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黑龍江省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告 密號(hào)： （密號(hào)由組委會(huì)填寫） （以下內(nèi)容由參賽隊(duì)自行填寫，注意自己工整） 黑龍江省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽設(shè)計(jì)報(bào)告 題 目： 遙控啟停電動(dòng)車 學(xué) 校： 哈爾濱工程大學(xué) 參賽隊(duì)員姓名：徐銘澤 ，武明西 ，范展 有效聯(lián)系方式： 13946134770 目錄 摘要和關(guān)鍵詞（中文）…………………………………………………………….1 第一部分 設(shè)計(jì)任務(wù)及要求 一、任務(wù)……………………………………………………………………………2 二、要求……………………………………………………………………………2 第二部分 方案分析與論證 一、主控系統(tǒng)分析與論證…………………………………………………………2 二、機(jī)械系統(tǒng)分析與論證…………………………………………………………4 三、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分析與論證……………………………………………………5 四、遙控系統(tǒng)分析與論證…………………………………………………………5 五、傳感器系統(tǒng)分析與論證………………………………………………………7 六、里程檢測(cè)模塊分析與論證……………………………………………………10 第三部分 系統(tǒng)原理框圖……..……………………………………………………11 第四部分 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) 一、前輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)..……………………………………………………12 二、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊設(shè)計(jì)..……………………………………………………13 三、紅外遙控模塊..………………………………………………………………14 四、避障模塊.……..…………………………………………………………… 16 第五部分 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) 一、程序總體流程圖………………………………………………………………19 二、各個(gè)功能模塊流程圖…………………………………………………………20 第六部分 系統(tǒng)組裝、調(diào)試與測(cè)試 第七部分 附加功能 一、語(yǔ)音控制.……..………………………………………………………………23 二、運(yùn)動(dòng)軌跡顯示.……..…………………………………………………………25 附錄 附錄A 電原理圖 附錄B PCB板圖 附錄C 程序清單 參考文獻(xiàn)……………………………………………..30 摘 要 本次設(shè)計(jì)的遙控啟停電動(dòng)車，采用AT89C52作為小車的檢測(cè)和控制核心。根據(jù)題目設(shè)定的行進(jìn)軌跡及具體要求，采用紅外傳感器進(jìn)行里程統(tǒng)計(jì)，超聲波及紅外傳感器進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別與避障；采用步進(jìn)電機(jī)對(duì)車的轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位；此外，由發(fā)光管給出指示信號(hào)。最后，車行駛中的各種功能控制由軟件實(shí)現(xiàn)，同時(shí)采用紅外遙控方式控制小車的啟動(dòng)、停止及狀態(tài)轉(zhuǎn)換，其中紅外發(fā)射部分加入凌陽(yáng)聲控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音控制。本次設(shè)計(jì)基于完備的軟硬件系統(tǒng)，很好的實(shí)現(xiàn)了小車語(yǔ)音遙控、自動(dòng)行駛、自動(dòng)避障，里程統(tǒng)計(jì)并發(fā)出指示信息等功能。 關(guān)鍵詞： AT89C52 紅外傳感器 超聲波傳感器 語(yǔ)音遙控 凌陽(yáng)61板聲控系統(tǒng) Abstract With the development of the science, auto-control has won the majority of the market, moreover, it is said that the auto-machine will take the place of the human being to fulfill the dangerous mission in the specified circumstance. So it will play an important role in the future of the world. For this system, we select the MCU and the varieties of sensors, which include infrared sensor, light sensor, are used to control the small car to realize the auto-adaptation 、searching 、and counting. At the same time , we use the 16-bit sound controller of SPCE061A as an input of our remote controller to fulfill the function of voice auto-control. Keywords: MCU sensor SPCE061A 第一部分 設(shè)計(jì)任務(wù)與要求： 一、任務(wù)： 設(shè)計(jì)并制作一個(gè)遙控啟停電動(dòng)車，可按規(guī)定線路和要求行駛。 二、 要求： 1）電動(dòng)車的啟停為遙控方式，聲、光、電磁波等不限，遙控電路不得采用成品。 2）電動(dòng)車一旦啟動(dòng)后，由程序完成多種行走方式。例如前進(jìn)、后退、正8字行走、反8字行走等為基本類型，其他行走方式自定。 3）其他功能。如前方有障礙物的避讓、后退時(shí)有障礙物的識(shí)別，自行決定增加與否。 4）車體尺寸以一般玩具車為限。 第二部分 方案的分析與論證： 一、主控系統(tǒng)分析與論證： 根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們認(rèn)為此設(shè)計(jì)屬于多輸入量的復(fù)雜程序控制問(wèn)題。據(jù)此，我們擬定了以下三種方案并進(jìn)行了綜合的比較論證，具體如下： 方案一：僅采用CPLD作為核心部件的方案 如圖2.1.1所示：選用一片CPLD（如EPM7128LC84-15）作為系統(tǒng)的核心部件，實(shí)現(xiàn)控制與處理的功能。CPLD具有速度快、編程容易、資源豐富、開發(fā)周期短等優(yōu)點(diǎn)，可利用VHDL語(yǔ)言進(jìn)行編寫開發(fā)。但CPLD在控制上較單片機(jī)有較大的劣勢(shì)。同時(shí)，CPLD的處理速度非常快，而小車的行進(jìn)速度不可能太高，那么對(duì)系統(tǒng)處理信息的要求也就不會(huì)太高，在這一點(diǎn)上，MCU就已經(jīng)可以勝任了。若采用該方案，必將在控制上遇到許許多多不必要增加的難題。為此，我們不采用該種方案，進(jìn)而提出了第二種設(shè)想。 里程檢測(cè) 紅外遙控 障礙檢測(cè) CPLD 避開障礙 顯示行駛里程、時(shí)間等 指示燈 顯示行駛路線 圖2.1.1 僅以CPLD為核心部件的原理圖 方案二、僅采用單片機(jī)作為核心部件的方案 圖2.1.2 僅以單片機(jī)為核心部件的原理圖 單片機(jī) 里程檢測(cè) 紅外遙控 障礙檢測(cè) 避開障礙 顯示行駛里程、時(shí)間等 指示燈 顯示行駛路線 如圖2.1.2所示：我們采用單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，用其控制行進(jìn)中的小車，以實(shí)現(xiàn)其既定的性能指標(biāo)。充分分析我們的系統(tǒng)，其關(guān)鍵在于實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)控制，而在這一點(diǎn)上，單片機(jī)就顯現(xiàn)出來(lái)它的優(yōu)勢(shì)——控制簡(jiǎn)單、方便、快捷。這樣一來(lái)，單片機(jī)就可以充分發(fā)揮其資源豐富、有較為強(qiáng)大的控制功能及可位尋址操作功能、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此，這種方案是一種較為理想的方案，但是在實(shí)際應(yīng)用中，由于該系統(tǒng)所需用到的傳感器數(shù)目較多，需要處理的敏感量較多，很有可能會(huì)引來(lái)單片機(jī)資源不足的問(wèn)題，于是，我們又提出了第三種解決問(wèn)題的方案。 方案三、采用單片機(jī)與CPLD聯(lián)合控制的方案 如圖2.1.3所示：利用CPLD的高速精準(zhǔn)的計(jì)數(shù)特點(diǎn)進(jìn)行計(jì)數(shù)以向單片機(jī)給出信號(hào)以得出準(zhǔn)確的里程、時(shí)間數(shù)值，大大節(jié)省了單片機(jī)的資源以做控制之用，同時(shí)可以在很大程度上減小MCU的程序量。該系統(tǒng)綜合了MCU及CPLD的優(yōu)勢(shì)，是三個(gè)方案中效果最好的一個(gè)方案。但是此系統(tǒng)有結(jié)構(gòu)復(fù)雜，成本較高，且開發(fā)周期較長(zhǎng)的缺點(diǎn)，在充分考慮到系統(tǒng)的需要及開發(fā)周期的情況下，我們決定選用第二種方案，即“僅采用單片機(jī)作為核心部件的方案”。 圖2.1.3 單片機(jī)與CPLD聯(lián)合控制的原理圖 單片機(jī) 里程檢測(cè) 紅外遙控 障礙檢測(cè) 避開障礙 顯示行駛里程、時(shí)間等 指示燈 顯示行駛路線 CPLD 針對(duì)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(zhǎng)處理多開關(guān)量的標(biāo)準(zhǔn)單片機(jī)，而不能用精簡(jiǎn)I/O口和程序存儲(chǔ)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AT89C52單片機(jī)作為本設(shè)計(jì)的主控裝置，52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(duì)于本設(shè)計(jì)也綽綽有余，更可貴的是52單片機(jī)價(jià)格非常低廉。 在綜合考慮了傳感器、兩部電機(jī)（用于步進(jìn)電機(jī)控制、一部用于直流電機(jī)控制）的驅(qū)動(dòng)、顯示和遙控接收等諸多因素后，我們決定采用一片單片機(jī)，充分利用AT89C52單片機(jī)的資源。 二、機(jī)械系統(tǒng)分析與論證： 本題目要求小車的機(jī)械系統(tǒng)穩(wěn)定、簡(jiǎn)單，而四輪運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)具備以上特點(diǎn)。因此我們選用市售玩具汽車的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)并進(jìn)行了改裝： 1、驅(qū)動(dòng)部分：由于玩具汽車的直流電機(jī)功率較小，而小車上裝有電池、電機(jī)、電子器件等，使得電機(jī)負(fù)擔(dān)較重。為使小車能夠順利啟動(dòng)，且運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在直流電機(jī)和后輪車軸之間加裝了三級(jí)減速齒輪。 電機(jī) 2、轉(zhuǎn)向部分：由于市售玩具車前輪轉(zhuǎn)向是使用玩具電機(jī)摩擦離合來(lái)完成的，不能精細(xì)調(diào)整轉(zhuǎn)彎角度，故要對(duì)其進(jìn)行改造。首先將直流電機(jī)改為步進(jìn)電機(jī)，其特點(diǎn)是可以精確控制轉(zhuǎn)向角度。由于市場(chǎng)上所見的步進(jìn)電機(jī)大都體積較大，驅(qū)動(dòng)部分復(fù)雜，不適合本車使用。而軟驅(qū)的來(lái)尋道電機(jī)具有體積小，有專門驅(qū)動(dòng)芯片的特點(diǎn)，適合本系統(tǒng)。原理如圖2.2.1： 左前輪 右前輪 連桿 圖2.2.1 轉(zhuǎn)向機(jī)械原理 3、車體：由于小車底盤為塑料材質(zhì)，裝上各種部件后會(huì)出現(xiàn)塌肚現(xiàn)象，所以在小車底面用兩根鋁條固定。將電池放置在后輪的正上方，以避免車體中部承受過(guò)多壓力，同時(shí)可增加驅(qū)動(dòng)輪的抓地力，減小輪子空轉(zhuǎn)所引起的誤差。 三、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分析與論證： 1、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 方案一：使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)。線性型驅(qū)動(dòng)的電路結(jié)構(gòu)和原理簡(jiǎn)單，成本低，加速能力強(qiáng)，但功率損耗大，特別是低速大轉(zhuǎn)距運(yùn)行時(shí)，通過(guò)電阻R的電流大，發(fā)熱厲害，損耗大。 方案二：采用繼電器對(duì)電動(dòng)機(jī)的開或關(guān)進(jìn)行控制,通過(guò)開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整.此方案的優(yōu)點(diǎn)是電路較為簡(jiǎn)單,缺點(diǎn)是繼電器的響應(yīng)時(shí)間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高。 方案三：通過(guò)PWM脈寬調(diào)制的方法,實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的控制。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(guò)載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。 因此決定采用PWM脈寬調(diào)制的方法控制直流電機(jī)。 2、轉(zhuǎn)向控制模塊 方案一：采用普通電機(jī)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向,雖然此種電機(jī)的控制很簡(jiǎn)單,但是其不能實(shí)現(xiàn)精確的轉(zhuǎn)向,不能達(dá)到本系統(tǒng)的要求。 方案二：用步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制電動(dòng)車的轉(zhuǎn)向,此方法的優(yōu)點(diǎn)是轉(zhuǎn)向算法易實(shí)現(xiàn)且能實(shí)現(xiàn)具體角度的轉(zhuǎn)向,可靠性較高。 四、遙控系統(tǒng)分析與論證： 遙控電路有多種方式，例如 超聲波、紅外、無(wú)線電等。因小車的避障系統(tǒng)要用到超聲波，所以初步計(jì)劃選用紅外或者無(wú)線電。下表是兩種方式的特點(diǎn)對(duì)比： 表一 紅外線與無(wú)線電的比較 紅外遙控 無(wú)線電遙控 遙控距離 2米~10米 幾十米~十幾公里 遙控條件 指向性較強(qiáng)，受障礙物阻的影響較大 指向性較差，受地形或障礙物阻擋的影響較小 干擾及抗干擾 對(duì)其它設(shè)備干擾小，本身抗干擾能力較強(qiáng) 對(duì)其它電子設(shè)備干擾大，本身抗干擾能力差 保密性 較強(qiáng) 較差 工作頻率 低，基帶信號(hào)傳送或低載頻調(diào)制傳送 高，射頻載波傳送，適于多種調(diào)制方式 無(wú)線電管理 利用紅外光傳送，無(wú)須申請(qǐng)頻點(diǎn) 利用電磁波傳送，必須利用業(yè)余頻段，占用一定的頻率資源，應(yīng)遵守?zé)o線電管理規(guī)定 制作難度 難度低，調(diào)整容易 難度高，特別是高頻電路制作與調(diào)試?yán)щy 成本 低 高 綜合考慮各種因素，我們決定采用紅外的方式： 方案一：采用單用戶、單通道遙控方式，原理如圖2.4.1： 信號(hào)處理電路 發(fā)射頭 接收頭 信號(hào)處理電路 圖2.4.1 單用戶、單通道方式 此種方式電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)控制。但有較大局限性，尤其是難以實(shí)現(xiàn)多功能遙控。由于本題要求遙控小車啟停，而且我們計(jì)劃增加許多控制功能，單用戶、單通道遙控方式難以實(shí)現(xiàn)。所以我們提出第二種方案： 方案二：采用多用戶、多通道遙控方式，原理如圖2.4.2： 編 碼 器 發(fā)射頭 接收頭 解 碼 器 鍵盤或控制信號(hào) 單片機(jī) 圖2.4.2 多用戶、多通道方式 其中編碼器選擇編碼專用芯片MC145026，解碼器選擇解碼專用芯片MC145027。系統(tǒng)工作原理如下： 解碼芯片振蕩器輸出經(jīng)4分頻電路送至并/串轉(zhuǎn)換電路作為時(shí)鐘，將輸入代碼移至三態(tài)編碼器，對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行編碼。編碼器的輸入為邏輯“0”時(shí)，輸出為兩個(gè)窄脈沖；輸入為邏輯“1” 時(shí)，輸出為兩個(gè)寬脈沖；當(dāng)輸入為開路時(shí)，輸出為一個(gè)寬脈沖和一個(gè)窄脈沖。為了紅外接收機(jī)能可靠的接收信息，每個(gè)數(shù)據(jù)字至少應(yīng)發(fā)送兩次。紅外接收管將光信號(hào)到電信號(hào)后，送至解碼芯片。串行數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)提取電路判別后與序列發(fā)生器產(chǎn)生的本地地址碼進(jìn)行校驗(yàn)，相符則將緊接著收到的碼加以比較，若相同則將數(shù)據(jù)碼轉(zhuǎn)移到鎖存器保留，直到新的數(shù)據(jù)代替它。 為了提高傳輸信號(hào)的抗干擾能力，還需將編碼信號(hào)調(diào)制在較高頻率的載波上發(fā)射。接收部分在收到信號(hào)送至解碼芯片解碼前必須解調(diào)。這里計(jì)劃采用1838紅外集成接收頭（將38KHz信號(hào)直接解調(diào)并放大輸出）。 綜上：遙控系統(tǒng)總原理圖如圖2.4.3： 編碼器 鍵盤或控制信號(hào) 調(diào) 制 發(fā)射頭 接收頭 解調(diào) 解碼器 單片機(jī) 圖2.4.3 遙控總原理圖 五、傳感器系統(tǒng)分析與論證： 分析題目可知，該系統(tǒng)要求運(yùn)用多種傳感器，那么，傳感器的選取與應(yīng)用便成了系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)與否的關(guān)鍵之所在。根據(jù)題目的具體要求，我們將所需的傳感器分為以下幾個(gè)類別： ①紅外傳感器；②超聲波傳感器 根據(jù)題目需采用不同的傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)各要求功能，在應(yīng)用傳感器時(shí)應(yīng)盡量減少數(shù)量，以在實(shí)現(xiàn)車各項(xiàng)功能基礎(chǔ)上，減少單片機(jī)的信息處理量。 1、前輪轉(zhuǎn)向中點(diǎn)校準(zhǔn)模塊： 電機(jī) 欲使小車走出精確的直線，連桿必須在小車啟動(dòng)前及轉(zhuǎn)向后回到兩輪之間的中點(diǎn)，為此我們提出以下兩種方案： 圖2.5.1 程序自主校準(zhǔn)方案 方案一：轉(zhuǎn)向時(shí)由程序控制角度并記錄，欲回到中點(diǎn)時(shí)只需轉(zhuǎn)回相應(yīng)角度即可。缺點(diǎn)：初始中點(diǎn)無(wú)法控制，必須手動(dòng)調(diào)到中點(diǎn)；若電機(jī)出現(xiàn)失步等現(xiàn)象，無(wú)法自動(dòng)校正，由此引起的誤差很難消除。 圖2.5.2 遮擋校準(zhǔn)方案 方案二：在中點(diǎn)處設(shè)一透射遮擋型紅外探測(cè)器（見圖2.5.2），當(dāng)連桿回到中點(diǎn)處時(shí)，將紅外光遮擋，探測(cè)器輸出低電平；轉(zhuǎn)向時(shí)，連桿偏離，探測(cè)器輸出高電平。由此可精確定位。此種方法定位精確，可自動(dòng)糾正步進(jìn)電機(jī)失步及小車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行的積累誤差，比之方案一有較大的優(yōu)越性。因此我們選擇此方案。 2、障礙檢測(cè)模塊傳感器的選擇： 方案一:反射式紅外發(fā)射—接收裝置，只有物體反射紅外光時(shí)才有信號(hào)輸入，其信號(hào)強(qiáng)度與小車距障礙物的距離成正比。因此可利用信號(hào)強(qiáng)度作為避障依據(jù)。紅外探測(cè)器驅(qū)動(dòng)方式的選?。? 主動(dòng)式紅外探測(cè)器常用的驅(qū)動(dòng)方式可分為直流直接驅(qū)動(dòng)方式和交流調(diào)制方式，直流直接驅(qū)動(dòng)方式裝置簡(jiǎn)單但檢測(cè)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(wèn)題從而可以大大提高檢測(cè)的距離，同時(shí)由于環(huán)境光產(chǎn)生的干擾多數(shù)情況是信號(hào)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(duì)復(fù)雜。 為使小車能夠在一般光照條件下能夠有效避障，我們計(jì)劃選用抗干擾能力較強(qiáng)的交流調(diào)制工作方式。 方案二：采用反射式超聲波換能器，只有物體反射超聲波時(shí)才有信號(hào)輸入，測(cè)量發(fā)射接收信號(hào)間的時(shí)間差T2-T1，利用L=0.5V(T2-T1)得到障礙物的距離，將該信息送給單片機(jī)，單片機(jī)發(fā)出控制信號(hào)改變小車的轉(zhuǎn)向，使小車不與障礙物發(fā)生接觸。該方法適合較遠(yuǎn)距離障礙物檢測(cè)。因此我們選用超聲波傳感器作為障礙物檢測(cè)系統(tǒng)。 超聲波探測(cè)器的選型： 超聲波探測(cè)技術(shù)主要用于中程測(cè)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(jí)。按題目要求我們選用氣相、窄波束、40KHz的超聲波換能器。 用超聲波探測(cè)器測(cè)距的工作方式的選取： 直接耦合信號(hào) 被測(cè)物反射信號(hào) 圖2.5.3 強(qiáng)度法示意圖 當(dāng)利用超聲波探測(cè)器測(cè)距時(shí)常用二種方法——強(qiáng)度法和反射時(shí)間法，強(qiáng)度法是利用聲波在空氣中的傳輸損耗值來(lái)測(cè)量被測(cè)物的距離，被測(cè)物越遠(yuǎn)其反射信號(hào)越弱，根據(jù)反射信號(hào)的強(qiáng)弱就可以知道被測(cè)物的遠(yuǎn)近，但在使用這種方法時(shí)由于換能器之間的直接耦合信號(hào)很難消除，在放大器增益較高時(shí)這一直接耦合信號(hào)就可使放大器飽和從而使整套系統(tǒng)失效。其原理如圖2.5.3所示，由于直接耦合信號(hào)的影響，強(qiáng)度法測(cè)距只適合較短距離且精度要求不高的場(chǎng)合。 反射時(shí)間法是利用檢測(cè)聲波發(fā)出到接收到被測(cè)物反射回波的時(shí)間來(lái)測(cè)量距離其原理如圖2.5.4所示，對(duì)于距離較短和要求不高的場(chǎng)合我們可認(rèn)為空氣中的聲速為常數(shù)，我們通過(guò)測(cè)量回波時(shí)間T利用公式其中，S為被測(cè)距離、V為空氣中聲速、T為回波時(shí)間（），可以計(jì)算出路程，這種方法不受聲波強(qiáng)度的影響，直接耦合信號(hào)的影響也可以通過(guò)設(shè)置“時(shí)間門”來(lái)加以克服，因此這種方法非常適合較遠(yuǎn)距離的測(cè)距，如果對(duì)聲速進(jìn)行溫度修訂，其精度還可進(jìn)一步提高。 圖2.5.4反射時(shí)間法示意圖 T1 T2 雖然反射時(shí)間法比強(qiáng)度法有較大的優(yōu)越性，但因?yàn)樾≤嚤苷蠒r(shí)不須在很遠(yuǎn)處發(fā)現(xiàn)障礙物，且強(qiáng)度法較易實(shí)現(xiàn)，故這里采用強(qiáng)度法避障。 由于只要求小車能夠避正面的障礙物，我們決定采用以下布局： 超聲波系統(tǒng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)，且環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，因此我們將超聲波傳感器布置在車體前部，用于規(guī)避正前方障礙物，為電動(dòng)小汽車躲避障礙物提供安全規(guī)避參數(shù)。 圖2.5.5 傳感器總布局圖 六、里程檢測(cè)模塊： 方案一：由發(fā)光二極管和光敏二極管組成發(fā)射接收裝置，將一帶四個(gè)孔的遮光塑料板貼于車輪，將此裝置固定車輪一側(cè)，車輪每轉(zhuǎn)動(dòng)一圈，發(fā)射接收正對(duì)四次，通過(guò)對(duì)接受脈沖計(jì)數(shù)從而得到車的里程。 方案二：采用霍爾集成片，將磁鐵安裝于車輪上，霍爾集成片安裝在固定位置，當(dāng)磁鐵與霍爾集成片正對(duì)時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，對(duì)產(chǎn)生脈沖計(jì)數(shù)從而得到車輪轉(zhuǎn)數(shù)。但霍爾集成片相對(duì)車輪較大，安裝困難。 經(jīng)分析，擬選用方案一。 第三部分 系統(tǒng)原理框圖 經(jīng)過(guò)方案論證的過(guò)程之后，我們選定了僅采用單片機(jī)作為核心部件的方案，其系統(tǒng)總方框圖如圖3.0.0所示。 具體的功能設(shè)置已通過(guò)該圖做了直觀的說(shuō)明。 圖3.0.0系統(tǒng)總原理框 AT89C52 超聲波發(fā)射電路 超聲波接受與整形電路 車體左前紅外傳感器 車體右前紅外傳感器 軌跡顯示模塊 方向控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 主軸電機(jī)驅(qū)動(dòng)器 路程傳感器 遙控接收模塊 LED顯示模塊（時(shí)間、里程） 遙控發(fā)射模塊 語(yǔ)音控制模塊 中點(diǎn)校準(zhǔn)模塊 第四部分 硬件電路設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 一、前輪電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)： 本次設(shè)計(jì)采用的是從廢舊軟驅(qū)上拆下的步進(jìn)電機(jī)及驅(qū)動(dòng)芯片，體積小、性能好，使用方便。其原理如下： A ā E ē A-CH in E-CH in 兩路輸入信號(hào)的頻率皆為40Hz，占空比50%，相差90，此時(shí)電機(jī)處于最佳狀態(tài)。 二、后輪電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)： 100nF 100nF 后輪采用普通直流電機(jī)，通過(guò)控制脈沖占空比算法,實(shí)現(xiàn)對(duì)小車速度的控制。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、帶載能力大，能承受頻繁的負(fù)載沖擊，還可以實(shí)現(xiàn)頻繁的無(wú)級(jí)快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn)等優(yōu)點(diǎn)。驅(qū)動(dòng)部分選擇了電機(jī)專用驅(qū)動(dòng)芯片L298。L298 是為控制和驅(qū)動(dòng)電機(jī)設(shè)計(jì)的推挽式功率放大專用集成電路器件，將分立電路集成在單片IC之中，使外圍器件成本降低，整機(jī)可靠性提高。該芯片有兩個(gè)TTL/CMOS 兼容電平的輸入，具有良好的抗干擾性能；四個(gè)輸出端具有較大的電流驅(qū)動(dòng)能力，每通道峰值電流能力可達(dá)2A 。原理如下： 圖4.2.1 L298的應(yīng)用電路 由于在直流電機(jī)和后輪車軸之間加裝了三級(jí)減速齒輪，小車速度已經(jīng)降至較低水平，無(wú)需減速，所以前進(jìn)時(shí)5腳輸入方波占空比為100%（即持續(xù)高電平），7腳為低電平；后退時(shí)5腳為低電平，7腳輸入方波占空比為100%。波形如下： IN1 IN2 三、紅外遙控模塊的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算： 紅外遙控發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)： 電路原理見下圖： 如圖，輸入端由四個(gè)按鍵及凌陽(yáng)語(yǔ)音模塊（詳見第七部分）組成，MC145026的振蕩器的頻率為：f=1/（2.3RTCCTC） ,輸出的三態(tài)編碼波形為： Dout 編碼器 振蕩器 編碼器 “1” 編碼器 “0” 編碼器 “開” 為了提高傳輸信號(hào)的抗干擾能力，還需將編碼信號(hào)調(diào)制在較高頻率的載波上發(fā)射。由于接收部分采用的1838紅外集成接收頭要求載波頻率為38kHz，故采用CMOS門電路構(gòu)成的脈沖調(diào)制振蕩電路，振蕩頻率：f=1/（2.2RTCT）。 發(fā)射部分采用中功率三級(jí)管8550，利用其開關(guān)特性驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)光二極管發(fā)射紅外光。 紅外遙控接收模塊的設(shè)計(jì)： 紅外接收頭有較強(qiáng)的指向性，使用時(shí)稍有不便。所以我們采用兩個(gè)接收頭的背向放置的方式，增大了接收范圍。 紅外接收頭放置方式 接收解調(diào)部分： 采用1838紅外集成接收頭。它將紅外接收管與放大電路集成在一體，體積?。ù笮∨c一只中功率三極管相當(dāng)），密封性好，靈敏度高，并且價(jià)格低廉。它僅有三條管腳，分別是電源正極、電源負(fù)極以及信號(hào)輸出端，其工作電壓在5V左右.只要給它接上電源即是一個(gè)完整的紅外接收放大器，使用十分方便。其主要功能有放大,選頻和解調(diào),要求輸入信號(hào)需是已經(jīng)被調(diào)制的信號(hào)。經(jīng)過(guò)它的接收放大和解調(diào)會(huì)在輸出端直接輸出原始的信號(hào)，而且靈敏度和抗干擾性都非常好。 解碼部分： 采用與MC145026配對(duì)使用的通用接受解碼器MC145027，將解調(diào)后的串行數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，使其成為BCD控制代碼，并使控制代碼并行輸出。其外圍電路中的R1、C1組成的電路用來(lái)判定接收到的脈沖是窄脈沖還是寬脈沖，時(shí)間常數(shù)R1C1應(yīng)調(diào)整為1.72編碼器時(shí)鐘周期，即R1C1=3.95RTCCTC。R2、C2組成的電路用來(lái)檢測(cè)接收到的末位信號(hào)，時(shí)間常數(shù)R2C2應(yīng)等于33.5編碼器時(shí)鐘周期，即R2C2=77RTCCTC。這個(gè)時(shí)間常數(shù)用來(lái)判定輸入Din保留電平的時(shí)間是否已達(dá)到4個(gè)數(shù)據(jù)周期，達(dá)到了則數(shù)據(jù)提取電路將提取到的低電平信號(hào)送到控制邏輯電路，控制邏輯電路是有效傳輸輸出端VT為低電平，此時(shí)傳輸終止。 綜上，接收部分總電路圖為： 四、避障電路的設(shè)計(jì) 1、超聲測(cè)距模塊的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算 超聲波發(fā)射模塊的設(shè)計(jì)： 經(jīng)測(cè)試，我們選用的超聲波發(fā)射器諧振頻率為40.35kHz，諧振阻抗為125Ω。為提高發(fā)射功率，我們用CD4069的放大推動(dòng)超聲波換能器發(fā)聲。振蕩信號(hào)由單片機(jī)給出。原理圖如下： 超聲波接收模塊的設(shè)計(jì)： 如下圖所示，如圖3.3.2示，超聲波換能器SPEAKER接收到的微弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)交流耦合到IC1 LM358放大，其放大倍數(shù)為： 放大的信號(hào)在經(jīng)過(guò)交流耦合到IC1 LM358的另一運(yùn)放，其放大倍數(shù)為： 總增益為： 經(jīng)過(guò)放大的信號(hào)再由比較器LM393整形，輸出標(biāo)注TTL電平信號(hào)以被單片機(jī)接收。 五、前輪轉(zhuǎn)向中點(diǎn)校準(zhǔn)模塊的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算： 180Ω R3 62Ω 使用TP805紅外對(duì)管，直接從發(fā)射部分引出電壓，作為比較器的閾值電壓，簡(jiǎn)化了電路，具體電路如下： 六、車輪轉(zhuǎn)數(shù)及里程檢測(cè)模塊的設(shè)計(jì)與參數(shù)計(jì)算： 在車輪轉(zhuǎn)軸上固定一塑料圓盤，將其挖出四道縫隙，夾角為90。將紅外對(duì)管固定在正對(duì)前輪位置，因?yàn)楹筝喸趧x車時(shí)容易打滑，故安裝在正對(duì)前輪位置才能準(zhǔn)確測(cè)的車的里程。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，接收頭不斷接收到紅外光信號(hào)，得到的信號(hào)通過(guò)比較器產(chǎn)生脈沖，再發(fā)送至單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)車?yán)锍痰臋z測(cè)。具體電路如下 在電路的制作與調(diào)試過(guò)程中，我們發(fā)現(xiàn)利用紅外對(duì)管抗干擾能力強(qiáng)，于是我們就選用了該方案。具體設(shè)計(jì)過(guò)程如下： 轉(zhuǎn)盤的制作：（圖形如下） 其工作原理為：當(dāng)遇到擋板時(shí)，光線無(wú)法透過(guò)，接收管截止，輸出為高電壓，該電壓通過(guò)比較器后轉(zhuǎn)換為高電平（單片機(jī)的有效電平）；當(dāng)遇到縫時(shí)，光線透過(guò)，接受管導(dǎo)通，輸出為低電壓，該電壓通過(guò)比較器后轉(zhuǎn)換為高電平（單片機(jī)的有效電平），這樣輪盤每轉(zhuǎn)動(dòng)一周便輸出4個(gè)脈沖，單片機(jī)實(shí)時(shí)對(duì)脈沖計(jì)數(shù)，脈沖數(shù)設(shè)為 n,通過(guò)對(duì)脈沖數(shù)的處理S=車輪周長(zhǎng)n到車的里程，單片機(jī)中實(shí)時(shí)存儲(chǔ)車的里程。 第五部分 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)： 一、主流程圖： 狀態(tài)轉(zhuǎn)換 反8字 正8字 倒8字 設(shè)置外部中斷 檢測(cè)到信號(hào) 走8字 返回自動(dòng)等待狀態(tài) N Y 指示燈閃爍 是否有轉(zhuǎn)換狀態(tài)信號(hào) 返回自動(dòng)等待狀態(tài) 進(jìn)入手動(dòng)模式 進(jìn)入自動(dòng)等待狀態(tài) Y 開 始 單片機(jī)初始化 LED初始化 前輪是否居中 前輪自動(dòng)校準(zhǔn) N 二、走8字程序流程圖： LED熄滅 Y Y N 開 始 啟動(dòng)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器 小車開始運(yùn)行 打開寫字開關(guān) 是否停止運(yùn)行 LED顯示時(shí)間 關(guān)閉寫字開關(guān) N LED閃爍3秒 接收到返回信號(hào) LED由顯示時(shí)間轉(zhuǎn)而顯示路程 是否停止顯示 Y 返回自動(dòng)等待狀態(tài) 前輪是否居中 前輪自動(dòng)回位 N N Y 執(zhí)行轉(zhuǎn)向操作 直流電機(jī)是否正在運(yùn)行 返回前進(jìn)狀態(tài) 返回自動(dòng)等待狀態(tài) Y N 轉(zhuǎn)換狀態(tài) 轉(zhuǎn)向 轉(zhuǎn)向 關(guān)閉外部中斷 指示燈亮 進(jìn)入手動(dòng)等待狀態(tài) 接收到信號(hào) 啟動(dòng)定時(shí)器與計(jì)數(shù)器 LED顯示時(shí)間 接收到信號(hào) 返回手動(dòng)等待狀態(tài) 是否已轉(zhuǎn)至極點(diǎn) 指示燈閃爍 返回自動(dòng)等待狀態(tài) 三、手動(dòng)控制流程圖： 四、超聲波避障流程圖： Y N 開 始 關(guān)閉總中斷控制源 等待25uS 發(fā)射超聲波 是否有 障礙物 開中斷源 作避障動(dòng)作 返回 第六部分 系統(tǒng)測(cè)試： 測(cè)量?jī)x器：卷尺、秒表、COS5040ch型雙蹤示波器、WYK-302B2型直流穩(wěn)壓電源、SG1640B多功能函數(shù)信號(hào)發(fā)生器 一、走8字測(cè)試， 1．正8字 次數(shù) 1 2 3 4 時(shí)間 38 37 38 36 2．反8字 次數(shù) 1 2 3 4 時(shí)間 45 45 44 46 二、紅外遙控測(cè)試： 遙控距離：0-3m 測(cè)試成功 三、遙控語(yǔ)音模塊測(cè)試： 共四條語(yǔ)音命令： 1、 前進(jìn) 測(cè)試成功 2、 正八字 測(cè)試成功 3、 反八字 測(cè)試成功 4、 停止 測(cè)試成功 四、遙控按鍵復(fù)用功能測(cè)試： 遙控發(fā)射器部分共四個(gè)按鍵，可實(shí)現(xiàn)三種狀態(tài)轉(zhuǎn)換。 A． 自動(dòng)模式： 按鍵1 避障功能 測(cè)試成功 按鍵2 正8字 測(cè)試成功