【正文】 此來判斷小車是否偏離軌道或是否到達(dá)轉(zhuǎn)彎標(biāo)志，并根據(jù)反饋來不同的電平信號(hào)，發(fā)出相應(yīng)的控制操作命令來控制小車當(dāng)光線照射到白紙上面時(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。將阻值的變化值經(jīng)過。方案二：采用光電傳感器，即利用紅外線遇到障礙物會(huì)反射回來紅外接收管可以接受到，在小車行駛過程中紅外發(fā)射管不斷發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線射入黑線時(shí)，沒有反射，紅外輸出低電平，若紅外接收管沒有在黑線上方則可以接收到經(jīng)軌道地板反射回的光線則輸出高電平。是在黑暗或者是強(qiáng)光照射下，小車系統(tǒng)均可以很穩(wěn)定的工作，對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力較強(qiáng)。一只置于軌道中間，兩只置于軌道外側(cè)，當(dāng)小車脫離軌道時(shí)，即當(dāng)置于中間的一只光電開關(guān)脫離軌道時(shí)，等待外面任一只檢測到黑線后，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向調(diào)整，直到中間的光電開關(guān)重新檢測到黑線（即回到軌道）再恢復(fù)正向行駛。4. 測距模塊方案一：用超聲波傳感器。超聲波測距原理是利用超聲波從發(fā)射到接收過程中傳播的時(shí)間來計(jì)算出傳播距離。式中T為環(huán)境溫度；cO為絕對(duì)溫度時(shí)的速度，是常數(shù)。超聲波測距方便，計(jì)算簡單，易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面達(dá)到實(shí)用的要求。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)光線發(fā)射頭發(fā)出的光束，被物體反射，其接收電路據(jù)此做出判斷反應(yīng)，物體對(duì)紅外光由同步回路選通而檢測物體的有無。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平。故放棄此方案。方案一：采用直流減速電機(jī)。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，但步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高的轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低時(shí)不適于小車等對(duì)速度有一定要求的系統(tǒng)。方案一：MC33886的應(yīng)用示意圖如圖2所示。IN1和IN2兩個(gè)邏輯電平輸入端分別控制輸出端OUT1和OUT2。IN2和UT2的關(guān)系與此相同。當(dāng)D1是高電平或者D2是低電平時(shí)，同時(shí)禁用OUT1和OUT2的輸出，使OUT1和OUT2同時(shí)變?yōu)楦咦钁B(tài)。對(duì)IN1和IN2的電平信號(hào)進(jìn)行脈寬調(diào)制，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。這個(gè)方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡單。方案三：，該芯片內(nèi)部集成了一個(gè)P溝道的高端MOSFET和一個(gè)N溝道的低端MOSFET，由于高端采用了P溝道MOSFET，因此避免了電磁干擾，提高了其性能，采用該方案的理由如下：1. 驅(qū)動(dòng)電流可直接由輸入邏輯電平控制，簡化了電路設(shè)計(jì)，并提高了電路的可靠性。3. 通過狀態(tài)標(biāo)志位（1s位），能實(shí)現(xiàn)電機(jī)狀態(tài)診斷和電流采樣，并具有各種保護(hù)功能。BTS7970以最小的板極空間為高電流的PWM調(diào)速電機(jī)提供了一種較優(yōu)的解決方案，總之，在驅(qū)動(dòng)電機(jī)方面，該芯片具有很高的可靠性。7. 車速檢測模塊方案一：通過霍爾元件感應(yīng)磁鐵來產(chǎn)生脈沖(當(dāng)霍爾元件在離磁場較近時(shí)輸出會(huì)是高電平，其它時(shí)候是低電平)，一個(gè)車輪均勻放四個(gè)小磁鐵，計(jì)算一秒所得的脈沖數(shù)，從而計(jì)算出一秒小車輪子轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)，再測量出小車車輪周長即可計(jì)算出小車當(dāng)前速度，累加可得到當(dāng)前路程。該旋轉(zhuǎn)光碼器硬件電路簡單、信號(hào)采集速度快，360線的精度足以滿足PI控制算法調(diào)節(jié)的需要。因此一定時(shí)間內(nèi)單片機(jī)累加器獲得的脈沖數(shù)值可以用來表示車速，并可直接作為控制器參數(shù)。 方案一：采用CCD圖像傳感器。其顯著特點(diǎn)是：；，工作電壓低，抗沖擊與震動(dòng)，性能穩(wěn)定，壽命長；，噪聲低，動(dòng)態(tài)范圍大；，有自掃描功能，圖像畸變小，無殘像；，像素集成度高，尺寸精確，商品化生產(chǎn)成本低。CMOS(本意是指互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體存儲(chǔ)器，是一種大規(guī)模應(yīng)用于集成電路芯片制造的原料）是微機(jī)主板上的一塊可讀寫的RAM芯片，主要用來保存當(dāng)前系統(tǒng)的硬件配置和操作人員對(duì)某些參數(shù)的設(shè)定。CMOS具有以下優(yōu)點(diǎn)：1. 允許的電源電壓范圍寬，方便電源電路的設(shè)計(jì)2. 邏輯擺幅大，使電路抗干擾能力強(qiáng)3. 靜態(tài)功耗低4. 隔離柵結(jié)構(gòu)使CMOS期間的輸入電阻極大，從而使CMOS期間驅(qū)動(dòng)同類邏輯門的能力比其他系列強(qiáng)得多 在今日，CMOS制造工藝也被廣泛用于制作數(shù)碼影像器材的感光援建，雖然在用途上與過去的CMOS電路主要作為固件或計(jì)算工具的用途非常不同，但是基本上仍然采取CMOS的工藝，只是將純粹邏輯運(yùn)算的功能轉(zhuǎn)變成接收外界光線轉(zhuǎn)化為電能，再透過芯片上的數(shù)模轉(zhuǎn)換器將獲得的影像訊號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)碼訊號(hào)輸出，并且不要要進(jìn)行視頻信號(hào)分離，因此大大簡化了硬件電路。舵機(jī)屬于位置伺服電機(jī)，控制信號(hào)是單片機(jī)產(chǎn)生的PWM信號(hào)。當(dāng)舵機(jī)所需轉(zhuǎn)動(dòng)幅度一定時(shí)，長轉(zhuǎn)臂要比短轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度小，即響應(yīng)更快。lt。gt。因此對(duì)于相同的角速度ω，可得轉(zhuǎn)臂響應(yīng)時(shí)間t1amp。t2。為了減小舵機(jī)的時(shí)滯現(xiàn)象，充分利用舵機(jī)的轉(zhuǎn)矩余量，本系統(tǒng)采用了以下三種方法： (1) 提高舵機(jī)工作電壓，使其工作在額定電壓之上，從而減小舵機(jī)的響應(yīng)時(shí)間；(2) ，充分利用轉(zhuǎn)矩余量；(3) 將兩個(gè)8位PWM寄存器合并為一個(gè)16位PWM寄存器，將舵機(jī)的PWM控制周期放大至2000，從而細(xì)化PWM控制量，使轉(zhuǎn)臂變化更加靈活、均勻。采用外接ROM進(jìn)行存儲(chǔ)是保存實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的慣用方法，其特點(diǎn)是在單片機(jī)斷電之后仍然能保存住數(shù)據(jù)，但無疑將增大軟硬開銷和時(shí)間開銷。雖然不能在斷電后保存數(shù)據(jù)，但可以在實(shí)驗(yàn)結(jié)束后根據(jù)按鍵顯示相應(yīng)值。鑒于方案二的以上優(yōu)點(diǎn)，綜合比較，本方案采用方案二。三、系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)本設(shè)計(jì)是一個(gè)光、機(jī)、電、無線通信一體的綜合設(shè)計(jì),在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了檢測技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、無線通信技術(shù)和電子技術(shù)。傳感部分包括圖像傳感循跡模塊、超聲波測距模塊，智能控制部分包括系統(tǒng)中控制器件根據(jù)由傳感器變換輸出的電信號(hào)進(jìn)行邏輯判斷，控制小車的電機(jī)以及無線通信，完成了小車的直線行駛，探測轉(zhuǎn)彎標(biāo)志等各項(xiàng)任務(wù)。統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。首先利用光電對(duì)管對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行檢測，經(jīng)過比較器處理之后，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)。模型車系統(tǒng)中接受供電的部分包括：傳感器模塊、單片機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、伺服電機(jī)模塊等?？煽康碾娫捶桨甘钦麄€(gè)硬件電路穩(wěn)定可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。由于電路中的不同電路模塊所需要的工作電流容量各不相同，因此電源模塊應(yīng)該包含多個(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需要的電壓。在本系統(tǒng)中，除了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的電源是直接取自電池外，其余各模塊的工作電壓都需要經(jīng)電源管理芯片來實(shí)現(xiàn)。LM2940是一款低壓穩(wěn)壓芯片，能提供5V的固定電壓輸出。與其它的穩(wěn)壓芯片一樣，LM2940需要外接一個(gè)輸出電容來保持輸出的穩(wěn)定性。舵機(jī)額定工作電壓是6V，此時(shí)舵機(jī)的滯后常數(shù)很大，在毫秒級(jí)上。經(jīng)過大量的測試，舵機(jī)電源使用7V時(shí)，舵機(jī)的滯后常數(shù)將大大減小。使用兩片LM2940分別向傳感器、控制器和編碼器供電。為了防止電源電壓接反，利用二極管D1作為防反接保護(hù)二極管?？刂频姆椒ㄓ泻芏啵蠖噙x用單片機(jī)作為控制。 P0口：P0口為一個(gè)8位漏級(jí)開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。P0能夠用于外部程序數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，它可以被定義為數(shù)據(jù)/地址的第八位。P1口：P1口是一個(gè)內(nèi)部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)，P1口作為第八位地址接收。并因此作為輸入時(shí)，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。P2口當(dāng)用于外部程序存儲(chǔ)器或16位地址外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器進(jìn)行存取時(shí)，P2口輸出地址的高八位。P2口在FLASH編程和校驗(yàn)時(shí)接收高八位地址信號(hào)和控制信號(hào)。當(dāng)P3口寫入“1”后，它們被內(nèi)部上拉為高電平，并用作輸入。P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示：管腳 備選功能 RXD（串行輸入口） TXD（串行輸出口） /INT0（外部中斷0） /INT1（外部中斷1） T0（記時(shí)器0外部輸入） T1（記時(shí)器1外部輸入） /WR（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器寫選通） /RD（外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器讀選通）P3口同時(shí)為閃爍編程和編程校驗(yàn)接收一些控制信號(hào)。當(dāng)振蕩器復(fù)位器件時(shí)，要保持RST腳兩個(gè)機(jī)器周期的高電平時(shí)間。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。因此它可用作對(duì)外部輸出的脈沖或用于定時(shí)目的。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。另外，該引腳被略微拉高。/PSEN：外部程序存儲(chǔ)器的選通信號(hào)。但在訪問外部數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器時(shí)，這兩次有效的/PSEN信號(hào)將不出現(xiàn)。注意加密方式1時(shí)，/EA將內(nèi)部鎖定為RESET；當(dāng)/EA端保持高電平時(shí)，此間內(nèi)部程序存儲(chǔ)器。 XTAL2：來自反向振蕩器的輸出單片機(jī)管腳如圖6所示：對(duì)于單片機(jī)的晶振電路和復(fù)位電路的設(shè)計(jì)如下圖7：晶振電路復(fù)位電路 循跡電路本文采用的CMOS攝像頭是一種以CMOS感光器件為主的高分辨率、低功耗圖像傳感器，為了減少硬件系統(tǒng)開銷，選用數(shù)據(jù)量較少的黑白攝像頭也可滿足要求。由于賽道是白色背景黑色引導(dǎo)線，為區(qū)分黑線和白色賽道背景并過濾其他干擾信息，可取黑、白兩個(gè)閾值帶分別對(duì)應(yīng)于黑色引導(dǎo)線與白色背景的值。循跡模塊采用CMOS圖像傳感器作為采集視頻信號(hào)的主控芯片。而CMOS由于制造工藝簡單，因此可以在普通半導(dǎo)體生產(chǎn)線上進(jìn)行生產(chǎn)，其制造成本比較低廉。OV7620是一款CMOS攝像頭器件，是一款彩色CMOS型圖像采集集成芯片，提供高性能的單一小體積封裝，該器件分辨率可以達(dá)到640X480，傳輸速率可以達(dá)到30幀。具有自動(dòng)增益和自動(dòng)白平衡控制,能進(jìn)行亮度、對(duì)比度、飽和度、γ校正等多種調(diào)節(jié)功能。5V電源供電,工作時(shí)功耗120mW,待機(jī)時(shí)功耗10μW。OV7620圖像傳感器的管腳圖如下圖8：OV7620內(nèi)部可編程功能寄存器的設(shè)置有上電模式和SCCB編程模式。SCCB是簡化的I2C協(xié)議，SIOI是串行時(shí)鐘輸入線，SIOO是串行雙向數(shù)據(jù)線，分別相當(dāng)于I2C協(xié)議的SCL和SDA。Don’t care位由從機(jī)產(chǎn)生；NA位由主機(jī)產(chǎn)生，由于SCCB不支持多字節(jié)的讀寫，NA位必須為高電平。OV7620功能寄存器的地址為0x00～0x7C(其中，不少是保留寄存器)。例如，設(shè)置OV7620為連續(xù)掃描、RGB原始數(shù)據(jù)16位輸出方式，需要進(jìn)行如下設(shè)置： I2CSendByte()為寫寄存器函數(shù)，它的第1個(gè)參數(shù)OV7620為宏定義的芯片地址0x42，第2個(gè)參數(shù)為片內(nèi)寄存器地址，第3個(gè)參數(shù)為相應(yīng)的寄存器設(shè)定值。當(dāng)采用連續(xù)掃描方式時(shí)，只使用VSYNC和HSYNC、PCLK三個(gè)同步信號(hào)，還引入了HREF水平參考信號(hào)。在內(nèi)存中定義一個(gè)二維數(shù)組存儲(chǔ)圖像數(shù)據(jù)，一維用變量y表示，用于水平同步信號(hào)計(jì)數(shù)；二維用變量x表示，用于像素同步信號(hào)計(jì)數(shù)。若是，則在主程序的循環(huán)體中進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；若不是，則使能HSYNC對(duì)應(yīng)的中斷，并將y置為O。在Pclk_IRQ()中斷服務(wù)程序中，判斷HREF的有效電平，若有效，則z增加，同時(shí)采集一個(gè)像素點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)。當(dāng)OV7620使用27 MHz的系統(tǒng)時(shí)鐘時(shí)，默認(rèn)的PCLK的周期為74 ns。LPC2210的最大中斷延遲時(shí)問為27個(gè)處理器指令周期，最小延遲時(shí)問為4個(gè)指令周期，再加上中斷服務(wù)時(shí)間、現(xiàn)場恢復(fù)時(shí)間等，完成一次中斷響應(yīng)的時(shí)問要大于7～30個(gè)指令周期。通過設(shè)置時(shí)鐘頻率控制寄存器，可將PCLK的周期設(shè)為4us左右。從表l中可以看出，每一行Y通道和UV通道交替輸出上一行重復(fù)數(shù)據(jù)和本行新數(shù)據(jù)。 表1 ov7620 16位輸出格式R C1234……通道1 ……UVB11G12B13G14…… Y2G21R22G23R24…… UVB11G12B13G14…… Y3G21R22G23R24…… UVB31G32B33G34…… YCMOS圖像傳感器的工作原理圖如圖9所示：OV7620 支持一幀圖象讀取模式, 采用此模式則OV7620 開始傳輸后, 以PCLK 為頻率自動(dòng)傳輸完一幀圖象后停止。CMOS 芯片單幀讀取時(shí)序如圖2 所示。當(dāng)給AGCEN引腳發(fā)送一初始信號(hào)后,VSYNC會(huì)產(chǎn)生電平跳變,CPLD監(jiān)測VSYNC 的變化。HREF為水平窗開始信號(hào),以其上升沿開始, 輸出有效數(shù)據(jù)。所以用來存儲(chǔ)圖像的RAM 的使能信號(hào)CE,和寫信號(hào)WE 及讀信號(hào)RE 以及地址信號(hào)ADDRESS 都是由CPLD 來產(chǎn)生。同時(shí)設(shè)計(jì)一個(gè)二進(jìn)制計(jì)數(shù)器, 在VSYNC 有效后,以PCLK的下降沿為觸發(fā)沿對(duì)PCLK 做計(jì)數(shù),并取其輸出作為RAM 的地址信號(hào)ADDRESS。攝像頭與單片機(jī)相連的管腳如下表2所示 圖像采集模塊電源/地VSYNCHREFPLCKY0Y7單片機(jī)電源/地?cái)?shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線數(shù)據(jù)線 表2：管腳連接攝像頭的工作原理是：按一定的分辨率，以隔行掃描的方式采集圖像上的點(diǎn)，當(dāng)掃描到某點(diǎn)時(shí)，就通過圖像傳感器芯片將該點(diǎn)處圖像的灰度轉(zhuǎn)換成與灰度一一對(duì)應(yīng)的電壓值，然后將次電壓值通過視頻信號(hào)端輸出。當(dāng)掃描完一行，視頻信號(hào)端就輸出一個(gè)低于最低視頻信號(hào)電壓的電平（），并保持一段時(shí)間。然后，跳過一行后（因?yàn)閿z像頭是隔行掃描），開始掃描新的一行，如此下去，直到掃描完該場的視頻信號(hào)，接著會(huì)出現(xiàn)一段場消隱區(qū)，該區(qū)中有若干個(gè)復(fù)合消隱脈沖，其中有個(gè)遠(yuǎn)寬于（即持續(xù)時(shí)間遠(yuǎn)長于）其它的消隱脈沖，稱為場同步脈沖，它是掃描換場的標(biāo)志。本次設(shè)計(jì)所用的攝像頭每秒掃描30幅圖像，每幅又分奇、偶兩場，先奇場后偶場，故每秒掃描60場圖像。圖像信號(hào)的組成如圖10所示攝像頭有兩個(gè)重要的指標(biāo)：分辨率和有效像素。事實(shí)上，分辨率反映的是攝像頭的縱向分辨能力。在攝像頭采集完視頻信號(hào)后，要圖像進(jìn)行一定的處理，我們采用邊緣檢測的算法對(duì)圖像進(jìn)行處理。算法思路是：設(shè)定一閾值，對(duì)于二位數(shù)值組矩陣中每一列，從上至下求得相鄰兩像素值間的差值（上減下）。則判定其下的像素點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是黑色引導(dǎo)線的上邊緣，以此像點(diǎn)作為該列的特征點(diǎn)，記錄下此像素點(diǎn)的縱坐標(biāo)值（即為相應(yīng)的上邊緣坐標(biāo)），作為該列上目標(biāo)引導(dǎo)線的縱坐標(biāo)。邊緣檢測電路如下圖11所示在本設(shè)計(jì)中，該系統(tǒng)的圖像處效果受到兩個(gè)瓶頸因素限制：一是攝像頭50Hz的圖像采集