本設(shè)計(jì)民用兩塊單片機(jī) (89C52 和 89C2051)作為自動(dòng)往返小汽車的檢測(cè)和控制核心。路面黑線檢測(cè)使用反射式紅外傳感器，車速和距離檢測(cè)使用斷續(xù)式光電開關(guān)，利用 PWM技術(shù)動(dòng)態(tài)控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。基于這些完備而可靠的硬件設(shè)計(jì)，使用了一套獨(dú)特的軟件算法，實(shí)現(xiàn)了小車在限速和壓線過程中的精確控制。 本設(shè)計(jì)的主要特色 : 高效的 H型 PWM電路，提高電源利用率。 控制電路電源和電動(dòng)機(jī)電源隔離，信號(hào)通過光電禍合器傳輸。 脈沖調(diào)制路面檢測(cè)，超強(qiáng)糾錯(cuò)，免受路面雜質(zhì)干擾。 優(yōu)化的軟件算法，智能化的自動(dòng)控制， 定位精確。 后置式紅、綠方向燈行駛狀態(tài)一目了然。 改進(jìn)的導(dǎo)向裝置，減少了擋板摩擦。 一、方案的選擇與論證 根據(jù)題目要求，系統(tǒng)可以劃分為幾個(gè)基本模塊，如圖 3-1-1 所示。 對(duì)各模塊的實(shí)現(xiàn)，分別有以下一些不同的設(shè)計(jì)方案 : 1. 電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)速模塊 方案一 :采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器 調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。 但是電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字 電阻的元器件價(jià)格比較昂貴。更主要的問題在于一般電動(dòng)機(jī)的電阻很小，但電流很大 ;分壓不僅會(huì)降低效率，而且實(shí)現(xiàn)很困難。 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 ，通過開關(guān)的切換對(duì)小車的速度進(jìn)行調(diào)整。這個(gè)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、機(jī)械結(jié)構(gòu)易損壞、壽命較 短、可靠性不高。 方案三 :采用由達(dá)林頓管組成的 H型 PWM電路。用單片機(jī)控制達(dá)林頓管使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。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型電路保證了可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制 ;電子開關(guān)的速度很快，穩(wěn)定性也極強(qiáng)，是一種廣泛采用的 PWM調(diào)速技術(shù)。 基于上述理論分析，擬選擇方案三。 2. 路面黑線探測(cè)模塊 探測(cè)路面黑線的大致原理是 :光線照射 到路面并反射，由于黑線和白紙的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否到達(dá)黑線。 方案一 :可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射 -接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判 ;雖然采取超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又將增加額外的功率損耗。 方案二 :不調(diào)制的反射式紅外發(fā)射 -接收器。由于采用紅外管代替普通可見光管，可以降低環(huán)境光源干擾 ;但如果直接用直流電壓對(duì)管子進(jìn)行供電，限于管子的平均功率要求，工作電流只能在 1OM左右，仍然容易 受到干擾。 方案三 :脈沖調(diào)制的反射式紅外發(fā)射 -接收器?？紤]到環(huán)境光干擾主要是直流分量，如果采用帶有交流分量的調(diào)制信號(hào)，則可大幅度減少外界干擾 ;另外，紅外發(fā)射管的最大工作電流取決于平均電流，如果使用占空比小的調(diào)制信號(hào)，在平均電流不變的情況下，瞬時(shí)電流可以很大 (50-100mA)，這樣也大大提高了信噪比。 基于上述考慮，擬采用方案三。 3. 車輪檢速及路程計(jì)算模塊 方案一 :采用霍爾集成片。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鐵正對(duì)金屬板時(shí)，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)?，因此可以在車輪上安裝磁片，而將霍爾集成 片安裝在固定軸上，通過對(duì)脈沖的計(jì)數(shù)進(jìn)行車速測(cè)量。 方案二 :受鼠標(biāo)的工作原理啟發(fā)，采用斷續(xù)式光電開關(guān)。由于該開關(guān)是溝槽結(jié)構(gòu)，可以將其置于固定軸上，再在車輪上均勻地固定多個(gè)遮光條，讓其恰好通過溝槽，產(chǎn)生一個(gè)個(gè)脈沖。通過脈沖的計(jì)數(shù)，對(duì)速度進(jìn)行測(cè)量。 以上兩種都是比較可行的轉(zhuǎn)速測(cè)量方案。尤其是霍爾元件，在工業(yè)土得到廣泛采用。但是在本題中，小車的車輪較小，方案一的磁片密集安裝十分困難，容易產(chǎn)生相互干擾。相反，方案二適用于精度較高的場(chǎng)合，可以車輪上加較多的遮光條來滿足脈沖計(jì)數(shù)的精度要求，因此擬采用方案二。 4. 電源選 擇 方案一 :所有器件采用單一電源 (6節(jié) M電池 )。這樣供電比較簡(jiǎn)單 ;但是由于電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間電流很大，而且 PWM驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)機(jī)電流波動(dòng)較大，會(huì)造成電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾 ,嚴(yán)重時(shí)可能造成單片機(jī)系統(tǒng)掉電，缺點(diǎn)十分明顯。 方案二 :雙電源供電。將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電源與單片機(jī)以及其周邊電路電源完全隔離，利用光電藕合器傳輸信號(hào)。這樣做雖然不如單電源方便靈活，但可以將電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)所造成的干擾徹底消除，提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性。 我們認(rèn)為本設(shè)計(jì)的穩(wěn)定可靠性更為重要，故擬采用方案二。 5. 小結(jié) 經(jīng)過一番仔細(xì)的論證與比較，我們決定了系統(tǒng)各個(gè)主要模 塊的最終方案如下 :電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)與調(diào)速模塊 :采用達(dá)林頓管的 H型 PWM電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。車輪檢速模塊 : 采用光電斷續(xù)開關(guān)構(gòu)成的光電感應(yīng)系統(tǒng)。路面黑線檢測(cè)模塊 :采用調(diào)制的反射式發(fā)射 -接收器。 電源 :雙電源供電 (6 節(jié) M電池 +1節(jié) 9V方型電池 )。 二、系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 系統(tǒng)組成及原理框圖如圖 3-1-2 所示。以下分為硬件和軟件兩個(gè)方面進(jìn)行具體分析。 1.系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) (1) 電動(dòng)機(jī) PWM驅(qū)動(dòng)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 具體電路見圖 3-1-3。本電路采用的是基于 PWM原理的 H型驅(qū)動(dòng)電路。該電路采用 11P132 大功率 達(dá)林頓管，以保證電動(dòng)機(jī)啟動(dòng)瞬間的 8A電流要求。 當(dāng) Ug1為高電平 ,Ug2 為低電平時(shí)， Q3、 Q6 管導(dǎo)通， Q4、 Q5管截止，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng) Ug1為低電平， Ug2為高電平時(shí)， Q3、 Q6管截止， Q4、 Q5 管導(dǎo)通，電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)。另外四個(gè)二極管可以在 Ug1由高變低時(shí)，通過 D2、 D4 兩個(gè)二極管形成電動(dòng)機(jī)電圈感應(yīng)電壓的回路，起到了保護(hù)電動(dòng)機(jī)的作用。 在實(shí)驗(yàn)中 的控制系統(tǒng)電壓統(tǒng)一為 5V電源，因此若達(dá)林頓管基極由控制系統(tǒng)直接控制，則控制電壓最高為 5V，再加上三極管本身的壓降，加到電動(dòng)機(jī)兩端的電壓就只有 4V左右，減弱了電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)力。基于上述考慮，我們運(yùn)用了 4N25光藕集成塊，將控制部分與電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分隔離開來，這樣不僅增加了各系統(tǒng)模塊之間的隔離度，也使驅(qū)動(dòng)電流得到了大大的增強(qiáng)。 至于 Ug1 與 Ug2這對(duì)控制電壓，我們采用了 200Hz的周期信號(hào)控制，通過對(duì)其占空比的調(diào)整，對(duì)車速進(jìn)行調(diào)節(jié)。最小脈寬為 0.2ms，速度共分 25 擋，可以滿足車速調(diào)整的精度要求。同時(shí)，可以通 過 Ug1 與 Ug2的切換來控制電動(dòng)機(jī)的正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)。 (2) 路面黑線檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 為了檢測(cè)路面黑線，在車底的前部和中部安裝了兩個(gè)反射式紅外傳感器。為減少環(huán)境光源干擾，增加信噪比，采用脈沖調(diào)制的發(fā)射與接收電路。發(fā)射、接收的具體電路見圖 3-1-4。 發(fā)射部分采用55定時(shí)器產(chǎn)生 9kHz、占空比為 1:5的方形脈沖信號(hào)，通 過三極管 Q1的放大來驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管，實(shí)現(xiàn)路面檢測(cè)系統(tǒng)信號(hào)的調(diào)輸入制。 接收部分的光敏二極管在不同的光 照強(qiáng)度下，電阻值會(huì)大幅改變。因 此可以通過改變島的大小，調(diào)整輸 出對(duì)路面灰度的敏 感程度。本實(shí)驗(yàn) 中，我們把電路參數(shù)設(shè)置為只對(duì)黑 色敏感，這樣甚至可以忽略路面上 的腳印。輸出的交流信號(hào)，經(jīng)過隔直電容，整形后輸出。 至于解調(diào)的一般做法是通過濾波電路后利用頻率解碼器解調(diào)。但是這樣做無法充分利用瞬時(shí)信噪比大的優(yōu)勢(shì)，而且也無法方便地調(diào)節(jié)接收敏感度。 因此，我們使用單片機(jī)同步檢測(cè)的方法。接收器產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)過信號(hào)識(shí)別整形電路向 89C2051分別指示兩個(gè)傳感器的探測(cè)信號(hào)。同時(shí)，發(fā)射電路的 555 定時(shí)器產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)作為同步信號(hào)輸入給 89C2051 中斷。當(dāng) 89C2051接收到中斷時(shí)，便去檢測(cè)傳感器信號(hào)，等 連續(xù)檢測(cè)到若干個(gè)信號(hào)之后，再發(fā)送中斷通知主控 89620。 這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于，可以充分利用單片機(jī)編程，等連續(xù)測(cè)到多個(gè)信號(hào)后才認(rèn)為是黑線，避免將其他雜物誤判為黑線，以增強(qiáng)糾錯(cuò)能力。 (3) 車速及路程檢測(cè)模塊的電路設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 在車軸上固定有一個(gè)溝槽狀的斷式紅外光電開關(guān)，而在車輪側(cè)壁則伸出一圈遮光板，圓周上均勻分布 15 個(gè)輸出方孔。車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，方孔依次通過溝槽，光電開關(guān)便得到通斷相間的高低電平信號(hào)。得到的信號(hào)經(jīng)過整形，發(fā)送至單片機(jī)，以實(shí)現(xiàn)車速檢測(cè)和程計(jì)算。具體電路如圖3-1-5所示 在物理結(jié)構(gòu)上，我們將該檢測(cè) 裝置安裝在前車輪上。因?yàn)楹筝喸趧x車時(shí)容易打滑、反轉(zhuǎn)，故安裝在前輪才能測(cè)得實(shí)際的車速和路程。 2. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 單片機(jī)控制電路主要由一片 89C2051和一片 89C52組成。 89C2051主要實(shí)現(xiàn)對(duì)路面黑線的軟件檢測(cè)與糾錯(cuò) ;89C52 則作為整個(gè)控制部分的核心，負(fù)責(zé)車速檢測(cè)、電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)顯示等功能。單片機(jī)具體電路如圖 3-l-6所示。 (1)89C2051的路面檢測(cè)程序 程序流程圖如圖 3-1-7所示。該檢測(cè)算法的主要特點(diǎn)是 :只有連續(xù)檢測(cè)到幾個(gè)黑線信號(hào)之后，才發(fā)中斷信號(hào)通知 89C52 到達(dá)黑線。這樣可以避 免其他細(xì)小物體的干擾。同樣，在到達(dá)黑線之后，只有連續(xù)檢測(cè)不到信號(hào)時(shí)，才取消中斷，避免黑線上的雜物干擾。 (2)89C52的主控程序 8962 的中斷和定時(shí)器資源配置如表 3-1-1所示。 黑線計(jì)數(shù) (中斷服務(wù)程序 1)。由 于車底前部和中部裝有兩個(gè)傳感 器，采用 中斷和查詢結(jié)合的檢測(cè)方法。 89C2051在對(duì)黑線信號(hào)進(jìn)行糾錯(cuò)處理后，向 89C52 的 INTO發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，并通過 89C52的 P1.4指明是哪一個(gè)傳感器檢測(cè)到黑線，在 8962的中斷服務(wù)程序中進(jìn)一步查詢中斷源 (見圖 3-1-8)。 為了保 證程序的實(shí)時(shí)性，中斷服務(wù)程序盡量簡(jiǎn)潔，故在程序中設(shè)置 2 個(gè)全局計(jì)數(shù)變量 Linenum1和 Linenum2，分別對(duì)應(yīng)兩個(gè)傳感器檢測(cè)到的黑線數(shù)，服務(wù)程序僅僅累加計(jì)數(shù)變量，而到達(dá)黑線后的操作由主程序完成。 車速檢測(cè) (中斷服務(wù)程序 2)。如前文所述，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，安裝在輪胎上的圓形遮光板上的方孔依次通過槽型斷續(xù)式光電開關(guān)，每通過一個(gè)方孔便產(chǎn)生一個(gè)脈沖。因此只需記錄兩個(gè)脈沖所間隔的時(shí)間，便能得到實(shí)際車速 (見圖 3-l-9)。其中，時(shí)間差由定時(shí)器的時(shí)鐘計(jì)算得到。 同時(shí)，由累計(jì)脈沖的總數(shù)便可得到行駛的路程。本作品中，車輪 周長(zhǎng) 18cm, 圓周上方孔數(shù)為 15個(gè)，故一個(gè)脈沖對(duì)應(yīng) 1.2cm 路程，即路程測(cè)量精度為 1.2cm。 定時(shí)器服務(wù)程序。為了提高效率，我們將多個(gè)需要定時(shí)的模塊放在一個(gè)定時(shí)器服務(wù)程序中，其程序流程圖如圖 3-1-10所示。通過分頻來實(shí)現(xiàn)各個(gè)不同功能。定時(shí)器頻率為 5kHz。 電動(dòng)機(jī) PWM脈寬調(diào)制信號(hào)的產(chǎn)生 :脈寬調(diào)制信號(hào)的一個(gè)周期為 5000s 。一個(gè)最小脈寬的時(shí)間為 200s 間，則速度可分為 5000/200=25 擋。 系統(tǒng)時(shí)鐘的產(chǎn)生 :只需設(shè)置一個(gè)全局變量不斷累加 ,便能提供一個(gè)系統(tǒng)時(shí)鐘。 LE