【文章內容簡介】 三個檔。三個電壓檔的具體實現(xiàn)及其功能如下： ①采用穩(wěn)壓管芯片 L7805CV 將電源電壓穩(wěn)壓到 5V，穩(wěn)壓 電路 如圖 37 所示，給單片機系統(tǒng)電路、路徑識別的光電傳感器電路和驅動芯片 L298N 電路供電； ②將電源電壓 7． 2V經過一個二極管降至 6． 5V左右后給舵機供電； ③將電源電壓 7． 2V直接供給直流驅動電機。 V out3V i n1GND2U27805100pFC6C9C7100pFC8V C C 圖 37 穩(wěn)壓電源電路 特殊元件介紹 光電傳感器 [14] 光電傳感器由于反應速度快 , 能實現(xiàn)非接觸測量 ,而且精度高、分辨力高、可靠性好，加之半導體光敏器件具有體積小、重量輕、功耗低、便于集成等優(yōu)點，因而 廣泛應用于軍事、宇航、通信、檢測與工業(yè)自動化控制等多種領域中。當前，世界上光電傳感領域的發(fā)展可分為兩大方向：原理性研究與應用開發(fā)。隨著光電技術的日趨成熟，對光電傳感器實用化的開發(fā)成為整個領域發(fā)展的熱點和關鍵。 光電傳感器又稱光傳感器 , 是將光信號轉換為電信號的一種傳感器 , 敏感波長在可見光()附近 , 包括紅外線 ()和紫外線波長 ()。常見的光電傳感器有光電管、光敏電阻、光敏晶體管、光電禍合器、顏色傳感器、紅外光傳感器、紫外線傳感器、光纖傳感器和 CCD圖像傳感器。 光電傳感器一般由光源、光學通路和光電元件 3 部分組成。其基本原理是以光電效應為 12 基礎，把被測量的變化轉換成光信號的變化，然后借助光電元件進一步將光信號轉換成電信號。光電效應是指用光照射某一物體，可以看作是一連串帶有一定能量為的光子轟擊在這個物體上，此時光子能量就傳遞給電子，并且是一個光子的全部能量一次性地被一個電子所吸收，電子得到光子傳遞的能量后其狀態(tài)就會發(fā)生變化，從而使受光照射的物體產生相應的電效應。通常把光電效應分為 3 類：（ 1 ）在光線作用下能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應， 如光電管、光電倍增管等；（ 2 ）在光線作用下能使物體的電阻率改變的現(xiàn)象稱為內光電效應，如光敏電阻、光敏晶體管等；（ 3 ）在光線作用下，物體產生一定方向電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應，如光電池等。 光電傳感器通常采取的方法是紅外探測法。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確 定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過 3cm。 光電傳感器的應用： 應用概述： 用光電元件作敏感元件的光電傳感器，其種類繁多，用途廣泛。按光電傳感器的輸出量性質可分為兩類：（ 1）把被測量轉換成連續(xù)變化的光電流而制成的光電測量儀器，可用來測量光的強度以及物體的溫度、透光能力、位移及表面狀態(tài)等物理量。例如：測量光強的照度計，光電高溫計，光電比色計和濁度計，預防火災的光電報警器，構成檢查被加工零件的直徑、長度、橢圓度及表面粗糙度等自動檢測裝置和儀器，其敏感元件均用光電元件。半導體光 電元件不僅在民用工業(yè)領域中得到廣泛的應用，在軍事上更有它重要的地位。例如用硫化鉛敏電阻可做成紅外夜視儀、紅外線照相儀及紅外線導航系統(tǒng)等；（ 2）把被測量轉換成繼續(xù)變化的光電流。利用光電元件在受光照或無光照射時 有 或 無 電信號輸出的特性制成的各種光電自動裝置。光電元件用作開關式光電轉換元件。例如電子計算機的光電輸入器，開關式溫度調節(jié)裝置及轉速測量數(shù)字式光電測速儀等。 光電傳感器可用于檢測直接引起光量變化的非電量 , 如光強、光照度、輻射測溫、氣體成分分析等也可用來檢測能轉換成光電量變化的其它非電量 ,如零件 直徑、表面粗糙度、應變、位移、振動、速度、加速度 , 以及物體形狀、工作狀態(tài)的識別等。光電傳感器具有非接觸、 13 響應快、性能可靠等特點 , 因此在工業(yè)自動化裝置和機器人中獲得廣泛應用。 應用舉例： 1 測量工件表面的缺陷 2 測量轉速 3 光電式數(shù)字轉速表 主控制器 80C51單片機 [15] 80C51單片機是把那些作為控制應用所必需的基本內容都集成在一個尺寸有限的集成電路芯片上 [2]。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。它們都是通過片內單一總線連接而成，其基本結構依舊是 CPU加上外圍芯片的傳統(tǒng)結構模式。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。 1 微處理器 該單片機中有一個 8位的微處理器，與通用的微處理器基本相同，同樣包括了運算器和控制器兩大部分，只是增加了面向控制的處理功能，不僅可處理數(shù)據，還可以進行位變量的處理。 2 數(shù)據存儲器 片內為 128個字節(jié)，片外最多可外擴至 64k字節(jié)，用來存儲程序在運行期間的工作變量、運算的中間結果、數(shù)據暫存和緩沖、標志位等，所以稱為數(shù)據存儲器。 3 程序 存儲器 由于受集成度限制，片內只讀存儲器一般容量較小，如果片內的只讀存儲器的容量不夠，則需用擴展片外的只讀存儲器，片外最多可外擴至 64k字節(jié)。 4 中斷系統(tǒng) 具有 5個中斷源， 2級中斷優(yōu)先權。 5 定時器 /計數(shù)器 片內有 2個 16位的定時器 /計數(shù)器， 具有四種工作方式。 6 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成多機系統(tǒng)，從而使單片機的功能更強且應用更廣。 14 7 P1口、 P2口、 P3口、 P4口為 4個并行 8位 I/O口。 8 特殊功能寄存器 共有 21個，用于對片內的個功能的部件進行管理、控制、監(jiān)視。實際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個具有特殊功能的 RAM區(qū)。 由上可見， 80C51單片機的硬件結構具有功能部件種類全，功能強等特點。特別值得一提的是該單片機 CPU中的位處理器，它實際上是一個完整的 1位微計算機，這個一位微計算機有自己的 CPU、位寄存器、 I/O口和指令集。 1位機在開關決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而 8位機在數(shù)據采集，運算處理方面有明顯的長處。 MCS51單片機中 8位機和1位機的硬件資源復合在一起，二者相輔相承，它是單片機技術 上的一個突破，這也是 MCS51單片機在設計的精美之處。 圖 38 80c51 單片機結構圖 步進電機驅動器 L298N[16] L298啊一種專用的步進電機驅動集成芯片，內部為雙 H橋結構， L298的 H橋驅動器功率集成電路包含有四個各自獨立的推挽式驅動器（即四個半橋），可單獨使用，例如用來驅動單極性的步進電機繞組或控制四臺不可逆直流電機。它也可兩兩組成雙 H 橋，每個 H 橋有各自的使用（ ENABLE）控制端。每個半橋有自己的輸入控制端，控制端信號是 TTL 電平。芯片內有邏輯部分電源。 L298 下橋臂 NPN 晶體管的發(fā)射極引出外引腳，用來連接電流檢測電阻。每個橋有一個電源引腳。 L298可與 L297或 L6505步進電機電流控制器集成電路配合構成一個完整的二相步進電機恒流斬波驅動電路。 15 L298采用 15腳 Multiwatt塑料封裝，通過散熱片可用螺絲固定在散熱器上，內部包含：兩個 H橋的高電壓打電流全橋式驅動器 A和 B，每個全橋包括 4只 NPN型晶體管、邏輯電路供電穩(wěn)壓器、邏輯控制電路等。引腳排列如下圖所示： 圖 39 L298 結構及外部引腳圖 L298引腳功能如下： 引腳 1： SENSING A，連接電流檢 測電阻，信號反饋給電極控制芯片，實習恒流控制。 引腳 15： SENSING B，連接電流檢測電阻，信號反饋給電極控制芯片，實習恒流控制。 引腳 2： OUTPUT1,全橋驅動器 A的輸出端。 引腳 3： OUTPUT2,全橋驅動器 A的輸出端。 引腳 4： VS，電機驅動電源。 引腳 5： INPUT1，控制全橋驅動器 A的工作狀態(tài)。 引腳 7： INPUT2，控制全橋驅動器 A的工作狀態(tài)。 引腳 8： GND，地。 引腳 9： VSS，邏輯電源。 引腳 10： INPUT3，控制全橋驅動器 B的工作狀態(tài)。 引腳 12： INPUT4，控制全橋驅動器 B的 工作狀態(tài)。 引腳 13： OUTPUT1,全橋驅動器 B的輸出端。 引腳 14： OUTPUT2,全橋驅動器 B的輸出端。 16 4 軟件設計 系統(tǒng)軟件設計說明 ： 在進行微機控制系統(tǒng)設計時，除了系統(tǒng)硬件設計外，大量的工作就是如何根據每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機控制系統(tǒng)設計中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。 在單片機控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據處理、過程控制兩個基本類型。數(shù)據處理包括：數(shù)據的采集、數(shù)字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控 制生產。 為了完成上述任務，在進行軟件設計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。所謂 “ 模塊 ” ，實質上就是所完成一定功能，相對獨立的程序段，這種程序設計方法叫模塊程序設計法。 模塊程序設計法的主要優(yōu)點是： 單個模塊比起一個完整的程序易編寫及調試； 模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務在不同條件下調用； 模塊程序允許設計者分割任務和利用已有程序，為設計者提供方便。 本系統(tǒng)軟件采用模塊化結構，由主程序﹑定時子程序、避障子程序﹑中斷子程序顯示子程序﹑調速子程序﹑算法子程序構 成。 主程序流程圖 圖 41 主程序流程圖 17 傳感器信息處理子程序 圖 42 傳感器信息處理流程圖 系統(tǒng)初始化子程序 圖 43 系統(tǒng)初始化流程圖 電機驅動子程序 圖 44 電機驅動程序流程圖 18 5 預期結果和創(chuàng)新成果 通過系統(tǒng)的模塊仿真及實際的實驗驗證，該設計可以實現(xiàn)自動尋跡小車所要實現(xiàn)的功能，沿著固定的軌跡行駛，不會出現(xiàn)行駛過程中脫離軌跡向別的方向行駛。 通過自己的創(chuàng)新改造，也可以設計出讓小車在一個蹺蹺板上行駛，在走到中心位置的時候，通過角度傳感器 傳回的信號，控制步進電機的速度，使其減速慢行，不斷的在中心處前進和后退，以達到蹺蹺板的平衡，并且能保持一段時間。另外自動尋跡小車也可以用攝像頭實現(xiàn)尋跡，現(xiàn)在實現(xiàn)的無人駕駛汽車的控制就是利用攝像頭傳回路面信號，以實現(xiàn)人們對汽車行駛路徑的監(jiān)視。 19 6 總結 本文 所設計的 自動尋跡 小車在傳感器的配合下具有自動尋跡 的 功能，可以說基本實現(xiàn)了簡易小車的智能化。 自動 尋跡小 車系統(tǒng)以迅猛發(fā)展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科 。 主要由路徑 識別、角度控制及車速控制等功能 模塊組成。 在該系統(tǒng)中，由紅外光電傳感器實現(xiàn)路徑識別，通過對小車速度的控制，使小車能按照任意給定的黑色引導線平穩(wěn)地尋跡。實驗證明：系統(tǒng)能很好地滿足 尋跡小 車對路徑識別性能和抗干擾能力的要求，速度調節(jié)響應時間快，穩(wěn)態(tài)誤差小，具有較好的動態(tài)性能 。 本設計所采用的紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點，在小車行駛過程 中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機就是否收到反射回來的紅外光為依據來確定黑線的位置和小車的行走路線。紅外探測器探測距離有限，一般最大不應超過 3cm。 本設計所做的改進就是使用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器，其原理也是利用紅外探測法，在車的前面和后面各安裝一個，這樣能更好的保證小車在前進和后退過程中不會行駛到軌跡外面去。 用一個字節(jié)來代表車底的 2 個光電傳感器，用每一個位來 代表當前傳感器的檢測狀態(tài)，以此把小車直線行進時分成三種狀態(tài)，當前面?zhèn)鞲衅鳈z測到白線時，小車在跑道的正上方，這時控制兩電機同速度全速運行；當檢測到有一個傳感器偏出白線時，小車處于微偏狀態(tài)，這時將一個電機速度調慢，另一電機速度調快，完成調整；當檢測到有兩個電機偏出時，小車處于較大的偏離狀態(tài)，這時把一個電機的速度調至極低，另一電機全速運行，從而在較短時間內完成路線的調整。 我們的尋跡小車在完成設計要求的前提下，充分考慮到了外觀、成本等問題，在性能和價格之間作了比較好的平衡。由于設計要求并不復雜，我們沒有在電路中增 加冗余的功能，但是我們保留了各種硬件接口和軟件子程序接口，方便以后的擴展和進一步的開發(fā)。 另外，我們的車體底盤經過充分的論證和專業(yè)的設計，兼顧了美觀、廉價、穩(wěn)固、可靠等各方面的因素，具有較高的穩(wěn)定性和推廣意義。 20 總之，通過本次設計，我主要得到了以下幾方面的收獲： 通過此次課程設計進一步學習和鞏固單片機及其相關的知識，并能在設計過程中綜合運用所學的知識內容。 進一步熟悉和掌握 MCS5