【正文】 電子設(shè)計(jì)大賽運(yùn)動(dòng)小車追蹤系統(tǒng)運(yùn)作設(shè)計(jì)方案1. 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)（1）制作遙控電動(dòng)小車，具有遙控前進(jìn)、轉(zhuǎn)向、倒車功能，可實(shí)時(shí)顯示小車當(dāng)前運(yùn)動(dòng)速度，并無(wú)線傳輸至遙控器端顯示，速度誤差小于10%。（2）制作小車位置跟蹤節(jié)點(diǎn)，可實(shí)時(shí)測(cè)量小車與已知點(diǎn)距離及速度，測(cè)量 誤差小于10%。 (3)增加小車運(yùn)動(dòng)位置跟蹤節(jié)點(diǎn)，可在平面內(nèi)進(jìn)行位置定位，示意圖如下,定位誤差小于10%。（4）將各小車位置跟蹤節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)傳輸至遙控器并進(jìn)行實(shí)時(shí)位置顯示。2. 方案論證與選擇 單片機(jī)的選定方案一：采用型號(hào)為AT89C52的單片機(jī)作為主控制器，使用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。AT89C52是帶4K字節(jié)閃爍可編程擦除只讀存儲(chǔ)器的低電壓、高性能CMOS8位微處理器。它將多功能8位CPU和閃爍存儲(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，為許多控制提供了靈活性高且價(jià)格低廉的方案[3]。方案二：采用單片機(jī)C8051F060作為主控制器，使用霍爾傳感器進(jìn)行測(cè)量的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速測(cè)量系統(tǒng)。C8051F060系列單片機(jī)是美國(guó)CYGNAL公司推出的一種與51系列單片機(jī)內(nèi)核兼容的單片機(jī)[4]。C8051F060作為新一代8051單片機(jī)，具有功能強(qiáng)大、體積小、工作穩(wěn)定等特點(diǎn)，適用于復(fù)雜控制系統(tǒng)。因此選擇方案一。AT89C52是美國(guó)ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓，高性能CMOS8位單片機(jī)。片內(nèi)含8kbytes的可反復(fù)擦寫的只讀程序存儲(chǔ)器（PEROM）和256bytes的隨機(jī)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ROM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存儲(chǔ)技術(shù)生產(chǎn)，與標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及8052產(chǎn)品引腳兼容，片內(nèi)置通用8位中央處理器（CPU）和Flash存儲(chǔ)單元，功能強(qiáng)大的AT89C52單片機(jī)適合于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合。3. 系統(tǒng)功能模塊的劃分按照設(shè)計(jì)要求，系統(tǒng)可以分為以下幾個(gè)基本功能模塊：電源模塊、紅外發(fā)射模塊、鍵盤模塊、紅外接收模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊以及輔助模塊，超聲波定位模塊等。有些模塊的功能是由硬件完成，有些模塊的功能由軟件完成，有些模塊則是由軟件、硬件共同配合完成。將系統(tǒng)拆分成以上的這些基本功能模塊后，再根據(jù)各個(gè)模塊所要完成的功能分別去設(shè)計(jì)，也就是按照“逐步求精”的思想去設(shè)計(jì)本系統(tǒng)，這將使設(shè)計(jì)工作細(xì)化，也有助于制定進(jìn)度安排。由于系統(tǒng)需要完成的功能較多，遙控設(shè)計(jì)方案一則采用兩片AT89C52單片機(jī)：遙控模塊和接收模塊。方案二則采用一片AT89C52單片機(jī)：接收模塊（主要是對(duì)遙控器進(jìn)行軟件解碼）。所以當(dāng)采用兩個(gè)單片機(jī)時(shí)則構(gòu)成主從式的結(jié)構(gòu)，各分擔(dān)一部分控制與運(yùn)算功能，這樣兩個(gè)單片機(jī)即同時(shí)工作。所謂主從式結(jié)構(gòu)是指從單片機(jī)發(fā)出相應(yīng)的指令，主單片機(jī)接收命令來(lái)執(zhí)行相應(yīng)的功能，這樣的結(jié)構(gòu)在某種程度上可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。主單片機(jī)負(fù)責(zé)紅外遙控接收、小車的運(yùn)動(dòng)以及處理遙控命令等功能；從單片機(jī)則主要負(fù)責(zé)紅外信號(hào)的發(fā)生等功能，在探測(cè)到障礙時(shí)將有關(guān)信息報(bào)告給主單片機(jī)進(jìn)行處理，并由主單片機(jī)來(lái)采取相應(yīng)的措施。 設(shè)計(jì)方案根據(jù)設(shè)計(jì)思路，初步分析完成本設(shè)計(jì)需要的以下幾個(gè)模塊：: 遙控接收 遙控發(fā)射 電源模塊紅外發(fā)射鍵盤模塊紅外接收電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源模塊液晶顯示霍爾測(cè)速 系統(tǒng)軟件主要特色軟件在一個(gè)智能系統(tǒng)中扮演著舉足輕重的作用，軟件設(shè)計(jì)的好壞直接關(guān)系著整個(gè)系統(tǒng)的性能。所以從軟件的設(shè)計(jì)方面一定要精心細(xì)致。本設(shè)計(jì)采用keil軟件的C語(yǔ)言來(lái)完成系統(tǒng)的編程工作。目前流行的51系列單片機(jī)開發(fā)軟件是德國(guó)Keil公司推出的Keil C51軟件，它是一個(gè)基于32位Windows環(huán)境的應(yīng)用程序，支持C語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言編程。Keil提供包括C編譯器、宏匯編、連接器、庫(kù)管理和一個(gè)功能強(qiáng)大的仿真調(diào)試器等在內(nèi)的完整開發(fā)方案，是一個(gè)實(shí)時(shí)的操作系統(tǒng)。為了便于編程，將邏輯控制層和具體的硬件相分離開是很有必要的。硬件驅(qū)動(dòng)層的軟件負(fù)責(zé)直接操作硬件，并且給上層的軟件提供一定的接口，這樣有助于上層的軟件實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的功能，并且系統(tǒng)的硬件有所改動(dòng)時(shí)也只需改動(dòng)相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)模塊即可。 ：邏輯控制層硬件驅(qū)動(dòng)層硬件設(shè)備層 4. 各模塊的詳細(xì)設(shè)計(jì) 紅外遙控模塊的設(shè)計(jì) 遙控模塊的功能需求遙控模塊采用紅外遙控方式，因?yàn)椴捎眉t外遙控抗干擾能力強(qiáng)，且不會(huì)對(duì)周圍的無(wú)線電設(shè)備產(chǎn)生干擾電波，接口簡(jiǎn)單；但是采用紅外方式遙控的距離比較有限，一般在幾米之內(nèi)。鑒于本設(shè)計(jì)不需要遠(yuǎn)距離遙控，所以綜合考慮之下采用紅外遙控較為合適。后來(lái)又設(shè)計(jì)了另一套遙控模塊，超再生帶解碼四路遙控接收模塊(模塊分三種類型：自鎖，非鎖，互鎖。我們采用的是自鎖)可以和發(fā)射器組成四路無(wú)線發(fā)射接收電路，來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的遙控功能，可將遙控范圍擴(kuò)增至10米左右。本設(shè)計(jì)中要求能用遙控器控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止、自動(dòng)駕駛等功能，遙控距離在幾米之內(nèi)即可；并且在遙控方案二中采用現(xiàn)有的電視遙控器進(jìn)行遙控則遙控效果更穩(wěn)定些，利用Keil軟件對(duì)遙控器編碼進(jìn)行詳細(xì)的解碼。紅外遙控，即以紅外線作為通信載體，通過(guò)紅外光在空中的傳播來(lái)傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，它由發(fā)射端和接收端來(lái)完成。在發(fā)射端，發(fā)送的數(shù)字信號(hào)經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)制編碼后，送入電光變換電路，經(jīng)紅外發(fā)射管轉(zhuǎn)變?yōu)榧t外光脈沖發(fā)射到空中；在接收端，紅外接收器對(duì)接收到的紅外光脈沖進(jìn)行光電變換，解調(diào)，再經(jīng)單片機(jī)處理，便可以恢復(fù)出原數(shù)據(jù)信號(hào)。：編碼與調(diào)試鍵盤放大解調(diào)單片機(jī)解碼遙控模塊的選擇有聲、光、磁、電、波等幾種形式，考慮到聲音遙控受外界干擾較大，光控也有同樣的弊病，磁、電等都受發(fā)射距離的限制，所以我們采用AT89C52單片機(jī)和HS0038一體化紅外接收頭作為小車遙控控制啟停的控制器?？紤]到紅外發(fā)光管的驅(qū)動(dòng)電流過(guò)小會(huì)影響到小車的控制性能，我們用三極管組成電流放大電路來(lái)驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，在接收部分我們采用三個(gè)接收管并聯(lián)的接收方式，做到接收各個(gè)角度的紅外信號(hào)，以保證信號(hào)的實(shí)時(shí)性、穩(wěn)定性。因此，此紅外接收系統(tǒng)可以保證正確的接收到紅外脈沖信號(hào)。紅外接收管是根據(jù)發(fā)射器發(fā)射的紅外脈沖信號(hào)進(jìn)行調(diào)制和處理，將所得到的信號(hào)送給紅外接收的單片機(jī)進(jìn)行處理，進(jìn)而判斷所要執(zhí)行的相應(yīng)命令，最后將控制信號(hào)送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路[7]。在遙控解碼制作中，軟件設(shè)計(jì)有一個(gè)很大的難度，解碼程序的調(diào)試和編寫是難點(diǎn)也是亮點(diǎn)。實(shí)際上，由于發(fā)射能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，接受模塊精度高，抗干擾能力強(qiáng)且識(shí)碼率高，所以，此紅外發(fā)射、接收模塊不僅能完成小車的遙控控制的功能，還能實(shí)現(xiàn)其它的許多功能。紅外遙控接收電路選用專用紅外接收模塊HS0038。該接收模塊是一個(gè)三端元件，HS0038的VCC接+5V電源，GND接地。其工作原理為：首先，通過(guò)紅外光敏元件將接收到的載波頻率為38kHz的脈沖調(diào)制紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，再由前置放大器和自動(dòng)增益控制電路進(jìn)行放大處理；然后，通過(guò)帶通濾波器進(jìn)行濾波，濾波后的信號(hào)由解調(diào)電路進(jìn)行解調(diào)；最后，由輸出級(jí)電路進(jìn)行反向放大輸出。當(dāng)HS0038接收到紅外信號(hào)，就會(huì)把紅外信號(hào)轉(zhuǎn)換的電平從OUT引腳輸出，產(chǎn)生INT0中斷，進(jìn)入外部中斷0服務(wù)程序，進(jìn)而判斷是什么信號(hào)。 VCC HS0038 OUT GNDINTO()AT89C52 紅外接收模塊HS0038 鍵盤模塊鍵盤模塊：發(fā)射鍵有6個(gè)，其中5個(gè)分別用于控制小車的前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止以及自動(dòng)駕駛能用。每個(gè)按鍵接10KΩ上拉電阻，不作用時(shí)每個(gè)按鍵均為高電平。通過(guò)1/0口連接。將每個(gè)按鈕的一端接到單片機(jī)的I/O口，另一端接地，這是最簡(jiǎn)單的辦法，、。對(duì)于這種鍵各程序能采用持續(xù)查詢的辦法，功能就是：檢測(cè)是否有鍵閉合，如有鍵閉合，則去除鍵抖動(dòng)，判斷鍵號(hào)并轉(zhuǎn)入對(duì)應(yīng)的鍵處理。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一：使用L297驅(qū)動(dòng)芯片做直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，原理：芯片內(nèi)的PWM斬波器電路可開關(guān)模式下調(diào)節(jié)步進(jìn)電機(jī)繞組中的電機(jī)繞組中的電流。該集成電路采用了SGS公司的模擬/數(shù)字兼容的I2L技術(shù)，使用5V的電源電壓，全部信號(hào)的連接都與TFL/CMOS或集電極開路的晶體管兼容。L297的芯片引腳特別緊湊，采用雙列直插20腳塑封封裝。方案二:使用L298驅(qū)動(dòng)芯片做直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)原理和297相似，但是該芯片使用時(shí)產(chǎn)生熱量過(guò)多。綜合考慮，采用方案一。方案一：采用LCD1602液晶顯示器，LCD有明顯的優(yōu)點(diǎn):功耗的，美觀，壽命長(zhǎng)，尺寸小，使用方便，但其成本相對(duì)LED較高。方案二：采用LED數(shù)碼管顯示，LED數(shù)碼管亮度高，但不足以達(dá)到實(shí)驗(yàn)顯示要求，且難以控制。綜合考慮采用方案一。方案一：采用型號(hào)為A3144的霍爾片作為霍爾測(cè)速模塊的核心，該霍爾片體積小，安裝靈活，價(jià)格合理，可用于測(cè)速，可與普通的磁鋼片配合工作。 方案二：采用型號(hào)為CHV20L的霍爾元器件作為霍爾測(cè)速模塊的核心,該霍爾器件額定電流為100mA,輸出電壓為5V,電源為12～15V。體積較大，價(jià)格昂貴。因此選擇方案一。 電源模塊論證與選擇方案一：采用交流220V/50Hz電源轉(zhuǎn)換為直流5V電源作為電源模塊。該方案實(shí)施簡(jiǎn)單，電路搭建方便，可作為單片機(jī)開發(fā)常備電源使用。方案二：采用干電池串并聯(lián)達(dá)到5V作為電源模塊。該方案實(shí)施簡(jiǎn)單，無(wú)需搭建電路，但相對(duì)該方案不夠穩(wěn)定，電池耗電快，帶負(fù)載后壓降過(guò)高，可能無(wú)法使系統(tǒng)穩(wěn)定持續(xù)運(yùn)行。方案三：采用可充電鋰電池結(jié)合穩(wěn)壓模塊作為電源模塊。該方案簡(jiǎn)單易行，而且相對(duì)穩(wěn)定、誤差小，但該方案相對(duì)價(jià)格過(guò)高，針對(duì)該設(shè)計(jì)要求。 無(wú)線通信模塊的發(fā)射與接