理工大學(xué)課程設(shè)計(jì) 摘要隨著自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，自動(dòng)化技術(shù)已廣泛應(yīng)用于國(guó)計(jì)民生的各行各業(yè)。智能汽車就是自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的重要成果之一。本文介紹了智能小車的研究設(shè)計(jì)背景與現(xiàn)狀及其各個(gè)工作模塊的工作原理、硬件及軟件設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中的自動(dòng)循跡模塊采用光電傳感器循跡方法，選用RPR220型紅外一體式發(fā)射接收管作為光電傳感器，通過(guò)三組光電傳感器識(shí)別小車的運(yùn)行姿態(tài)。避障模塊利用超聲波測(cè)距傳感器，超聲波發(fā)射部分的換能器選用TCT40-16T，接收部分選用TCT40-16R，在小車的左前右分別安裝一組測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能。設(shè)計(jì)遙控模塊對(duì)小車進(jìn)行啟停及加減速控制，通過(guò)光電編碼實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的測(cè)速功能。設(shè)計(jì)顯示模塊從而實(shí)時(shí)了解小車的運(yùn)行狀態(tài)。選用包含Ｈ橋的L298Ｎ模塊，利用PWM驅(qū)動(dòng)小車行駛。關(guān)鍵字：循跡，避障，遙控，顯示，測(cè)速，PWM驅(qū)動(dòng)ABSTRACTWiththerapiddevelopmentofautomaticcontroltechnology,automationtechnologyhasbeenwidelyusedinvariousindustriesofthenationaleconomyandthepeople’slivelihood.Smartcarisoneoftheimportantresultsofthedevelopmentofautomationtechnology.Thisarticledescribesthedesignbackgroundandcurrentsituationoftheintelligentcarandtheworkingprinciple,hardwareandsoftwaredesignofthecar’smodules.Theautomatictrackingofthisdesignusesphotoelectricsensortrackingmethod,andwechooseRPR220asthephotoelectricsensor,whichintegratetheinfraredtransmittingandreceivingtubes,threesetsofphotoelectricsensordistinguishthecar’srunningposture.Obstacleavoidancemoduleutilizesultrasonicdistancesensor.WechooseTCT40-16TastheemittingportionoftheultrasonictransducerandTCT40-16Rasthereceivingportion.Threedistancemeasuringsensorsarerespectivelyfixedonthefront,leftandrightofthecartoachievetheobstacleavoidancefunction.Designremotecontroltocontrolthestart，stop，accelerationanddecelerationofthecar,andweutilizetheoptical-electricityencodertorealizethecar’sspeedmeasuringfunction.Designthedisplaymoduletoknowthereal-timeofthecar.ChoosetheL298NmodulewhichcontainstheH-bridgeandutilizethePWMtodrivetheintelligentcarrunning.KEYWORDS:tracking,obstacleavoidance,remotecontrol,display,speedmeasurement,PWMdriving武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u8387摘要(中文) I2772摘要(外文) II166441緒論 1174651.1設(shè)計(jì)背景與意義 11261.2當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及成果 152361.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀及成果 1284041.2.2我國(guó)研究現(xiàn)狀及成果 3118341.3本設(shè)計(jì)的內(nèi)容及結(jié)構(gòu) 4159121.3.1設(shè)計(jì)內(nèi)容 4169891.3.2本文結(jié)構(gòu) 5252702智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理 7245642.1、智能小車自動(dòng)循跡原理 7240122.1.1小車循跡原理 746642.1.2光電傳感器工作原理 8325202.1.3光電傳感器的常用類型 978232.2超聲波測(cè)距避障原理 9167742.3智能小車測(cè)速原理 12311462.3.1直流電機(jī)測(cè)速 12156402.3.2光電碼盤測(cè)速 146202.4智能小車遙控原理 14189472.4.1紅外遙控的實(shí)現(xiàn)模塊 1564522.4.2紅外遙控的工作原理 15132342.5智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路工作原理 1577393智能小車控制系統(tǒng)的硬件電路圖設(shè)計(jì) 17312363.1智能小車的電源模塊設(shè)計(jì) 17307623.2智能小車自動(dòng)循跡的硬件電路設(shè)計(jì) 18241043.2.1循跡傳感器選擇 1830893.2.2循跡電路圖設(shè)計(jì) 1879623.3智能小車超聲波測(cè)距的硬件電路設(shè)計(jì) 1967583.3.1超聲波發(fā)射部分的硬件電路設(shè)計(jì) 20110683.3.2超聲波接收部分的硬件電路設(shè)計(jì) 20206663.4智能小車數(shù)碼顯示的硬件電路設(shè)計(jì) 21306373.4.1數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)與顯示段碼 2177413.4.2數(shù)碼顯示器的顯示方法 22295043.4.3數(shù)碼顯示的硬件設(shè)計(jì) 2323843.5智能小車遙控的硬件電路設(shè)計(jì) 23312993.5.1智能小車的遙控發(fā)射模塊硬件設(shè)計(jì) 24303863.5.2智能小車的遙控接收模塊硬件設(shè)計(jì) 2565243.6智能小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件電路設(shè)計(jì) 2559003.6.1智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇 2587033.6.2智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 2656103.7智能小車整體的硬件電路設(shè)計(jì) 27237604智能小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì) 28157094.1主程序設(shè)計(jì) 28257044.2自動(dòng)循跡模塊程序設(shè)計(jì) 2971364.3測(cè)距避障模塊程序設(shè)計(jì) 3170674.4數(shù)碼顯示模塊程序設(shè)計(jì) 32261674.5編碼測(cè)速模塊程序設(shè)計(jì) 33134214.6紅外遙控模塊程序設(shè)計(jì) 3423898總結(jié) 363803參考文獻(xiàn) 38174致謝 40武漢理工大學(xué)課程設(shè)計(jì)1緒論1.1設(shè)計(jì)背景與意義2003年6月，“勇氣”號(hào)火星探測(cè)漫游者飛船和漫游車，由DeltaⅡ發(fā)射飛往了熾熱的紅色星————火星。7個(gè)月后，“勇氣”號(hào)飛船在火星表面著陸。勇氣號(hào)漫游車在火星上自主移動(dòng)，成功抵達(dá)了古謝夫環(huán)形山。美國(guó)宇航局科學(xué)家和工程師事先設(shè)計(jì)了一系列硬指標(biāo)作為判斷漫游車探測(cè)計(jì)劃是否成功的依據(jù)。按照規(guī)定漫游車至少工作90個(gè)小時(shí)，在火星上行駛總里程至少達(dá)到600米，至少造訪8個(gè)不同地點(diǎn)，必須拍下周圍環(huán)境的立體和彩色全景照片?！坝職狻碧?hào)是迄今為止美國(guó)發(fā)射的最尖端的火星探測(cè)裝置，其頂部的桅桿式結(jié)構(gòu)上裝有全景照相機(jī)及具有紅外探測(cè)能力的微型熱輻射分光計(jì)。“勇氣”號(hào)成功實(shí)現(xiàn)了集通信、拍攝和計(jì)算等功能與一身。漫游車能夠在火星上自主行駛，當(dāng)火星車發(fā)現(xiàn)值得探測(cè)的目標(biāo)它會(huì)驅(qū)動(dòng)六個(gè)輪子向目標(biāo)行駛，在檢測(cè)到前方的障礙后，漫游車能夠自動(dòng)避開(kāi)并尋找到達(dá)目標(biāo)的最佳路徑。類似于漫游車，以輪子作為移動(dòng)機(jī)構(gòu)、能夠?qū)崿F(xiàn)自主行駛的機(jī)器人，我們通常稱之為智能小車或輪式機(jī)器人。智能小車同傳統(tǒng)的遙控機(jī)器人不同。遙控機(jī)器人需要人為的實(shí)時(shí)操控小車的啟動(dòng)、轉(zhuǎn)向、加減速及停止；智能小車通過(guò)計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)其對(duì)循跡、避障、加減速的自主控制。如前文所述火星漫游車就是智能小車的一種，其依靠自主導(dǎo)航軟件實(shí)現(xiàn)在一定道路條件下的自主行駛，成功完成任務(wù)。智能小車是集環(huán)境感知、規(guī)劃決策、自主行駛等功能于一身的綜合系統(tǒng)，集中運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、傳感器、電機(jī)、通信、人工智能及自動(dòng)控制等技術(shù)，是典型的高新技術(shù)綜合體。同時(shí)，在面對(duì)當(dāng)今世界全球化、信息化發(fā)展趨勢(shì)，傳統(tǒng)的交通技術(shù)和手段已不適應(yīng)經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的要求。智能交通系統(tǒng)是交通事業(yè)發(fā)展的必然選擇，是交通事業(yè)的一場(chǎng)革命。通過(guò)先進(jìn)的信息技術(shù)、通信技術(shù)、控制技術(shù)、傳感技術(shù)、計(jì)算器技術(shù)和系統(tǒng)綜合技術(shù)有效的集成和應(yīng)用，使人、車、路之間的相互作用關(guān)系以新的方式呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效、安全、節(jié)能的目標(biāo)。其中無(wú)人駕駛將成為智能交通的重要分支。因此，智能小車不僅在航空航天方面得到廣泛應(yīng)用，還將在智能交通領(lǐng)域展現(xiàn)其巨大的研究設(shè)計(jì)價(jià)值與意義。1.2當(dāng)前國(guó)內(nèi)外的研究設(shè)計(jì)現(xiàn)狀及成果1.2.1國(guó)外研究現(xiàn)狀及成果20世紀(jì)90年代，以研制高水平的環(huán)境信息傳感器和信息處理技術(shù)，適應(yīng)性強(qiáng)的移動(dòng)機(jī)器人控制技術(shù)，真實(shí)環(huán)境下的規(guī)劃技術(shù)為標(biāo)志，展開(kāi)了移動(dòng)機(jī)器人更高層次的研究。隨著技術(shù)的進(jìn)步，移動(dòng)機(jī)器入開(kāi)始在更現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上，開(kāi)拓各個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域，向?qū)嵱没斑M(jìn)。1997年牛津大學(xué)機(jī)器人研究小組采用分布式濾波及局部智能控制代理的系統(tǒng)模式，利用卡爾曼濾波方法融合來(lái)自攝像機(jī)、激光測(cè)距、聲納的數(shù)據(jù)信息，設(shè)計(jì)出了在已知或未知的工廠環(huán)境下工作的移動(dòng)機(jī)器人。美國(guó)國(guó)家航空和宇宙航行局（NASA）資助研制的八足行走機(jī)器人?！暗さ佗颉保鳛槟軐?shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程探險(xiǎn)的高性能移動(dòng)機(jī)器人，于1994年在斯珀火山的火山口進(jìn)行了成功的表演。美國(guó)NASA研制的火星探測(cè)機(jī)器人“sojourner”于1997年登上火星，驗(yàn)證了自主移動(dòng)機(jī)器人在火星表面運(yùn)動(dòng)和進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)的可行性。2003年，美國(guó)NASA又派出兩個(gè)火星著陸器，這兩個(gè)著陸器上各帶勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)火星漫游者，到火星上采集數(shù)據(jù)．在任務(wù)期間，“勇氣”創(chuàng)造了日行27.5米的紀(jì)錄，打破了“sojourner”97年創(chuàng)下的日行7米的記錄；“機(jī)遇”號(hào)也已成功地在火星上進(jìn)行了多種科學(xué)實(shí)驗(yàn)。后來(lái)，美國(guó)宇航局又在研究另一種新型的火星探測(cè)器——火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室（MSL），是一種適用于所有地形的多用途機(jī)器人，執(zhí)行任務(wù)。德國(guó)研制了一種輪椅機(jī)器人，并在烏爾姆市中心車站的客流高峰期的環(huán)境中和1998年漢諾威工業(yè)商品展覽會(huì)大廳環(huán)境中進(jìn)行了超過(guò)36小時(shí)的考驗(yàn)，所表現(xiàn)出的性能是其它現(xiàn)存的輪椅機(jī)器人和移動(dòng)機(jī)器人所不可比的。此外，在足球機(jī)器人方面，自從1996年成功地舉行了第一次世界機(jī)器人足球賽以來(lái)，現(xiàn)在一年一度的世界機(jī)器人足球賽已經(jīng)吸引了越來(lái)越多的團(tuán)體參加，極大地推進(jìn)了多移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)的研究，成為研究和驗(yàn)證人工智能成果的實(shí)驗(yàn)床。為促進(jìn)無(wú)人駕駛車輛的研發(fā)，從2004年起，美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究項(xiàng)目局(DARPA)開(kāi)始舉辦機(jī)器車挑戰(zhàn)大賽(GrandChallenge)。該大賽對(duì)促進(jìn)智能車輛技術(shù)交流與創(chuàng)新起到很大激勵(lì)作用。在2005年的第二屆比賽中，主辦方只在賽前2小時(shí)提供一張光盤，上面提供了比賽路線上2935個(gè)“路點(diǎn)”的方位與海拔等詳細(xì)資料。整個(gè)賽道有急轉(zhuǎn)彎、隧道、路口還有山路，比賽要求參賽車輛能夠自主完成全部路程。最終斯坦福大學(xué)的“斯坦利”，獲得了第1名。具有6個(gè)奔騰M處理器的電腦完成“斯坦利”的所有程序的處理。車輛移動(dòng)時(shí)，4個(gè)激光傳感器、一個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)、一組立體攝像頭和一個(gè)單眼視覺(jué)系統(tǒng)感知周圍的環(huán)境。2006年德國(guó)舉辦了歐洲陸地機(jī)器人競(jìng)賽(EuropeanLandRobotTrial，簡(jiǎn)稱(ELROB)),德國(guó)的參賽車“途銳”取得了冠軍。該車通過(guò)影像處理尋找道路，周圍景物被處理成3D影像。該車由光學(xué)定向與測(cè)距系統(tǒng)對(duì)收集的信息進(jìn)行導(dǎo)航?jīng)Q策，分析哪里是行人哪里是樹(shù)木?！巴句J”自主行駛了90%的賽程，不過(guò)在通過(guò)關(guān)鍵十字路口時(shí)還是靠手動(dòng)駕駛。1.2.2我國(guó)研究現(xiàn)狀及成果在國(guó)內(nèi)，從“七五”開(kāi)始，我國(guó)的移動(dòng)機(jī)器人研究開(kāi)始起步，經(jīng)過(guò)多年來(lái)的發(fā)展，已經(jīng)取得了一定的成績(jī)。清華大學(xué)智能移動(dòng)機(jī)器人于1994年通過(guò)鑒定。涉及到五個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)：基于地圖的全局路徑規(guī)劃技術(shù)研究；基于傳感器信息的局部路徑規(guī)劃技術(shù)研究；路徑規(guī)劃的仿真技術(shù)研究；傳感技術(shù)、信息融合技術(shù)研究；智能移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。香港城市大學(xué)智能設(shè)計(jì)、自動(dòng)化及制造研究中心的自動(dòng)導(dǎo)航車和服務(wù)機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所得AGV和防暴機(jī)器人。中國(guó)科學(xué)院自動(dòng)化所自行設(shè)計(jì)、制造的全方位移動(dòng)式機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航系統(tǒng)。在足球機(jī)器人研究方面，我國(guó)主要在仿真比賽的研究比較早，早起國(guó)內(nèi)的參賽隊(duì)伍一般都是參加RoboCup仿真組比賽，研究?jī)?nèi)容主要集中在策略開(kāi)發(fā)方面以及仿真足球機(jī)器人。在RoboCup比賽項(xiàng)目上，清華大學(xué)和中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)代表了國(guó)內(nèi)最高水平。中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)是國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展RoboCup工作的單位，第一個(gè)闖入了世界杯16強(qiáng)。清華大學(xué)則后來(lái)居上，哈爾濱工業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)研制的Mirosot軟件仿真平臺(tái)在國(guó)內(nèi)得到了很好的應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，我們國(guó)家在RoboCup仿真比賽中已居于世界前列。在“飛思卡爾”比賽方面，我國(guó)于2006年8月舉辦第一屆“飛思卡爾”杯全國(guó)智能車競(jìng)賽，當(dāng)時(shí)吸引了來(lái)自全國(guó)50所高校的112支代表隊(duì)的參與。在2007年的第二屆智能車競(jìng)賽中，來(lái)自全國(guó)26個(gè)省(自治區(qū))、直轄市的130余所院校的242支隊(duì)伍分為5個(gè)賽區(qū)進(jìn)行角逐，比賽場(chǎng)面空前激烈。值得一提的是安徽理工大學(xué)在2011年第六屆全國(guó)大學(xué)生“飛思卡爾”杯智能汽車競(jìng)賽全國(guó)總決賽中獲得了全國(guó)一等獎(jiǎng)，已達(dá)國(guó)內(nèi)先進(jìn)水平。即將于2013年下半年發(fā)射的“嫦娥三號(hào)”將實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次月面遙操作控制，將通過(guò)月球車對(duì)月球進(jìn)行地面行駛和勘察，實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次對(duì)地外天體的直接探測(cè)。“嫦娥三號(hào)”攜帶的月面巡視器，將在無(wú)軌道的情況下完成相應(yīng)的科學(xué)任務(wù)，實(shí)現(xiàn)月球表面探測(cè)。月球遙操作控制是實(shí)現(xiàn)該次任務(wù)的關(guān)鍵技術(shù)，在我國(guó)尚屬首次應(yīng)用。該技術(shù)的基礎(chǔ)藍(lán)本就是北京飛控中心的謝圓博士的博士論文——《月球車在遙操作中的任務(wù)規(guī)劃技術(shù)》。謝圓博士在該文中論及了月面綜合環(huán)境建模方法、巡視器任務(wù)層路徑規(guī)劃方法以及巡視器基于路徑的規(guī)劃方法。自主移動(dòng)機(jī)器人的研究雖取得了很大的進(jìn)展，但是對(duì)于復(fù)雜的應(yīng)用，仍不能令人滿意，依然存在較大研究設(shè)計(jì)空間。1.3本設(shè)計(jì)的內(nèi)容及結(jié)構(gòu)1.3.1設(shè)計(jì)內(nèi)容在本設(shè)計(jì)中采用87C51單片機(jī)作為主控制芯片。整個(gè)控制系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)如圖1-1所示。圖1-1小車的控制框圖通過(guò)控制左右驅(qū)動(dòng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速來(lái)控制小車的轉(zhuǎn)向：若小車向左偏離軌道，則發(fā)出控制信號(hào)使左輪速度加大，從而使小車按所需向右偏轉(zhuǎn)；若小車向右偏離軌道，則發(fā)出相反的控制信號(hào)，使小車向右偏轉(zhuǎn)到所需的行駛姿態(tài)。對(duì)于智能小車所在軌道的具體位置，可以通過(guò)光電檢測(cè)傳感器檢測(cè)相關(guān)信號(hào)傳送給87C51單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)計(jì)算分析判斷小車是否正行駛在正常的軌道。若不偏離軌道，在正常行駛，反之則發(fā)出相應(yīng)的控制命令，實(shí)時(shí)調(diào)整其行駛姿態(tài)。針對(duì)小車在軌道上遇到的障礙，如何順利避開(kāi)問(wèn)題。可以通過(guò)超聲波測(cè)距傳感器來(lái)測(cè)定前方有無(wú)障礙，以及判斷是何種障礙。在小車的前方、左方、右方各裝一個(gè)超聲波測(cè)距傳感器，分別檢測(cè)各自方向是否有障礙：若檢測(cè)到前方、右方有障礙，小車向左轉(zhuǎn)90度；若檢測(cè)到前方、左方有障礙，小車向右轉(zhuǎn)90度；若檢測(cè)到前方、左方、右方均有障礙，則小車轉(zhuǎn)180度。如此小車可以實(shí)現(xiàn)檢測(cè)軌道上的障礙并順利繞開(kāi)。具體流程可參見(jiàn)圖1-2。圖1-2小車避障程序流程圖為了實(shí)時(shí)了解小車的運(yùn)動(dòng)狀況，諸如速度、是否處于加減速及啟停狀態(tài)，可以通過(guò)光電編碼盤檢測(cè)小車的速度等運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)單片機(jī)傳送給數(shù)碼顯示管，便可實(shí)時(shí)反映小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。設(shè)計(jì)五個(gè)數(shù)碼顯示管，顯示小車的運(yùn)行狀態(tài)。自左向右，第一個(gè)數(shù)碼管顯示智能小車的啟停狀態(tài)：運(yùn)行顯示1，停止顯示0；第二個(gè)顯示小車的加減速狀態(tài)：加速顯示1，減速顯示2；第三、四、五個(gè)一起顯示小車的運(yùn)行速度，一位有效數(shù)字，單位為m/s。。在小車正在軌道正常運(yùn)行時(shí)，若要改變小車運(yùn)行狀態(tài)，可以在小車上安裝一個(gè)遙控信號(hào)的接受器，接受從其他地方傳送過(guò)來(lái)的控制信號(hào)，實(shí)時(shí)改變小車運(yùn)行狀態(tài)。如若要使小車加速，操作者可以通過(guò)遙控器發(fā)出加速信號(hào)，通過(guò)紅外光信號(hào)傳送給信號(hào)接收器，信號(hào)接收器接收信號(hào)后，將信號(hào)傳送給主控制芯片87C51單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)邏輯分析，發(fā)出相應(yīng)的命令給左右輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。1.3.2本文結(jié)構(gòu)本文利用第一章簡(jiǎn)要介紹智能小車的研究背景、研究意義、研究現(xiàn)狀及本文的架構(gòu)，從而對(duì)智能小車的各方面有個(gè)清晰的了解，以便在今后的本設(shè)計(jì)中有清晰明了的設(shè)計(jì)脈絡(luò)。第二章對(duì)本設(shè)計(jì)所用到的相關(guān)原理做簡(jiǎn)要回顧與介紹。其中介紹了智能小車?yán)霉怆妭鞲衅鞯淖詣?dòng)循跡原理、利用超聲波的測(cè)距避障原理、光電編碼盤的測(cè)速原理、遙控操縱原理及小車的H橋驅(qū)動(dòng)原理。通過(guò)對(duì)各個(gè)模塊的工作原理有個(gè)清晰的了解和認(rèn)識(shí)，為第三章的硬件電路奠定基礎(chǔ)。第三章介紹各個(gè)模塊的硬件電路圖。第四章設(shè)計(jì)整個(gè)控制系統(tǒng)的軟件程序。2智能小車控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理2.1智能小車自動(dòng)循跡原理智能小車要想在沿著給定的軌道順利運(yùn)行，就必須有相應(yīng)的自動(dòng)循跡硬件電路及相關(guān)軟件程序。小車的運(yùn)動(dòng)軌道上畫有白線和黑線，小車可以通過(guò)光電傳感器檢測(cè)小車與軌道上黑白線的相對(duì)位置，即檢測(cè)小車是否在所期待的軌道正常運(yùn)行。下面就其循跡原理及相應(yīng)傳感器工作原理做簡(jiǎn)要介紹。2.1.1小車循跡原理在智能小車的控制系統(tǒng)中，小車有多種循跡方法。常用的有攝像頭循跡和光電傳感器循跡。所謂的攝像頭循跡，就是通過(guò)攝像頭采集小車的路徑信息，并傳送至控制系統(tǒng)中，從而達(dá)到循跡的目的。攝像頭循跡，可以獲取大量的圖像信息，可以全面完整的掌握路徑信息，可以進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的預(yù)測(cè)和識(shí)別圖像復(fù)雜的路面，而且具有較強(qiáng)的抗干擾能力，但存在硬件電路復(fù)雜，信息處理量大等缺點(diǎn)，及如何對(duì)攝像頭記錄的圖像進(jìn)行分割和識(shí)別，加快處理速度等難點(diǎn)。而光電傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，免去了繁雜的圖像處理工作，反應(yīng)靈敏，響應(yīng)時(shí)間低，便于近距離路面情況的檢測(cè)，但其所獲取的路面信息較攝像頭傳感器而不夠全面，只能對(duì)路面的情況做簡(jiǎn)單的黑白檢測(cè)，檢測(cè)距離有限，而且很容易受到諸多干擾的影響，抗干擾能力較差，背景光源，器件之間的差異傳感器高度位置的差異等都將造成對(duì)其干擾。在本設(shè)計(jì)中，賽道只有黑白兩種顏色，小車只要能檢測(cè)黑白兩種顏色即可采集到準(zhǔn)確的路面信息。因此經(jīng)過(guò)綜合權(quán)衡決定在本設(shè)計(jì)中選擇能克服上述缺點(diǎn)、且價(jià)格低廉、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的光電傳感器作為路面信息采集元件來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的自動(dòng)循跡。光電傳感器主要是利用光照射在不同物質(zhì)上發(fā)生不同物理反應(yīng)的原理設(shè)計(jì)而成。發(fā)光器發(fā)出的紅外光或者可見(jiàn)光照射在白線上，發(fā)生漫反射，大部分照射在白線上的光被反射到裝在智能小車的接收器上；當(dāng)發(fā)出的光照射在黑線上時(shí)，黑線吸收發(fā)光器發(fā)出的光，由此判斷小車的行駛方向，達(dá)到自動(dòng)循跡的目的。在本設(shè)計(jì)中，小車的軌道設(shè)計(jì)成以白線為基底黑線為軌跡的軌道。使用三個(gè)光電傳感器間隔一定距離且并排安裝在小車的底部。將小車的循跡分成四種狀態(tài)：當(dāng)三個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線時(shí)，小車在跑道正上方，小車全速運(yùn)行；當(dāng)有一個(gè)傳感器偏出黑線，小車處于微偏狀態(tài)，將一個(gè)電機(jī)速度不變，另一個(gè)電機(jī)速度調(diào)快，糾正運(yùn)行狀態(tài)直至三個(gè)傳感器均檢測(cè)到黑線；當(dāng)同側(cè)兩個(gè)傳感器偏出黑線時(shí)，小車處于較大偏離狀態(tài)，將一個(gè)電機(jī)速度調(diào)慢，另一個(gè)電機(jī)速度調(diào)快，糾正運(yùn)行狀態(tài)直至正常運(yùn)行；當(dāng)三個(gè)傳感器均偏出黑線時(shí)，小車處于很大偏離狀態(tài)，將一個(gè)電機(jī)速度降為零，另一個(gè)電機(jī)全速運(yùn)行，校正行駛路徑直至三個(gè)光電傳感器均處于黑線上方。校正流程如圖2-1所示。圖2-1小車循跡流程圖2.1.2光電傳感器工作原理光電傳感器是通過(guò)把光強(qiáng)度的變化轉(zhuǎn)變成電信號(hào)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)控制的。一般的光電傳感器由三大部分組成：發(fā)光器、光接收器和檢測(cè)電路發(fā)光器對(duì)準(zhǔn)發(fā)光目標(biāo)（光接收器或者是某種反光物質(zhì)）發(fā)射光束，發(fā)射的光束一般來(lái)自半導(dǎo)體光源，如：發(fā)光二極管、激光二極管或紅外發(fā)射二極管。光接收器接收發(fā)光器發(fā)出的光（或者反光物質(zhì)反射回來(lái)的光）。常用的光接收器一般有：光電二極管、光電三極管及光電池。為了增強(qiáng)光電傳感器的檢測(cè)靈敏度及精確度，可以再接收器的前面裝一個(gè)光學(xué)元件，如：透鏡、光圈等。光接收器接檢測(cè)到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)，電信號(hào)傳遞給給相應(yīng)的檢測(cè)電路和濾波電路，從而提供正確的有效信號(hào)。2.1.3光電傳感器的常用類型1槽型光電傳感器所謂的槽型光電傳感器就是把一個(gè)光發(fā)射器和一個(gè)接收器面對(duì)面地組裝于一個(gè)凹槽的兩側(cè)。正常工作狀態(tài)下，發(fā)光器能夠在在驅(qū)動(dòng)電路的工作下發(fā)出紅外光或者是可見(jiàn)光，光接收器是用來(lái)接收發(fā)光器所發(fā)出的光的。若發(fā)光器與接收器之間沒(méi)有遮擋物，即槽內(nèi)無(wú)障礙，發(fā)光器發(fā)出的光可以被接收器接收；反之則不能。當(dāng)接收器不能接收到發(fā)光器發(fā)出的光時(shí)，相應(yīng)的光電開(kāi)關(guān)便動(dòng)作。該種傳感器能檢測(cè)的距離很小，一般只有數(shù)厘米。2對(duì)射型光電傳感器為了使檢測(cè)距離增大，可以將發(fā)光器和接收器分開(kāi)組裝在相距較遠(yuǎn)的兩個(gè)物體上，這就是對(duì)射型光電傳感器。對(duì)射式光電傳感器可以檢測(cè)較遠(yuǎn)的距離，一般能達(dá)到數(shù)米甚至數(shù)十米的距離。使用時(shí)將發(fā)光器和接收器固定在檢測(cè)物通過(guò)的路徑的兩側(cè)，檢測(cè)物通過(guò)該光電傳感器時(shí)，檢測(cè)物擋住發(fā)光器發(fā)出的光，接收器檢測(cè)不到光信號(hào)，做出相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。3反光型光電傳感器反光型光電傳感器把發(fā)光器和接收器裝入同一個(gè)裝置，在其前方固定一塊反光板，利用反射原理完成光電控制。一般情況發(fā)光器發(fā)出的光可以被光接收器接收，但當(dāng)傳感器與反光板之間有不透光的障礙物時(shí)，由反光板反射回來(lái)的光就不能被光接收器接收，光電開(kāi)光就做出相應(yīng)的動(dòng)作，輸出一個(gè)開(kāi)關(guān)控制信號(hào)。4擴(kuò)散型光電傳感器擴(kuò)散型光電傳感器內(nèi)裝有一個(gè)發(fā)光器和一個(gè)光接收器。但前面沒(méi)有擋光板，正常情況光接收器不能檢測(cè)到發(fā)光器發(fā)出的光；若發(fā)光器前方有障礙物時(shí)，發(fā)光器發(fā)出的光照在障礙物上發(fā)生漫反射，將部分光發(fā)射回來(lái)，由光接收器接收。光接收器接收到反射回來(lái)的光信號(hào)，輸出一個(gè)相應(yīng)的開(kāi)關(guān)信號(hào)。2.2超聲波測(cè)距避障原理智能小車在指定軌道上可能會(huì)遇到各種設(shè)定的障礙物，因此需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的避障系統(tǒng)來(lái)使小車能夠順利繞開(kāi)軌道上的各種未知障礙。從而達(dá)到小車智能避障的目的。超聲波是一種在彈性介質(zhì)中的機(jī)械振蕩，器頻率超過(guò)20KHZ。超聲波的振蕩分為橫向振蕩和縱向振蕩兩種。超聲波可以在氣體、液體及固體中傳播，傳播速度不等，而且受環(huán)境溫度變化，常溫下聲速在空氣中的傳播速度隨溫度每升高1增加0.18%；在水中常溫下溫度每變化1，聲速變化0.3%。聲速在一些介質(zhì)中的傳播速度表2-1所示。表2-1超聲波在不同各種常見(jiàn)介質(zhì)中的傳播速度介質(zhì)速度（m/s）介質(zhì)速度（m/s）空氣（15）340海水1531空氣（25）346銅（棒）3750軟木500大理石3810蒸餾水（25）1497鋁（棒）5000煤油（25）1324鐵（棒）5200超聲波有折射和反射現(xiàn)象，而且在傳播過(guò)程中存在衰減現(xiàn)象，利用超聲波的折射和反射特性，可以做成各式各樣的超聲波傳感器。結(jié)合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天等領(lǐng)域獲得了極為廣泛的應(yīng)用。制造超聲波的材料主要是壓電晶體。壓電晶體制成的傳感器是一種可逆?zhèn)鞲衅?，即不僅可以將施加在其上的電能轉(zhuǎn)化成機(jī)械振蕩而產(chǎn)生超聲波，而且當(dāng)它接收到超聲波時(shí)，亦可轉(zhuǎn)換成電能。故利用壓電晶體既可以做超聲波發(fā)生器，發(fā)出超聲波，還可以做超聲波接收器，檢測(cè)反射回來(lái)的超聲波。由鋯鈦酸鉛或鈦酸鋇等壓電陶瓷材料做成換能器。通過(guò)一定的電路給換能器加一個(gè)時(shí)間極短的電壓脈沖，換能器便將電脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)槌纛l的機(jī)械振動(dòng)以超聲波的形式在空氣中傳播，若超聲波探測(cè)儀的前方有障礙物時(shí)，超聲波會(huì)被障礙物反射回來(lái)。由于換能器是可逆的，將接收到反射回來(lái)的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換為電壓脈沖。用計(jì)時(shí)電路測(cè)定超聲波在液體中的來(lái)回時(shí)間，便可以計(jì)算出障礙物距離換能器的距離。下面介紹三種計(jì)算距離的方法：1忽略車速及環(huán)境溫度估算距離當(dāng)小車速度不是太大時(shí)，由于聲速在室溫下的傳播速度在340m/s左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于小車的形式速度，則從小車上的超聲波發(fā)射器發(fā)出機(jī)械振動(dòng)到接收器接收機(jī)械振動(dòng)時(shí)間t很短，在時(shí)間t內(nèi)，小車形式的距離較小。此時(shí)便可忽略小車的行駛速度，即相比于聲速，小車相對(duì)地面幾乎為靜止?fàn)顟B(tài)。示意圖如圖2-2所示。圖2-2忽略車速的測(cè)距示意圖若聲速取為340m/s。則此時(shí)換能器與障礙物之間的距離s可由式（2-1）求得。（2-1）2考慮車速忽略環(huán)境溫度較為精確的測(cè)距算法當(dāng)小車的速度較大時(shí)，從換能器發(fā)出機(jī)械波到接收器接收到反射機(jī)械波這段時(shí)間t內(nèi)，小車形式了一段不可忽略的距離。則若想得到較為精確的距離，則不得不考慮小車行駛速度對(duì)測(cè)距結(jié)果的影響，測(cè)距示意圖如圖2-3所示。圖2-3考慮車速的測(cè)速示意圖考慮車速對(duì)小車行駛路程的影響時(shí)，又需分小車是勻速運(yùn)動(dòng)與加速運(yùn)動(dòng)。當(dāng)小車是勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車的行駛速度可由測(cè)速模塊將測(cè)得速度輸送給單片機(jī)，相關(guān)測(cè)速原理詳見(jiàn)2.3節(jié)。假設(shè)測(cè)速模塊測(cè)得速度為，聲速仍不考慮環(huán)境溫度影響，令。設(shè)小車在時(shí)間t內(nèi)行駛的路程為，換能器接收機(jī)械波時(shí)與障礙物相距。有相關(guān)運(yùn)動(dòng)學(xué)知識(shí)可得如下關(guān)系：(2-2）（2-3）（2-4）（2-5）由式（2-2）、（2-3）、（2-4）、（2-5）可以計(jì)算得：（2-6）當(dāng)小車加速運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于換能器發(fā)出機(jī)械波到接收機(jī)械波之間時(shí)間t較小，速度變化不是很大，可以根據(jù)換能器發(fā)出機(jī)械波時(shí)的速度和換能器接收機(jī)械波時(shí)的速度估算出在時(shí)間t內(nèi)，小車運(yùn)行的平均速度為：(2-7)則換能器接收到機(jī)械波時(shí)與障礙物之間的距離可由式（2-8）求得（2-8）在小車勻速運(yùn)動(dòng)情況下，==。故式（2-8）也可用于勻速運(yùn)動(dòng)時(shí)的距離測(cè)算3考慮車速及環(huán)境溫度的精確測(cè)距算法超聲波在空氣中傳播時(shí)，傳播速度會(huì)受到環(huán)境溫度影響。由前文可知環(huán)境溫度每升高1，傳播速度增加0.18%，以環(huán)境溫度為15時(shí)的聲速為340m/s為基準(zhǔn)。當(dāng)環(huán)境溫度為T時(shí)聲速可由式（2-9）求得：（2-9）則當(dāng)換能器接收到機(jī)械波時(shí)，小車與障礙物之間的距離由（2-10）求得：（2-10）2.3智能小車測(cè)速原理智能小車在軌道上行駛時(shí)，要想實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的實(shí)時(shí)控制，就必須實(shí)時(shí)了解智能小車的行駛狀態(tài)的各種參數(shù)。其中，小車的行駛速度是一個(gè)不可或缺的重要參數(shù)。因此設(shè)計(jì)一個(gè)精確測(cè)速系統(tǒng)十分重要，下面介紹一些常用的測(cè)速原理，具體設(shè)計(jì)方法將于下一章詳細(xì)介紹。常見(jiàn)的測(cè)速方法有直流電機(jī)測(cè)速與光電編碼測(cè)速，下面分別予以介紹：2.3.1直流電機(jī)測(cè)速直流電機(jī)測(cè)速是通過(guò)測(cè)量直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的輸出電壓，結(jié)合直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的相關(guān)參數(shù)，計(jì)算得小車的行駛速度。圖2-4直流測(cè)速發(fā)電機(jī)工作原理圖直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是一種測(cè)量信號(hào)的元件，工作原理如圖2-4所示。小車的驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，通過(guò)機(jī)械傳動(dòng)，帶動(dòng)直流測(cè)速發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)。勵(lì)磁線圈通直流電，產(chǎn)生磁場(chǎng)。轉(zhuǎn)子在外界驅(qū)動(dòng)下轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)子上的線圈隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，從而切割勵(lì)磁線圈上產(chǎn)生的磁感線，產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，忽略直流電機(jī)的電刷上的接觸壓降，由圖2-4可得電樞回路的穩(wěn)態(tài)電壓平衡式：（2-11）經(jīng)過(guò)變換可得輸出電壓U與轉(zhuǎn)速的關(guān)系，即式（2-12）（2-12）式中：負(fù)載電阻電樞繞組電阻輸出斜率由式（2-12）可知，當(dāng)主磁通、電樞繞組電阻和負(fù)載電阻不變，則輸出斜率不變，則U與n呈線性關(guān)系，若要改變輸出斜率，則只改變負(fù)載電阻即可。如前文所述，直流測(cè)速發(fā)電機(jī)是通過(guò)測(cè)量輸出電壓，結(jié)合測(cè)速電機(jī)的各項(xiàng)參數(shù)測(cè)得，測(cè)量電壓表存在誤差。此外，需經(jīng)機(jī)械傳動(dòng)將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)矩傳送給測(cè)速發(fā)電機(jī)，會(huì)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)增加負(fù)載，降低小車的最大行駛速度，而且測(cè)速系統(tǒng)機(jī)械構(gòu)造復(fù)雜，增加設(shè)計(jì)繁雜性。相比之下，光電編碼可行性好、精確度高。2.3.2光電碼盤測(cè)速光電碼盤測(cè)速是通過(guò)在電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)軸上安裝一個(gè)遮光圓盤，在該遮光圓盤上按均勻間隔打孔用于透光，如圖2-5所示為打有四個(gè)透光孔的圓盤，為提高測(cè)速精度還可以增加打孔個(gè)數(shù)，如8個(gè)、16個(gè)等。圖2-5四透光孔的圓盤在打有透光孔的遮光圓盤一邊裝有發(fā)光源，另一邊裝有接收接收光的光電二極管，如圖2-6所示。當(dāng)光穿過(guò)透光孔時(shí)，光電二極管導(dǎo)通；光照射在遮光盤遮光處光電二極管斷開(kāi)。由此可知每當(dāng)透光孔經(jīng)過(guò)光源處就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)觸發(fā)脈沖，電機(jī)旋轉(zhuǎn)一周，產(chǎn)生四個(gè)觸發(fā)脈沖，該觸發(fā)脈沖可以經(jīng)過(guò)計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)得到，結(jié)合定時(shí)器，便可測(cè)得轉(zhuǎn)速。圖2-6光電碼盤工作原理示意圖上文是光電碼盤的測(cè)速原理，當(dāng)光電碼盤測(cè)速模塊輸出一系列脈沖后，脈沖送給計(jì)數(shù)器芯片用于計(jì)數(shù)測(cè)速。當(dāng)前主要的計(jì)數(shù)測(cè)速方法主要有M法、T法、M/T法、KT法等。其中M法適用于檢測(cè)高速；T法適用于檢測(cè)低速；M/T法既適用于檢測(cè)高速還適用于檢測(cè)低速；KT法是T法的改進(jìn)，能夠克服T法檢測(cè)低速時(shí)的缺陷。以上三種檢測(cè)計(jì)數(shù)方法的具體硬件電路設(shè)計(jì)將于第三章詳述。2.4智能小車遙控原理利用遙控裝置可以從指揮處輕松實(shí)現(xiàn)小車的啟動(dòng)、加減速、左右轉(zhuǎn)、前進(jìn)、后退及停止。本文中主要利用紅外遙控實(shí)現(xiàn)遙控功能，下面予以介紹。2.4.1紅外遙控的實(shí)現(xiàn)模塊紅外遙控模塊主要由紅外發(fā)射器、紅外接收器及相關(guān)接口電路組成，如圖2-7所示。紅外發(fā)射器用來(lái)產(chǎn)生遙控編碼脈沖，驅(qū)動(dòng)紅外發(fā)射管輸出紅外遙控信號(hào)，紅外接收器用來(lái)接收遙控信號(hào)，并完成對(duì)接收到的遙控信號(hào)的放大、檢波、整形、調(diào)解出遙控編碼脈沖。遙控編碼脈沖式一組串行二進(jìn)制碼，此串行碼輸入到單片機(jī)，尤其內(nèi)部CPU完成對(duì)遙控指令解碼，并執(zhí)行相應(yīng)的遙控功能。 圖2-7紅外遙感模塊工作圖2.4.2紅外遙控的工作原理紅外遙控的實(shí)現(xiàn)主要是如何用程序去分析0位和1位。0位和1位的不同處就在于高電平后的低電平脈寬不一樣，采用脈寬調(diào)制串行碼以脈寬為0.565ms、間隔0.56ms、周期為1.125ms的組合表示為位“0”；以脈寬為0.565ms、間隔1.685ms、周期為2.25ms的組合為位“1”，其波形如圖2-8所示。圖2-8紅外遙控通信波形圖紅外接收器的解碼關(guān)鍵也是如何識(shí)別“0”和“1”，從位的定義我們可以知道“0”“1”均是以0.56ms的低電平開(kāi)始，不同的是高電平的寬度：寬度為0.56ms時(shí)代表位“0”；寬度為1.68ms時(shí)代表位“1”，當(dāng)從0.56ms低電平過(guò)后開(kāi)始，時(shí)0.56ms以后，若讀到的電平為低，則表示該位為“0”；若讀到的電平為高，則表示該位為“1”。為了可靠起見(jiàn)，延時(shí)應(yīng)該大于0.56ms，小于1.12ms，我們不妨去延時(shí)時(shí)間為（1.12+0.56）/2=0.84ms。根據(jù)碼的格式，應(yīng)該等待2ms的起始碼和2ms的結(jié)果碼完成后才能讀碼。2.5智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路工作原理電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路采用電路形狀與字母“H”相似的“H橋式驅(qū)動(dòng)電路”。該電路由4個(gè)三極管、4個(gè)續(xù)流二極管及電機(jī)構(gòu)成，可以通過(guò)單片機(jī)及接口電路實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速和正反轉(zhuǎn)，其工作原理圖如圖2-9所示。圖2-9“H”橋式驅(qū)動(dòng)電路工作原理圖如圖所示，當(dāng)Ｅ點(diǎn)接高電平，Ｆ點(diǎn)接低電平時(shí)，Ｑ１處于導(dǎo)通狀態(tài)，Ｑ２處于截止?fàn)顟B(tài)，Ｃ點(diǎn)為高電平，Ｄ點(diǎn)為低電平，Ｑ４、Ｑ５處于導(dǎo)通狀態(tài)，Ｑ３、Ｑ６處于截止?fàn)顟B(tài).電流由Ａ點(diǎn)流向Ｂ點(diǎn)，電機(jī)正轉(zhuǎn)；反之，即Ｆ點(diǎn)接高電平，Ｅ點(diǎn)接低電平，則電機(jī)反轉(zhuǎn)。通過(guò)調(diào)節(jié)Ｅ或Ｆ點(diǎn)所接高低電平的時(shí)間，即調(diào)節(jié)輸入“Ｈ橋式電路”的波形的占空比，便可實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的調(diào)速。3智能小車控制系統(tǒng)的硬件電路圖設(shè)計(jì)上一章講述了智能小車控制系統(tǒng)的各個(gè)模塊的工作原理，從而對(duì)其有個(gè)大致了解，同時(shí)也為本章的硬件設(shè)計(jì)奠定了理論基礎(chǔ)。本章將對(duì)智能小車控制系統(tǒng)的電源模塊、光電自動(dòng)循跡模塊、超聲波避障模塊、數(shù)碼管顯示模塊、遙控模塊、測(cè)速模塊及電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊分別進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)，最后結(jié)合所設(shè)計(jì)的各個(gè)模塊，設(shè)計(jì)出整個(gè)控制系統(tǒng)的硬件電路圖。下面分別予以介紹。3.1智能小車的電源模塊設(shè)計(jì)整個(gè)智能小車的控制及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)要想正常工作，電源系統(tǒng)是必不可少的。此外，每個(gè)模塊的工作電壓不盡相同。本節(jié)將對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的電源進(jìn)行設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)中的總電源采用7.2V電池供電。整個(gè)系統(tǒng)需要供電的部分有：系統(tǒng)控制核心——87C51單片機(jī)芯片、光電自動(dòng)循跡子系統(tǒng)、超聲波避障子系統(tǒng)、數(shù)碼管顯示子系統(tǒng)、遙控子系統(tǒng)及電機(jī)驅(qū)動(dòng)子系統(tǒng)。在以上提到的各個(gè)子系統(tǒng)及單片機(jī)芯片的工作電壓如表3-1所示。表3-1智能小車各個(gè)子系統(tǒng)工作電壓子系統(tǒng)工作電壓（V）子系統(tǒng)工作電壓（V）87C51單片機(jī)5數(shù)碼顯示5光電循跡發(fā)射2遙控接收5光電循跡接收5電機(jī)驅(qū)動(dòng)7.2超聲波避障5測(cè)速5在本設(shè)計(jì)中，可選用LM2940芯片將總電源的7.2V電壓降壓并穩(wěn)定在5V，給單片機(jī)、光電循跡的接收子系統(tǒng)，超聲波避障子系統(tǒng)、數(shù)碼顯示子系統(tǒng)及遙控接收子系統(tǒng)供電。此外，為了使整個(gè)控制系統(tǒng)的核心——87C51單片機(jī)穩(wěn)定工作，可以選用兩片LM2940芯片，一片單獨(dú)給單片機(jī)供電，另一片給其他工作電壓為5V的子系統(tǒng)供電。對(duì)于光電循跡的發(fā)射系統(tǒng)，本設(shè)計(jì)選用LM2576將7.2V的電壓穩(wěn)定在２Ｖ給其供電。在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)，由于速度Ｖ為零，啟動(dòng)電流Ｉ很大，電池的輸出電壓為Ｕ＝Ｅ－IR，其中R為電池內(nèi)阻，故輸出電壓會(huì)減小，將會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的正常工作。為了消除這種現(xiàn)象，可以選擇內(nèi)阻很小的電池供電，而且應(yīng)選用一些低壓差線性穩(wěn)壓器（LOD）芯片。驅(qū)動(dòng)電機(jī)則可以通過(guò)7.2V的電源供電。整個(gè)供電系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-1智能小車的供電系統(tǒng)3.2智能小車自動(dòng)循跡的硬件電路設(shè)計(jì)智能車自動(dòng)循跡方法常用的有：電磁循跡、攝像頭循跡和光電循跡。本設(shè)計(jì)中選用光電循跡方法。3.2.1循跡傳感器選擇本設(shè)計(jì)中選用紅外一體式發(fā)射接收器。所謂的紅外一體式發(fā)射接收器就是將發(fā)射管和接收管放置在一個(gè)塑料殼內(nèi)，如圖3-2所示。發(fā)射管和接收管的直徑都是3mm。如果追求大功率更遠(yuǎn)的探測(cè)器也可以選用單獨(dú)的發(fā)射管和接受管，但對(duì)于本設(shè)計(jì)而言，一體式發(fā)射接收管已經(jīng)足夠。本文設(shè)計(jì)的反射距離在2cm左右，此時(shí)探測(cè)環(huán)境都在檢測(cè)電路板的陰影之下，不易受其他光線的干擾。圖3-2紅外一體式發(fā)射接收器示意圖本設(shè)計(jì)中光電傳感器選用RPR220型紅外一體式發(fā)射接收管。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝，在沒(méi)有強(qiáng)日光的干擾之下，探測(cè)距離能達(dá)到5cm以上，能夠得到很好的探測(cè)效果。3.2.2循跡電路圖設(shè)計(jì)利用如前文所述的選用RPR220型紅外一體式發(fā)射接收管作為光電傳感器，結(jié)合所學(xué)知識(shí)設(shè)計(jì)循跡模塊的電路圖如圖3-3所示。圖中R1為限流電阻，不同大小的限流電阻決定了紅外發(fā)射的發(fā)射功率，R1越小，發(fā)射管的功率就越大，本設(shè)計(jì)選用三個(gè)光電傳感器循跡，三個(gè)傳感器并聯(lián)后，電阻變小，小車能耗會(huì)進(jìn)一步加大。另一方面，R1越小，探測(cè)距離將越大，因此需綜合考慮，按需確定R1大小，本設(shè)計(jì)中R1選為150K。R2為分壓電阻結(jié)合接收管的內(nèi)阻，可將R2設(shè)計(jì)為20K。R3為分壓電阻，為比較器提供參考電壓，具體參考電壓的設(shè)定應(yīng)根據(jù)R2上端的電壓來(lái)決定，若需要改變比較器的參考電壓，則只需移動(dòng)R3的滑鍵即可。為了保證比較器在輸出高電平時(shí)有5V的高電平，則需要在比較器的輸出端加一個(gè)2K的上拉電阻R4。圖中比較器選擇為L(zhǎng)M393。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓作參考電壓，即門限電平。另一端加待比較電壓。當(dāng)同相輸入端電壓高于反相輸入端電壓時(shí)，輸出管截止，輸出端開(kāi)路。反之輸出管飽和，輸出端接地電位。只要LM393A兩輸入端的電壓差大于10mv時(shí)，就可以保證輸出從一狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一狀態(tài)。使用比較器就可以省去傳感器到單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換電路，輸出端輸出電平能直接送給單片機(jī)分析。圖3-3自動(dòng)循跡硬件電路圖設(shè)計(jì)一片LM393內(nèi)部含有兩路比較器，因此對(duì)于本設(shè)計(jì)中使用的三個(gè)光電傳感器，使用兩片LM393便足夠。3.3智能小車超聲波測(cè)距的硬件電路設(shè)計(jì)常用的測(cè)距方法有紅外測(cè)距、激光測(cè)距及超聲波測(cè)距。本設(shè)計(jì)中采用類似于雷達(dá)的工作原理的超聲波測(cè)距。如前文所述超聲波傳感器分為超聲波發(fā)射部分和超聲波接收部分，下面分別就這兩部分的硬件電路設(shè)計(jì)分別予以介紹。3.3.1超聲波發(fā)射部分的硬件電路設(shè)計(jì)超聲波發(fā)射部分的換能器選用TCT40-16T，設(shè)計(jì)換能器發(fā)出的信號(hào)為40kHZ的方波，為了讓換能器能夠產(chǎn)生這一信號(hào)，選用555定時(shí)器構(gòu)成多諧振蕩器產(chǎn)生。由555定時(shí)器組成的超聲波發(fā)生電路如圖3-4所示。圖3-4超聲波發(fā)射器電路圖由圖可知，調(diào)節(jié)可變電阻R14，使555定時(shí)器產(chǎn)生40kHZ的振蕩頻率。同時(shí)通過(guò)一個(gè)或非門將單片機(jī)的P1.3引腳和555輸出端相連，使得能夠通過(guò)單片機(jī)P1.3引腳控制超聲波的發(fā)射。另外兩個(gè)超聲波發(fā)射器的發(fā)射分別由P1.4引腳和P1.5引腳。3.3.2超聲波接收部分的硬件電路設(shè)計(jì)上文中的超聲波換能器TCT40-16T發(fā)射的超聲波在空氣中傳動(dòng)，遇到障礙物便會(huì)返回。超聲波接收部分是為了將接收到的反射波通過(guò)換能器TCT40-16R轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。由于回波電壓的數(shù)量級(jí)在mV量級(jí)，且距離較遠(yuǎn)的情況下，回波更弱。因而超聲波接收電路主要由接收換能器TCT40-16R、功率放大電路、比較器及控制電路等環(huán)節(jié)組成。具體硬件電路圖如圖3-5所示。圖3-5超聲波接收器的硬件電路圖本設(shè)計(jì)使用LM318組成兩級(jí)放大電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行放大，第一級(jí)放大倍數(shù)為20，第二級(jí)放大倍數(shù)由可變電阻R22控制，放大倍數(shù)可以為1~20，通過(guò)滑動(dòng)滑動(dòng)變阻器的滑鍵改變放大倍數(shù)，因此兩級(jí)放大倍數(shù)最低為20，最高位400，能使接收器接收到的微弱信號(hào)得到足夠放大。接收信號(hào)經(jīng)兩級(jí)放大后，由LM567來(lái)完成信號(hào)的濾波，檢波及選頻等功能。在LM567電路中電容C13調(diào)節(jié)平衡抗干擾性能與反應(yīng)速度；電容C12影響鎖相環(huán)接收器的接收帶寬；電容C11限制輸入信號(hào)的幅值；可變電阻R24和C14將鎖相環(huán)中心頻率鎖在40Hz。因此當(dāng)超聲波接收部分的輸入大于設(shè)定值時(shí)，輸出引腳就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿信號(hào)，該信號(hào)通過(guò)P1.6引腳（另外兩個(gè)超聲波接收器分別連接P1.7引腳和P2.5引腳）傳送至單片機(jī)。通過(guò)單片機(jī)分析、處理并完成相應(yīng)動(dòng)作。3.4智能小車數(shù)碼顯示的硬件電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中，通過(guò)顯示智能小車的運(yùn)行參數(shù)來(lái)實(shí)時(shí)了解該小車的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)前使用的顯示主要有液晶顯示和數(shù)碼管顯示。為了設(shè)計(jì)簡(jiǎn)便和降低成本，本設(shè)計(jì)采用5個(gè)數(shù)碼管顯示小車運(yùn)行狀態(tài)。自左向右，第一個(gè)數(shù)碼顯示管顯示小車的啟停狀態(tài)：?jiǎn)?dòng)顯示1，停止顯示0；第二個(gè)顯示小車的加減速狀態(tài)：加速顯示1，減速顯示2；第三、四、五個(gè)一起顯示小車的運(yùn)行速度，一位有效數(shù)字，單位為m/s。下面分別介紹數(shù)碼管顯示器的結(jié)構(gòu)、顯示方法及本設(shè)計(jì)中的硬件電路設(shè)計(jì)。3.4.1數(shù)碼顯示器的結(jié)構(gòu)與顯示段碼數(shù)碼顯示器是一種由發(fā)光二極管組合顯示字符的顯示器件。它使用8個(gè)發(fā)光二極管，其中7個(gè)用于顯示字符，1個(gè)用于顯示小數(shù)點(diǎn)。故稱為8段發(fā)光二極管數(shù)碼顯示器。其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖3-6所示。圖3-68段數(shù)碼顯示器數(shù)碼顯示器有兩種連接方法：1共陰極接法把發(fā)光二極管的陰極連接在一起構(gòu)成公共陰極，使用時(shí)公共陰極接地，每個(gè)發(fā)光二極管的陽(yáng)極通過(guò)電阻與輸入端連接。輸入端通過(guò)輸入高電平或低電平控制數(shù)碼管的點(diǎn)亮或熄滅2共陽(yáng)極接法把發(fā)光二極管的陽(yáng)極連接在一起構(gòu)成公共陽(yáng)極，使用時(shí)公共陽(yáng)極接+5V電壓，每個(gè)發(fā)光二極管的陰極通過(guò)電阻與輸入端連接。輸入端通過(guò)輸入高電平或低電平控制數(shù)碼管的熄滅或點(diǎn)亮。為了顯示字符，要為顯示器提供顯示段碼，組成一個(gè)“8”字形，字符的7段和一個(gè)小數(shù)點(diǎn)。因此提供給顯示器的顯示段碼為一個(gè)字節(jié)。各段碼位的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表3-2所示。表3-2顯示器的段碼位與顯示段對(duì)應(yīng)表段碼位D7D6D5D4D3D2D1D0顯示段dpgfedcba當(dāng)?shù)陌硕未a的各個(gè)段碼配合工作時(shí)，可以顯示出多種字符，具體各字符與段碼如表3-3所示。表3-3十六進(jìn)制及空白字符與P的顯示段碼對(duì)應(yīng)表字型共陽(yáng)極段碼共陰極段碼字型共陽(yáng)極段碼共陰極段碼0C0H3FH990H6FH1F9H06HA88H77H2A4H5BHb83H7CH3B0H4FHCA7H39H499H66HdA1H5EH592H6DHE86H79H682H7DHF8EH71H7F8H07H空白FFH00H880H7FHP8CH73H3.4.2數(shù)碼顯示器的顯示方法各位數(shù)碼管的顯示，段碼是相互并聯(lián)的，由一個(gè)8位的I/O口控制，故而在同一時(shí)刻只能顯示同一種字符。對(duì)于這種接口電路的顯示方法有兩種：靜態(tài)顯示和動(dòng)態(tài)顯示。1靜態(tài)顯示靜態(tài)顯示就是在同一時(shí)刻只顯示一種字符，即被顯示的字符在同一時(shí)刻是穩(wěn)定不變的。這種顯示方法比較簡(jiǎn)單，只需將顯示段碼送至段碼口，把位控字符送至位控口即可。但該種顯示方法的缺陷在于會(huì)需要過(guò)多的I/O口，在I/O有限的情況下不建議使用該種方法。2動(dòng)態(tài)顯示在I/O有限的情況下，動(dòng)態(tài)顯示方法是常用的顯示方法。所謂的動(dòng)態(tài)顯示就在同一時(shí)間顯示不同字符，實(shí)際上是利用人眼的殘留效應(yīng)，采用動(dòng)態(tài)掃描顯示的方法逐個(gè)地循環(huán)點(diǎn)亮各位數(shù)碼管，每位顯示時(shí)間很短（通常顯示1ms左右），使人看起來(lái)就如同在同時(shí)顯示不同的字符。3.4.3數(shù)碼顯示的硬件設(shè)計(jì)在第三章，介紹了數(shù)碼管的顯示原理本設(shè)計(jì)中采用數(shù)碼管顯示小車的運(yùn)行狀態(tài)，如運(yùn)行速度、加減速狀態(tài)及前進(jìn)后退狀態(tài)，以及數(shù)碼管的工作原理。在本小節(jié)，將詳細(xì)介紹數(shù)碼顯示模塊設(shè)計(jì)中的芯片選擇及硬件電路設(shè)計(jì)。在本設(shè)計(jì)中，顯示方法我們選用動(dòng)態(tài)顯示方法；采用的單片機(jī)芯片為87C51單片機(jī)，考慮其引腳的數(shù)量有限，因此選用8155芯片對(duì)其引腳進(jìn)行擴(kuò)展；數(shù)碼管選用AMBERCC型八段數(shù)碼顯示管；用鎖存器74F273擴(kuò)展5個(gè)共陽(yáng)極LED顯示器的段碼。硬件電路圖設(shè)計(jì)如圖3-7所示。通過(guò)一個(gè)開(kāi)關(guān)同時(shí)控制單片機(jī)和擴(kuò)展芯片8155的復(fù)位；單片機(jī)的P0.0~P0.7引腳分別與8155的AD0~AD7相連；單片機(jī)的和分別于8155的和相連，控制對(duì)8155的讀寫操作；單片機(jī)的P2.7與8155的IO/相連，控制單片機(jī)是與8155內(nèi)部的存儲(chǔ)器還是A、B、C三個(gè)端口交換信息；8155的與底線相連，使其一直有效；單片機(jī)的ALE與8155的AIE相連；單片機(jī)P2.6與74F273的CLK相連；8155的A端口的八個(gè)引腳分別于74F273的1D~8D相連，74F273的八個(gè)輸出端口通過(guò)電阻與5個(gè)數(shù)碼管的八個(gè)LDE管相連，控制5個(gè)數(shù)碼管的顯示數(shù)字；PC1~PC5分別通過(guò)5個(gè)非門控制五個(gè)數(shù)碼管工作。圖3-7數(shù)碼管的硬件連接圖3.5智能小車遙控的硬件電路設(shè)計(jì)在本設(shè)計(jì)中通過(guò)設(shè)計(jì)智能小車的遙控子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程對(duì)小車的啟動(dòng)、停止及加減速的控制。如前文所述，在本設(shè)計(jì)中采用紅外遙控方法實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的遙控操作。在前文曾簡(jiǎn)要介紹過(guò)小車的遙控系統(tǒng)的組成和工作原理。遙控系統(tǒng)主要由紅外感應(yīng)編碼信號(hào)的發(fā)射及接收模塊組成，發(fā)射模塊即為智能小車的遙控器，在遙控器上設(shè)置四個(gè)按鍵，分別控制小車的啟動(dòng)、停止、加速、減速；接收模塊上裝有紅外信號(hào)的接收器。每當(dāng)按下某一按鍵時(shí)，有紅外發(fā)射器發(fā)出相應(yīng)的紅外發(fā)光信號(hào)，該紅外光信號(hào)經(jīng)一體化紅外接收器接收，由設(shè)計(jì)好的轉(zhuǎn)換電路將接收到的紅外光信號(hào)轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的電信號(hào)，該電信號(hào)傳送給單片機(jī)，經(jīng)單片機(jī)解碼將控制信號(hào)傳送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，通過(guò)驅(qū)動(dòng)模塊控制電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)。3.5.1智能小車的遙控發(fā)射模塊硬件設(shè)計(jì)紅外發(fā)射二極管由紅外輻射效率高的材料制成PN結(jié)，外加正向偏壓向PN結(jié)注入電流激發(fā)紅外光。在本設(shè)計(jì)中，發(fā)射模塊可選用HT6221芯片進(jìn)行控制，HT6221芯片將紅外光信號(hào)調(diào)制成38KHZ的脈沖信號(hào)，然后通過(guò)紅外發(fā)射二極管發(fā)出紅外光信號(hào)。C1腳與R1、R2、R3、R4腳組成四個(gè)按鍵，分別為K1、K2、K3、K4，其數(shù)碼分別為0x01、0x02、0x03、0x04，分別控制小車的啟動(dòng)、停止、加速、減速。在發(fā)光二極管D11出串聯(lián)一個(gè)400歐姆的電阻R50，以避免電壓峰值將二極管擊穿。此外，為了在按下按鍵時(shí)是電壓平穩(wěn)，消除電壓毛刺，給每一個(gè)按鍵并聯(lián)一個(gè)0.2uF的電容。紅外編碼由輸出腳DOUT輸出，經(jīng)放大電路傳給紅外發(fā)射二極管，從而發(fā)出紅外遙控信號(hào)。遙控系統(tǒng)的紅外發(fā)射硬件電路圖設(shè)計(jì)如圖3-8所示。圖3-8遙控器發(fā)射模塊的硬件電路設(shè)計(jì)3.5.2智能小車的遙控接收模塊硬件設(shè)計(jì)紅外光信號(hào)的接收模塊需要對(duì)反射回來(lái)的紅外信號(hào)進(jìn)行接受及處理，在本設(shè)計(jì)中，采用一體化紅外接收頭1838芯片，見(jiàn)圖3-9。一體化紅外遙控接收頭將光探測(cè)器與前置放大器封裝在一起，已達(dá)到實(shí)現(xiàn)將遙控信號(hào)放大的目的。帶內(nèi)屏蔽封裝可以濾除可將光的干擾，檢測(cè)波輸出可以直接由微處理器進(jìn)行譯碼。接收裝置硬件電路圖如圖3-10所示，接收的光電信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換輸出的電信號(hào)經(jīng)P2.4引腳送給單片機(jī)處理，并發(fā)出相應(yīng)控制信號(hào)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作。1838芯片接收反射回來(lái)的紅外光信號(hào)，輸出為檢測(cè)整形后的方波信號(hào)，并傳送給單片機(jī)。圖3-8中的DOUT是解調(diào)信號(hào)的輸出端，與單片機(jī)的P2.4口相連。圖3-9紅外接收頭1838芯片圖3-10遙控接收模塊的硬件電路3.6智能小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件電路設(shè)計(jì)如前文所述，本設(shè)計(jì)中智能小車的驅(qū)動(dòng)采用H橋電路，可以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)倒退，并通過(guò)調(diào)整輸入電平脈沖的占空比即可實(shí)現(xiàn)PWM調(diào)速。下面就其芯片選擇和硬件電路設(shè)計(jì)分別予以介紹。3.6.1智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇本設(shè)計(jì)中采用已經(jīng)集成了H橋的L298N作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，從而使硬件電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單。L298N的驅(qū)動(dòng)效率較高，能夠滿足本設(shè)計(jì)中對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的要求，其引腳如圖3-11所示。圖3-11L298N的引腳圖L298N是ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、大電流的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。該芯片采用15腳封裝。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可以達(dá)到46V；輸出電流大，瞬間峰值電流可以達(dá)到3A，持續(xù)工作電流為2A；額定功率25W。內(nèi)部含有兩個(gè)H橋的高電壓大電流全橋式驅(qū)動(dòng)器，可以用來(lái)驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)和步進(jìn)電機(jī)、繼電器線圈等感性負(fù)載；采用標(biāo)準(zhǔn)邏輯電平信號(hào)控制；具有兩個(gè)使能控制端，在不受輸入信號(hào)的影響的請(qǐng)況下，允許或禁止工作；有一個(gè)邏輯電源輸入端，是內(nèi)部邏輯電路在低電壓下工作；可以外接檢測(cè)電阻，將變化量反饋給控制電路。使用L298N芯片驅(qū)動(dòng)電機(jī)，可以驅(qū)動(dòng)一臺(tái)兩相步進(jìn)電機(jī)或四相步進(jìn)電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)兩臺(tái)直流電機(jī)。3.6.2智能小車的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)中用來(lái)驅(qū)動(dòng)左右兩輪的兩臺(tái)直流電機(jī)，硬件設(shè)計(jì)電路圖如圖3-12所示。在所設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊中，有兩個(gè)電源，一個(gè)為L(zhǎng)298N提供5V的電源VCC，另一個(gè)為驅(qū)動(dòng)電機(jī)提供的12V電源VSS；八個(gè)續(xù)流二極管是用來(lái)消除電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的尖峰電壓保護(hù)電機(jī)的；兩個(gè)電機(jī)使能引腳ENA和ENB是兩路電機(jī)通道的使能開(kāi)關(guān)，高電平使能，既可以直接接高電平，也可以由單片機(jī)控制，在本設(shè)計(jì)中，單片機(jī)需控制的功能較多，因此該處直接接高電平；四個(gè)輸入信號(hào)引腳IN1、IN2、IN3、IN4由單片機(jī)控制，通過(guò)單片機(jī)輸出的占空比可變的控制脈沖控制兩個(gè)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速；四個(gè)輸出引腳OUT1、OUT2、OUT3、OUT4輸出電機(jī)的工作電壓控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；引腳ISENA和ISENB均接地線。圖3-12L298N芯片做電機(jī)驅(qū)動(dòng)的硬件電路圖3.7智能小車整體的硬件電路設(shè)計(jì)綜合前文對(duì)智能小車的各個(gè)工作子系統(tǒng)的討論設(shè)計(jì)，可以得出整個(gè)智能小車的硬件電路圖設(shè)計(jì)如圖3-13所示。圖3-13智能小車的整體硬件電路設(shè)計(jì)圖4智能小車控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)控制對(duì)象的實(shí)際需要設(shè)計(jì)應(yīng)用程序。因此，軟件設(shè)計(jì)在微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中占有重要地位。對(duì)于本控制系統(tǒng)中，軟件是其邏輯運(yùn)算的核心，其地位顯得尤為重要。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理、過(guò)程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過(guò)程控制程序主要是使單片機(jī)按一定的方法進(jìn)行計(jì)算，然后輸出，以便控制生產(chǎn)。為了完成上述任務(wù)，在本設(shè)計(jì)中，可以把整個(gè)過(guò)程分成若干個(gè)部分，每一個(gè)部分叫做一個(gè)模塊。所謂的“模塊”，實(shí)質(zhì)上是就是完成一定功能，相對(duì)獨(dú)立的程序段，這種程序設(shè)計(jì)方法叫模塊程序設(shè)計(jì)法。模塊程序設(shè)計(jì)法的主要優(yōu)點(diǎn)有：?jiǎn)蝹€(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序較為容易編寫及調(diào)試；模塊可以共存，一個(gè)模塊可以被多個(gè)任務(wù)在不同條件下調(diào)用；模塊程序允許設(shè)計(jì)者分割任務(wù)和利用已有程序，為設(shè)計(jì)者提供方便通過(guò)第三章對(duì)智能小車的硬件設(shè)計(jì)，已經(jīng)形成小車的硬件硬件構(gòu)架。但僅僅有硬件遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能實(shí)現(xiàn)智能小車的自動(dòng)循跡、避障、遙控、顯示、測(cè)速等功能，還需設(shè)計(jì)小車的軟件部分。本章將對(duì)小車的軟件設(shè)計(jì)展開(kāi)介紹。本控制系統(tǒng)的軟件采用前文所述的模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序、循跡子程序、測(cè)距避障子程序、數(shù)碼顯示子程序、測(cè)速子程序、遙控子程序以及電機(jī)的PWM驅(qū)動(dòng)子程序。4.1主程序設(shè)計(jì)如前文介紹，智能小車的控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自身的自動(dòng)循跡、測(cè)距避障、數(shù)碼顯示、編碼測(cè)速、紅外遙控及電機(jī)驅(qū)動(dòng)。根據(jù)上文所涉及的要求，設(shè)計(jì)出智能小車的主程序框圖如圖4-1所示。圖4-1智能小車的主程序流程圖4.2自動(dòng)循跡模塊程序設(shè)計(jì)智能小車的循跡模塊子程序流程圖如圖4-2所示。圖4-2智能小車自動(dòng)循跡的子程序流程圖根據(jù)循跡子程序流程圖寫出循跡模塊程序。參考程序如下：TRACKING:MOVR0P1MOVAR0ANLA07HJZRUNNINGREGULARSUBBA01HJZRIHGTSKEWINGLITTLEMOVAR0ANLA07HSUBBA04HJZLEFTSKEWINGLITTLEMOVAR0ANLA07HSUBBA03HJZRIGHTSKEWINGMOREMOVAR0ANLA07HSUBBA06HJZLEFTSKEWINGMOREMOVAR0ANLA07HSUBBA07HJZTHEMOSTSKEWINGRET4.3測(cè)距避障模塊程序設(shè)計(jì)智能小車的測(cè)距避障模塊程序流程圖如圖4-3所示圖4-3智能小車的測(cè)距避障模塊程序流程圖根據(jù)測(cè)距避障模塊程序流程圖寫出測(cè)距模塊程序。參考程序如下：OBSTACLEAVOIDANCE:SETBP1.3SETBP1.4SETBP1.5CALLDELAYMOVR0P1MOVAR0ANLAC0HMOVCP2.5JCOBSTACLEATRIGHTORFRONTSUBBAC0HJZTURNINGRIGHTJMPDISPLAYOBSTACLEATRIGHTORFRONT:MOVAR0ANLAC0HSUBBA80HJZTUTNINGLEFTMOVAR0ANLAC0HSUBBAC0HJZTURNINGREARRET4.4數(shù)碼顯示模塊程序設(shè)計(jì)智能小車的顯示模塊程序流程圖如圖4-4所示。圖4-4智能小車的顯示模塊程序流程圖根據(jù)顯示模塊程序流程圖可以寫出顯示模塊程序。4.5編碼測(cè)速模塊程序設(shè)計(jì)智能小車的編碼測(cè)速模塊程序流程圖如圖4-5所示。圖4-5智能小車的編碼測(cè)速模塊程序流程圖根據(jù)編碼測(cè)速模塊程序流程圖可以寫出編碼測(cè)速模塊程序。4.6紅外遙控模塊程序設(shè)計(jì)智能小車的紅外遙控模塊程序流程圖如圖4-6所示。圖4-6智能小車的紅外遙控模塊程序流程圖根據(jù)紅外遙控模塊程序流程圖可以寫出紅外遙控模塊程序。結(jié)束語(yǔ)隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，自動(dòng)控制在經(jīng)歷了經(jīng)典控制理論和現(xiàn)代控制理論兩個(gè)時(shí)代后，也取得了迅速進(jìn)步和長(zhǎng)足發(fā)展。自動(dòng)化技術(shù)也早已廣泛應(yīng)用于國(guó)計(jì)民生的各個(gè)方面，其中智能汽車便是其重要發(fā)展成果之一。本文以智能汽車為設(shè)計(jì)背景，以智能小車為設(shè)計(jì)載體，完整地設(shè)計(jì)了智能小汽車的自動(dòng)循跡、測(cè)距避障、數(shù)碼顯示、編碼測(cè)速等各個(gè)工作模塊，在各個(gè)工作模塊的協(xié)調(diào)工作下，智能小車能夠獲得良好的運(yùn)行狀態(tài)。本設(shè)計(jì)詳細(xì)做了如下工作：1智能小車的研究背景及現(xiàn)狀。本文首先簡(jiǎn)要介紹了智能小車的研究背景、國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及其研究成果。通過(guò)這些論述，對(duì)智能小車的研究領(lǐng)域有了大致了解。2智能小車相關(guān)設(shè)計(jì)原理。本文詳細(xì)敘述了智能小車的各個(gè)工作模塊的工作原理：自動(dòng)循跡模塊利用紅外光照射在黑線和白線產(chǎn)生的不同反射狀況從而判斷小車運(yùn)行姿態(tài)；測(cè)距避障模塊利用超聲波在空氣中傳播的時(shí)間、速度及路程之間的關(guān)系判斷小車周圍有無(wú)障礙物；紅外遙控模塊利用紅外光線發(fā)出的不同占空比的脈波代表0和1，從而判斷小車接收的遙控信號(hào)是何種信號(hào)；編碼測(cè)速模塊利用在一定的時(shí)間內(nèi)所記得的脈沖個(gè)數(shù)，換算出小車的運(yùn)行速度；電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊利用H橋電路實(shí)現(xiàn)對(duì)智能小車的前進(jìn)、倒退、轉(zhuǎn)彎及加減速的控制。其中詳細(xì)討論了小車避障模塊在忽略小車速度及環(huán)境溫度、考慮小車速度且忽略環(huán)境溫度、均考慮小車的速度和環(huán)境溫度三種情況的測(cè)距算法。3智能小車的硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)。本文針對(duì)智能小車的電源模塊、循跡模塊、避障模塊、遙控模塊、顯示模塊及驅(qū)動(dòng)模塊，進(jìn)行詳細(xì)的硬件設(shè)計(jì)介紹。通過(guò)LM2576和LM2940芯片將7.2V電壓分別降到2V和5V給相應(yīng)模塊供電，并利用LDO模塊將電壓穩(wěn)定在7.2V給驅(qū)動(dòng)模塊供電，以使電機(jī)穩(wěn)定運(yùn)行。選用RPR220型紅外一體式發(fā)射接收管作為光電傳感器，通過(guò)三組光電傳感器識(shí)別小車的運(yùn)行姿態(tài)。避障模塊的超聲波發(fā)射部分的換能器選用TCT40-16T，接收部分選用TCT40-16R。在小車的左前右分別安裝一組測(cè)距傳感器實(shí)現(xiàn)避障功能。遙控模塊選用紅外遙控方法，選用HT6221芯片作為遙控信號(hào)的發(fā)射部分，采用一體化紅外接收頭1838芯片作為遙控信號(hào)的接收部分實(shí)現(xiàn)對(duì)小車進(jìn)行啟停及加減速控制。選用5位8段數(shù)碼顯示管分別