【導(dǎo)讀】利用反射式光電傳感器檢測(cè)黑線實(shí)現(xiàn)小車循跡，利用。跡、尋光和速度測(cè)試功能。其中，控制部分采用AT89S52，AT89S52是一款8位單片。機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評(píng)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用常用的PWM方。式進(jìn)行電機(jī)的調(diào)速控制，小車的速度通過液晶屏來顯示。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，可靠性能高，能滿足各種設(shè)計(jì)的要求。隨著我國(guó)高科技水平的不斷提高和工業(yè)自動(dòng)化

　　

【正文】 目前，國(guó)內(nèi)外的許多大學(xué)及研究機(jī)構(gòu)都在積極投入人力、財(cái)力研制開發(fā)針對(duì)特殊條件下的 安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中包括研究使用 遠(yuǎn)程、無人的 方法來 進(jìn)行實(shí)現(xiàn) ，如 機(jī)器人、遠(yuǎn)程監(jiān)控 等。 無線傳輸 的發(fā)展使得測(cè)量變得相對(duì)簡(jiǎn)單而且使得處理數(shù)據(jù)的速 度變得很快甚至可以達(dá)到實(shí)時(shí)處理”。 參考文獻(xiàn) 32 該智能小車可以作為機(jī)器人的典型代表。它可以分為三大組成部分：傳感器檢測(cè)部分、執(zhí)行部分、 CPU。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障功能，還可以擴(kuò)展循跡等功能，感知導(dǎo)引線和障礙物?？梢詫?shí)現(xiàn)小車自動(dòng)識(shí)別路線，選擇正確的行進(jìn)路線，并檢測(cè)到障礙物自動(dòng)躲避。 通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到 理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對(duì)控制理論的理解和認(rèn)識(shí)。 本設(shè)計(jì)的內(nèi)容及意義 設(shè)計(jì)的內(nèi)容 （ 1） 路面檢測(cè)模塊 （ 2） 電源模塊為 5V； （ 3） 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)模塊電路，及相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序； （ 4） 控速模塊 （ 5） 循線功能電路及程序； （ 6） 復(fù)位電路模塊 本設(shè)計(jì)的意義 隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，關(guān)于汽車的研究也就越來越受人關(guān)注。全國(guó)電子大賽和省內(nèi)電子大賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國(guó)各高校也都很重視該題目的研究?？梢娖溲芯恳饬x很大。本設(shè)計(jì)就是在這樣的背景下提出的，本題目是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。本設(shè)計(jì) 就采用了比較先進(jìn)的 C51 為控制核心， C51 采用 CHOMS 工藝，功耗很低。該設(shè)計(jì)具有實(shí)際意義，可以應(yīng)用于考古、機(jī)器人、醫(yī)療器械等許多方面。尤其是在足球機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景；在考古方面也應(yīng)用到了超聲波傳感器進(jìn)行檢測(cè)。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很強(qiáng)。智能小車國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 : 世界各國(guó)在智能微型車領(lǐng)域進(jìn)行了很多研究，己經(jīng)應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，在探測(cè)和軍事領(lǐng)域使用特別多。近年來，我國(guó)也開展了很多研究工作，以滿足不同用途的需要。 世界各國(guó)開發(fā)、研制星球探測(cè)車系統(tǒng)己經(jīng)有了多年的歷史。美國(guó)和前蘇聯(lián)是從20世紀(jì) 60 年代末期開始進(jìn)行月球表面探測(cè)任務(wù)的。美國(guó)曾在 1966^1968 年間，參考文獻(xiàn) 33 向月球成功發(fā)射了兩次無人巡游探測(cè)器。 1997 年，由美國(guó) JPL(全稱JetPropulsion Laboratory，美國(guó)太空總署噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室 )研制的 Sojourner號(hào)探測(cè)車登上了火星。它驗(yàn)證了小型火星車的性能，并完成了一系列技術(shù)試驗(yàn)。2020 年 1 月，美國(guó)的 “ 勇氣號(hào) ” 和 “ 機(jī)遇號(hào) ” 火星探測(cè)車再度登陸火星。前蘇聯(lián)在 1959^1976 年間，總共成功發(fā)射了兩個(gè)月球探測(cè)車。 單片機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，無論是在生活，生產(chǎn)上，單片機(jī)無 處不在。ATMEL 公司的 AT89S51 單片機(jī)可以廣泛應(yīng)用于計(jì)算機(jī)外部設(shè)備、工業(yè)實(shí)時(shí)控制、儀器儀表、通訊設(shè)備、家用電器等各個(gè)領(lǐng)域。 AT89S51 可以說是單片機(jī)領(lǐng)域的主流產(chǎn)品 ，其應(yīng)用如此廣泛，所以有必要去學(xué)習(xí)和應(yīng)用該單片機(jī)，以滿足實(shí)際產(chǎn)品開發(fā)的需要， 也是適應(yīng)社會(huì)智能化、自動(dòng)化的趨勢(shì)。 通過構(gòu)建智能小車系統(tǒng)，培養(yǎng)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制系統(tǒng)的能力。在實(shí)踐過程中，熟悉以單片機(jī)為核心控制芯片，設(shè)計(jì)小車的檢測(cè)、驅(qū)動(dòng)和顯示等外圍電路，采用智能控制算法實(shí)現(xiàn)小車的智能循跡。靈活應(yīng)用機(jī)電等相關(guān)學(xué)科的理論知識(shí)，聯(lián)系實(shí)際電路設(shè)計(jì)的具體 實(shí)現(xiàn)方法，達(dá)到理論與實(shí)踐的統(tǒng)一。在此過程中，加深對(duì)控制理論的理解和認(rèn)識(shí)。 論文各部分的主要內(nèi)容 第一章 對(duì)智能循跡小車的現(xiàn)狀、研究意義和設(shè)計(jì)要求進(jìn)行簡(jiǎn)單闡述。 第二章介紹了該智能循跡小車系設(shè)計(jì)方案比較和選擇，分析了各模塊的功能。 第三章闡述了智能小車系統(tǒng)的硬件電路的設(shè)計(jì)，其中包括單片機(jī)最小系統(tǒng)模塊電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路、以及附帶的信號(hào)提示電路等。 第四章首先介紹了該系統(tǒng)程序調(diào)試過程中所用到的程序調(diào)試軟件及其調(diào)試環(huán)境。 最后總結(jié)部分說明了本論的主要內(nèi)容，舉出了在系統(tǒng)測(cè)試過程中所發(fā)現(xiàn)的問題，并提出了可能 的解決方案。 第 2章 智能循跡小車系統(tǒng) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)任務(wù)與設(shè)計(jì)要求 參考文獻(xiàn) 34 51單片機(jī)集成開發(fā)環(huán)境，運(yùn)用 C 語言編寫工程文件； 、資源，以及軟硬件調(diào)試設(shè)備的基本方法； ，完成相關(guān)硬件電路的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)； 、路面檢測(cè)的原理和實(shí)現(xiàn)方法。 ； （包括系統(tǒng)供電單元、運(yùn)動(dòng)控制單元、循跡檢測(cè)單元） 的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)； ； ，閱讀相關(guān)外文文獻(xiàn)。 系統(tǒng)方案論證 控制器方案論證 按照 題目要求，控制器主要用于控制電機(jī)， 通過相關(guān)傳感器 對(duì) 路面的軌跡信息 進(jìn)行處理， 并將處理信號(hào)傳輸給控制器，然后控制器做出相應(yīng)的處理，實(shí)現(xiàn)電機(jī)的前進(jìn)和后退，保證在允許范圍類實(shí)現(xiàn)蹺蹺板的平衡 。 方案一：可以采用 ARM 為系統(tǒng)的控制器，優(yōu)點(diǎn)是該系統(tǒng)功能強(qiáng)大，片上外設(shè)集成度搞密度高， 提高了穩(wěn)定性 ， 系統(tǒng)的處理速度 也很高 ，適合作為大規(guī)模實(shí)時(shí)系統(tǒng)的控制核心。 方案二： 采用 AT89S52 作為系統(tǒng)控制的方案。 AT89S52 單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng)， 軟件編程靈活、自由度大， 功耗低、體積小、技術(shù)成熟 ， 成本 也比 ARM 低 。 考慮到性價(jià)比問題，本設(shè)計(jì)選擇 用 AT89S52 單片機(jī)做控制器。 供電單元方案論證 方案一：采用單電源供電，通過單電源同時(shí)對(duì)單片機(jī)和 直流電機(jī)進(jìn)行供電，此方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少機(jī)身的重量，操作簡(jiǎn)單，其缺點(diǎn)是，這樣會(huì)使單片機(jī)的波動(dòng)變大，影響單片機(jī)的性能，穩(wěn)定性比較弱。 方案二：采用雙電源供電，通過兩個(gè)獨(dú)立的電源分別對(duì)單片機(jī)和直流電機(jī)進(jìn)行供電，此方案的優(yōu)點(diǎn)是，減少波動(dòng)，穩(wěn)定性比較好，可以讓小車更好的運(yùn)作起來，唯一的缺 點(diǎn)就是會(huì)增加小車的重量。 綜合以上的優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)決定采用第二種方案。 運(yùn)動(dòng)單元方案論證 參考文獻(xiàn) 35 方案一： 采用直流電機(jī)，配合 LM293 驅(qū)動(dòng)芯片組合。優(yōu)點(diǎn)在于硬件電路的設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。 當(dāng)外加額定直流電壓時(shí)，轉(zhuǎn)速幾乎相等。這類電機(jī)用于錄音機(jī)、錄相機(jī)、唱機(jī)或激光唱機(jī)等固定轉(zhuǎn)速的機(jī)器或設(shè)備中。也用于變速范圍很寬的驅(qū)動(dòng)裝置 。容易受到外部因素干擾，影響穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩輸出。電路如圖 21： 圖 21 直流電機(jī) +LM293 組合電路原理 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)，配合 LM298 驅(qū)動(dòng)芯片組合。步進(jìn)電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)精確 的轉(zhuǎn)腳輸出， 只要施加合適的脈沖序列，電機(jī)可以按照人們的預(yù)定的速度或方向進(jìn)行連續(xù)的轉(zhuǎn)動(dòng) ， 便于控速 ，但是軟件程序的編寫較直流電機(jī)稍顯復(fù)雜。但是 LM298 芯片的硬件電路比較復(fù)雜。如圖 22： 圖 22 步進(jìn)電機(jī) +LM298 組合電路原理 方案三：采用直流電機(jī)配合由雙極性管組成的 H橋電路。用單片機(jī)控制晶體管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。這種電路由于工作在管子的飽和截止模式下，效率非常高； H橋電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也很高，是一種廣泛采用的 調(diào)速技術(shù)，其電路原理簡(jiǎn)圖如 圖 23所示。 參考文獻(xiàn) 36 圖 23 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理簡(jiǎn)圖 綜合 3種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，鑒于本系統(tǒng)設(shè)計(jì)體積較小，自身重量較輕，對(duì)電機(jī)功率輸出要求不高，決定選擇方案 3。 循跡單元方案論證 方案一 ：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器 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。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。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 ：采用 RPR220 型光電對(duì)管。 RPR220 是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度，硅平面光電三極管。 綜上所述，我們采用方案二。 系統(tǒng)總體方案 經(jīng)過對(duì)方案的設(shè)計(jì)要求的分析和方案論證，采用 51 單片機(jī)控制平臺(tái)，經(jīng)過紅外傳感模塊檢測(cè)路面的信息，控制運(yùn)動(dòng)模塊的電機(jī)運(yùn)動(dòng)方式，近而控制這個(gè)智能小車系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)。 系統(tǒng)框圖如圖 24。 H 橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 左電機(jī) 車體 右電機(jī) AT89S51 最小系統(tǒng) 時(shí)鐘振蕩電路 路面檢測(cè)電路 參考文獻(xiàn) 37 圖 24 系統(tǒng)總體框圖 第 3 章 智能循跡小車硬件部分 系統(tǒng)硬件電路介紹 智能小車采用 AT89S51單片機(jī)進(jìn)行智能控制， 開始由手動(dòng)啟動(dòng)小車， 并復(fù)位。當(dāng)有紅外遙控信號(hào)時(shí)，根據(jù)信號(hào)進(jìn)入相應(yīng)的行駛狀態(tài)，在運(yùn)動(dòng)過程中由紅外光電傳感器檢測(cè)，通過單片機(jī)控制小車進(jìn)行循跡，系統(tǒng)的自動(dòng)循跡功能通過紅外線傳感器正前方檢測(cè)，由單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn) 在小車行駛過程中，通過 接收 的信號(hào)脈沖控制直流電機(jī)，以提高系統(tǒng)的靜動(dòng)態(tài)性能。系統(tǒng)功能原理圖如圖 31所示 。 參考文獻(xiàn) 38 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng) 電路 包括 供電電路、電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制電路兩部分。 圖 31 系統(tǒng)功能原理圖 供電電路：運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)供電采用雙電源分別對(duì)電機(jī)和控制器供電?？紤]到小車是個(gè)不斷運(yùn)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，采用干電池供電?？偟墓╇娤到y(tǒng)是有 9V 的大功率電池儲(chǔ)能，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換單元。由一個(gè) 9V轉(zhuǎn)為 5V對(duì)控制單元供電；另一個(gè) 9V電池直接對(duì)電機(jī)的供電端連接。供電部分的分析將在后 面 整個(gè)系統(tǒng)的供電電路進(jìn)行詳細(xì)介紹。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)和控制電路：通過 51 單片機(jī)，控制端口對(duì)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向來對(duì)電機(jī)進(jìn)行控制。 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)最小系統(tǒng)由復(fù)位電路 、時(shí)鐘振蕩電路、數(shù)據(jù)采集接口和電機(jī)控制接口組成，單片機(jī)最小系統(tǒng)圖如圖 32所示 。 參考文獻(xiàn) 39 圖 32 圖 32 單片機(jī)最小系統(tǒng) 單片機(jī)使用資源規(guī)劃 由于 51 單片機(jī)具有比較強(qiáng)大的系統(tǒng)資源，本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)充分利用了它的自身特性，并進(jìn)行合理規(guī)劃。 見表 33。 表 33 單片機(jī)資源分配表 系統(tǒng)資源類型 用途 備注 看門狗 防止系統(tǒng)跑飛 定時(shí)器 0 定時(shí)喂狗 P1 端口 路面檢測(cè) 輸入 P3 端口 電機(jī)控制 輸出 單片機(jī)功能模塊介紹 單片機(jī)本電路的控制核心，它接收傳感器測(cè)得的信號(hào)，并控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)與停止。傳感器的輸入有兩根信號(hào)線，接單片機(jī)的 。傳入放入信號(hào)為高低電平，在小車沒有走到黑線上時(shí)，輸入都為低電平，此時(shí)單片機(jī)會(huì)驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，不需要轉(zhuǎn)彎，當(dāng)某端輸入高電平時(shí)，表明小車的相應(yīng)一側(cè)一走到黑線上，單片機(jī)便使改側(cè)的電機(jī)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，另一側(cè)的繼續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)，直到兩側(cè)都不走到黑線上，程序采用輪詢的方式，可以及時(shí)的檢測(cè)到是否走到黑線上 。 供電單元介紹 高性能的電源管理系統(tǒng)對(duì)于電子系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn) 行是至關(guān)重要的。作為智能車參考文獻(xiàn) 40 源，電源模塊為系統(tǒng)的控制器，執(zhí)行機(jī)構(gòu)，傳感器等各個(gè)模塊提供可靠的工作電壓。設(shè)計(jì)中，除了需要考慮電壓范圍和電流容量等基本參數(shù)之外，還要在電源轉(zhuǎn)換效率、降低噪聲、防止干擾和電路簡(jiǎn)單等方面進(jìn)行優(yōu)化，電源管理模塊的功能是對(duì)電池進(jìn)行分配和電壓調(diào)節(jié)，為其他各個(gè)模塊的正常工作提供可靠的工作電壓。 智能車控制系統(tǒng)中，不同電路模塊需要的工作電壓和電流容量各不相同。芯片需要提供 5V 的工作電壓，而電機(jī)所需的電壓為 9V，本設(shè)計(jì)中用到的是 9V 的電源供電，然后通過三端穩(wěn)壓器 LM7805將電壓變換為 5V 電壓供給電路系統(tǒng)。電源系統(tǒng)的電路圖如圖 34所示。 圖 34 穩(wěn)壓電源轉(zhuǎn)換電路 穩(wěn)壓芯片簡(jiǎn)介 三端穩(wěn)壓集成電路 lm7805 電子產(chǎn)品中，常見的三端穩(wěn)壓集成電路有正電壓輸出的 lm78 系列和負(fù)電壓輸出的 lm79 系列。顧名思義，三端 IC 是指這種穩(wěn)壓用的集成電路，只有三條引腳輸出，分別是輸入端、接地端和輸出端。它的樣子象是普通的三極管， TO 220 的標(biāo)準(zhǔn)封裝，也有l(wèi)m9013 樣子的 TO92 封 裝。 參考文獻(xiàn) 41 圖 35 lm7805 樣品 用 lm78/lm79 系列三端穩(wěn)壓 IC來組成穩(wěn)壓電源所需的外圍元件極少，電路內(nèi)部還有過流、過熱及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來可靠、方便，而且價(jià)格便宜。該系列集成穩(wěn)壓 IC型號(hào)中的 lm78或 lm79 后面的數(shù)字代表該三端集成穩(wěn)壓電路的輸出電壓，如 lm7806 表示輸出電壓為正 6V， lm7909表示輸出電壓為負(fù) 9V。 因