1、簡易自動控制小車摘要本系統(tǒng)設(shè)計如何使小車穩(wěn)定地跟蹤黑線，并行駛至預(yù)先設(shè)置的里程值，。該系統(tǒng)以AT89C51為主控核心，依照賽題要求，充分利用小車的機(jī)械結(jié)構(gòu)，巧妙構(gòu)思改造，使小車的整體架構(gòu)達(dá)到最佳性能。采用LED顯示和語音播報相關(guān)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)測試性能優(yōu)異、穩(wěn)定。關(guān)鍵詞： 紅外檢測 霍爾開關(guān) AT89C51 里程顯示 語音播報 黑線跟蹤有需要購買智能尋跡小車可以到下面店鋪購買。/一、 方案論證與選擇根據(jù)賽題要求的功能及指標(biāo)，我們將整個系統(tǒng)劃分為七個基本模塊，如圖1-1所示。為了使各個模塊具有較好的性能，分別提出以下不同設(shè)計方案：圖1-11、驅(qū)

2、動模塊方案一：如圖1-2所示，本設(shè)計方案較為簡單，即通過大功率電阻消耗功率來實(shí)現(xiàn)，通過對R1、R2的選擇能提供八種速度，可根據(jù)路面摩擦力大小來調(diào)節(jié)R1、R2的大小，使小車處于最佳行駛狀態(tài)。圖1-2方案二：采用數(shù)控電位器X9313集合NE555多諧振蕩器輸出PWM信號。通過單片機(jī)控制數(shù)控電位器來調(diào)整NE555多諧振蕩器的輸出方波的占空比，達(dá)到對電機(jī)速度的控制。這個方案的優(yōu)點(diǎn)是控制比較方便、軟件資源消耗少。方案三：可采用具有防止單邊短路保護(hù)設(shè)計。并由單片機(jī)直接產(chǎn)生PWM信號，控制H型橋式PWM電機(jī)驅(qū)動電路。通過單片機(jī)可精確調(diào)整電動機(jī)的轉(zhuǎn)速。由于此電路中管子工作在飽和截止的狀態(tài)下，所以效率非常高，電

3、子開關(guān)的響應(yīng)時間很短，穩(wěn)定性極，驅(qū)動能力強(qiáng)。方案一中采用電阻降壓來控制電機(jī)的速度，雖然電路簡單，但R1、R2的參數(shù)難以確定，速度無法細(xì)微調(diào)整，不能達(dá)到賽題要求的精度。方案二與方案三比較，軟件控制量相當(dāng)，但方案二的硬件電路較為復(fù)雜，驅(qū)動能力不如方案三。綜合考慮三種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，我們選擇方案三來實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)。2、黑線檢測模塊方案一：使用發(fā)光二極管和光敏二極管。此方案缺點(diǎn)在于環(huán)境的其他光源對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大的干擾，一旦外界光強(qiáng)改變，很可能造成誤判和漏判，即使采用超高亮發(fā)光管可以降低一定的干擾，但這又增加額外的功耗。方案二：采用紅外一體化傳感器。此方案可以降低可見光的干擾，靈敏度高，同時其尺寸小

4、、質(zhì)量輕、價格也低廉。外圍電路簡單，安裝起來方便，電源要求不高，用它作為近距離傳感器是最理想的。方案三：利用激光。此方案雖然抗干擾性強(qiáng)、可靠性高，但其缺點(diǎn)在于體積大、功耗大、價格高。一般用在要求場合非常高的場合，本系統(tǒng)采用方案二已經(jīng)能夠勝任，無須采用此方案。3、測速測距模塊方案一：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，再在電機(jī)軸上安裝圓片，均勻地固定多個遮光片，讓其恰好通過溝槽，產(chǎn)生一個個脈沖。通過脈沖的計數(shù)實(shí)現(xiàn)對速度的檢測。方案二：采用霍爾器件。該器件內(nèi)部由三片霍爾金屬板組成，當(dāng)磁鋼正對金屬片時，由于霍爾效應(yīng)，金屬板發(fā)生橫向?qū)ǎ虼丝稍陔姍C(jī)軸上安裝固定有磁片的圓片

5、，而將霍爾器件固定在距圓片上方1cm3的范圍，通過對脈沖的記數(shù)實(shí)現(xiàn)對速度的檢測。兩種方案都是可行的轉(zhuǎn)速檢測方案?？紤]到光電開關(guān)有可能受外界光線影響且硬件結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而霍爾器件使用方便、脈沖準(zhǔn)確。故擬采用方案二。4、其他部分電源采用7.2V和9.6V兩組共地的電源分別通過5V和8V的三端穩(wěn)壓器給系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動電路供電，這種方法可以有效的隔離電機(jī)開關(guān)時對系統(tǒng)所產(chǎn)生的沖擊干擾，并且穩(wěn)定的電壓提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。LED顯示模塊采用8位靜態(tài)串行顯示和8位動態(tài)顯示均可，但根據(jù)賽題的要求，為防止因程序沖突導(dǎo)致顯示不正常，故采用8位靜態(tài)串行顯示。并且我們降低了顯示模塊的電壓，既使數(shù)碼管的亮度沒有明顯的變化又有

6、效地解決了靜態(tài)顯示耗電量大的問題。采用11個發(fā)光二級管分別用來做紅外指示、開機(jī)起步指示和能源指示。采用語音芯片1420P做語音播報模塊，用來做起步提示和里程及速度播報。二、 系統(tǒng)模塊設(shè)計及參數(shù)計算1硬件組成(1) 電機(jī)PWM驅(qū)動模塊的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)電機(jī)的控制采用了脈寬調(diào)制技術(shù)（PWM），單片機(jī)輸出一個頻率不變的方波，利用調(diào)制它的脈寬來改變電機(jī)轉(zhuǎn)動的速度，其輸出電壓就是方波的平均值，當(dāng)輸出為低電平時，電機(jī)停轉(zhuǎn)，當(dāng)輸出高電平時，電機(jī)最高速。在軟件實(shí)現(xiàn)上，為了使電機(jī)速度的控制不受其他影響，方波的產(chǎn)生采用定時器中斷來實(shí)現(xiàn)，當(dāng)定時器定時到固定的時間便產(chǎn)生中斷，將輸出電平取反，不斷循環(huán)計時便能產(chǎn)生穩(wěn)定的方波，

7、不會因?yàn)槠渌绦虻难訒r而改變輸出頻率。該電路采用772、882做為驅(qū)動管，以保證電動機(jī)啟動瞬間的大電流要求。各參數(shù)計算如圖2-1中所示。 圖2-1當(dāng)控制端1為高電平，控制端2為低電平時Q1、Q2、Q4、Q8、Q10管導(dǎo)通，Q3、Q5、Q6、Q7、Q9管截止，電機(jī)正轉(zhuǎn)。當(dāng)控制端1為低電平，控制端2為高電平時Q1、Q2、Q4、Q8、Q10管截止，Q3、Q5、Q6、Q7、Q9管導(dǎo)通，電機(jī)反轉(zhuǎn)。另外四個二極管在電機(jī)轉(zhuǎn)向翻轉(zhuǎn)時形成感應(yīng)電壓回路，起到了保護(hù)電機(jī)的作用。由此也可看出，本電路有效地防止了單邊直接短路的可能。運(yùn)用4N25光電耦合器將控制部分與電動機(jī)的驅(qū)動部分隔離開來，這樣不僅增加了各模塊之間的隔

8、離度，也使驅(qū)動能力大大增強(qiáng)。我們采用頻率為30Hz的周期信號都兩個控制端進(jìn)行控制，通過對其占空比的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)對電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)。通過兩個控制端的高低切換來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。(2) 測速測距模塊的設(shè)計 霍爾器件的使用如圖2-2示，在小車后輪一周均勻固定有12個磁鋼，后輪每轉(zhuǎn)一周，霍爾器件產(chǎn)生十二個脈沖送入單片機(jī)的外部中斷INT1進(jìn)行記數(shù)。再由單片機(jī)完成從脈沖數(shù)到距離的轉(zhuǎn)換。(3) 黑線檢測模塊的電路設(shè)計與實(shí)現(xiàn)為了檢測路面黑線，在車底的前部安裝了5個反射式紅外傳感器。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、接收的具體電路如圖2-3、圖2-4所示。發(fā)射部分采用NE555產(chǎn)生

9、35K、占空比為1：10的方形脈沖信號，通過兩級三級管放大來驅(qū)動紅外發(fā)射管，實(shí)現(xiàn)黑線檢測系統(tǒng)信號的調(diào)制。 圖2-2圖2-3圖2-4 接收部分的紅外接收管在不同的光照強(qiáng)度下，電阻值會有大幅改變。因此可以通過改變RW1的大小，來調(diào)整紅外傳感器對賽道黑線的敏感程度。根據(jù)賽題要求，將電路參數(shù)設(shè)置為只對黑線敏感，發(fā)射部分的高發(fā)射功率使得紅外傳感器抗干擾能力大大增強(qiáng)，甚至可以忽略賽道上的腳印。當(dāng)傳感器檢測到黑線時，后級LM567鎖向環(huán)將頻率鎖定在發(fā)射頻率上，同時輸出一個低電頻，送入單片機(jī)處理進(jìn)行相應(yīng)的控制。2. 系統(tǒng)的軟件設(shè)計：單片機(jī)控制電路主要以一片89C51為控制核心，主要實(shí)現(xiàn)對路面黑線的軟件檢測和糾

10、錯，負(fù)責(zé)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，數(shù)據(jù)顯示，語音播報等功能。（1）單片機(jī)路面檢測程序當(dāng)檢測到黑線信號后便發(fā)中斷給89C51到達(dá)黑線，89C51立即控制小車進(jìn)行轉(zhuǎn)向。（2）單片機(jī)的中斷子程序定時器服務(wù)程序（圖2-5、圖2-7）為了保證程序的實(shí)時性，中斷服務(wù)程序要盡量簡潔，由T0定時器負(fù)責(zé)計算時間，其中斷子程序僅僅累加計時變量，而T1定時器負(fù)責(zé)計時輸出方波信號。INT0中斷子程序（圖2-6）由于單片機(jī)中斷口有限，所以必須進(jìn)行中斷擴(kuò)展，接口電路如圖2-4中的A點(diǎn)（中斷查詢）和INT0點(diǎn)（中斷入口）。任何一路的紅外信號都會觸發(fā)單片機(jī)的INT0中斷，在中斷服務(wù)子程序中查詢所有紅外信號，根據(jù)檢測到的信號來控制小車的轉(zhuǎn)

11、向。圖2-5 圖2-6INT1中斷子程序（圖2-8）累加小車車輪的圈數(shù)，并與設(shè)置值比較，以此來判斷小車是否達(dá)到設(shè)定的距離。T1中斷子程序 判斷 正反標(biāo)志 正 反上次輸出是 上次輸出是高？低？ 高？低？ 低 高 低 高 定時器的寄 定時器的寄 定時器的寄 定時器的寄 存器賦初值， 存器賦初值， 存器賦初值 存器賦初值電機(jī)控制口 電機(jī)控制口 電機(jī)控制口 電機(jī)控制口輸出置高 輸出置低 輸出置高 輸出置低 返回圖2-7（3）軟件的特色為了提高小車行駛的速度，又要保證行駛距離的精度，在離終點(diǎn)一定距離時，便開始減速，在到達(dá)終點(diǎn)時便立即剎車，為了能夠在終點(diǎn)立即停住，單片機(jī)控制車輪加一瞬間反轉(zhuǎn)來減低小車因?yàn)閼T

12、性的沖力。在小車前部的中間加一紅外傳感，當(dāng)檢測到中間傳感信號時，小車前輪的控制電機(jī)不轉(zhuǎn)動，小車的彈簧會將前輪拉回中間，小車可以重新直線行駛，而不會因?yàn)樽笥覕[動的幅度太大而沖出跑道。（4）主程序框圖（圖2-9）軟件調(diào)試參數(shù)： 1、起跑的加速時間2、從離終點(diǎn)多少距離開始減速 3、速度減到多低4、加反轉(zhuǎn)剎車的時間 圖2-8圖2-9三、 系統(tǒng)測試及結(jié)果分析1 測試方法 開啟電源開關(guān)，將小車放于起跑線，設(shè)定所要行駛的距離，按下確定鍵后，等待語音播報完時立即開始計時，等小車到達(dá)終點(diǎn)停車時，停止計時，記錄行駛時間。 小車行駛到終點(diǎn)后，測量停車位置離起點(diǎn)的距離和設(shè)定距離的誤差。記錄顯示路程的數(shù)據(jù)。2 測試數(shù)據(jù)

13、測量一：設(shè)定距離（m）5678910實(shí)際距離（m）4.986.026.977.988.9710.01行駛時間（s）6.257.507.788.858.159.11平均速度（m/s）相對誤差(%)0.40.330.1測量二：設(shè)定距離（m）5678910實(shí)際距離（m）4.985.997.038.028.9910.04行駛時間（s）6.467.487.458.018.999.10平均速度（m/s）1.01.01.1相對誤差(%)3 結(jié)果分析從測試結(jié)果來看，本系統(tǒng)的精度已能基本滿足要求，但短距離的速度還不能滿足發(fā)揮部分的最高要求。經(jīng)過誤差分析，系統(tǒng)采用霍爾傳感器測距，通過單片機(jī)計數(shù)脈沖數(shù)，車輪的周長是16.8cm，車輪裝有12個磁鋼，那么單片機(jī)每計數(shù)一次便行駛了1.4cm，因?yàn)榘l(fā)揮部分對精度的要求是0.5%，所以在距離是5米的時候，如果誤計超過2個脈沖其誤差就超出要求的范圍，為了防止車輪打滑，因此在起始階段不能立即全速啟動