【導(dǎo)讀】差的預(yù)置及數(shù)字顯示、信號的移相以及移相后信號相位差和頻率的測量與顯示等功能。兩個部分均采用基于FPGA的數(shù)字技術(shù)實現(xiàn)，使得該系統(tǒng)具有抗干擾能力強,可靠性好。相位測量方案的關(guān)鍵問題是相位測量方法的選擇。顯示相位，原理方框圖如圖。

　　

【正文】 71 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 （ 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 72 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 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?。? 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)（幅度小） 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)?，?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 73 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。 1 2 3 4 5 6ABCD654321DCBAT i t l eN u m b e r R e v i s i o nS i z eCD a t e : 7 N o v 2 0 0 3 S h e e t o f F i l e : D :\我的 文檔 \電子 競賽 \電子 設(shè)計 大賽硬件 圖 \小車 \小車 .d d bD r a w n B y :1110U 1 E7 4 F 1 4R 1 1200R 1 72 2 0 KR2470Q25 6 1 0Q 1 15 6 0 9Q79 0 1 3U5O P T O I S O 1D2LEDR 1 410KG N D+ 9 V13 12U 1 F7 4 F 1 4R 1 2200R 1 82 2 0 KR3470Q35 6 1 0Q 1 05 6 0 9Q89 0 1 3U6O P T O I S O 1D3LEDR 1 510KA+M G 2M O T O R S E R V OG N DΩΩΩ ΩΩΩΩΩ 圖 三極管式電機驅(qū)動電路 基于上述理論分析，擬定方案二。本設(shè)計中有兩路驅(qū)動電路：前輪驅(qū)動，負責(zé)小車的左右運動；后輪驅(qū)動，負責(zé)小車的前后運動。 （ 8）顯示模塊 74 在小車運行過程中，系統(tǒng)需要對運行的時間和路程作 必要的顯示。我們考慮有以下兩種顯示方案。 方案一：使用液晶顯示屏顯示時間和路程。 液晶顯示屏（ LCD）具有輕薄短小、低耗電量、無輻射危險，平面直角顯示以及影像穩(wěn)定不閃爍等優(yōu)勢可視面積大，畫面效果好，分辨率高， 抗干擾能力強等特點。但由于只需顯示時間和路程這樣的數(shù)字，信息量比較少，且由于液晶是以點陣的模式顯示各種符號，需要利用控制芯片創(chuàng)建字符庫，編程工作量大，控制器的資源占用較多，其成本也偏高。在使用時，不能有靜電干擾，否則易燒壞液晶的顯示芯片，不易維護。 方案二：使用傳統(tǒng)的數(shù)碼管顯示。 數(shù)碼管具有：低能耗、低損耗 、低壓、壽命長、耐老化、防曬、防潮、防火、防高（低）溫 ，對外界環(huán)境要求低，易于維護，同時其 精度 比較 高，稱量快，精確可靠，操作簡單。 數(shù)碼管是采用 BCD編碼顯示數(shù)字，程序編譯容易，資源占用較少。 根據(jù)以上的論述，采用方案二。在本系統(tǒng)中，我們采用了數(shù)碼管的動態(tài)顯示，節(jié)省單片機的內(nèi)部資源。 （ 9）計時模塊 計時模塊要實現(xiàn)的功能是對小車從啟動到停止的過程進行計時，最小單位為 。由于本系統(tǒng)的控制器是由單片機構(gòu)成的，其內(nèi)部有很好的定時系統(tǒng)，因此系統(tǒng)使用 AT89C51內(nèi)置的定時器 /計數(shù)器實現(xiàn)該模塊功能。在 AT89C51內(nèi)部有 2個定時器 /計數(shù)器，它的計數(shù)脈沖的頻率為所選晶振頻率的 1/12。本系統(tǒng)使用的晶振頻率為 12MHz，則計數(shù)脈沖頻率為 1MHz，通過對定時器 /計數(shù)器的溢出控制，可以容易的實現(xiàn)最小單位為 。本方案在有效地利用系統(tǒng)資源的同時，又減少了單片機的外圍電路。 （ 10）狀態(tài)標(biāo)志模塊 狀態(tài)標(biāo)志模塊的設(shè)計要求是在小車檢測到金屬時發(fā)出光聲信號。在發(fā)聲方面，考慮到體積和功耗的因素，我們使用了蜂鳴器代替普通的揚聲器。在發(fā)光方面，考慮到電路的簡易程度，功耗和電源的因素，系統(tǒng)采用了發(fā)光二極管。 系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過仔細分析和論證，決定了系統(tǒng)各模塊的最終方案如下： （ 1） 控制模塊：采用 AT89C51和 AT89C2051雙 CPU控制 75 （ 2） 金屬探測模塊：采用電渦流式傳感器 （ 3） 障礙物探測模塊 ：采用超聲波傳感器 （ 4） 車速檢測模塊 ：采用光電傳感器 （ 5） 光源探測模塊：采用光敏三極管 （ 6） 路面檢測模塊：采用光電傳感器 （ 7） 電機驅(qū)動模塊：采用 PWM調(diào)制方式控制電機 （ 8） 顯示模塊：采用數(shù)碼管 （ 9） 計時模塊：采用 AT89C51內(nèi)置的定時器 /計數(shù)器 （ 10） 狀態(tài)標(biāo)志模塊：采用蜂鳴器和發(fā)光二極管。 系統(tǒng)的基本框圖如圖 。單片機 AT89C2051主要 用于控制小車電機和處理與小車動作有關(guān)的傳感信號，實現(xiàn)了小車速度控制、尋跡行駛、躲避障礙物及探測光源的功能。單片機 AT89C51主要用于系統(tǒng)的計時控制和狀態(tài)控制，實現(xiàn)了小車 90s停車、金屬探測、路程測量以及聲光顯示的功能。兩單片機之間采用查詢的方式互相通信，將分別獨立的兩套系統(tǒng)有機的綜合為一體，其工作過程如下： 圖 系統(tǒng)基本框圖 小車加電，系統(tǒng)開始工作，計時模塊運行，當(dāng)小車進入直道區(qū)時， AT89C2051根據(jù)紅外傳感器傳達的路面信息控制小車沿著軌道行駛，同時 AT89C51根據(jù)金屬傳感器探測的結(jié)果 ，控制蜂鳴器和發(fā)光二極管發(fā)出聲光信息。通過光電傳感器所得的信息， AT89C51計算出路程，確定小車進入彎道區(qū)，并與 AT89C2051 通信，使電機加速，提高轉(zhuǎn)彎的力矩。當(dāng) AT89C51再次探測到金屬時，確定該位置在 C點，并將該信息告知 2051，使小車停止運行 5s，同時發(fā)出聲光顯示。小車在 C點利用超聲波傳感器判斷障礙物的位置， AT89C2051根據(jù)障礙物的 76 位置控制車輪偏轉(zhuǎn)度，繞過物體，隨后再利用光源傳感器引導(dǎo)小車進庫，當(dāng)小車遇到光源前面的黑線時， AT89C2051控制車輪反轉(zhuǎn)，使車體完全進庫。在整個過程中，一旦 AT89C51的計時器計滿了 90s， AT89C2051就控制小車停止一切活動。 2. 系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn) 系統(tǒng)硬件的基本組成部分 本題是一個光、機、電一體的綜合設(shè)計 ,在設(shè)計中運用了檢測技術(shù)、自動控制技術(shù)和電子技術(shù)。系統(tǒng)可分為傳感器檢測部分和智能控制部分。 傳感器檢測部分：系統(tǒng)利用光電傳感器、電渦流傳感器、超聲波傳感器等不同類型的傳感器將檢測到的一系列的外部信息（例如路面狀況、障礙物的有無等）轉(zhuǎn)化為可被控制器件辨認的電信號。傳感器檢測部分包括五個單元電路：路面檢測電路、障礙物探測電路、路程測 量電路、光源探測電路和金屬檢測電路。 智能控制部分：系統(tǒng)中控制器件根據(jù)由傳感器變換輸出的電信號進行邏輯判斷，控制小車的電機、顯示數(shù)碼管、蜂鳴器以及發(fā)光二極管，完成了小車的自動尋跡行駛、探測金屬、躲避障礙物、尋找光源、顯示路程等各項任務(wù)?？刂撇糠职ㄋ膫€主要單元電路：單片機控制電路、前后輪電機驅(qū)動電路、數(shù)碼管動態(tài)顯示電路。 主要單元電路的設(shè)計 檢測部分的單元電路設(shè)計 （ 1） 軌跡 檢測電路的設(shè)計 題目要求小車在直道區(qū)和彎道區(qū)要沿著黑線行駛，但由于小車不可能始終保持一定的方向，必然會偏離黑 色軌道，從而導(dǎo)致小車沖出軌道。為了能使小車能在偏離軌道之后能調(diào)整方向，重新回到軌道上，系統(tǒng)需要將路面的狀態(tài)及時的以電信號的形式反饋到控制部分，控制部分控制前輪驅(qū)動電機反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)，使小車重新回到軌道上。在本設(shè)計中采用了兩個光電傳感器，分別安裝在車底的中部的左右兩端。當(dāng)小車往左偏出軌道時，左邊的光電傳感器被黑色紙帶遮蔽，輸出為高電平，單片機接收到該信號，控制電機正轉(zhuǎn)，使小車往右偏回軌道，傳感器回到白紙區(qū)輸出為低電平，電機停止轉(zhuǎn)動，小車直線前進。小車右偏時的狀態(tài)與左偏狀態(tài)相反。 具體電路如圖 。 一體化 紅外發(fā)射接收 IRT中的發(fā)射二極管導(dǎo)通，發(fā)出紅外光 77 線，經(jīng)反射物體反射到接收管上，使接收管的集電極與發(fā)射極間電阻變小，輸入端電位變低， 圖 光電檢測電路 輸出端為高電平，三極管導(dǎo)通，集電極 C為低電平，再經(jīng)斯密特反相器后為高電輸入到 89C51單片機的 INT0端口。當(dāng)紅外光線照射到黑色條紋時，反射到 IRT中的接收管上的光量減少，接收管的集電極與發(fā)射極間電阻變大，三極管截止，三極管的集電極 C為高電平，再經(jīng)反相器后輸入到單片機的信號為低電平。在三極管的基極 B 和發(fā)射極 E 接一個 F 的電容，減少電路中的“ 毛刺”，以減輕電路的干擾。由于光電傳感器受外界的影響較大，容易引起單片機的誤判，因此我們在電路中加入了一個電位器（阻值為 1KΩ），通過調(diào)整電位器，改變光電傳感器的輸入電流從而改變其靈敏度。 （ 2）金屬探測電路的設(shè)計 在小車行駛的軌道上放著 1～ 3塊金屬片，在彎道區(qū)的 C點上也有一塊金屬片，要求小車在行駛過程中對軌道上的金屬片個數(shù)計數(shù)，檢測到 C點上的金屬片后停車 。在本設(shè)計中我們采用電感諧振測量方法。電感諧振測量電路如圖 所示，電容 C C C外測電感 L2和反相器 U1A構(gòu)成了 LC振蕩回路，運放 LM393實現(xiàn)了正弦波的整形功能，為了提高電路的帶負載能力，在輸出加上了一級反相器。 電渦流傳感器的靈敏度和線性范圍是與線性圈產(chǎn)生的磁場強度和分布狀況有關(guān)，磁場沿徑向分布范圍大，則線性范圍就大，軸向磁場梯度大，則靈敏度高。它們與傳感器的線圈的形狀和尺寸有關(guān)。 單匝載流圓線圈在軸線上的磁場感應(yīng)強度，可以根據(jù)畢奧 沙伐爾 拉普拉斯定律求得： 78 232220)(2 xrrIB P???? 式中， μ 0為真空磁導(dǎo)率； I為激勵電流； r為圓線圈半徑； x為軸線上某點 P到線圈平面距離。 由上式可知線圈外徑大時，傳感器敏感范圍大，線 性范圍相應(yīng)的也增大，但靈敏度降低。線圈外徑小時，線性范圍減小，但靈敏度增大。線圈薄時，靈敏度高。因此，為提高傳感器的靈敏度，使用線圈半徑為 ，電感值為 100mH的多匝線圈