【正文】 務(wù)。 本設(shè)計(jì)以 STC89C51 單片機(jī)為控制核心。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相結(jié)合，現(xiàn)實(shí)意義很 強(qiáng)。 甲車(chē)車(chē)頭緊靠起點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn) ,乙車(chē)車(chē)尾緊靠邊界 ,甲、乙兩輛小車(chē)同時(shí)起動(dòng)，先后通過(guò)起點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)，在行車(chē)道同向而行，實(shí)現(xiàn)兩車(chē)交替超車(chē)領(lǐng)跑功能。 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 2 圖 11 跑道示意圖 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 第 2 章 方案論證與比較 設(shè)計(jì)任務(wù) 通過(guò)組內(nèi)討論以及題目的要求，在下面的文章中我們總體介紹智能小車(chē)的結(jié) 構(gòu)。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：由于單片機(jī)輸出的電流有限，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，因此需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)的電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，本小車(chē)采用 L298 芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)。本設(shè)計(jì)主要采用 STC 系列中的 STC89C51 單片機(jī)。 電源模塊：本設(shè)計(jì)主要用 12V/6800mAh 的鋰電池，其輸入電壓 DC；輸出 12V DC。 設(shè)計(jì)要求 甲車(chē)車(chē)頭緊靠起點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)，乙車(chē)車(chē)尾緊靠邊界，甲、乙兩輛小車(chē)同時(shí)起動(dòng)，先后通過(guò)起點(diǎn)標(biāo)志線(xiàn)，在行車(chē)道同向而行，實(shí)現(xiàn)兩車(chē)交替超車(chē)領(lǐng)跑功能。 調(diào)速模塊 方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)。 方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)。改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動(dòng)機(jī) 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以 GM 系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。且技術(shù)落后，因此擱置不用。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類(lèi)型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行 條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。 采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開(kāi)關(guān)狀態(tài)。脈沖寬度調(diào)制（ Pulse Width Modulation），簡(jiǎn)稱(chēng) PWM。 與 VM 系統(tǒng)相比， PWM 調(diào)速系統(tǒng) 有下列優(yōu)點(diǎn)： 由于 PWM 調(diào)速系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速范圍較寬，可達(dá) 1： 10000 左右。 同樣由于開(kāi)關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。 根據(jù)以上綜合比較，以及本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本 設(shè)計(jì)采用了 H 型單極型可逆 PWM 變換器進(jìn)行調(diào)速。 脈寬調(diào)速也可通過(guò)單片機(jī)控制繼電器的閉合來(lái)實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。可逆 PWM 變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有 H 型、 T 型等類(lèi)型。綜合考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，最后我們決定采 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 用 PWM 調(diào)速系統(tǒng)。 方案二：采用反射式紅外傳感器來(lái)進(jìn)行探測(cè)。 方案的選擇：方案 二 中的反射式紅外傳感器驅(qū)動(dòng)方便，識(shí)別率高，并且采集速度快，返回信號(hào)準(zhǔn)確，能夠?qū)崿F(xiàn)題目的要求，即能精確實(shí)現(xiàn)循跡黑線(xiàn)，方案二雖然效果更佳，但價(jià)格較昂貴。 轉(zhuǎn)向裝置模塊 方案一：雙電機(jī)控制。當(dāng)傳感器檢測(cè)到黑線(xiàn)，需要向左轉(zhuǎn)時(shí)，增 加右輪轉(zhuǎn)速，降低左輪轉(zhuǎn)速；需要向右轉(zhuǎn)時(shí)，增加左輪轉(zhuǎn)速，降低右輪轉(zhuǎn)速。 方案二：步進(jìn)電機(jī)控制前輪。逆轉(zhuǎn)時(shí)能夠精確返回原始位置。但步進(jìn)電機(jī)的價(jià)格比較昂貴。 本章小結(jié) 通過(guò)我們組內(nèi)討論以及題目的要求，我們的電動(dòng)智能小車(chē)選主要采用STC 系列中的 STC89C51 單片機(jī)，其設(shè)計(jì)主要用 12V/6800mAh 的鋰電池，能穩(wěn)定安全地給電機(jī)供電；由于單片機(jī)輸出的電流有限，無(wú)法直接驅(qū)動(dòng)電 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 機(jī)工作，因此需要通過(guò)專(zhuān)業(yè)的電路進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，只要單片機(jī)給出相應(yīng)的控制信號(hào)，便可控制電機(jī)工作。 綜合考慮系統(tǒng)的各項(xiàng)性能，我們決定采用 PWM 調(diào)速系統(tǒng)；采用光電自動(dòng)尋軌傳感器，通過(guò)采集黑白線(xiàn)返回主控制單片機(jī)的電信號(hào)不同，來(lái)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)尋跡的功能；采用雙電機(jī)控制控制小車(chē)的轉(zhuǎn)向。 電源 原理圖如圖 31 所示。 在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)在三端集成穩(wěn)壓電路上安裝足夠大的散熱器（當(dāng)然小功率的條件下不用）。當(dāng)制作中需要一個(gè)能輸出 以上電流的穩(wěn)壓電源，通常采用幾塊三端穩(wěn)壓電路并聯(lián)起來(lái)，使其最大輸出電流為 N個(gè) ，但應(yīng)用時(shí)需注意：并聯(lián)使用的集成穩(wěn)壓電路應(yīng)采用同一廠家、同一批號(hào)的產(chǎn)品，以保證參數(shù)的一致。 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 最小系統(tǒng)設(shè)計(jì) 本設(shè)計(jì)最小系統(tǒng)分兩部分，一部分是晶振部分，另一部分是復(fù)位電路部分。 圖 32 最小系統(tǒng) 原理 圖 單片機(jī)的置位和復(fù)位，都是為了把電路初始化到一個(gè)確定的狀態(tài)，一般來(lái)說(shuō)，單片機(jī)復(fù)位電路作用是把一個(gè)例如狀態(tài)機(jī)初始化到空狀態(tài)，而在單片機(jī)內(nèi)部，復(fù)位的時(shí)候單片機(jī)是把一些寄存器以及存儲(chǔ) 設(shè)備裝入廠商預(yù)設(shè)的一個(gè)值。當(dāng)復(fù)位電平持續(xù)兩個(gè)機(jī)器周期以上時(shí)復(fù)位有效。具體數(shù)值可以由RC 電路計(jì)算出時(shí)間常數(shù)。(1)上電復(fù)位： STC89 系列單片及為高電平復(fù)位，通常在復(fù)位引腳 RST 上連接一個(gè)電容到 VCC，再連接一個(gè)電阻到 GND，由此形成一個(gè) RC 充放電回路保證單片機(jī)在上電時(shí) RST 腳上有足夠時(shí)間的高電平進(jìn)行復(fù)位，隨后回歸到低電平進(jìn)入正常工作狀態(tài)，這個(gè)電阻 和電容的典型值為 10K 和10uF。單片機(jī)系統(tǒng)里都有晶振，在單片機(jī)系統(tǒng)里晶振作用非常大，全程叫晶體振蕩器，他結(jié)合單片機(jī)內(nèi)部電路產(chǎn)生單片機(jī)所需的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率越高，那么單片機(jī)運(yùn)行速度就越快，單片接的一切指令的執(zhí)行都是建立在單片機(jī)晶振提供的時(shí)鐘頻率。高級(jí)的精度更高。晶振用一種能把電能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)化的晶體在共振的狀態(tài)下工作，以提供穩(wěn)定，精確的單頻振蕩。通常一個(gè)系統(tǒng)共用一個(gè)晶振，便于各部分保持同步。晶振通常與鎖相環(huán)電路配合使用，以提供系統(tǒng)所需的時(shí)鐘頻率。 STC89C51 使用 的晶體振蕩器作為振蕩源，由于 單片機(jī)內(nèi)部帶有振蕩電路，所以外部只要連接一個(gè)晶振和兩個(gè)電容即可，電容容量一般在 15pF 至 50pF 之間。應(yīng)用 L298N 進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)， IN1 和 IN2 控制小車(chē)左輪并且通過(guò) ENA 控制占空比，這樣能控制小車(chē)的左輪驅(qū)動(dòng)能力。輸出端 OUT1 和OUT2 接左輪， OUT3 和 OUT4 接右 輪，前進(jìn)時(shí)，兩輪驅(qū)動(dòng)能力相同，左轉(zhuǎn)時(shí)，右輪比左輪驅(qū)動(dòng)力強(qiáng)，右轉(zhuǎn)時(shí)，同理。 電機(jī)驅(qū)動(dòng) 原理圖如圖 33 所示。 循跡模塊設(shè)計(jì) 循跡采用反射式光電傳感器，反射式光電傳感器具有一對(duì)紅外信號(hào)發(fā)射與接收二極管，發(fā)射管發(fā)射一定頻率的紅外信號(hào)，接收管接收這種頻率的紅外信號(hào)，當(dāng)紅外的檢查方向遇到障礙物（反射面）時(shí)，紅外信號(hào)反射回來(lái)被接收管接收。當(dāng) 遇到黑線(xiàn)時(shí)，圖中三極管 8050 導(dǎo)通，反相器輸入口處檢測(cè)到低電平，經(jīng)反相器后變?yōu)楦唠娖?，供單片機(jī)識(shí)別，同時(shí)指示燈被點(diǎn)亮，圖中滑動(dòng)變阻器，可方便改變光電傳感器的輸入電流，從而改變靈敏度，圖中 電容，可減少電路中“毛刺”，以增加電路的抗干擾能力。 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 圖 33 循跡模塊 原理 圖 在本設(shè)計(jì)中我們采用紅外一體式發(fā)射接收器，發(fā)射管和接收管的直徑都為 3mm，系統(tǒng)中我們?cè)O(shè)計(jì)反射距離在 左左，此時(shí)探測(cè)環(huán)境都在檢測(cè)電路板之下，不易受到其 他光線(xiàn)的干擾。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。紅外一體式發(fā)射接收器檢測(cè)黑線(xiàn)的原理為：由于黑色吸光，當(dāng)紅外發(fā)射管發(fā)出的關(guān)照射在上面后反射的部分比較小，接收管接收到地紅外線(xiàn)也就較少，表現(xiàn)為電阻比較大，通過(guò)外接的電路就可以讀出檢測(cè)的狀態(tài)，同理當(dāng)照在白色表面時(shí)發(fā)射的紅外線(xiàn)就比較多，表現(xiàn)為接收管的電阻比較小。 避障模塊設(shè)計(jì) 避免追尾相撞：小車(chē)前方設(shè)置一紅外傳感器， 小車(chē)后面設(shè)置一個(gè)擋板，當(dāng)兩車(chē)接近到一定距離時(shí)，紅外傳感器檢測(cè)到對(duì)方尾部的擋板，輸送電平給單片機(jī)，由單片機(jī)控制 PWM 調(diào)制脈沖來(lái)改變小車(chē)速度。 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 圖 35 避障模塊 原理 超車(chē)：當(dāng)甲車(chē)檢測(cè)到超車(chē)標(biāo)志線(xiàn)后，轉(zhuǎn)而循跡外環(huán)的同時(shí)，甲車(chē)減速，甲車(chē)和乙車(chē)保持紅外避障傳感器設(shè)置的距離，轉(zhuǎn)檢測(cè)完超車(chē)標(biāo)志后，轉(zhuǎn)而循跡超車(chē)區(qū)的內(nèi)環(huán)黑線(xiàn)，速度超過(guò)甲車(chē)并循跡黑線(xiàn)返回起點(diǎn)， 而甲車(chē)尋到轉(zhuǎn)彎標(biāo)志線(xiàn)后繼續(xù)循跡外線(xiàn)回到原點(diǎn)。另外有電源 V+及地 (這是個(gè)單電源比較器 )，同相端輸入電壓VA，反相端輸入 VB。在時(shí)間 0～ t1 時(shí)， VAVB；在t1～ t2 時(shí)， VBVA；在 t2～ t3 時(shí)， VAVB。根據(jù)輸出電平的高低便可知道哪個(gè) 電壓大。 LCD 具有功耗低，抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)。 另一種方法是采用 八段 數(shù)碼管顯示 ，可以使用多個(gè)獨(dú)立的八段數(shù)碼管 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 來(lái)自己拼接，其優(yōu)點(diǎn)是位數(shù)不限，布局靈活；也可以直接使用集成好的多位數(shù)碼管，其優(yōu)點(diǎn)是引線(xiàn)簡(jiǎn)單，價(jià)格也相對(duì)便宜許多。動(dòng)態(tài)掃描是針對(duì)靜態(tài)顯示而言的，所謂靜態(tài)顯示是指數(shù)碼管顯示某一字符時(shí)，相應(yīng)的發(fā)光二極管恒定導(dǎo)通或恒定截止，這種顯示方式的每個(gè)數(shù)碼管相互獨(dú)立，公共端恒定接地（共陰極）或接電源（共陽(yáng)極），每個(gè)數(shù)碼管的每個(gè)字段分別與一個(gè) I/O 口地址相連或與硬件譯碼電路相連，這時(shí)只要 I/O 口或硬件譯碼器有所需電平輸出，相應(yīng)字符即顯示出來(lái)，并保持不變，直到需要更新所顯示字符。而動(dòng)態(tài)掃描則 是一個(gè)一個(gè)地輪流點(diǎn)亮每個(gè)數(shù)碼管，方法是多位數(shù)碼管的 adp 數(shù)據(jù)段都用相同的 I/O引腳來(lái)驅(qū)動(dòng)，而使用不同的 I/O 引腳來(lái)控制位選擇引腳。這樣雖然在某一時(shí)刻只有一個(gè)數(shù)碼管在顯示，但是只要掃描的速度足夠快（超過(guò)人眼的視覺(jué)暫留時(shí)間），動(dòng)態(tài)顯示的效果在人開(kāi)來(lái)就是幾個(gè)數(shù)碼管同時(shí)顯示。 本章小結(jié) 本章主要描述了小車(chē)制作的主要模塊，以及各個(gè)模塊的應(yīng)用及擴(kuò)展。 哈爾濱華德學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 第 4章 電路設(shè)計(jì)軟件的使用 仿真軟件的 介紹 Proteus 是世界上著名的 EDA 工具 (仿真軟件 )，從原理圖布圖、 代碼調(diào)試到單片機(jī)與外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到 PCB 設(shè)計(jì)，真正實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。 Proteus 可提供的仿真元器件資源：仿真數(shù)字和模擬、交流和直流等數(shù)千種元器件，有 30 多