【文章內(nèi)容簡介】 ，安裝簡便成本 8 元左右 6 元左右從上表可以看出，相對紅外檢測，超聲波檢測距離遠，不易受外界環(huán)境干擾，由于小車需要在行駛過程中檢測障礙物，顛簸，光照方面可能會對檢測產(chǎn)生影響。所以2 系統(tǒng)總體方案設計與論證5需要選擇穩(wěn)定性較好的，故本設計選擇超聲波檢測。 光源檢測系統(tǒng)光源檢測使用常見的光敏器件，光敏二極管。光敏電阻器（photovaristor）又叫光感電阻，是利用半導體的光電效應制成的一種電阻值隨入射光的強弱而改變的電阻器；入射光強，電阻減小，入射光弱，電阻增大。光敏電阻器一般用于光的測量、光的控制和光電轉(zhuǎn)換（將光的變化轉(zhuǎn)換為電的變化） 。這里我們就可以利用光敏二極管對光源變換的敏感反映，檢測外部光源。當有光照射時，光敏二極管呈強電阻，經(jīng)比較器輸出一個高電平，反之則輸出低電平。我們可以再外接一個 LED 作為檢測指示燈，則可以明顯觀察到這個變化。即有光照時 LED 亮，無時則滅。 速度檢測系統(tǒng)在電機測速中，考慮了兩種方案：一種是使用光電碼盤，即透射式光電傳感器（凹槽型，類似老式鼠標） ，另一種是霍爾傳感器（適合較高速度） 。兩種方案的主要區(qū)別如表 23。表 23 速度檢測系統(tǒng)方案對比霍爾傳感器 關電碼盤抗干擾性 較強 強實時性 較好 好易用性 需和磁鋼配對使用，較麻煩較簡單由上表可以看出光電碼盤在各方面都具有一定的優(yōu)勢，因此本設計采用關電碼盤測速。 電機驅(qū)動系統(tǒng)直流電機和步進電機都可以用于小車驅(qū)動。故有兩種方案。方案一：使用直流電機，加上適當減速比的減速器。直流電機具有良好的調(diào)速性能，控制起來也比較簡單。直流電機只要通上直流電源就可連續(xù)不斷的轉(zhuǎn)動，調(diào)節(jié)電壓的大小就可以改變電機的速度。直流電機的驅(qū)動電路實際上就是一個功率放大器。常用的驅(qū)動方式是 PWM 方式，即脈沖寬度調(diào)制方式。此方法性能較好，電路和控制都比較簡單。方案二：使用步進電機。步進電機具有良好的控制性能。當給步進電機輸入一個電脈沖信號時，步進電機的輸出軸就轉(zhuǎn)動一個角度，因此可以實現(xiàn)精確的位置控制。與直流電機不同，要使步進電機連續(xù)的轉(zhuǎn)動，需要連續(xù)不斷的輸入點脈沖信號，轉(zhuǎn)速的大小由外加的脈沖頻率決定。去而且其轉(zhuǎn)動不受電壓波動和負載變化的影響，也不學士學位論文6受溫度、氣壓等環(huán)境因素的影響，僅與控制脈沖有關[8]。但步進電機的驅(qū)動相對較復雜，要由控制器和功率放大器組成。具體差別見下表 24。表 24 電機控制方式對比直流電機 步進電機調(diào)速性能 較好 較差位置控制精度 較差 好驅(qū)動 簡單 復雜穩(wěn)定性 較好 好，僅與控制脈沖有關由上表可以看出步進電機和直流電機都有各自的優(yōu)點。步進電機能進行精確的位置控制，但驅(qū)動電路麻煩，鑒于本設計中小車的位置控制不要求十分精確，直流電機即可滿足小車要求的精度。且直流電機易于控制，驅(qū)動電路十分簡單。 單片機控制電路系統(tǒng)此部分是整個小車運行的核心部分，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用?？刂频姆椒ㄓ泻芏?，大部分都采用單片機控制。單片機要完成電機控制、循線控制、避障控制金屬檢測控制和光源檢測控制等工作。本設計中小車的主控采用我們最為熟悉的AT89S52 單片機。雖然這款單片機本身沒有 PWM 模塊，但若采用本身有 PWM 模塊的單片機就會產(chǎn)生資源浪費。我們可以通過軟件編程產(chǎn)生 PWM，既能充分利用可用資源，又不浪費。且能很好的滿足題目要求。 顯示模塊由于小車要顯示速度和行駛距離，內(nèi)容較多。數(shù)碼管使用簡單，價格低廉，但一個數(shù)碼管只能顯示一個數(shù)字，要顯示多位數(shù)據(jù)時要使用多個數(shù)碼管，這就增加了硬件電路的復雜度和額外功耗。故不予考慮。液晶顯示電路簡單，使用方便，一個液晶顯示器就可以同時滿足此處同時顯示速度和距離的要求，且更加直觀明了。3 硬件設計73 硬件設計 總體設計方案智能小車采用后輪驅(qū)動，后輪左右兩邊各用一個電機驅(qū)動，調(diào)制兩個后面兩個輪子的轉(zhuǎn)速從而達到控制轉(zhuǎn)向的目的，前輪是萬象輪，起支撐的作用。將四個紅外線光電傳感器裝在車體的底盤前端，小車根據(jù)傳感器檢測到的情況執(zhí)行。 避障的原理和循跡一樣，在車頭裝了一個傳感器，傳感器檢測到障礙物時，小車減速，車體做出相應的反應。小車速度的檢測也是靠的紅外線，只不過是器件的型號不同，速度檢測的傳感器用的是對射式，避障用的是直射式。把碼盤裝在電機的軸上，碼盤隨電機一起轉(zhuǎn)動，這里使用的是改進過的的碼盤，把圓形硬紙片切制成直徑為 25mm 的圓，再把圓周用鋸條均勻切 12 條縫，縫的寬度約為 1mm?？梢院芎玫臐M足小車所需的精度。考慮到電機控制要使用 PWM 波形，而 AT89S52 單片機本身不能產(chǎn)生 PWM，需要外加電路或使用軟件的方式實現(xiàn)，為減少硬件電路，這里選用軟件產(chǎn)生 PWM 方式。整體原理電路圖如圖 31 所示。學士學位論文8圖 31 整體原理電路圖 單片機控制電路單片機是控制單元的核心。起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用。單片機控制模塊使用的是 ATMEL 公司生產(chǎn)的 AT89S52，使用該芯片很容易實現(xiàn)對其他模塊的控制。通過對單片機 AT89S52 寫入程序，可以方便的用軟件來控制整個過程 .控制部分如圖32 所示。 圖 32 單片機最小系統(tǒng)AT89S52 單片機最小系統(tǒng)包括了一路復位開關，用于小車復位。 輸出 PWM信號，~ 分別控制電機驅(qū)動。其他 P 口用外接控制小車的各種控制開關，P0口外接 10K 的上拉電阻，可用于外接 LCD1602。AT89S52 單片機介紹：AT89S52 是一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用 Atmel 公司高密度非易失性存儲器技術制造，與工業(yè) 80C51 產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash 允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng) 可編程 Flash，使得 AT89S52 為眾多嵌入式控制應用系統(tǒng)提 供高靈活、超有效的解決方案。AT89S52 具有以下標準功能：8k 字節(jié) Flash，256 字節(jié) RAM，32 位 I/O 口線，看門狗定時器，2 個數(shù)據(jù)指針，三個16 位 定時器/計數(shù)器，一個 6 向量 2 級中斷結(jié)構，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外，AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式?？臻e模式下，CPU 停止工作，允許 RAM、定時器/計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下，RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)， 單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。8 位微控制器 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程[16]。其引腳排列如圖 33 所示。3 硬件設計9圖 33 AT89S52 引腳排列圖● 與 MCS51 單片機產(chǎn)品兼容；● 8K 字節(jié)在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器；● 1000 次擦寫周期；●全靜態(tài)操作：0Hz ～33Hz；●三級加密程序存儲器；● 32 個可編程 I/O 口線；●三個 16 位定時器/計數(shù)器；●八個中斷源；●全雙工 UART 串行通道；●低功耗空閑和掉電模式；●掉電后中斷可喚醒；●看門狗定時器；●雙數(shù)據(jù)指針；●掉電標識符。4 個 P 口在一般情況下都是是一個 8 位雙向 I/O 口。不過 P0 口是漏極開路的 8 位雙向 I/O 口，而其他 P 口都是具有內(nèi)部上拉電阻的 8 作為輸出口要外部上拉電阻。且P1 口部分引腳和 P3 口具有第二功能。具體見表 31 和表 32。學士學位論文10表 31 P1 口引腳第二功能引腳號 第二功能 T2 定時器 /計數(shù)器 T2 的外部計數(shù)輸入，時鐘輸出 T2EX 定時器 /計數(shù)器 T2 的捕捉/ 重載觸發(fā)信號和方向控制 MOSI 在系統(tǒng)編程用 MISO 在系統(tǒng)編程用 SCK 在系統(tǒng)編程用表 32 P3 口引腳第二功能引腳號 第二功能 RXD 串行輸入 TXD 串行輸出 INT0(外部中斷 0) INT0(外部中斷 0) T0（定時器 0 外部輸入） T1（定時器 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)存儲器寫選通)另外還有第九引腳 RST 為復位引腳。地十八引腳和第十九引腳分別為振蕩器反相放大器的輸入端和輸出端。 電機驅(qū)動電路 驅(qū)動電路小車使用的是直流電機。從單片機輸出的信號功率很弱，即使在沒有其它外在負載時也無法帶動電機，所以在實際電路中我們加入了電機驅(qū)動芯片提高輸入電機信號的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機轉(zhuǎn)動。直流電機常用的 PWM，及脈寬調(diào)制方式驅(qū)動。本設計中電機驅(qū)動采用 L298 集成 H 橋芯片。L298 中有兩套 H 橋電路，剛好可以控制兩個電機。它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機進行軟件控制，極大地滿足各種復雜電路需要。另外，L298 的驅(qū)動功率較大，在 6~46V 的電壓下，可以提供 2A 的額定電流，并且具有過熱自動關斷和電流反饋檢測功能，安全可靠；為了保證 L298 正常工作，我們另外安裝了續(xù)流二極管。電路如圖 34 所示。能根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠這個問題。利用單片機調(diào)整出 PWM 脈沖和高低電3 硬件設計11平對直流電機進行驅(qū)動和控制。圖 34 電機驅(qū)動電路L298 集成 H 橋芯片。其外形、管腳分布如圖 35 所示。 圖 35 L298 管腳分布圖 PWM 調(diào)速原理脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation） ，簡稱 PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導通時間，即通過改變脈沖寬度來進行直流調(diào)速。PWM 的理論基礎是：沖量相等而形狀不同的的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上，其效果基本相同。采用 PWM 進行電機的調(diào)速控制，實際是保持加在電機電機電樞上的脈沖電壓頻率不變，調(diào)節(jié)其脈沖寬度。電機是一個慣性環(huán)節(jié)，它的電樞電流餓轉(zhuǎn)速均不能突變，很高的頻率的PWM 加在電機上，效果相當于施加一個恒定電壓的直流電。如圖 36 所示。這個電壓可以