【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 ，而且靈敏度高，但它的抗干擾能力差，也就是說(shuō)如果輸入信號(hào)因受干擾在閾值附近變化，則比較器輸出就會(huì)反復(fù)的從一個(gè)電平跳到另一個(gè)電平。如果用這樣的輸出電壓控制電機(jī)或繼電器，將出現(xiàn)頻繁動(dòng)作或起?，F(xiàn)象。這種情況，通常是不允許的。而滯回比較器則解決了這個(gè)問(wèn)題。滯回比較器有兩個(gè)數(shù)值不同的閾值，當(dāng)輸入信號(hào)因受干擾或其他原因發(fā)生變化時(shí)，只要變化量不超過(guò)兩個(gè)閾值之差，滯回比較器的輸出電壓就不會(huì)來(lái)回變化。所以抗干擾能力強(qiáng)。但是，滯回比較器畢竟是模擬器件，溫度的漂移是它無(wú)法消除的。方案四：施密特觸發(fā)器。綜合考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，最后我們決定采用數(shù)字器件——施密特觸發(fā)器。施密特觸發(fā)器是雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器的變形，它有兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)，觸發(fā)方式為電平觸發(fā)，只要外加觸發(fā)信號(hào)的幅值增加到足夠大，它就從一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)翻轉(zhuǎn)到另一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)。施密特觸發(fā)器具有與滯回比較器相類似的滯回特性，但施密特觸發(fā)器的抗干擾能力比滯回比較器更強(qiáng)3 智能尋跡小車模塊設(shè)計(jì) 總體方案整個(gè)電路系統(tǒng)分為檢測(cè)、控制、驅(qū)動(dòng)三個(gè)模塊。首先利用光電對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，經(jīng)過(guò)比較器處理之后，送給軟件控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)方案方框圖如圖 所示。檢測(cè)（黑線） 軟件控制 驅(qū)動(dòng)電機(jī) 控制小車圖 智能小車尋跡系統(tǒng)框圖 傳感檢測(cè)單元 小車循跡原理該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面”上行駛，由于黑線和白紙對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)判斷“道路 ”—黑線。筆者在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法——紅外探測(cè)法。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)。在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色地面時(shí)發(fā)生漫發(fā)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，則小車上的接收管接收不到信號(hào)。 傳感器的選擇及檢測(cè)電路設(shè)計(jì)市場(chǎng)上用于紅外探測(cè)法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡(jiǎn)單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能可靠的集成式紅外探頭。ST 系列集成紅外探頭價(jià)格便宜、體積小、使用方便、性能可靠、用途廣泛，所以該系統(tǒng)中最終選擇了 ST198 反射傳感器作為紅外光的發(fā)射和接收器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外接電路均較為簡(jiǎn)單，如圖 所示。圖 ST168 檢測(cè)電路ST198 采用高發(fā)射功率紅外光、電二極管和高靈敏光電晶體管組成，采用非接觸式檢測(cè)方式。ST198 的檢測(cè)距離很小，一般為 8~15 毫米，因?yàn)?8 毫米以下是它的檢測(cè)盲區(qū)，而大于 15 毫米則很容易受干擾。筆者經(jīng)過(guò)多次測(cè)試、比較，發(fā)現(xiàn)把傳感器安裝在距離檢測(cè)物表面 10 毫米時(shí)，檢測(cè)效果最好。R1 限制發(fā)射二極管的電流，發(fā)射管的電流和發(fā)射功率成正比，但受其極限輸入正向電流 50mA 的影響，用 R1=200 歐的電阻作為限流電阻,Vcc=5V 作為電源電壓，測(cè)試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率完全能滿足檢測(cè)需要；可變電阻 R2 可限制接收電路的電流，一方面保護(hù)接收紅外管；另一方面可調(diào)節(jié)檢測(cè)電路的靈敏度。因?yàn)閭鞲衅鬏敵龆说玫降氖悄M電壓信號(hào)，所以在輸出端增加了比較器，先將 ST198 輸出電壓與 進(jìn)行比較，再送給單片機(jī)處理和控制。 傳感器的安裝正確選擇檢測(cè)方法和傳感器件是決定循跡效果的重要因素，而且正確的器件安裝方法也是循跡電路好壞的一個(gè)重要因素。從簡(jiǎn)單、方便、可靠等角度出發(fā)，同時(shí)在底盤裝設(shè) 4 個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向糾正控制，將大大提高其循跡的可靠性，具體位置分布如圖 所示。圖 紅外探頭的分布圖圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中 X1 與 Y1 為第一級(jí)方向控制傳感器，X2與 Y2 為第二級(jí)方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖 3 中所示的行走軌跡黑線)在 X1 和 Y1 這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離黑線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到黑線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以糾正。第二級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備保護(hù)，它的存在是考慮到小車由于慣性過(guò)大會(huì)依舊偏離軌道，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行糾正，從而提高了小車循跡的可靠性。 軟件控制單元 單片機(jī)選型及程序流程此部分是整個(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。控制方法有很多，大部分都采用單片機(jī)控制。由于 51 單片機(jī)具有價(jià)格低廉是使用簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，這里選擇了 ATMEL 公司的 AT89S51 作為控制核心部件，其程序控制方框圖如圖 所示。 NY啟動(dòng)（開(kāi)始前進(jìn)）初始化程序 I/O 口掃描 I/O 口是否有變化？進(jìn)入判斷程序，輸出相應(yīng)的信號(hào)控制電機(jī)終止圖 系統(tǒng)的程序流程圖小車進(jìn)入循跡模式后，即開(kāi)始不停地掃描與探測(cè)器連接的單片機(jī) I/O 口，一旦檢測(cè)到某個(gè) I/O 口有信號(hào)變化，程序就進(jìn)入判斷程序，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)。 車速的控制車速調(diào)節(jié)的方法有兩種：一是用步進(jìn)電機(jī)代替小車上原有的直流電機(jī)；二是在原有直流電機(jī)的基礎(chǔ)上，采用 PWM 調(diào)速法進(jìn)行調(diào)速?？紤]到機(jī)械裝置不便于修改等因素，這里選擇后者，利用單片機(jī)輸出端輸出高電平的脈寬及其占空比的大小來(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而控制小車的速度。經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，最終確定合適的脈寬和占空比，基本能保證小車在所需要的速度范圍內(nèi)平穩(wěn)前行。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元從單片機(jī)輸出的信號(hào)功率很弱，即使在沒(méi)有其它外在負(fù)載時(shí)也無(wú)法帶動(dòng)電機(jī)，所以在實(shí)際電路中我們加入了電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片提高輸入電機(jī)信號(hào)的功率，從而能夠根據(jù)需要控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。根據(jù)驅(qū)動(dòng)功率大小以及連接電路的簡(jiǎn)化要求選擇 L298N，其外形、管腳分布如圖 (a)所示。圖 (a) L298N 管腳分布圖從圖中可以知道，一塊 L298N 芯片能夠驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，它的使能端可以外接高低電平，也可以利用單片機(jī)進(jìn)行軟件控制，極大地滿足各種復(fù)雜電路需要。另外，L298N 的驅(qū)動(dòng)功率較大，能夠根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負(fù)載能力不夠這個(gè)問(wèn)題。其電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)如圖 (b)所示。圖 (b) 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖 L298N 蜂鳴器電路設(shè)計(jì)在小車越界探測(cè)到黑線時(shí)報(bào)警，蜂鳴器不需要復(fù)雜電路構(gòu)造，直接驅(qū)動(dòng)就可以，但是為保作用高效加一個(gè)三極管（NPN9013） 。具體電路設(shè)計(jì)如圖 所示。圖 蜂鳴器電路圖 穩(wěn)壓電源設(shè)計(jì)為了給整個(gè)控制系統(tǒng)提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓，在此選擇了 7805 穩(wěn)壓管作為該電路的核心芯片。該穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)如圖 所示。圖 穩(wěn)壓電源電路圖4 系統(tǒng)功能測(cè)試 測(cè)試儀器及設(shè)備表 測(cè)試儀器設(shè)備清單儀器名稱 型號(hào) 用途 數(shù)量PC 機(jī) 華碩 調(diào)試及下載程序 1數(shù)字萬(wàn)用表 MASTECH my－65 測(cè)量各電路工作情況 1白紙（粘黑線） 1m*1m 循跡場(chǎng)地用 1 功能測(cè)試小車從 A 點(diǎn)啟動(dòng)，繞著路徑行走，循跡路線如圖 所示。到達(dá) B 出時(shí)繼續(xù)前進(jìn)與C 邊相交，然后右轉(zhuǎn) 90 度，返回到開(kāi)始處 A 點(diǎn)。在這過(guò)程中會(huì)遇到 90 度的急彎道和圓弧形的彎道，主要測(cè)試小車直行的順暢度和轉(zhuǎn)彎時(shí)的靈活度以及精準(zhǔn)度。ABC圖 小車循跡路線圖5 結(jié)束語(yǔ)此方案選擇的器件比較簡(jiǎn)單，實(shí)際中也很容易實(shí)現(xiàn)。經(jīng)過(guò)多次測(cè)試，結(jié)果表明在一定的弧度范圍內(nèi)，小車能夠沿著黑線軌跡行進(jìn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。不足之處，由于小車采用直流電機(jī)，其速度控制不夠精確和穩(wěn)定，導(dǎo)致小車循跡時(shí)行走不是很流暢；其次，由于車身比較重，致使小車在拐彎的時(shí)候比較吃力，有時(shí)候會(huì)卡死不動(dòng)。我的尋跡小車在完成設(shè)計(jì)要求的前提下，充分考慮到了外觀、成本等問(wèn)題，在性能和價(jià)格之間作了比較好的平衡。由于設(shè)計(jì)要求并不復(fù)雜，我們沒(méi)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(kuò)展和進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)。另外，我們的車體底盤經(jīng)過(guò)充分的論證和設(shè)計(jì)，兼顧了美觀、廉價(jià)、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。通過(guò)幾個(gè)月的努力，即將完成論文，當(dāng)然由于本人精力和時(shí)間有限，本論文中或多或少會(huì)存在一些缺點(diǎn)，所設(shè)計(jì)的軟硬件難免存在一些不足，還懇請(qǐng)各位老師和同學(xué)給予批評(píng)和指正。致 謝轉(zhuǎn)眼間，四年的本科學(xué)習(xí)很快就過(guò)去了，在論文即將完成之際，我衷心的感謝所有指導(dǎo)、關(guān)心和幫助我的老師、同學(xué)和朋友。首先感謝我的導(dǎo)師朱宇副教授！本文的研究工作是在朱老師的悉心指導(dǎo)和嚴(yán)格要求下完成的。在課題的研究和論文的寫作過(guò)程中，朱老師給了我很多耐心的指導(dǎo)和啟發(fā)。朱老師淵博的學(xué)識(shí)、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度、敬業(yè)的精神和平易近人的態(tài)度，給我留下了深刻的印象，在朱老師的指導(dǎo)下，我在學(xué)習(xí)生活方面都得到了很多進(jìn)步！他即是良師又是益友，不僅讓我學(xué)到了專業(yè)知識(shí)，還讓我學(xué)到了很多做人的道理，會(huì)不斷激勵(lì)著我?jiàn)^發(fā)學(xué)習(xí)、努力進(jìn)步。這些都將使我的一生受益匪淺！老師的諄諄教誨將令我終身難忘。在此，請(qǐng)?jiān)试S我表示我深深的敬意和衷心的感謝。與此同時(shí)，我還要感謝一位別的專業(yè)的同學(xué)，在本次設(shè)計(jì)的過(guò)程中，他給予我很大的幫助。另外，感謝我的同學(xué)和室友，他們?cè)谖业膶W(xué)習(xí)和生活中給與了我很大的幫助很支持。最后，我要感謝所有在我論文完成過(guò)程中給予了幫助和關(guān)心的朋友們。參考文獻(xiàn)[1] 劉坤、宋戈 .51 單片機(jī) C 語(yǔ)言應(yīng)用開(kāi)發(fā)技術(shù)大全[M].[2] 張義和、徐宏昌 .例說(shuō) 51 單片機(jī)(C 語(yǔ)言版)[M].[3] ++語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)[M].[4] [M].[5] 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].[6] 龔尚福、朱宇 .微機(jī)原理與接口技術(shù)[M].(4)[7] 趙家貴、付小美、[8] [9] [10] (美) (英文版)[M].20229[11] (英文版)[M].20225附 錄1 相關(guān)芯片介紹 單片機(jī)概述單片機(jī)是指一個(gè)集成在一塊芯片上的完整計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個(gè)完整計(jì)算機(jī)所需要的大部分部件：CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會(huì)具有外存。同時(shí)集成諸如通訊接口、定時(shí)器，實(shí)時(shí)時(shí)鐘等外圍設(shè)備。而現(xiàn)在最強(qiáng)大的單片機(jī)系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡(luò)、復(fù)雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。單片機(jī)又稱單片微控制器,它不是完成某一個(gè)邏輯功能的芯片,而是把一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成到一個(gè)芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺(tái)計(jì)算機(jī)。它的體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、為學(xué)習(xí)、應(yīng)用和開(kāi)發(fā)提供了便利條件。同時(shí)，學(xué)習(xí)使用單片機(jī)是了解計(jì)算機(jī)原理與結(jié)構(gòu)的最佳選擇。單片機(jī)內(nèi)部也用和電腦功能類似的模塊，比如 CPU，內(nèi)存，并行總線，還有和硬盤作用相同的存儲(chǔ)器件，不同的是它的這些部件性能都相對(duì)我們的家用電腦弱很多，不過(guò)價(jià)錢也是低的，一般不超過(guò) 10 元即可......用它來(lái)做一些控制電器一類不是很復(fù)雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動(dòng)滾筒洗衣機(jī)、排煙罩、VCD 等等的家電里面都可以看到它的身影！......它主要是作為控制部分的核心部件。 它是一種在線式實(shí)時(shí)控制計(jì)算機(jī)，在線式就是現(xiàn)場(chǎng)控制，需要的是有較強(qiáng)的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計(jì)算機(jī)的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。單片機(jī)是靠程序的，并且可以修改。通過(guò)不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨(dú)特的一些功能，這是別的器件需要費(fèi)很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個(gè)不是很復(fù)雜的功能要是用美國(guó) 50 年代開(kāi)發(fā)的 74 系列，或者 60 年代的CD4000 系列這些純硬件來(lái)搞定的話，電路一定是一塊大 PCB 板！但是如果要是用美國(guó)70 年代成功投放市場(chǎng)的系列單片機(jī)，結(jié)果就會(huì)有天壤之別！只因?yàn)閱纹瑱C(jī)的通過(guò)你編寫的程序可以實(shí)現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機(jī)對(duì)成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級(jí)匯編語(yǔ)言，它是除了二進(jìn)制機(jī)器碼以上最低級(jí)的語(yǔ)言了，既然這么低級(jí)為什么還要用呢？很多高級(jí)的語(yǔ)言已經(jīng)達(dá)到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡(jiǎn)單，就是單片機(jī)沒(méi)有家用計(jì)算機(jī)那樣的 CPU，也沒(méi)有像硬盤那樣的海量存儲(chǔ)設(shè)備。一個(gè)可視化高級(jí)語(yǔ)言編寫的小程序里面即