【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 系統(tǒng)的總體方案5第2章 系統(tǒng)的總體方案 運(yùn)貨場(chǎng)地總體設(shè)計(jì) 運(yùn)貨車場(chǎng)地主要由三部分組成：貨物、庫(kù)房和橢圓形的尋跡軌道。首先貨物搬運(yùn)車使用車頭的兩對(duì)光電管來檢測(cè)黑線，使小車沿黑線行駛，然后將貨物和庫(kù)房分別放在黑線的兩邊，其距離為1米，這樣小車當(dāng)小車行駛一周之后，將路過所有的貨物和庫(kù)房，檢測(cè)貨物和庫(kù)房的傳感器會(huì)將指定的貨物放到指定的庫(kù)房中，完成預(yù)訂的功能。場(chǎng)地示意圖如圖21： 鐵片圖21 場(chǎng)地示意圖鐵片圖21 場(chǎng)地示意圖根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本系統(tǒng)主要由控制器、電源、 直流電機(jī)、傳感器等模塊構(gòu)成。為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我們分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。 控制器模塊設(shè)計(jì)與論證 小車控制單元的選擇，此部分是整個(gè)小車的大腦，是整個(gè)小車運(yùn)行的核心部件，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用。通常選用單片機(jī)作為小車的核心控制單元。方案一：采用凌陽公司的16位單片機(jī)，它是16位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等綠物黃物A庫(kù)B庫(kù)C庫(kù)紅物吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 6特點(diǎn)。處理速度高，尤其適用于語音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽單片機(jī)應(yīng)用語音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降低。本系統(tǒng)主要是進(jìn)行尋光運(yùn)行的檢測(cè)以及電機(jī)的控制。如果單純的使用凌陽單片機(jī)，在語音播報(bào)的同時(shí)小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡(jiǎn)潔性考慮，我們放棄了單純使用凌陽單片機(jī)而考慮其它的方案。方案二：采用ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89C51型單片機(jī)作為我們的控制單元因?yàn)樵撔蛦纹瑱C(jī)價(jià)格便宜，功能比較強(qiáng)大，性價(jià)比高，而且在市場(chǎng)上很容易買到。AT89C51是一種低功耗、高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8KB ISP（Insystem programmable）的可反復(fù)擦寫 1000次的Flash只讀程序存儲(chǔ)器、該器件采用Atmel公司的高密度、非易失性存儲(chǔ)技術(shù)制造、兼容標(biāo)準(zhǔn)MCS51指令系統(tǒng)及89C51引腳結(jié)構(gòu)。片內(nèi)集成了通用的8位CPU和ISP Flash為存儲(chǔ)單元，可為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、高性價(jià)比的解決方案。最重要的是AT89C51為C51系列單片機(jī)技術(shù)成熟，可靠性高，而且容易查找資料，因此我們采用AT89C51單片機(jī)。如上所述，考慮到技術(shù)的成熟性，我們采用方案二。 電源模塊設(shè)計(jì)與論證由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下幾種方案為系統(tǒng)供電。方案一： ，電壓達(dá)到15V，經(jīng)7812穩(wěn)壓后給支流電機(jī)供電，然后將12V電壓再次降壓、穩(wěn)壓后給單片機(jī)系統(tǒng)和其他芯片供電。但干電池電量有限，使用大量的干電池給系統(tǒng)調(diào)試帶來很大的不便，因此，我們放棄了這種方案。方案二：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)和其他芯片供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。雖然蓄電池的體積過于龐大，在小型電動(dòng)車上使用極為不方便，但我們的車體設(shè)計(jì)時(shí)留出了足夠的空間。重要的是蓄電池的價(jià)格比較低又可以反復(fù)使用。方案三：采用雙電源供電。用兩個(gè)電源分別給控制系統(tǒng)和電機(jī)系統(tǒng)供電，將兩個(gè)系統(tǒng)完全隔離，將電機(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。因此我們選擇了此方案。如上所述，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性，我們采用方案三。 電機(jī)模塊設(shè)計(jì)與論證本系統(tǒng)為智能電動(dòng)車，對(duì)于電動(dòng)車來說，其驅(qū)動(dòng)輪的驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。我們綜合考慮了以下幾種方案。第2章 系統(tǒng)的總體方案7方案一：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)過的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)，而且步進(jìn)電機(jī)控制相對(duì)復(fù)雜。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案二：采用直流電機(jī)。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。而且具有優(yōu)良的調(diào)速特性，調(diào)速平滑、方便，調(diào)整范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)。能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，而且直流電機(jī)控制起來相對(duì)容易，因此我們選擇了此方案。如上所述，考慮到簡(jiǎn)單易行，我們采用方案二。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)與論證方案一：采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電機(jī)的分壓，實(shí)現(xiàn)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，且可能存在干擾。更主要的問題在于一般電機(jī)的電阻比較小，但電流很大，分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)困難。方案二：采用繼電器對(duì)電機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過控制繼電器通斷時(shí)間和開關(guān)切換速度實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的速度進(jìn)行控制。繼電器控制電機(jī)可能存在響應(yīng)時(shí)間慢的問題但搭建電路卻很復(fù)雜，而且對(duì)電路要求極高，實(shí)現(xiàn)難度很大。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的H型PWM電路。此電路由四個(gè)大功率晶體管組成H橋電路，四個(gè)晶體管分為兩組，交替導(dǎo)通和截止，根據(jù)調(diào)整輸入控制脈沖的占空比，達(dá)到調(diào)整電機(jī)的目的。我們選擇了L293D驅(qū)動(dòng)芯片，這種雙極型脈沖調(diào)寬方式具有很多優(yōu)點(diǎn)，如電流連續(xù)；電機(jī)可四角限運(yùn)行；電機(jī)停止時(shí)有微振電流，起到“動(dòng)力潤(rùn)滑 ”作用，消除正反向時(shí)的靜摩擦死區(qū)：低速平穩(wěn)性好等。如上所述，考慮到容易實(shí)現(xiàn)問題，我們采用方案三。 路面情況檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與論證路面檢測(cè)的基本原理是：光線照射到路面并反射，由于黑色材料和白色材料的反射系數(shù)不同，所以可以根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來判斷路面顏色。我們考慮了以下幾種方案。方案一：采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到黑帶時(shí)，光線被黑帶吸收，光敏二極管為檢測(cè)到信號(hào)，呈高阻抗，使輸出端為低電平。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到地面時(shí)，它發(fā)出的可見光反射回來被光敏二極管檢測(cè)到，其阻抗迅速降低，此時(shí)輸出端為高電平。但是由于光敏二極管受環(huán)境中可見光影響較大，電路的穩(wěn)定性很差。吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 8方案二：用市面上通用的發(fā)射管及接收頭（紅外發(fā)射管和紅外接收管）自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出高電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出低電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器雖然容易受外界光線的影響，但基本能夠滿足要求，在實(shí)際應(yīng)用中也有比較好的效果，因此我們采用了這個(gè)方案。如上所述，考慮到系統(tǒng)的可靠性，我們采用方案二。 光源檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與論證此模塊為本設(shè)計(jì)的核心方案，是小車實(shí)現(xiàn)各部分功能的關(guān)鍵。方案一：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。采用多路電壓比較的方式組成多各檢測(cè)支路，控制小車的前進(jìn)方向。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。方案二：用光敏三極管做光敏探測(cè)器。光敏三極管把光信號(hào)轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入單片機(jī)處理，單片機(jī)根據(jù)各路信號(hào)大小比較的結(jié)果，從而判斷各個(gè)方向光線的強(qiáng)弱，進(jìn)而調(diào)整車的前進(jìn)方向。此方案技術(shù)成熟，精度高。方案三：用光敏電阻和光敏三極管做成組合光敏探測(cè)器。我們把光敏電阻的判斷結(jié)果和光敏三極管的判斷結(jié)果綜合處理，這樣發(fā)揮了光敏電阻和光敏三極管的各自優(yōu)勢(shì)，對(duì)彼此的缺點(diǎn)進(jìn)行了互補(bǔ)。對(duì)光源的判斷更加精確、可靠。如上所述，考慮到系統(tǒng)的可靠性，我們采用方案三。 金屬探測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與論證方案一：用霍爾傳感器進(jìn)行金屬探測(cè)。但該方案受到磁鋼的磁力大小以及鐵片的大小的影響，易導(dǎo)致誤觸發(fā)，而且探測(cè)距離太短，效果不好。方案二：用電感式金屬傳感器進(jìn)行金屬探測(cè)。該傳感器靈敏度較高，不易受到外界的震動(dòng)的干擾。此方案穩(wěn)定、可靠。如上所述，考慮到系統(tǒng)的可靠性，我們采用方案二。 最終方案確定經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：（1）控制模塊采用AT89C51單片機(jī)進(jìn)行控制（2）電機(jī)模塊采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)小車及轉(zhuǎn)向第2章 系統(tǒng)的總體方案9（3）電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L293D芯片（4）電源模塊采用雙電源分別為電機(jī)和控制系統(tǒng)供電（5）小車檢?？刂破髂K和判斷金屬顏色模塊采用紅外對(duì)管作為傳感器（6）光源檢測(cè)模塊采用光敏電阻和光敏三極管做成組合光敏探測(cè)器。（7）金屬探測(cè)模塊采用電感式金屬傳感器進(jìn)行金屬探測(cè) 本章小結(jié)電動(dòng)貨物搬運(yùn)車設(shè)計(jì)涉及控制、模式識(shí)別、傳感器技術(shù)、汽車電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等專業(yè)領(lǐng)域。在這次設(shè)計(jì)中，我對(duì)各個(gè)模塊都進(jìn)行了一些研究。從電源、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、傳感器到顯示電路等。整個(gè)設(shè)計(jì)沒有采用過于復(fù)雜的檢測(cè)方法或控制算法，這樣不但能保證系統(tǒng)的可靠性、穩(wěn)定性與快速性，而且節(jié)省了成本與工作量還保證了測(cè)速系統(tǒng)的簡(jiǎn)單可靠。本章主要是對(duì)系統(tǒng)總體方案的確定，經(jīng)過對(duì)各個(gè)模塊的論證，在起初選擇模塊的時(shí)候，都感覺到困難，不知道哪個(gè)模塊利用率更大些，最后經(jīng)過不停地研究和論證，我們最終得出了系統(tǒng)的總體方案，并根據(jù)總體方案的設(shè)計(jì)，畫出了系統(tǒng)的總體框圖如圖22：AT89C51單片機(jī)LCD顯示電源轉(zhuǎn)向控制 前輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制 后輪電機(jī)檢?？刂颇K判斷顏色模塊光源檢測(cè)模塊金屬探測(cè)模塊電源蜂鳴器圖22 系統(tǒng)的總體框圖吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 10第3章 硬件電路設(shè)計(jì) 微控制器模塊電路的設(shè)計(jì) 單片機(jī)的設(shè)計(jì)AT89C51單片機(jī)是一種集成電路芯片。它采用超大規(guī)模技術(shù)將具有數(shù)據(jù)處理能力的微處理器(CPU)、存儲(chǔ)器（程序存儲(chǔ)器ROM和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器RAM）、輸入、輸出接口電路(I/O 接口)集成在同一塊芯片上，構(gòu)成一個(gè)即小巧又很完善的計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)，在單片機(jī)程序的控制下能準(zhǔn)確、迅速、高效地完成程序設(shè)計(jì)者事先規(guī)定的任務(wù)。所以說，一片單片機(jī)芯片就具有了組成計(jì)算機(jī)的全部功能。 由此來看，單片機(jī)有著一般微處理器（CPU）芯片所不具備的功能，它可單獨(dú)地完成現(xiàn)代工業(yè)控制所要求的智能化控制功能，這是單片機(jī)最大的特征。單片機(jī)控制系統(tǒng)能夠取代以前利用復(fù)雜電子線路或數(shù)字電路構(gòu)成的控制系統(tǒng)，可以以軟件控制來實(shí)現(xiàn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)智能化，現(xiàn)在單片機(jī)控制范疇無所不在，例如通信產(chǎn)品、家用電器、智能儀器儀表、過程控制和專用控制裝置等等，單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛。 誠(chéng)然，單片機(jī)的應(yīng)用意義遠(yuǎn)不限于它的應(yīng)用范疇或由此帶來的經(jīng)濟(jì)效益，更重要的是它已從根本上改變了傳統(tǒng)的控制方法和設(shè)計(jì)思想。是控制技術(shù)的一次革命，是一座重要的里程碑。AT89C51是一種帶4K字節(jié)閃爍可編程可擦除只讀存貯器的低電壓，高性能 CMOS 8位微處理器，俗稱單片機(jī)。該器件采用ATMEL高密度非易失存儲(chǔ)器制造技術(shù)制造，與工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)器組合在單個(gè)芯片中，ATMEL 的AT89C51 是一種高效微控制器， AT89C51單片機(jī)為很多嵌入式控制系統(tǒng)提供了一種靈活性高且價(jià)廉的方案。此外，AT89C51設(shè)計(jì)和配置了振蕩頻率可為0Hz并可通過軟件設(shè)置省電模式。空閑模式下，CPU暫停工作，而RAM 定時(shí)計(jì)數(shù)器，串行口，外中斷系統(tǒng)可繼續(xù)工作，掉電模式凍結(jié)振蕩器而保存RAM的數(shù)據(jù)，停止芯片其它功能直至外中斷激活或硬件復(fù)位。由上可見，AT89C51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)。特別值得一提的是該單片機(jī)CPU中的位處理器，它實(shí)際上是一個(gè)完整的1位微計(jì)算機(jī)，這個(gè)一位微計(jì)算機(jī)有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位機(jī)在開關(guān)決策、邏輯電路仿真、過程控制方面非常有效；而8位機(jī)在數(shù)據(jù)采集，運(yùn)算第2章 系統(tǒng)的總體方案11處理方面有明顯的長(zhǎng)處。MCS51單片機(jī)中8位機(jī)和1位機(jī)的硬件資源復(fù)合在一起，二者相輔相承，它是單片機(jī)技術(shù)上的一個(gè)突破，這是MCS51單片吉林建筑工程學(xué)院電子信息科學(xué)與技術(shù)專業(yè)畢業(yè)論文 12機(jī)在設(shè)計(jì)的精美之處。圖31為 AT89C51的引腳圖： EA/VP31X928RSTD7W6IN045LGUC圖31 AT89C51引腳圖AT89C51引腳功能介紹：VCC：供電電壓。GND：接地。P0口為一個(gè)8 位漏級(jí)開路雙向 I/O口，每個(gè)引腳腳可吸收 8TTL門電流。當(dāng)P0口的管腳第一次寫1時(shí)，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。在FIASH編程時(shí)，P0 口作為原碼輸入口，當(dāng)FIASH進(jìn)行校驗(yàn)時(shí)， P0輸出原碼，此時(shí)P0外部必須被拉高。