【文章內(nèi)容簡介】 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 3 智能尋跡小車 模塊 設計 總體方案 整個電路系統(tǒng)分為檢測 、控制、驅(qū)動三個模塊。首先利用光電對管對路面信號進行檢測，經(jīng)過比較器處理之后，送給軟件控制模塊進行實時控制，輸出相應的信號給驅(qū)動芯片驅(qū)動電機轉(zhuǎn)動，從而控制整個小車的運動。系統(tǒng)方案方框圖如圖 所示。 計算機科學與技術 11 圖 智能小車尋跡系統(tǒng)框圖 傳感檢測單元 小車循跡原理 該智能小車在畫有黑線的白紙 “路面 ”上行駛，由于黑線和白紙對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光的強弱來判斷 “道路 ”—黑線。筆者在該模塊中利用了簡單、應用也比較普遍的 檢測方法 ——紅外探測法。 紅外探測法，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。在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當紅外光遇到白色地面時發(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。 傳感器的選擇 及 檢測 電路設計 市場上用于紅外探測法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構簡單、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)構和外接電路均較為簡單，如圖 所示 。 圖 ST168 檢測電路 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，采用非接觸式檢測方式。 ST198 的檢測距離很小，一般為 8~15 毫米，因為 8 毫米以下是它的檢測盲區(qū)，檢測（黑線） 軟件控制 驅(qū)動電機 控制小車 計算機科學與技術 12 而大于 15 毫米則很容易受干擾。筆者經(jīng)過多次測試、比較，發(fā)現(xiàn)把傳感器安裝在距離檢測物表面 10 毫米時，檢測效果最好。 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，測試發(fā)現(xiàn)發(fā)射功率完全能滿足檢測需要；可變電阻 R2 可限制接收電路的電流，一方面保護接收紅外管；另一方面可調(diào)節(jié)檢測電路的靈敏度。因為傳感器輸出端得到的是模擬電壓信號，所以在輸出端增加了比較器，先將 ST198 輸出電壓與 ，再送給單片機處理和控制。 傳感器的安裝 正確選擇檢測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重要因素。從簡單、方便、可靠等角度出發(fā)，同時在底盤裝設 4 個紅外探測頭 ，進行兩級方向糾正控制，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 為第一級方向 控制傳感器， X2與 Y2 為第二級方向控制傳感器，并且黑線同一邊的兩個傳感器之間的寬度不得大于黑線的寬度。小車前進時，始終保持 (如圖 3 中所示的行走軌跡黑線 )在 X1 和 Y1 這兩個第一級傳感器之間，當小車偏離黑線時，第一級傳感器就能檢測到黑線，把檢測的信號送給小車的處理、控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)發(fā)出信號對小車軌跡予以糾正。第二級方向探測器實際是第一級的后備保護，它的存在是考慮到小車由于慣性過大會依舊偏離軌道，再次對小車的運動進行糾正，從而提高了小車循跡的可靠性。 計算機科學與技術 13 軟件控制單元 單片機 選 型及程序流程 此部 分是整個小車運行的核心部件，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用?？刂品椒ㄓ泻芏啵蟛糠侄疾捎脝纹瑱C控制。由于 51 單片機具有價格低廉是使用簡單的特點，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 。 圖 系統(tǒng)的程序流程圖 小車進入循跡模式后，即開始不停地掃描與探測器連接的單片機 I/O 口，一旦檢測到某個 I/O 口有信號變化，程序就進入判斷程序，把相應的信號發(fā)送給電動機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：一是用步進電機代替小車上原有的直流電機；二是在原有直流電機的基礎上，采用 PWM 調(diào)速法進行調(diào)速。考慮到機械裝置不便于修改等因素，這里選擇后者，利用單片機輸出端輸出高電平的脈寬及其占空比的大小來控制電機的轉(zhuǎn)速，從而控制小車的速度。經(jīng)過多次試驗，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。 N Y 啟動（開始前進） 初始化程序 I/O 口 掃描 I/O口是否有變化？ 進入判斷程序，輸出相應的信號控制電機 終止 計算機科學與技術 14 電機驅(qū)動單元 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。根據(jù)驅(qū)動功率大小以及連接電路的簡化要求選擇 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)動兩個電機轉(zhuǎn)動，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， L298N的驅(qū)動功率較大，能夠根據(jù)輸入電壓的大小輸出不同的電壓和功率，解決了負載能力不夠這個問題。 其電機驅(qū)動電路設計如圖 (b)所示。 圖 (b) 電機驅(qū)動電路圖 L298N 計算機科學與技術 15 蜂鳴器電路設計 在 小車越界探測到黑線時報警 ，蜂鳴器不需要復雜電路構造，直接驅(qū)動就可以，但是為保作用高效加一個三極管 （ NPN9013） 。 具體電路設計 如圖 所示。 圖 蜂鳴器電路圖 穩(wěn)壓電源設計 為了給整個控制系統(tǒng)提供一個穩(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)壓電路的設計如圖 所示。 圖 穩(wěn)壓電源電路圖 計算機科學與技術 16 4 系統(tǒng)功能測試 測試儀 器 及設備 表 測試儀器設備清單 儀器名稱 型號 用途 數(shù)量 PC機 華碩 調(diào)試及下載程序 1 數(shù)字萬用表 MASTECH my－ 65 測量各電路工作情況 1 白紙（粘黑線） 1m*1m 循跡場地用 1 功能測試 小車從 A 點啟 動，繞著路徑行走， 循跡路線如圖 所示。 到達 B 出時繼續(xù)前進與C 邊相交，然后右轉(zhuǎn) 90 度，返回到開始處 A 點。在這過程中會遇到 90 度的急彎道和圓弧形的彎道，主要測試小車直行的順暢度和轉(zhuǎn)彎時的靈活度以及精準度。 圖 小車循跡路線圖 A B C 計算機科學與技術 17 5 結(jié)束語 此方案選擇的器件比較簡單，實際中也很容易實現(xiàn)。經(jīng)過多次測試，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，達到了預期目標。不足之處，由于小車采用直流電機，其速度控制不夠精確和穩(wěn)定， 導致小車循跡時 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候比較吃力，有時候會卡死不動 。 我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(jīng)過充分的論證和設計，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。 通過幾個月的努力，即將完成論文，當然由于本人精力和時間有限，本論文中或多或少會 存在一些缺點，所設計的軟硬件難免存在一些不足，還懇請各位老師和同學給予批評和指正。 計算機科學與技術 18 致 謝 轉(zhuǎn)眼間，四年的本科學習很快就過去了，在論文即將完成之際，我衷心的感謝所有指導、關心和幫助我的老師、同學和朋友。 首先感謝我的導師朱宇副教授！本文的研究工作是在朱老師的悉心指導和嚴格要求下完成的。在課題的研究和論文的寫作過程中，朱老 師給了我很多耐心的指導和啟發(fā)。朱老師淵博的學識、嚴謹?shù)闹螌W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，在朱老師的指導下，我在學習生活方面都得到了很多進步！他即是良師又是益友，不僅讓我學到了專業(yè)知識，還讓我學到了很多做人的道理，會不斷激勵著我奮發(fā)學習、努力進步。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，請允許我表示我深深的敬意和衷心的感謝。 與此同時，我還要感謝一位別的專業(yè)的同學，在本次設計的過程中，他給予我很大的幫助。另外，感謝我的同學和室友，他們在我的學習和生活中給與了我 很大的幫助很支持。 最后，我要感謝所有在我論文完成過程中給予了幫助和關心的朋友們。 計算機科學與技術 19 參考文獻 [1] 劉坤、宋戈 .51 單片機 C 語言應用開發(fā)技術大全 [M].人民郵電出版社 .20219 [2] 張義和、徐宏昌 .例說 51 單片機 (C 語言版 )[M].人民郵電出版社 .20214 [3] 龔尚福 .C/C++語言程序設計 [M].中國礦業(yè)大學出版社 .202112 [4] 閻石 .數(shù)字電子技術基礎 [M].高等教育出版社 .20215 [5] 康華光 . 電子技術基礎 [M].高等教育 出版社 .20211 [6] 龔尚福、朱宇 .微機原理與接口技術 [M].西安電子科技大學出版社 .20218(4) [7] 趙家貴、付小美、董平 .新編傳感器電路設計手冊 .中國計量出版社 .2021 [8] 李華等 .MCS51 系列單片機實用接口技術 .北京航空航天大學出版社 .2021 [9] 王曉明 .電動機的單片機控制 .北京航空航天大學出版社 .2021 [10] (美 )西蒙 .嵌入式系統(tǒng)軟件教程 (英文版 )[M].20219 [11] 李問 .C_and_the_8051(英文版 )[M].20215 計算機科學與技術 20 附 錄 1 相關 芯片介紹 單片機概述 單片機是指一個集成在一塊芯片上的完整計算機系統(tǒng)。盡管它的大部分功能集成在一塊小芯片上，但是它具有一個完整計算機所需要的大部分部件： CPU、內(nèi)存、內(nèi)部和外部總線系統(tǒng)，目前大部分還會具有外存。同時集成諸如通訊接口、定時器，實時時鐘等外圍設備。而現(xiàn)在最強大的單片機系統(tǒng)甚至可以將聲音、圖像、網(wǎng)絡、復雜的輸入輸出系統(tǒng)集成在一塊芯片上。 單片機又稱單片微控制器 ,它不是完成某一個邏輯功能的芯片 ,而是把一個計算機系統(tǒng)集成到一個芯片上。概括的講：一塊芯片就成了一臺計算機。 它的體積小、質(zhì)量輕、價格便宜、為學習、應用和開發(fā)提供了便利條件。同時，學習使用單片機是了解計算機原理與結(jié)構的最佳選擇。 單片機內(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器件，不同的是它的這些部件性能都相對我們的家用電腦弱很多，不過價錢也是低的，一般不超過 10 元即可 ......用它來做一些控制電器一類不是很復雜的工作足矣了。我們現(xiàn)在用的全自動滾筒洗衣機、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。 它是一種在線式實時控制 計算機，在線式就是現(xiàn)場控制，需要的是有較強的抗干擾能力，較低的成本，這也是和離線式計算機的（比如家用 PC）的主要區(qū)別。 單片機是靠程序的，并且可以修改。通過不同的程序?qū)崿F(xiàn)不同的功能，尤其是特殊的獨特的一些功能，這是別的器件需要費很大力氣才能做到的，有些則是花大力氣也很難做到的。一個不是很復雜的功能要是用美國 50 年代開發(fā)的 74 系列，或者 60 年代的CD4000 系列這些純硬件來搞定的話，電路一定是一塊大 PCB 板！但是如果要是用美國70 年代成功投放市場的系列單片機，結(jié)果就會有天壤之別！只因為單片機的通過你編寫的程序 可以實現(xiàn)高智能，高效率，以及高可靠性！ 由于單片機對成本是敏感的，所以目前占統(tǒng)治地位的軟件還是最低級匯編語言，它是除了二進制機器碼以上最低級的語言了，既然這么低級為什么還要用呢？很多高級的語言已經(jīng)達到了可視化編程的水平為什么不用呢？原因很簡單，就是單片機沒有家用計算機那樣的 CPU，也沒有像硬盤那樣的海量存儲設備。一個可視化高級語言編寫的小程序里面即使只有一個