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論文智能 小車論文2(定稿) 簡易智能電動車摘要簡易智能電動車由一個電動玩具車改造而成。 系統(tǒng)的控制部分以單片機為核心，通過對前向通道各種傳感器信號的采集、處理，較好地實現(xiàn)了后向通道驅(qū)動及轉(zhuǎn)向電機的運動控制和相關(guān)信息的處理、顯示和聲光報警。 關(guān)鍵詞電動車，路徑跟蹤，避障，光源引導(dǎo)本系統(tǒng)要求設(shè)計并制作一個簡易智能電動車，其行駛路線示意圖如圖1所示圖1智能電動車行駛路線示意圖1設(shè)計方案包括基本要求，發(fā)揮部分及其它創(chuàng)新部分總電路框圖如圖2所示11基本要求電動車從起跑線出發(fā)（車體不得超過起跑線）、沿寬度為2cm的黑色引導(dǎo)線到達(dá)B點。 在“直道區(qū)”鋪設(shè)的白紙下沿引導(dǎo)線埋有13塊寬度為15cm、長度不等的薄鐵片。 電動車檢測到薄鐵片時，立即發(fā)出聲光指示信息，并實時存儲、顯示在“直道區(qū)”檢測到的薄鐵片數(shù)目。 電動車到達(dá)B點后進(jìn)入“彎道區(qū)”，沿圓弧引導(dǎo)線到達(dá)C點（也可脫離圓障礙物112cm障礙物21m1m2m R=0.8m CB5cm起跑線1.2m2.3m0.4m5cm5cm2cm5cm5cm2cm停車區(qū)0.4m光源1.45m0.4m0.3m直道區(qū)彎道區(qū)2m O50cm障礙區(qū)引導(dǎo)線車庫0.2m0.4m15cm12.5cm12.5cm5cm弧引導(dǎo)線到達(dá)C點）。 C點下埋有邊長為15cm的正方形薄鐵片，要求電動車到達(dá)C點檢測到薄鐵片后在C處停車5秒，停車期間發(fā)出斷續(xù)的聲光信息。 電動車在光源的引導(dǎo)下，通過障礙區(qū)進(jìn)入停車區(qū)并到達(dá)車庫。 電動車必須在兩個障礙物之間通過且不得與其接觸。 電動車完成上述任務(wù)后立即停車，全程不得超過90秒，行駛時間達(dá)到90秒時立即自動停車。 圖2系統(tǒng)總體框圖12發(fā)揮部分和創(chuàng)新部分電動車在“直道區(qū)”行駛過程中，我們存儲并顯示出了每個薄鐵片（中心線）至起跑線間的距離。 電動車進(jìn)入停車區(qū)域后，能準(zhǔn)確駛?cè)胲噹熘小?停車后，能準(zhǔn)確顯示全程行駛時間及成功或完成信息。 2單元電路的方案論證與電路參數(shù)計算21線路跟蹤電路方案一采用CCD單色攝像頭，配計算機主板及圖像采集卡。 對白背景下，黑線的識別，目前做的比較成熟，效果相當(dāng)好。 但成本高，很難找到合適的載體。 方案二采用顏色傳感器。 目前顏色傳感器的應(yīng)用，越來越廣泛，效果也可以。 但幾百元的價格及相對復(fù)雜的處理電路，并且還需要光源，所以也不是一個很好的選擇。 方案三采用一左一右兩個紅外發(fā)射接收對管。 該傳感器不但價格便宜，容2只紅外傳感器（避障）2只紅外對管（線路跟蹤）2只光敏傳感器（尋找光源）單片機（89C52）電機驅(qū)動電路3只電機A/D LCD聲光報警電源電路1只金屬探測傳感器易購買，而且處理電路（如圖3所示），簡單易行，實際使用效果很好，能很順利地引導(dǎo)小車到達(dá)C點。 R1150在該電路中，加比較器LM311的目的，是使模擬量轉(zhuǎn)化為開關(guān)量，便于處理。 10k為使發(fā)射有一定的功率，發(fā)射回路要求不小于20mA的電流。 7.15?=，故可選擇R1=150。 根據(jù)mARI201啟動時，小車跨騎在黑線上。 兩個紅外發(fā)射接收對管，分別安裝在黑線的兩側(cè)的白色區(qū)域，輸出為低電壓，當(dāng)走偏，位于黑線上時，輸出為高電壓。 因黑線R310k較窄（2cm），為及時調(diào)整車的方向，選擇比較器的閥值為2.5v，即黑白相間的位置，即開始調(diào)整。 實驗表明，效果較理想Y70R2r410k23765184LM311+5v+5vR510k+5v+5vP1.3C7104圖3紅外發(fā)射接收對管處理電路22避障電路方案一采用激光傳感器測距。 能非常準(zhǔn)確地測出小車與障礙物的距離，22pFY338KR22但價格也高，處理復(fù)雜，不符合我們的要求。 方案二采用超聲傳感器。 進(jìn)口的超聲傳感器，換能器薄，并且?guī)幚黼奀24R18路，輸出與距離成比例的模擬信號，通過AD轉(zhuǎn)換，可獲得距離信息，價格貴。 也有一些較簡單的超聲傳感器及處理電路，能輸出開關(guān)量信息，價格也不貴，是2200pF一個好的選擇，但由于沒買到現(xiàn)成的處理電路，平常又沒有做過這種電路，時間D8緊，故未采用。 方案三采用左右兩個紅外傳感器。 紅外傳感器，是目前使用比較普遍的R19100IRL一種避障傳感器，其處理電路如圖4所示，通過調(diào)節(jié)R 23、R24兩個電位器，可C15100uFp1.2調(diào)節(jié)兩個紅外傳感器的檢測距離為1080cm，開關(guān)量輸出（TTL電平），簡單、可靠。 我們采用這種電路，能可靠地檢測左前方、右前方、前方的障礙情況，為成功避障提供了保證。 123J8C22R111M12KR213K93K9D61N4148D71N4148R23502R24502R71KR81KQ29012VCC47R203K9VCCQ39012R13R14100DI1274HC1434U7B74HC1456U7C74HC14U7D8974HC14P1.1P1.0圖4紅外發(fā)射及接收處理電路23光源檢測電路為了檢測光線的強弱，我們在小車左前方、右前方加了2只光敏傳感器，EOC7P2.3即光敏電阻。 電路如圖5所示。 光敏傳感器根據(jù)照射在它上面的光線的強弱，阻ADD-AADD-B24ADD-C23值發(fā)生變化，輸出電壓隨之變化，通過ADC0809后，得到與光強相對應(yīng)的數(shù)字量，22P2.4從而引導(dǎo)小車，向光源靠近。 不同型號的光敏電阻，暗電阻及亮電阻差別較大，ENABLE9START6CLOCK1089C52-AL E需根據(jù)不同參數(shù)的光敏電阻，選用不同大小的分壓電阻。 P2.5IN-026msb2-12-22-32-42-52-62-7lsb2-821201918IN-127IN-2288151417IN-31IN-42IN-5325IN-64IN-75ALEref(-)16ref(+)12U2ADC0809+5vRR+5v10KPHOTOVCCP2.2圖5光源檢測電路24金屬檢測電路采用了一只渦流型鐵金屬探測傳感器，型號LJ18A3-8-Z/BX。 可靠探測距離，小于8cm。 25電機驅(qū)動電路電動小車的本身自帶的換向及驅(qū)動電路，相當(dāng)粗糙，電機的特性也很不好，1122334455667788Vdd74HC14不能調(diào)速。 電壓低了，速度慢，驅(qū)動力矩小，走不動；電壓高時（剛換上電池時），C6速度又很快，難以調(diào)整。 在這上面，花費了不少的時間，效果很不好。 最后，決1011定對小車的電機及驅(qū)動電路，進(jìn)行了更換。 后輪采用了一對減速直流電機，其驅(qū)動電路如圖6所示。 采用PWM控制，可較方便的對電機進(jìn)行調(diào)速。 991010111112121313141415151616SN754410VCCE104C71041213U7F74HC14P3.2P3.3P3.1P3.0MOT1+MOT1-MOT2+MOT2-圖6電機驅(qū)動電路26液晶顯示電路液晶顯示器，選用的是16X2點陣字符型顯示器，功耗低，小巧、美觀。 27電源電路電動車可提供9V的電源（6節(jié)干電池）。 控制系統(tǒng)使用5V的電源，采用了LM7805進(jìn)行DC/DC變換。 3軟件設(shè)計31軟件所實現(xiàn)的功能路線跟蹤障礙檢測尋找光源金屬探測，數(shù)目存儲、顯示運行時間顯示起跑線與金屬鐵片中心點間的距離計算與顯示32軟件流程系統(tǒng)的主程序流程框圖如圖7所示。 圖7系統(tǒng)的主程序流程框圖4測試方法與儀表41測試儀表秒表兩塊，刻度尺42測試方法?將汽車放于起跑線，開啟電源開關(guān)。 小車響第2次聲音時，開始前行，第一塊秒表開始計時；?運行到C點停車時，第二塊秒表開始計時，到車離開C點第二塊秒表停開始系統(tǒng)初始化延時2s后，啟動電機。 計時開始路線跟蹤模塊運行過程中，不斷檢測是否壓線，壓線，則及時調(diào)整；同時進(jìn)行金屬探測，記數(shù)，計算、顯示距離，根據(jù)距離及探測到的金屬判斷C點位置。 斷續(xù)聲光報警5s。 啟動避障、尋找光源模塊1在C點，調(diào)整車的方向2先向左，在向右，調(diào)整車的位置3根據(jù)紅外和光敏傳感器的信息，實時調(diào)整小車的運動方向4根據(jù)光敏傳感器的信息，入庫5顯示完成或成功及運行總時間。 結(jié)束止計時，記錄停在C點的時間；?汽車到終點區(qū)即入庫停車，第一塊秒表停止計時，記錄總運行時間。 讀出并記錄此時液晶顯示的的時間；?在“直道區(qū)”引導(dǎo)線下分別埋設(shè) 1、2或3塊薄鐵片，每次均用直尺測出并記錄該鐵片的中心距起跑線的距離；在汽車運行至該鐵片發(fā)出聲光報警時，讀出此時液晶顯示的距離并記錄。 43測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析?測試條件按照題目給定的尺寸，在實驗室自做場地，白天和晚上分別測試。 ?測試數(shù)據(jù)總共進(jìn)行20次測量，白天和晚上各10次。 20次中，汽車停留在C點時間，實測值與秒表均為5秒，相對誤差和絕對誤差為0。 汽車運行總時間測量數(shù)據(jù)如下表12345678910白天秒表58667190667889514977顯示58667090657888504876晚上秒表47475056494860534750顯示47485057504960534649絕對誤差最大為1秒；測試結(jié)果表明晚上明顯比白天效果要好。 白天，偶爾會有失敗的情況。 ?距離測試鐵片數(shù)目實際距離顯示距離絕對誤差相對誤差11.11.080.021.8%20.60.620.022%1.71.690.010.58%30.90.910.011.1%1.41.390.010.72%1.81.830.031.67%5參考文獻(xiàn)1余永權(quán).Flash單片機原理及應(yīng)用.北京電子工業(yè)出版社，19972王福瑞等編著。 單片微機測控系統(tǒng)設(shè)計大全。 北京航空航天大學(xué)出版社，19993李華。 MCS-51系列單片機使用接口技術(shù)。 北京航空航天大學(xué)出版社，19904何立民。 單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計。 北京航空航天大學(xué)出版社，19935方佩敏。 新編傳感器原理應(yīng)用電路詳解。 北京電子工業(yè)出版社，19946黃繼昌等。 傳感器工作原理及應(yīng)用實例。 北京人民郵電出版社，1998。 7紀(jì)宗南。 單片機外圍器件實用手冊輸入通道器件分冊。 北京航空航天大學(xué)出版社，1998摘要本系統(tǒng)采用AT89C52為中心控制器，實現(xiàn)電動車的智能控制功能。 整個電動車智能控制系統(tǒng)包括上位機實時模擬系統(tǒng)，主控制系統(tǒng)和各種標(biāo)志的傳感器檢測系統(tǒng)三大部分。 上位機實時模擬系統(tǒng)根據(jù)主控制系統(tǒng)傳送的行程、行駛時間、鐵片數(shù)目等各種參數(shù)實時模擬電動車的運行狀況，實時監(jiān)控電動車的運行情況。 主控制系統(tǒng)的功能主要是啟動電動車、檢測并計數(shù)鐵片、測量行程、計時行駛時間、顯示所需的各種參數(shù)，并且負(fù)責(zé)和上位機、檢測控制系統(tǒng)通信。 檢測控制系統(tǒng)通過各傳感器檢測引導(dǎo)線、障礙物和光源等控制信號，并送入單片機，單片機判斷、處理后，控制MOTOR1（左輪驅(qū)動電機）和MOTOR2（右輪驅(qū)動電機），以達(dá)到控制電動車行進(jìn)方向的目的，使電動車準(zhǔn)確進(jìn)入車庫，完成預(yù)定任務(wù)。 且在完成了題目要求的各項任務(wù)的基礎(chǔ)上，加入了一些創(chuàng)新如聲控功能和無線傳輸功能，實現(xiàn)上位機的實時模擬等。 采用以AT89C52為中心控制器的智能控制系統(tǒng)，實現(xiàn)電動車的智能控制功能。 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如下圖主控制系統(tǒng)單片機顯示無線通信單片機鐵片檢測行程測量MOTOR2檢測控制系統(tǒng)MOTOR1引導(dǎo)線檢測光源檢測障礙物檢測實時模擬系統(tǒng)控制過程系統(tǒng)上電后，等待外部聲控啟動信號。 主控制系統(tǒng)的麥克接收到聲控信號后，產(chǎn)生一高低電平變化，從而使主控制系統(tǒng)的單片機產(chǎn)生中斷。 主控制系統(tǒng)的單片機在接收到該中斷后，通過P1.3為檢測控制系統(tǒng)的單片機提供啟動信號，檢測控制系統(tǒng)的單片機檢測到該信號后發(fā)出控制信號，給MOTOR1和MOTOR2通電，啟動電動車。 同時主控制系統(tǒng)的單片機通過透射式光電傳感器測量行程，金屬感應(yīng)器檢測鐵片且在PCF8563秒脈沖的作用下計時并把各種參數(shù)在液晶顯示器上顯示出來，同時用無線收發(fā)模塊RF2000把這些參數(shù)發(fā)送到上位機，在上位機上模擬電動車的運行情況。 監(jiān)測控制系統(tǒng)有兩個在車下的紅外線傳感器用于檢測引導(dǎo)線，使電動車在AC之間始終沿著引導(dǎo)線前進(jìn)。 在C以后運行中，電動車始終朝著光源前進(jìn)，當(dāng)在車前的紅外線測距傳感器檢測到障礙物后，電動車左轉(zhuǎn)避開障礙物，避開障礙物后，繼續(xù)朝著光源前進(jìn)，進(jìn)入車庫。 當(dāng)在前的兩個紅外線傳感器檢測到黑線后，停止電動車，停止計時。 方案論證計時方案一在需用秒脈沖時，大部分設(shè)計采用555定時器組成秒脈沖多諧振蕩器。 電路圖如圖所示這種設(shè)計有一定的優(yōu)勢，只需硬件設(shè)計好，無需軟件設(shè)定，該電路即可輸出恒定的秒脈沖。 但該電路功耗較大,且只能提供簡單的脈沖信號。 方案二采用由PCF8563日歷時鐘芯片組成的電路提供秒脈沖。 該部分硬件電路如圖設(shè)定好PCF8563的CLKOUT輸出頻率控制字，即可輸出所需頻率的脈沖信號，在本設(shè)計中所用頻率為1Hz。 單片機在該秒脈沖的作用下可實現(xiàn)計時、C點由PCF8563組成的秒脈沖發(fā)生器由CB555組成的秒脈沖發(fā)生器C20.01uC110uR147KR347KR22KGNDTRVoRD1234VDISCTHVco8765RP?CB555VCC秒脈沖停留5S等功能。 并且在給PCF8563送入初始的日歷信息后,PCF8563中的日歷就會自動運行，經(jīng)單片機讀取、處理后就可以在液晶顯示器上顯示當(dāng)前日歷。 而且該部分電路還加了掉電保護(hù)功能，在主供電系統(tǒng)意外斷電時，即V為0V時，D1截止，3.6V備用電源通過D2繼續(xù)給PCF8563供電,保證8563的正常運行。 因此在本系統(tǒng)中采用方案二。 行程測量方案一采用開關(guān)式霍爾元件將磁鐵固定在小汽車的車輪上,當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動時,磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動,霍爾元件感應(yīng)到磁場的變化時,就會產(chǎn)生通斷效果,使單片機的定時器T0的輸入端產(chǎn)生高低電平的變化,從而使得T0計數(shù)小汽車車輪轉(zhuǎn)的圈數(shù),假設(shè)為N,并設(shè)車輪的周長為L,通過S=N*L,就可以計算出小汽車在一段時間內(nèi)的行程。 這種測量方法的測量數(shù)據(jù)只能是車輪周長的整數(shù)倍，誤差較大。 例如小汽車的車輪半徑為1cm，那么這種測量方法的最小誤差就可達(dá)到6cm方案二采用透光式光電傳感器，硬件電路如圖。 在小汽車的車輪上鉆若干小孔，設(shè)小孔的個數(shù)為n。 在車輪轉(zhuǎn)動時，發(fā)光二極管發(fā)射的光被沒有孔的地方遮擋時，光敏三極管不能導(dǎo)通，光敏三極管的集電極輸出為高電平，經(jīng)CD40106反相后，單片機定時器T0的輸入端為低電平。 在有小孔的地方，發(fā)光二極管發(fā)射的光就會透過小孔照射到光敏三極管上，使光敏三極管導(dǎo)通，此時光敏三極管的集電極輸出為低電平。 在經(jīng)CD40106反相后，單片機定時器T0的輸入為高電平。 單片機定時器T0就會準(zhǔn)確記錄下這種高低電平的變化的次數(shù)，即通過的小孔的個數(shù)。 假設(shè)為N,并設(shè)車輪的周長與方案一的相同也是L，某段時間內(nèi)的行程計算公式為S=N*L/n，可以看到這種測量方法的最小誤差為方案一的1/n，可較為精確地測量出小汽車的行程。 并且可以進(jìn)行誤差控制，因為孔的個數(shù)與誤差成反比，要想提高準(zhǔn)確度只要增加小孔的個數(shù)就可以。 故采用方案二。 透光式光電傳感器行程測量電路電機控制由于電動車采用了前面使用萬向輪，兩個后輪各一個電機驅(qū)動的驅(qū)動方式，所以可使電動車旋轉(zhuǎn)360度，這樣即使光源在電動車的后方，電動車也可以通過在原地不斷旋轉(zhuǎn)的方式找到光源的準(zhǔn)確位置，從而完成尋找光源，入庫等功能。 在電動機的控制上有兩種方案可供選擇。 方案一:利用 9012、2SC 8050、及電機構(gòu)成驅(qū)動電路。 如果單片機89C52控制口P1.7輸出高電平，9012截止，2SC8050截止，電機停止運轉(zhuǎn)。 單片機89C52控制口P1.7輸出低電平時，9012導(dǎo)通，2SC8050導(dǎo)通，電機開始運轉(zhuǎn)。 該電路比較簡單，輸出功率足夠大，足以推動電機工作，并且電機工作時三極管性能非常穩(wěn)定。 但該方案中單片機部分和電機供電部分沒有完全隔離，而電動機在切換時會產(chǎn)生巨大的反電動勢，經(jīng)常燒壞單片機。 方案二利用BA6219B及其外部輔助電路和電機構(gòu)成驅(qū)動電路。 CD11041IN11IN2NC1100uCM10.33u J2MOTOR11212345678910BA6219BZ1+5+9VRC13CD2104單片機控制口接BA6219B的兩個輸入控制端IN1,IN2。 BA6219的兩個輸出端OUT1 (2),OUT2 (10)接電機。 電機轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼左電機右電機左電機右電機電動車運行狀態(tài)1IN11IN22IN12IN21010正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)前行1001正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)1000正轉(zhuǎn)停以左電機為中心原地左轉(zhuǎn)0110反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)0010停正轉(zhuǎn)以右電機為中心原地右轉(zhuǎn)0101反轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)后退根據(jù)上表可知，只要設(shè)定兩塊BA6219B的1IN1,1IN2,2IN1,2IN2四個控制端口的不同編碼，就可得到電動車的前進(jìn)，后退，旋轉(zhuǎn)等不同的運行狀態(tài)；且BA6219B的最大輸出電流為2.2A，可使電動車快速運行。 故采用方案二。 無線通信方案一紅外光方式紅外通信只適用于室內(nèi)靜止或慢速移動中的點對點通信，方向性要求高，對于運動中的小汽車傳輸過程中易產(chǎn)生誤碼，性能不穩(wěn)定。 方案二使用無線MODEM（RF2000）RF2000采用Nordic公司的nRF401芯片，它是一種RF無線收發(fā)芯片，一個RF2000模塊即可以接收數(shù)據(jù)也可以發(fā)送數(shù)據(jù)。 但屬于半雙工工作方式。 接收與發(fā)送方式選擇由TXEN控制。 而且有兩個工作頻道可供選擇工作頻道一434.33MHz;工作頻道二433.92MHz。 工作模式控制及工作頻道選擇主控制系統(tǒng)與RF2000的連接電路圖如圖。 DI、DO分別接單片機的TXD、RXD。 接主控制系統(tǒng)的RF2000始終為發(fā)射方。 CS401，PWR，TXEN始終置0，1，1。 也就是工作在工作頻道1-434.33MHz，發(fā)射狀態(tài)。 RF1上位機（PUTER）實時模擬系統(tǒng)與RF2000的連接電路圖MAX2324TXDRXDC270.1u4.7uL1330uH C2-5VCCV+162C2+4V-6R2IN8R2OUT9C1-3C1+1GND15T2IN10T2OUT7U13TXDRXDVCC162738495J1RS-232C121.0uFC131.0uFC141.0uFC251.0uFC261.0uF123567V+CS401PWRGNDTXENC28VCC接上位機的RF2000始終為接收方，CS401，PWR，TXEN始終置0，1，0。 也就是工作在工作頻道1-434.33MHz，接收狀態(tài)。 使用RF2000設(shè)計比較簡單，且不受外界環(huán)境影響，具有較低的發(fā)射功率和較高的接收靈敏度，并且可工作在較低速率下如常用的單片機串口波特率9600bps。 采用FSK調(diào)制方式，抗干擾能力強。 基于以上諸多優(yōu)點所以在本系統(tǒng)中無線通信部分采用了方案二的設(shè)計。 運行情況測試測試儀器清單秒表，函數(shù)發(fā)生器，示波器，頻率計等測試過程及測試數(shù)據(jù)在單項模塊測試完成之后，進(jìn)行組裝整體測試。 組裝后的整車尺寸為28cm(長)*18cm(寬)*15cm(高)。 首先按照題目要求制作場地如下RF2000與單片機連接電路圖1234567RFV+CS401DODIGNDPWRTXENC160.1uC154.7uL1330mHVCC5cm0.4m場地內(nèi)全部敷設(shè)白色繪圖紙，并用透明膠帶固定。 在白紙下面按要求放置4塊鐵片，其中最后一塊置于C點。 然后用毛筆繪制邊線及引導(dǎo)線。 首先將整車放于起點處，上電后通過聲音信號啟動運行。 小車正確感應(yīng)到鐵片，發(fā)出聲光指示信息。 小車正常尋跡運行到C點之后，在C點停留5秒，然后小車重新啟動，朝光源方向直線行使，直至檢測到前方出現(xiàn)障礙物。 在檢測到障礙物之后，小車左轉(zhuǎn)90度行駛，繞過障礙物，繼續(xù)向光源方向行駛，直至進(jìn)入車庫后檢測到黑色邊線，停止運行。 小車在經(jīng)過C點之后的路線如圖所示。 下表為連續(xù)十次的運行時間障礙物112cm障礙物21m1m2m R=0.8m CB起跑線1.2m2.3m0.4m5cm5cm2cm5cm5cm2cm停車區(qū)0.4m光源1.45m0.3m直道區(qū)彎道區(qū)2m O50cm障礙區(qū)行使路線引導(dǎo)線車庫0.2m0.4m15cm12.5cm12.5cm5cm次數(shù)12345運行時間75s68s69s74s60s次數(shù)678910運行時間62s74s65s70s64s由上表數(shù)據(jù)可知，本系統(tǒng)完全可以在90秒之內(nèi)完成題目所要求的各項任務(wù)，并實現(xiàn)無線傳輸，聲控等創(chuàng)新功能。 目錄 一、方案比較、選擇與論證-頁碼1 二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計-頁碼 21、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及說明-頁碼 22、系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計、理論分析和計算、詳細(xì)電路圖-頁碼 33、系統(tǒng)軟件功能設(shè)計、理論分析和計算、各程序框圖-頁碼 84、軟硬件分別調(diào)試、聯(lián)合調(diào)試-頁碼11 三、測試儀器與測試試驗方法-頁碼12開發(fā)、實驗及測試儀器-頁碼12 四、測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析計算-頁碼13 五、特色與創(chuàng)新點討論、設(shè)計總結(jié)-頁碼13 六、附錄（操作說明、元器件清單、程序清單、參考文獻(xiàn)等）-頁碼14摘要本系統(tǒng)按要求制作了一個簡易智能電動車，它能實現(xiàn)的功能是從起跑線出發(fā)，沿引導(dǎo)線到達(dá)B點。 在此期間檢測到鋪設(shè)在白紙下的薄鐵片，并同時發(fā)出聲光指示信息，實時存儲、顯示在“直道區(qū)”檢測到的薄鐵片數(shù)目。 電動車到達(dá)B點以后進(jìn)入“彎道區(qū)”，沿圓弧引導(dǎo)線到達(dá)C點，能夠檢測C點下正方形薄鐵片，并在C點處停車5秒，停車期間發(fā)出斷續(xù)的聲光信息。 之后繼續(xù)行駛，在光源的引導(dǎo)下，利用超聲傳感器傳來的信號通過障礙區(qū)進(jìn)入停車區(qū)并到達(dá)車庫。 最后，電動車完成上述任務(wù)后能夠立即停車，全程行駛時間小于90秒。 并附加其他功能。 另外系統(tǒng)中傳感器電路額外加入了單片機便于89C51單片機在之后的運行中檢測四周電路，減小89C51負(fù)擔(dān)。 軟件方面因為，會，利用傳感器在檢測到某物體時輸出信號發(fā)生特定變化這種規(guī)律，讓單片機只對此類信號有所反應(yīng)，大大減少了處理數(shù)據(jù)，算法，從而加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度。 一、方案比較、選擇與論證根據(jù)題目要求，有兩種解決方案。 1、精確定時法這種方案主導(dǎo)思想是在對電動車直線、轉(zhuǎn)彎行駛速度以及行程的準(zhǔn)確把握基礎(chǔ)上利用單片機定時來使電動車順利通過直道區(qū)、彎到區(qū)、障礙區(qū)并且最終到達(dá)車庫。 缺點供電電壓不穩(wěn)定，易導(dǎo)致小車車速不穩(wěn)定，則距離不好控制；另外路線固定不變，不能應(yīng)對意外事件，而且想要準(zhǔn)確跑完全程對于電動車的起始位置、直線行進(jìn)參數(shù)、轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行精密測量和計算，智能化差。 2、傳感器引導(dǎo)法這種方法核心是單片機通過對傳感器信號檢測來控制制動電機和電機轉(zhuǎn)向的動作，智能化大大增強，可以用下圖形象的表示出來我們把任務(wù)分為了直道+彎道區(qū)、障礙區(qū)和停車區(qū)，劃分依據(jù)是三個部分所用到的感應(yīng)器不同，實現(xiàn)方法也存在差別。 直道+彎道區(qū)主要用黑白檢測光電傳感器和金屬探測接近開關(guān)。 障礙區(qū)則是用到了超聲波傳感器。 （帶顯示）停車區(qū)考慮車庫放置了光源，因此選擇了光電傳感器引導(dǎo)小車進(jìn)入車庫。 比起前一種方案來說，這種方案應(yīng)用面更廣，也更接近實用化，智能化。 重要的是單片機可以通過對感應(yīng)器信號的檢測來控制電機運作，從而大大提高了運行過程中的實時性，準(zhǔn)確性、使得電動車能夠輕松的完成整個過程。 綜上所述，本系統(tǒng)設(shè)計選用方案2。 二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計 1、系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計及說明單片機金屬探測傳感器信號調(diào)理超生波傳感器信號調(diào)理光電傳感器信號調(diào)理聲、光報警電路顯示電路電機控制電路圖一系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖該系統(tǒng)實現(xiàn)了電動車的自動行駛、躲避障礙物、探測金屬、計數(shù)、報警、光電引導(dǎo)功能、測量距離、數(shù)碼顯示、電機控制等功能。 單片機檢測出來感應(yīng)器輸出信號從而輸出控制信號，控制電機工作，在直道區(qū)，考慮引導(dǎo)線是黑顏色，不宜反光，決定利用這一特性選用反射式光電傳感器，當(dāng)其輸出信號照射到黑色引導(dǎo)線上是輸出一個非常微弱的低電平。 這個過程是一個負(fù)跳變的過程通過對此信號高低電平的檢測就可以使電動車沿著直道區(qū)和彎道區(qū)的引導(dǎo)線行進(jìn)。 當(dāng)?shù)叵掠薪饘贂r，金屬探測器發(fā)出一個高電平，用單片機進(jìn)行檢測。 沿引導(dǎo)線到達(dá)C點，將從金屬探測接近開關(guān)發(fā)送來的信號作為一個外部終端信號處理，執(zhí)行停車并發(fā)出斷續(xù)的聲光信號，同時進(jìn)行5秒定時計數(shù)工作。 在車頭安裝有超聲傳感電路對障礙物進(jìn)行檢測。 （有效距離30厘米）光電傳感器接收部分用于采集光信號，通過比較輸出信號向車庫行駛。 （始終朝在輸出信號最強的方向行駛）以上就是完成這個題目的大體思路和方法。 2、系統(tǒng)硬件詳細(xì)設(shè)計、理論分析和計算、詳細(xì)電路圖根據(jù)系統(tǒng)要求，硬件電路包括:電源部分，單片機最小系統(tǒng)、超聲波測距電路、金屬探測電路、光電傳感器、黑白探測傳感器、電機控制電路、顯示電路，電動車整體圖示如下 （1）電源部分隨著微電子技術(shù)的不斷進(jìn)步，系統(tǒng)電源的設(shè)計在單片機應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計中顯得越來越重要，它對單片機系統(tǒng)是否正常工作起著至關(guān)重要的作用。 由于電動車本身為六節(jié)1.5V電池供電,根據(jù)系統(tǒng)要求，選擇7805穩(wěn)壓管將直流9V電壓轉(zhuǎn)成5V輸出。 7805直流穩(wěn)壓電路圖LM7805ViVoutC1C2電動機和金屬感器部分用原有的9V電壓信號，其他電路、傳感器都為5V電壓供電。 （2）單片機最小系統(tǒng)利用單片機最小系統(tǒng)實驗電路板完成傳感器與電動機的連接和控制。 單片機選用89C51，其內(nèi)部有4K字節(jié)的Flash Rom，電路設(shè)計簡單。 具體為89C51的 18、19腳接6MHz，40腳輸入信號為5伏，20腳接地，EA腳接高電平。 （3）金屬探測電路由電路圖可以得出，當(dāng)有金屬被其探測到時，輸出端輸出一個高電平，即發(fā)生一個正向跳變，將這個正向跳變信號用單片機檢測出來，借此控制電動機產(chǎn)生相應(yīng)的動作。 以下時金屬接近開關(guān)外驅(qū)動電路 （4）顯示電路在單片機應(yīng)用系統(tǒng)中，顯示器顯示常用兩種方法靜態(tài)顯示和動態(tài)掃描顯示。 靜態(tài)顯示占用單片機資源小。 可以提供單獨鎖存的I/O接口電路很多，這里我們組選擇最常用的的串并轉(zhuǎn)換電路74LS164。 利用單片機串行發(fā)送接收端口，外接4片74LS164作為4位LED顯示器的靜態(tài)顯示接口，把89C51的RXD作為數(shù)據(jù)輸出線，TXD作為移位時鐘脈沖。 74LS164為TTL單向8位移位寄存器，可實現(xiàn)串行輸入，并行輸出。 系統(tǒng)總圖 3、系統(tǒng)軟件功能設(shè)計、理論分析和計算、各程序框圖根據(jù)方案設(shè)定的三個部分重點解決問題，可以將單片機大量工作集中在信號檢測和精確定時計數(shù)上。 具體實現(xiàn)方法因為這是一個對實時性要求很高的系統(tǒng)，所以大量數(shù)據(jù)信號都要在盡量短的時間內(nèi)完成。 具體思路如下利用單片機查尋法編程，不斷的檢測外部傳感器信號，并及時輸出顯示。 編程關(guān)鍵實時輸出。 除了傳感器本身延時外，還與優(yōu)化程序程度和電機控制度有關(guān)。 4)軟硬件分別調(diào)試、聯(lián)合調(diào)試階段調(diào)試我們按照前面的方案同樣將調(diào)試分為了3個階段第一階段首先是直道區(qū)+彎道區(qū)的調(diào)試1）通過兩邊固定的光電傳感器對引導(dǎo)線檢測來實現(xiàn)電動車沿著引導(dǎo)線到達(dá)指定的地點。 2）根據(jù)題目要求，在行進(jìn)線路上需要檢測金屬片，因此，我們又加上了金屬接近開關(guān)用于實現(xiàn)這個要求。 3）利用原來作過的靜態(tài)顯示電路板和試驗用過的子程序，我們將顯示功能又加在了系統(tǒng)當(dāng)中。 第二階段障礙區(qū)的調(diào)試1）在障礙區(qū)主要解決的問題是如何躲避障礙物，我們根據(jù)題目在車頭安裝了一個超聲波發(fā)送接收模塊，當(dāng)檢測到有障礙物時進(jìn)行轉(zhuǎn)向。 第三階段停車區(qū)的調(diào)試1）檢測光電接收器的輸出信號，來尋找光信號最強的方向。 聯(lián)合調(diào)試在分步調(diào)試全部通過的基礎(chǔ)上，我們開始了整個系統(tǒng)的協(xié)調(diào)調(diào)試，協(xié)調(diào)金屬傳感器、黑白光電傳感器、超聲波傳感器、光電傳感器的配合工作。 三、測試儀器與測試試驗方法開發(fā)、實驗及測試儀器實驗顯示電路實驗、電機長時間運行試驗、模擬場地試運行試驗、超聲波發(fā)射接收以及測距試驗、光電接收試驗、電機控制試驗測試儀器示波器，多功能穩(wěn)壓電源，電壓表，秒表。 四、測試數(shù)據(jù)及測試結(jié)果分析計算全程行進(jìn)時間24s（誤差2s）行進(jìn)距離11.2m（誤差3050cm）傳感器工作電壓金屬接近開關(guān)9V光電傳感器5V超聲波傳感5V黑白光電傳感器5V傳感器輸出信號金屬接近開關(guān)4.8V光電傳感器4.78V超聲波傳感5.0V黑白光電傳感器5V 五、特色與創(chuàng)新點討論、設(shè)計總結(jié)在軟件和硬件上運用了一些巧妙方法硬件方面超聲傳感器電路部分額外加入了單片機擴展了此模塊功能，并且是的輸出信號有規(guī)律可循，便于89C51單片機在之后的運行中檢測四周電路，減小89C51負(fù)擔(dān)，同時大大提高了電動車載應(yīng)對障礙物時候的反應(yīng)時間。 軟件方面因為傳感器在檢測到某物體時，輸出信號會發(fā)生特定變化，利用這種變化規(guī)律，讓單片機只對此類規(guī)律的信號有所反應(yīng)，大大減少了處理數(shù)據(jù)，算法，從而加快了系統(tǒng)的反應(yīng)速度，大量使用類似于JB/JNB命令對相應(yīng)端口進(jìn)行查詢，并且簡化程序代碼，避免使用繁瑣復(fù)雜的終端控制，確保系統(tǒng)的高精確度。 另外，整個運行過程中通過采用等分時端口查詢思想，只要分時足夠小，電動車就會對外界因素有充足的反映空間，即達(dá)到了接近實時的信號檢測處理效果，又可通過最終等分時數(shù)目準(zhǔn)確計算出行駛距離，一舉兩得。 總結(jié)與體會經(jīng)過為期四天的設(shè)計，感觸頗深的是解決問題的方法、技巧。 在這四天中，我們遇到許許多多問題，對待問題要多方法處理，多角度處理。 通過這幾天的設(shè)計競賽，我們不但增強了實踐能力和協(xié)作精神，而且懂得了聯(lián)系實際的重要性，這對我們以后的學(xué)習(xí)和工作不無裨益。 當(dāng)然，我們的設(shè)計還存在著一些缺陷，有待于在將來設(shè)計中進(jìn)一步提高，在此懇請各位老師批評指正。 六、附錄操作說明該系統(tǒng)實現(xiàn)了電動車的自動行駛、躲避障礙物、探測金屬、計數(shù)、報警、光電引導(dǎo)功能、測量距離、數(shù)碼顯示、電機控制等功能。 1）啟動時將徹底的電源開關(guān)撥至“ON”位置，此時電源接通。 2）供電部分是6節(jié)1.5V五號電池，供電電壓9V。 3）調(diào)整電動車底部前端的微調(diào)器，可調(diào)節(jié)電動車的直線行駛性能。 （“R”是右，“L”是左）4）使用完畢請把車身的開關(guān)至“OFF”。 5）長期不使用時，請取出車底及遙控器的電池，另行保管。 元器件清單AT89C51，74LS04，S9014，S9013，蜂鳴器，超聲波傳感器，光電傳感器，金屬探測傳感器，ULN2803，電阻、電容若干，發(fā)光管。 部分程序清單 (1)測金屬MAIN:MOV SP,60H MOV40H,#00H MOV41H,#00H MOV42H,#00H MOV43H,#00H MOV60H,#00H;ACALL BCD;ACALL DISP;MOV40H,50H CLR P3.7SS1:JB P3.7,SS1;SETB P3.7SS2:JNB P3.7,SS2MOV40H,60H MOV A,40H ADDA,#01H;INC40H;MOV A,40H DAA MOV40H,A MOV41H,#00H MOV42H,#00H MOV43H,#00H MOV60H,40H ACALLBCD ACALLDISP;ACALL DELAY1S CLR P3.7AJMP SS1DISP:MOV SCON,#00H MOV R0,#40H MOV R2,#04H L00C9:MOV SBUF,R0L00CB:JNB TI,$CLR TIINC R0DJNZ R2,L00C9RET BCD:MOV R0,#40H MOV R2,#04H MOVDPTR,#TABL TAB:MOV A,R0MOVC A,A+DPTR MOVR0,A INC R0DJNZ R2,TAB RETTABL:DB0C0H DB0F9H DB0A4H DB0B0H DB99H DB92H DB82H DB0F8H DB80H DB90H (2)引導(dǎo)線測試MAIN:MOV P1,#0FFH ACALL DELAY1S CLR P1.0CC1:JNB P3.5,CC2CLR P1.2AJMP CC1CC2:JNB P3.4,CC3CLR P1.3AJMP CC2CC3:AJMP CC1DELAY1S:MOV R3,#50D1:MOV R4,#20D2:MOV R5,248DJNZ R5,$DJNZ R4,D2DJNZ R3,D1RET （3）障礙物調(diào)試MAIN:MOV P1,#0FFH ACALL DELAY1S SS:CLR P1.0NOP DD1:JNB P3.6,DD1SETB P1.0NOP NOP NOP NOP NOP NOP;ACALL DELAY CLR P1.1ACALL DELAY5S SETB P1.1CLR P1.0CLR P1.3ACALL DELAY5S ACALL DELAY5S ACALL DELAY5S MOV P1,#0FFH AJMP SS DD3:JNB P3.6,DD3SETB P1.0NOP NOP NOP NOP NOP NOP CLR P1.1ACALL DELAY5S SETB P1.1CLR P1.2CLR P1.0ACALL DELAY5S MOV P1,#0FFH AJMPDD2DELAY1S:MOV R3,#50D1:MOV R4,#20D2:MOV R5,248DJNZ R5,$DJNZ R4,D2DJNZ R3,D1RET DELAY5S:MOV R3,#5D3:MOVR4,#20D4:MOVR5,248DJNZ R5,$DJNZ R4,D4DJNZ R3,D3RET DELAY:NOP NOPNOPNOPNOP RETDD2:NOPNOPNOPNOPNOP END （4）傳感器協(xié)調(diào)程序MAIN:;MOV TMOD,#50H;MOV TH1,#00H;MOV TH0,#00H MOVP1,#0FFH ACALL DELAY1S CLR P1.0;AJMP LINEMOV40H,#00H MOV41H,#00H MOV42H,#00H MOV43H,#00H MOV50H,40H ACALLBCD ACALLDISP MOV40H,50H;GO FORWARDSS1:JB P3.7,SS0ACALL MEATALAJMP SS1SS0:JNB