【正文】 制方式，直流直接驅(qū)動方式裝置簡單但檢測距離和抗干擾能力都比較差；交流調(diào)制方式由于可以采用交流耦合方式解決了放大器的直流漂移問題從而可以大大提高檢測的距離，同時由于環(huán)境光產(chǎn)生的干擾多數(shù)情況是信號的直流或低頻分量可以由濾波器加以隔絕，因此交流調(diào)試方式抗干擾能力也比較強(qiáng)，缺點(diǎn)是系統(tǒng)相對復(fù)雜。二、超聲探測器的選型與工作方式超聲探測器的選型超聲探測技術(shù)主要用于中程測距、結(jié)構(gòu)探傷等領(lǐng)域，超聲波換能器是其核心部件，換能器按其工作介質(zhì)可分為氣相、液相和固相換能器；按其發(fā)射波束寬度可分為寬波束和窄波束換能器；按其工作頻率又可分為38KHz、40KHz等不同等級。 用超聲波探測器測距的工作方式的選取當(dāng)利用超聲波探測器測距時常用二種方法——強(qiáng)度法和反射時間法，強(qiáng)度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來測量被測物的距離，被測物越遠(yuǎn)其反射信號越弱，根據(jù)反射信號的強(qiáng)弱就可以知道被測物的遠(yuǎn)近，但在使用這種方法時由于換能器之間的直接耦合信號很難消除，由于直接耦合信號的影響強(qiáng)度法測距只適合較短距離的且精度要求不高的場合。直接耦合信號被測物反射信號三、 金屬探測器的選型金屬物體的非接觸探測常用的方法有兩種，對于鐵、鈷、鎳等磁性金屬常使用磁場傳感器如霍爾器件，而對一般的金屬材料我們通常利用磁路敞開的線圈來進(jìn)行檢測，當(dāng)金屬材料靠近磁路敞開的線圈時，線圈的電感量和Q值都會改變，通過測量線圈這兩個參量的變化就可以知道金屬材料的位置，電感量的測量一般是將線圈接入到LC振蕩器中，用測量頻率的方法來間接的測量電感量，但由于電感量的變化不會很大加上LC振蕩器的頻率穩(wěn)定度比較低，事實(shí)上這種方法并不理想。本題中我們選用此方法。光伏型探測器又可分為光電二極管、PIN探測器、光電三極管和雪崩光電管(APD)，光電二極管量子效率較低，光點(diǎn)三極管漏電流較大，APD驅(qū)動電路復(fù)雜造價較高都不適合，因此我們選用硅材料（可見光光譜范圍）的PIN探測器。（二） 總控電路的選型一、 單片機(jī)的選型針對本設(shè)計(jì)特點(diǎn)——多開關(guān)量輸入的復(fù)雜程序控制系統(tǒng)，我們需要擅長處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡I/O口和程序存儲器的小體積單片機(jī)，D/A、A/D功能也不必選用根據(jù)這些分析我們選定了89C51單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，51系列單片機(jī)具有功能強(qiáng)大的位操作指令，I/O口均可按位尋址，程序空間多達(dá)4K對于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是51系列單片機(jī)價格非常低廉。車輪檢速及路程顯示電路選型方案一：采用霍爾集成片。方案二：受鼠標(biāo)的 工作 原理的啟發(fā)，采用斷續(xù)式光電開關(guān)。通過脈沖的記數(shù)，對速度進(jìn)行測量。 555多諧振蕩器輸出的1khz，占空比1：1的方形脈沖作為發(fā)射，利用黑白紙板對紅外線反射系數(shù)不同，車輪轉(zhuǎn)動時，接收到間隔為黑白紙板反射強(qiáng)度不同的信號。具體電路如下三、電源電路的選型方案一：所有器件采用單一電源（6節(jié)AA電池）。方案二：雙電源供電。這樣做法雖然不如單電源方便靈活，但可將電動機(jī)驅(qū)動所造成的干擾完全消除，進(jìn)一步提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。四、直流電機(jī)與步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路的選型電機(jī)是一種重要的能量轉(zhuǎn)換機(jī)械，它應(yīng)用于各個領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。 由于本次大賽只能使用玩具車，也就限制了電機(jī)的使用。因此，選擇電機(jī)的類型就顯得至關(guān)重要。一般原理為：采用相應(yīng)的導(dǎo)磁和導(dǎo)電材料構(gòu)成能相互轉(zhuǎn)化的磁路和電路。直流電機(jī)中的有效導(dǎo)體為參數(shù)為Un==，可以看到：它的減速箱與機(jī)體的連接是十分緊密的 ，這一點(diǎn)從做工就可以 優(yōu)良，2V即可啟動。于是dx段電流所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為dM=Mx(2S dx/ ) 繞組中全部有效導(dǎo)體數(shù)為N=2SWy 電樞總電流 I=2aIa 所以dm=NIaBxldx/4a于是，在一個極距內(nèi)導(dǎo)體電流產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩為式中, amp。因而，每個極下導(dǎo)體電流所產(chǎn)生的電磁轉(zhuǎn)矩都是相同的，直流電機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩可表示為M=2pNIaamp。Ia/2a=Cmamp。則這過程所經(jīng)過時間為⊿t=/2pn/60=60/2pn根據(jù)電磁感應(yīng)定律，一個匝數(shù)為wy的元件中感應(yīng)電勢為Eay=4Wypn/60(s/2a)amp。支路電流平均值為Ea=pN*n/60a=Ce*n如果將繞組全部有效導(dǎo)體數(shù)n=2swy帶入上式，則得 Ea=pa/60a式中，Ce=pn/60a 稱為電磁系數(shù)，決定于電機(jī)自身結(jié)構(gòu)，直流電機(jī)的電磁功率一直是困擾小車動力不是的 一個瓶頸，下面就將對這一問題進(jìn)行闡述 ：根據(jù)動力學(xué)原理，就直流發(fā)電機(jī)而言，我們把原動機(jī)克服電磁轉(zhuǎn)矩所需要的功率稱為電磁功率，用pm表示。于是直流電動機(jī)電磁功率的機(jī)械表達(dá)式形式為：p=mo m電磁轉(zhuǎn)矩o電樞的機(jī)械角度這就是說如果要車轉(zhuǎn)矩上升則必然導(dǎo)致，在同一功率下電車的速度的下降，唯一的辦法是提高功率，而提高功率必然增加電機(jī)體積，為了解決這一 問題我們綜合考慮了電機(jī)價格，體積，功率，輸出轉(zhuǎn)矩，速度等因素，而選擇了一臺，力量對于 電機(jī)的啟動我們并沒有按分級方式，因?yàn)殡姍C(jī)的功率太小，所以直接采用加壓啟動，為了能可靠的完成電機(jī)的起制動。 由于電機(jī)較長，且主輪較大。確保車體的牢固性。 對于電池的封裝，由于原車的是蓄電池，故而成本較高分壓不靈活，因此我們采用6節(jié)Pannasonic9V電池加以替換，再用一個打孔板封裝。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級調(diào)速，而數(shù)字電阻的元器件價格比較昂貴。方案二：采用繼電器對電動機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制，通過開關(guān)的切換對小車的速度進(jìn)行調(diào)節(jié)。方案三：采用由達(dá)林頓管組成的 H型PWM電路。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型保證了簡單的實(shí)現(xiàn) 轉(zhuǎn)速和方向的控制；電子管的開關(guān)速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)。步進(jìn)電機(jī)我們選用的是打印機(jī)的字車四項(xiàng)步進(jìn)電機(jī)，我們直接利用單片機(jī)的I/O口通過光耦和擴(kuò)流電路直接驅(qū)動，這樣可以節(jié)省硬件資源，雖然占用用單片機(jī)I/O資源較多但對于51系列單片機(jī)這種I/O資源豐富的片種并不帶來額外的負(fù)擔(dān)。（2） 配合音樂芯片的工作我們用發(fā)光二極管，進(jìn)行光報警，構(gòu)成聲光結(jié)合報警系統(tǒng)。三、硬件電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算（一） 紅外與光電探測器的驅(qū)動電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算一、：W1和R1及V1構(gòu)成簡單直流發(fā)光二極管驅(qū)動電路，調(diào)節(jié)W1可以改變發(fā)光管的發(fā)光光強(qiáng)，從而調(diào)節(jié)探測距離，NE555及其外圍元件構(gòu)成施密特觸發(fā)器，其觸發(fā)電平可通過W2 控制，接收管V2和電阻R2構(gòu)成光電檢測電路。二、交流調(diào)制驅(qū)動紅外探測器的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算LM567及其外圍芯片構(gòu)成音頻檢頻器，其檢頻頻率f0由RC5決定:其中，f0為檢頻頻率，當(dāng)R4=10K，C5=222時這一振蕩信號經(jīng)過V3擴(kuò)流后，驅(qū)動發(fā)光管，僅這樣處理后可以保證發(fā)光頻率與檢頻頻率嚴(yán)格一致使LM567的輸出僅與光強(qiáng)有關(guān)，為進(jìn)一步提升探測距離，我們還設(shè)立了一級交流放大器，其增益約為240倍，雖然這樣大的放大倍數(shù)放大器的線性和穩(wěn)定性會較差，但對于頻率檢測不會造成太大的影響。當(dāng)Vi=50mV,C4=225時，帶寬約為10KHz三、光電探測器信號處理電路同直接直流驅(qū)動電路（二） 金屬探測裝置的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算一、電路原理，我們利用CD4049的線性區(qū)制作了一個LC振蕩器，可調(diào)電阻W1在這里作阻尼電阻使用，通過調(diào)整W1使電路剛剛起振，由于只有半個磁罐磁路不閉合，當(dāng)有金屬靠近磁罐開口處時，線圈的Q值降低線路停振，U1B和電阻R1，電容C4構(gòu)成交流耦合放大器，用來放大振蕩器輸出信號，當(dāng)有振蕩信號時有V1,R2,C5構(gòu)成的檢波器輸出低電平，無振蕩信號時輸出高電平，這一電平信號經(jīng)U1C緩沖后輸出。（三） 超聲測距裝置的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算一、超聲波發(fā)射裝置的設(shè)計(jì)，由NE555構(gòu)成無穩(wěn)多諧振蕩器，其振蕩頻率由電阻WR1和C3決定通過調(diào)節(jié)W1可以改變振蕩頻率，輸出的振蕩信號經(jīng)過CD4049的放大推動超聲波換能器S1發(fā)聲。二、超聲波接收裝置的設(shè)計(jì)，超聲波換能器S1接受到的微弱信號，經(jīng)過交流耦合到IC1放大，其放大倍數(shù)為：放大的信號在經(jīng)過交流耦合到IC1的另一運(yùn)放，其放大倍數(shù)為：總增益為：經(jīng)過放大的信號再由比較器LM311整形，輸出標(biāo)注TTL電平信號以被單片機(jī)接收。二、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路設(shè)計(jì)，VVVV4構(gòu)成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動電路，電阻RRRR4起限流作用，二極管,VVVV8構(gòu)成其續(xù)流作用，三極管的基極通過光耦隔離由單片機(jī)控制。在完成所需角度的轉(zhuǎn)動后，單片機(jī)應(yīng)將DDDD4全部置高，此時4個三極管全部截止以節(jié)省電源開支。 （六） 遙控接收模塊的硬件電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算本次競賽中，我們遵守大賽規(guī)則采用遙控啟停的方式控制小汽車，遙控模塊發(fā)射出信號后，接受模塊進(jìn)行接收并接通小車電路，小車由單片機(jī)控制行走路線，例如前進(jìn)倒退，行走8字，以及利用小車上的紅外傳感器和金屬傳感器，在自由行走方式下避讓功能的實(shí)現(xiàn)。由于空氣中的紅外光強(qiáng)度很小，因此我們采用2051單片機(jī)作為紅外發(fā)射器的控制核心部件，這樣一來，由此紅外發(fā)射系統(tǒng)發(fā)出的紅外信號就具有相當(dāng)高的強(qiáng)度，足以被與其配套的接收器件接收到。實(shí)際上，由于發(fā)射能力強(qiáng)，傳輸距離遠(yuǎn)，接受模塊精度高，抗干擾能力強(qiáng)，且辨碼率高，所以，此紅外發(fā)射、接收模塊不僅能完成小車的遙控啟停的功能，還能實(shí)現(xiàn)其它許多功能，如果脫離這次大賽來說，擴(kuò)大遙控發(fā)射模塊的功能，即加上完成相應(yīng)附加功能所必需的電路，那么，在硬件電路調(diào)試好的情況下，該發(fā)射接收模塊將能很出色的完成這些功能。停車、音樂響前進(jìn)3秒鐘走正反八字進(jìn)入避讓程序汽車倒退探測到金屬YN 四、單片機(jī)軟件設(shè)計(jì)（一）行走控制程序流程二、控制程序流程 ，首先讀如三坐標(biāo)傳感器狀態(tài)值，然后判斷狀態(tài)值，再根據(jù)判斷結(jié)果作出相應(yīng)動作。根據(jù)計(jì)算得到的聲速為343米/秒。通電順序?yàn)锳BCD。兩者合理配合可以提高小車的精確轉(zhuǎn)向定位，提高小車的防干擾性，在不平的路面上仍能正常行走。.各種型號的車上方向燈是必不可少的。當(dāng)小車前輪轉(zhuǎn)向角在0—，—45度時紅燈亮。它的實(shí)現(xiàn)是通過對步進(jìn)電機(jī)步數(shù)測量得出的結(jié)果，當(dāng)步進(jìn)電機(jī)走的步數(shù)在0—15步內(nèi)，綠燈亮15步以上紅燈亮。車速顯示方面：為了提高AT89C51中主控芯片管腳的利用率，在顯示驅(qū)動，我們選用美國MAXIM公司生產(chǎn)的