【導(dǎo)讀】在競賽中以上3個設(shè)計總結(jié)報告都獲得了較好的評分，作為實例，拋磚引玉，僅作為參考。相環(huán)式頻率合成器技術(shù)，由FPGA實現(xiàn)對PLL頻率合成器的控制。可自動改變頻率，步進達。同時系統(tǒng)還實現(xiàn)了頻率擴展、自制音源、立體聲編碼等實用性功能。超高速硬件描述語言VHDL,在Xilinx公司的SpartanⅡ系列的XC2S2020PQ-208芯片上編程。達到10-3；輸出功率≥20mW；輸出電壓可穩(wěn)定在1V±。注意1：目錄中的頁碼根據(jù)實際論文的頁碼編寫，此處全部用x表示。題目要求設(shè)計一個電壓控制的LC振蕩器，振蕩器的輸出為正弦波。率合成技術(shù)，利用鎖相環(huán)的原理，使輸出電壓穩(wěn)定在一固定頻率上。部分利用液晶顯示模塊，液晶顯示模塊顯示設(shè)定頻率、輸出頻率以及電壓峰-峰值。

　　

【正文】 傳感器測試 ???????????????????????????? x 金屬片與起跑線的距離測試 ???????????????????????? x 小車入庫測試 ??????????????????????????? ?? x 系統(tǒng)實現(xiàn)的功能 ????????????????????????????? x 結(jié)論 ??????????????????????????????????? x 5 總結(jié) ???????????????????????????????????? x 參考文獻 ??????????????????????????????????? x 附錄 ????????????????????????????????????? x 附錄 1：元器件清單 附錄 2：系統(tǒng)電路圖 附錄 3：程序清單 附錄 4：系統(tǒng)使用說明 注意 1：目錄中的頁碼根據(jù)實際論文的頁碼編寫，此處全部用 x表示。 注意 2： 以上部分在實際論文中為一頁。 1. 系統(tǒng)方案選擇和論證 設(shè)計要求 （注：設(shè)計要求與第 1章 ，本書為節(jié)省篇幅，略） 系統(tǒng)基本方案 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為控制部分和信號檢測部分。其中信號檢測部分包括：金屬探測模塊， 障礙物探測模塊， 路程測量模塊，路面檢測模塊，光源探測模塊?？刂撇糠职ǎ弘姍C驅(qū)動模塊，顯示模塊，控制器模塊，計時模塊，狀態(tài)和標(biāo)志模塊十個基本 模塊，模塊框圖如圖 。為實現(xiàn)各模塊的功能，分別作了幾種不同的設(shè)計方案并進行了論證。 38 圖 小車的基本模塊方框圖 各模塊方案選擇和論證 根據(jù)題目要求，控制器主要用于各個傳感器信號的接收和辨認(rèn)、控制小車的電機的動作、控制顯示車速與運行的時間以及小車在停車時發(fā)出的聲光信號等。對于控制器的選擇有以下兩種方案。 方案一：采用 FPGA（現(xiàn)場可編程門列陣）作為系統(tǒng)的控制器。 FPGA 可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大，密度高，它將所有器件 集成在一塊芯片上，減小了體積，提高了穩(wěn)定性，并且可應(yīng)用 EDA軟件仿真，調(diào)試，易于進行功能擴展。 FPGA采用并行的輸入輸出方式 ，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)模實時系統(tǒng)的控制核心。由檢測模塊輸出的信號并行輸入 FPGA， FPGA通過程序設(shè)計控制小車做出相應(yīng)的動作，但由于本設(shè)計對數(shù)據(jù)處理的速度要求不高， FPGA的高速處理的優(yōu)勢得不到充分體現(xiàn)，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同時由于芯片的引腳較多，實物硬件電路板布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計和實際焊接的工作 。 方案二：采用 ATMEL公司的 AT89C51和 AT89C2051作為系統(tǒng)控制器的雙 CPU方案。單片機算術(shù)運算功能強，軟件編程靈活、自由度大，可用軟件編程實現(xiàn)各種算法和邏輯控制，并且由于其功耗低、體積小、技術(shù)成熟和成本低等優(yōu)點，使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛?；谝陨戏治鰯M定方案二，小車 單片機控制的方框圖 如圖 。在本設(shè)計中，我們采用了兩片單片機分開對 9個單元模塊進行監(jiān)測和控制，這樣減輕了單個 CUP的負(fù)擔(dān)，提高了系統(tǒng)的工作效率，同時，通過 CPU之間的分階段地互相控制，減少了外圍設(shè)備。由 AT89C2051控制電機的前轉(zhuǎn)后轉(zhuǎn)等功能，同時監(jiān)測由路面檢測模塊、障礙物探測 模塊和光源探測模塊的感應(yīng)信號。 AT89C51負(fù)責(zé)監(jiān)測金屬探測模塊和路程測量模塊，同時實現(xiàn)車速的顯示，計時和控制小 39 車的狀態(tài)標(biāo)志等功能。 圖 單片機控制的方框圖 （ 2） 金屬探測模塊 金屬探測模塊主要用于跑道中金屬塊的探測?？紤]到金屬一般都是導(dǎo)體，根據(jù)電磁場理論可知，在受到時變電磁場作用的任何導(dǎo)體中，都會產(chǎn)生電渦流。因此，在本系統(tǒng)中采用電渦流式傳感器實現(xiàn)對金屬塊的檢測。 電渦流式金屬傳感器是建立在磁場的理論基礎(chǔ)上而工作的。電渦流傳感器的探測部分是由空心線圈構(gòu)成的，當(dāng)線圈有振蕩電流通過時，空心線圈產(chǎn)生 一個交變的磁場 H1，當(dāng)有金屬導(dǎo)體進入線圈的磁場范圍時，金屬導(dǎo)體內(nèi)部便產(chǎn)生感應(yīng)電流，即，渦流 I2，該渦流又產(chǎn)生一個新的感應(yīng)磁場 H2， H2和 H1的方向相反，它會削弱原磁場 H1，從而使線圈的阻抗、 Q值和 L的值發(fā)生改變。我們要將這種變化轉(zhuǎn)化為電流或電壓的變化。相應(yīng)的，就有三種測量電路：① Q 值測量電路；② 阻抗測量電路；③ 電感測量電路。在本設(shè)計中我們采用諧振法，也就是電感測量電路。它是將線圈的電感 L隨外作用變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流變化。所謂諧振法通常是將線圈電感 L與固定電容 C并聯(lián)組成諧振回路。 由物理學(xué)可知，其諧振頻 率為： LCf ?2 10 ? 諧振回路的阻抗為： LCLjZ 20 1 ???? 當(dāng)傳感器的電感 L 變化時，頻率 f0和 Z0都隨之變化，因此可以通過測量頻率和阻抗來測量電感 L值的變化量，這就有調(diào)幅和調(diào)頻法之分。在本設(shè)計中采用調(diào)幅法。 40 調(diào)幅法：調(diào)幅電路如圖。圖中，電感 L 和電容 C1 和 C2接成電容三點式振蕩器。 LC回路的輸出電壓為 LCLjIZIu 2020 1 ????? 由此可見，當(dāng)傳感器 L變化時，回路輸出電壓 u也隨之變化，該電壓就反映了外作用。 當(dāng)沒有被測物體時， 先使 LC回路諧振，諧振頻率為 LCf ?2 10 ? 此時阻抗值最大，輸出電壓為最大。當(dāng)被測物體與線圈的接近時，導(dǎo)體產(chǎn)生的感應(yīng)磁場使線圈的 電感變化 L，從而引起 LC回路失諧 ，振幅下降，輸出電壓 u變小。 CLL LLjIZIu ）（ ）（ ??? ???? 2020 1 ?? 圖 ，由于 LC 回路輸出的是正弦波，我們在后面接入了整形比較電路，使單片機可根據(jù) LC回路的輸出電壓的變化進行金屬塊有無的邏輯判斷。 圖 金屬傳感器方框圖 （ 3）障礙物探測模塊 障礙物探測模塊是用來判斷 小車前方是否有障礙物并確定小車與障礙物之間的距離。為了確保小車在行駛過程中避免撞到障礙物，系統(tǒng)需要利用測距傳感器檢測出障礙物與小車之間的距離，使小車做出正確的動作，避免與障礙物相碰。對于測距傳感器的選擇有以下幾種方案。 方案一：采用激光傳感器檢測距離，利用光的反射原理進行距離的測量， 激光傳感器方框圖如圖 。 激光具有方向性強、亮度高、單色性好、傳輸速度快（ C=3 108m/s）等優(yōu)點，因此激光傳感器具有抗干擾性強，測量精度高，反應(yīng)速度快等特點。但由于激光是以光速傳播的，距離與時間的關(guān)系滿足： 2S=C T1，在本系統(tǒng)中障礙物離小車的距離最大不超過2m，所以 T1≤ 4/C= 108s，而單片機的機器時鐘為晶體振蕩器的十二分之一（一般單片機 41 采用 12MHz 或 6MHz 的晶振），遠(yuǎn)大于 T1，因此需要添加外部的發(fā)射電路才能適合單片機接收，同時，由于激光傳感器的制作比較精細(xì)使其價格過高。如圖 ，單片機控制信號在延時后控制激光發(fā)射器發(fā)射激光束，同時開始計時，當(dāng)接收器將接收的信號反饋給單片機時停止計時。通過時間差和光速的特點計算路程。 圖 激光傳感器方框圖 方案三：采用超聲波傳感器測 距離。 由于超聲波的波長短，超聲波射線可以和光線一樣，能夠反射、折射，也能聚焦，而且遵守幾何光學(xué)上的定律。即超聲波射線從一種物質(zhì)表面反射時，入射角等于反射角 。且 超聲波具有較好的指向性 ， 頻率越高，指向性越強。 聲波在空氣中傳播的速度約為 345m/s，根據(jù)公式： 2S=V T2（ S≤ 2m），可知 T2≤ 102s，這在單片機的機器周期內(nèi)，易于邏輯判斷。 基于以上分析，擬訂方案三。 應(yīng)用單片機發(fā)射和接收超聲波傳感器信號的方框圖 如圖 。 圖 應(yīng)用單片機發(fā)射和接收超聲波傳感器信號的方框圖 單 片機發(fā)出 40kHz 的脈沖信號，通過驅(qū)動電路由超聲波的發(fā)射器發(fā)射出去，連續(xù)發(fā)十個，同時定時器開始計時，如果接收器在發(fā)完十個脈沖后未接收到反饋信號，則判斷無障礙物，延時后單片機再發(fā)十個脈沖信號；如果接收器收到反饋信號，則判斷有障礙物，并通知單片機停止計時。通過時間差計算距離。 設(shè)超聲波在空氣中的傳播速度為 344m/s，則根據(jù)計時器記錄的時間 t，就可以計算出發(fā)射點距障礙物的距離 (s)，即： s =344t/2。 在本設(shè)計中，采用 高靈敏度、高可靠性、高穩(wěn)定性、耐高、低溫度、耐濕度、耐沖擊、發(fā)射頻率為 40kHz的超聲波 傳感器判斷障礙物的距離。在本設(shè)計中只要繞過 C點前的障礙物即可，因此只需要一對超聲波傳感器 400ST(329)。 42 （ 4） 距離 測量模塊 路程測量模塊用來測量小車從啟動到任意時刻所走的路程。根據(jù)題目要求，需要顯示金屬片與起跑線之間的距離，考慮到小車在行駛過程中，車輪旋轉(zhuǎn)一圈所行走的距離就是車輪的周長，因此只要在某時間間隔內(nèi)測量出車輪的圈數(shù)，依照 S=n C（其中 S為路程， C為車輪的周長， n為圈數(shù)），就可得出路程值。受鼠標(biāo)的工作原理啟發(fā)，采用透射式光電傳感器。由于透射式光電傳感器是溝槽結(jié)構(gòu)，可以將其置于車輪固定軸上， 再在車輪上安裝鼠標(biāo)中的編碼器滾軸 ，讓其恰好通過溝槽，車輪轉(zhuǎn)動時，透射式光電傳感器會產(chǎn)生一個個脈沖。通過對脈沖計數(shù)，實現(xiàn)對圈數(shù)的測量。該方案也適合用于精度較高的場合。 （ 5）路 面軌跡檢 測模塊 路面檢測模塊實現(xiàn)小車跟隨黑色軌道行駛，在行駛的途中不能超出軌道?？紤]到軌道是一條黑線，周圍鋪設(shè)了白紙，可以利用傳感器辨認(rèn)路面黑白兩種不同狀態(tài)。對傳感器的選擇有以下方案。 方案一：采用熱探測器。 熱探測器是利用所接收到的紅外輻射后，會引起溫度的變化，溫度的變化引起電信號輸出，且輸出的電信號與溫度的變化成比例，當(dāng)紅外線被黑線吸 收是、時，溫度會減小，電壓變低，而紅外線沒有被吸收時，電壓不變，單片機可以根據(jù)電壓的變化來判斷路面的狀態(tài)。由于溫度變化是因為吸收熱輻射能量引起的，與吸收紅外輻射的波長沒有關(guān)系，即對紅外輻射吸收沒有波長的選擇，因此受外界環(huán)境的影響比較大。 方案二； 采用光電探測器。 光電探測器接收紅外輻射后，由于紅外光子直接把材料的束縛態(tài)電子激發(fā)成傳導(dǎo)電子，由此引起電信號輸出，信號大小與所吸收的光子數(shù)成比例。且這些紅外光子的能量的大?。醇t外光還必須滿足一定的波長范圍），必須滿足一定的要求，才能激發(fā)束縛電子，起激發(fā)作用。光電探測 器吸收的光子必須滿足一定的波長，否則不能被吸收，所以受外界影響比較小，抗干比較強。 基于以上分析，擬定方案二。并考慮使用兩個光電傳感器或者使用三個光電傳感器兩種方案。表 ，從表中可以看出，中間的傳感器起到預(yù)判的作用，在小車輕微偏離時，可以調(diào)整車輪小幅度偏轉(zhuǎn)，一旦小車速度過快，嚴(yán)重偏離軌道時，調(diào)整小車大幅度偏轉(zhuǎn)，小車的穩(wěn)定度和速度得到了保證。使用兩個傳感器時，只有嚴(yán)重偏離的狀態(tài)，因此在檢測到有高電平時就必須大幅度偏轉(zhuǎn)，速度和穩(wěn)定度降低。但由于在本題中對速度和穩(wěn)定度的要求不 高，并且三個傳感器需要三個驅(qū)動電路，增加了電路的復(fù)雜程度，因此在本設(shè)計中我們使用兩個光電傳感器， 安放在小車的底板下。 表 光敏傳感器狀態(tài)真值表 43 （ 6）光源探測模塊 本題要求小車在光源的引導(dǎo)下，通過障礙區(qū)進入停車區(qū)并到達車庫。光源探測模塊的功能主要是引導(dǎo)小車朝光源行駛，使小車具有追蹤光源的功能。由于光源會發(fā)出光線和熱量，我們可以采用光敏三極管傳感器和熱釋電傳感器實現(xiàn)追蹤光源的功能?？紤]到光敏三極管傳感的檢測電路簡單、面積小，同時可以減少系統(tǒng)傳感器的種類，因此在設(shè)計中采用了光敏傳感器。由于采用的是 白熾燈，光線是射散的，為了便于小車能夠在偏離光源一定角度的情況下仍能檢測到光線，我們使用了三個互成一定角度的傳感器組，這樣增加了小車的檢測范圍。同時為提高傳感器的方向性，在二極管感應(yīng)平面的前端固定一根 2cm長的塑料筒， 光源檢測實物示意圖 如圖 。 圖 光源檢測實物示意圖 單片機可根據(jù)這三個光敏三極管的狀態(tài)，控制小車動作，尋找光源。小車的動作和傳感器的對應(yīng)關(guān)系如表所示。 表 狀態(tài) 動作對應(yīng)表 狀態(tài) 光敏三極管 A 光敏三極管 B 光敏三極管 C 光源與車之間的位置 小車動作 1 0 0 0 非常遠(yuǎn) 2 0 0 1 在車的右端 右轉(zhuǎn)（幅度大） 3 0 1 0 正對車 直線行駛 4 0 1 1 在車的右端 右轉(zhuǎn)（幅度?。? 44 5 1 0 0 在車的左端 左傳（幅度大） 6 1 0 1 7 1 1 0 在車的左端 左轉(zhuǎn)（幅度?。? 8 1 1 1 非常近 減速直線行駛 （ 7）電機驅(qū)動模塊 電機的驅(qū)動電路主要通過電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)實現(xiàn)小車的前后或者左右的方向選擇。對于電機驅(qū)動電路有下面的幾種方案。 方案一：采用繼電器對電動機的開或關(guān)進行控制，通過開關(guān)的切換對小車 的速度進行調(diào)整。圖 ，其中光偶將單片機和驅(qū)動電路隔開，當(dāng)需要小車左轉(zhuǎn)時由單片機控制光偶 4N261導(dǎo)通，使繼電器 RELAY1和 RELAY4關(guān)閉， RELAY2和 RELAY3打開，電機正向?qū)ǎ?dāng)需要小車右轉(zhuǎn)時由單片機控制光偶 4N262 導(dǎo)通，使繼電器 RELAY2 和RELAY3關(guān)閉， RELAY1和 RELAY4打開，電機反向?qū)?。這個方案的優(yōu)點是電路比較簡單，缺點是繼電器的響應(yīng)時間慢、機械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較短可靠性不高。 圖 繼電器式電機驅(qū)動電路 方案二：采用三極管組成的開關(guān) PWM電路。如圖 ，我們采用了三極管代替了繼電器， 這種調(diào)速方式有調(diào)速特性優(yōu)良、調(diào)整平滑、調(diào)速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實現(xiàn)頻繁的無級快速啟 動 和反轉(zhuǎn)的等優(yōu)點。 45