過方案二成本較高，所以選取方案一作為本次設(shè)計最終方案。 本章小結(jié)本章將系統(tǒng)拆分成了若干個功能模塊，并且對系統(tǒng)關(guān)鍵部分進行了方案的分析與選擇。設(shè)計中采用一片AT89C51單片機來實現(xiàn)所有功能，在軟件方面通過對結(jié)構(gòu)的特殊設(shè)計，基本上實現(xiàn)了多任務(wù)并發(fā)運行，并且通過軟件的分層結(jié)構(gòu)將功能實現(xiàn)和具體的硬件分離開，這將給后續(xù)的各模塊軟件的設(shè)計帶來方便。第3章 硬件設(shè)計本設(shè)計采用芯片AT89C51為主控芯片，下面開始介紹其結(jié)構(gòu)特性和引腳功能。 AT89C51簡介AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低電壓，高性能CMOS8位微處理器，俗稱單片機。AT89C2051是一種帶2K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存儲器的單片機。單片機的可擦除只讀存儲器可以反復(fù)擦除100次。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標準的MCS51指令集和輸出管腳相兼容。由于將多功能8位CPU和閃爍存儲器組合在單個芯片中，ATMEL的AT89C51是一種高效微控制器，AT89C2051是它的一種精簡版本。AT89C51單片機為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價廉的方案。AT89C51單片機見圖31。圖31 AT89C51單片機 AT89C51功能部件和特性At89c51單片機具有如下功能部件和特性如下：（1）8位微處理器(CPU)；（2）數(shù)據(jù)存儲器（128B RAM)；（3）程序存儲器（4KB Flash ROM）；（4）4個8位可編程并行I/O口（P0口、P1口、P2口、P3口）；（5）一個全雙工的異步串行口；（6）2個可編程的16位定時器/計數(shù)器；（7）1個看門狗定時器；（8）中斷系統(tǒng)具有5個中斷源、5個中斷向量；（9）特殊功能寄存器（SFR）26個；（10）低功耗節(jié)電模式有空閑模式和掉電模式，且具有掉電模式下的中斷恢復(fù)模式；（11）3個程序加密鎖定位。 AT89C51引腳說明AT89C51的引腳說明如下：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1口：P1口是一個內(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門電流。P1口管腳寫入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，將輸出電流，這是由于內(nèi)部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2口：P2口為一個內(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TTL門電流，當P2口被寫“1”時，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，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口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內(nèi)部上拉優(yōu)勢，當對外部八位地址數(shù)據(jù)存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內(nèi)容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3口：P3口管腳是8個帶內(nèi)部上拉電阻的雙向I/O口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“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，如下所示：P3口管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷0） /INT1（外部中斷1） T0（記時器0外部輸入） T1（記時器1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲器讀選通）P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。RST：復(fù)位輸入。當振蕩器復(fù)位器件時，要保持RST腳兩個機器周期的高電平時間。ALE/PROG：當訪問外部存儲器時，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，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數(shù)據(jù)存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， 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。如果微處理器在外部執(zhí)行狀態(tài)ALE禁止，置位無效。/PSEN：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次/PSEN有效。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時，這兩次有效的/PSEN信號將不出現(xiàn)。/EA/VPP：當/EA保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000HFFFFH），不管是否有內(nèi)部程序存儲器。注意加密方式1時，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當/EA端保持高電平時，此間內(nèi)部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1：片內(nèi)振蕩器反相放大器和時鐘放大器電路的輸出端。當使用片內(nèi)振蕩器時，該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容；當采用外接時鐘源時，該引腳接外部時鐘振蕩器的信號。XTAL2：片內(nèi)振蕩器反相放大器的輸出端。當使用片內(nèi)振蕩器時，該引腳連接外部石英晶體和微調(diào)電容；當采用外部時鐘源時，該引腳懸空。 電機驅(qū)動系統(tǒng) 電機驅(qū)動電路由L298N 構(gòu)成的PWM功率放大器的工作形式為單極可逆模式，PWM電路由四個大功率晶體管組成H橋電路