基于PIC單片機(jī)的智能小車

1、. . . . 摘 要PIC16F877A單片機(jī)是MicroChip公司生產(chǎn)一款八位單片機(jī)，它的易用性和多功能性受到了廣大使用者的好評，它的豐富的外圍功能模塊為我們的設(shè)計(jì)提供了便利。這里介紹的是如何用紅外線傳感器采集信號并通過單片機(jī)控制來實(shí)現(xiàn)避障尋線小車功能的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)是結(jié)合科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題。本系統(tǒng)以設(shè)計(jì)題目的要求為目的，并進(jìn)行了小車功能的拓展。小車采用PIC16F877A單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)智能小車的智能控制，包括智能避障、路面尋線、PWM調(diào)速、測速并實(shí)時(shí)顯示速度等功能。整個(gè)系統(tǒng)的電路結(jié)構(gòu)簡單，可靠性能高。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果滿足要求，本文著重介紹了該系統(tǒng)的方案論證、硬件設(shè)計(jì)方法與測試

2、結(jié)果分析。關(guān)鍵詞：PIC16F877A； 紅外線傳感器； 避障尋線系統(tǒng)； PWM調(diào)速； 智能小車ABSTRACTPIC16F877A microcontroller is an 8 bit MCU made by MicroChip company, its ease of use and versatility are the majority of users praise,its rich peripheral function modules for our design provides convenience.Here is how to capture the signal us

3、ing infrared sensors and through MCU control to achieve obstacle avoidance function of line-tracking car design, the design is a combination of scientific research and to determine the design of class topics. The system design requirements for the purpose of the subject and had a car function expans

4、ion. PIC16F877A microcontroller to control the car using the core, intelligent car of the intelligent control, including the Smart obstacle avoidance, road hunting, PWM speed control, speed and real-time display speed and other functions. A simple circuit structure of the system reliability can be h

5、igh. Experimental test results meet the requirements, this article highlights the program demonstration of the system, hardware design methods and test results analysis.Key words：PIC16F877A single chip computer;Infrared sensors;Obstacle avoidance seekingline system; PWM speed; Smart car目 錄前言11方案設(shè)計(jì)與論

6、證21.1 總體方案選擇21.2 各模塊方案選擇與論證21.2.1 控制器模塊21.2.2 避障模塊31.2.3尋線模塊31.2.4直流調(diào)速模塊61.2.5 車速檢測模塊71.2.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊81.2.7電源模塊81.3系統(tǒng)各模塊最終方案82 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)92.1電源電路設(shè)計(jì)92.2 檢測電路設(shè)計(jì)92.3電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)102.4PWM調(diào)速設(shè)計(jì)112.5舵機(jī)方向控制設(shè)計(jì)123軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)133.1系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試133.2 軟件抗干擾技術(shù)133.2.1數(shù)字濾波技術(shù)143.2.2開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)143.2.3指令冗余技術(shù)143.2.4軟件陷阱技術(shù)154 系統(tǒng)測試與調(diào)整1

7、64.1電路硬件測試164.2系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能測試164.3整車測試16總結(jié) 17致 18參考文獻(xiàn)19附錄 20前 言當(dāng)今社會(huì)，科學(xué)技術(shù)日新月異，時(shí)代前進(jìn)的步伐越邁越寬，應(yīng)用自動(dòng)化設(shè)備,計(jì)算機(jī)處理,現(xiàn)代化通訊,數(shù)字化信息,現(xiàn)代化顯示設(shè)備等高新技術(shù)而建立的現(xiàn)代化智能,監(jiān)控等系統(tǒng)已經(jīng)得到充分的發(fā)展與應(yīng)用,智能機(jī)器人也就應(yīng)運(yùn)而生。同時(shí)，在建設(shè)以人為本的和諧社會(huì)的過程中，智能服務(wù)機(jī)器人能夠完成考古發(fā)掘，海底揭密，宇宙探索等危險(xiǎn)作業(yè)，以保證人身安全。國家中長期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要一文指出：智能服務(wù)機(jī)器人是在非結(jié)構(gòu)環(huán)境下為人類提供必要服務(wù)的多種高技術(shù)集成的智能化裝備。以服務(wù)機(jī)器人和危險(xiǎn)作業(yè)機(jī)器人應(yīng)用需求為重

8、點(diǎn)，研究設(shè)計(jì)方法、制造工藝、智能控制和應(yīng)用系統(tǒng)集成等共性基礎(chǔ)技術(shù)。重點(diǎn)研究低成本的自組織網(wǎng)絡(luò)，個(gè)性化的智能機(jī)器人和人機(jī)交互系統(tǒng)、高柔性免受攻擊的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)和先進(jìn)的信息安全系統(tǒng)。由于單片機(jī)具有多功能、低價(jià)位與小型化等優(yōu)勢，它們已被廣泛地應(yīng)用在消費(fèi)電子、汽車電子、辦公室自動(dòng)化、通信與一般工業(yè)產(chǎn)品上。近些年來，單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展已達(dá)到了相當(dāng)高的水平，一些新型單片機(jī)層出不窮，技術(shù)日新月異。傳統(tǒng)單片機(jī)（MCU）主要由外圍部件、微控制器和存儲(chǔ)器構(gòu)成。新型單片機(jī)為了更好靈活地適應(yīng)不同領(lǐng)域的應(yīng)用，除了具有這些傳統(tǒng)的數(shù)字功能外，還提供模擬功能，甚至射頻功能，它們不僅是可編程的，而且是可動(dòng)態(tài)重構(gòu)的。它們是具有PsoC

9、或SoPC特性的、真正的單片機(jī)。做單片機(jī)項(xiàng)目開發(fā)，首先應(yīng)該關(guān)注的是項(xiàng)目的功能和性能要求，即做需求分析.通過需求分析,明確實(shí)現(xiàn)這些功能和性能指標(biāo)所需芯片的功能和結(jié)構(gòu)資源、綜合成本核算和產(chǎn)品集成度等要求，才能從琳瑯滿目、特色各異的芯片中選擇合適的貨架產(chǎn)品。20062020年，既是國家中長期技術(shù)發(fā)展計(jì)劃實(shí)現(xiàn)階段，也是我們最具有活力和最激情洋溢的時(shí)段。于是，我們五個(gè)人認(rèn)識到自己的位置，都對智能機(jī)器人的研發(fā)和制作有著強(qiáng)烈的好奇心，有著共同愛好和理想，想用自己的青春和智慧揮寫這段煥發(fā)青春活力的樂譜。隨著生產(chǎn)自動(dòng)化的發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)越來越廣泛地應(yīng)用到生產(chǎn)自動(dòng)化上，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器人的感覺傳感器種類越

10、來越多，其中視覺傳感器成為自動(dòng)行走和駕駛的重要部件。視覺的典型應(yīng)用領(lǐng)域?yàn)樽灾魇街悄軐?dǎo)航系統(tǒng)，對于視覺的各種技術(shù)而言圖像處理技術(shù)已相當(dāng)發(fā)達(dá)，而基于圖像的理解技術(shù)還很落后，機(jī)器視覺需要通過大量的運(yùn)算也只能識別一些結(jié)構(gòu)化環(huán)境簡單的目標(biāo)。視覺傳感器的核心器件是攝像管或CCD，但其價(jià)格、體積和使用方式上并不占優(yōu)勢，因此在不要求清晰圖像只需要粗略感覺的系統(tǒng)中考慮使用接近覺傳感器是一種實(shí)用有效的方法。機(jī)器人要實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)引功能和避障功能就必須要感知導(dǎo)引線和障礙物，感知導(dǎo)引線相當(dāng)給機(jī)器人一個(gè)視覺功能。故對機(jī)器人的研究已成為必要。 智能循線和避障是基于智能導(dǎo)引小車系統(tǒng)，采用紅外傳感器實(shí)現(xiàn)小車速度檢測，判斷并檢測障

11、礙物。本文對智能小車的循線，避障以與速度的采集進(jìn)行了研究。第一章 方案設(shè)計(jì)與論證1.1 總體方案選擇本設(shè)計(jì)的小車具有自動(dòng)避障，路面尋線的功能，小車在運(yùn)行過程中，能夠顯示當(dāng)前的運(yùn)行模式（避障模式和尋線模式），小車設(shè)有09檔共十個(gè)檔位的速度調(diào)節(jié)并能顯示當(dāng)前的檔位，并且在運(yùn)行過程中能夠?qū)崟r(shí)顯示速度，而且本小車還設(shè)有兩種模式自動(dòng)切換的功能。由題目分析可得：本設(shè)計(jì)需要一個(gè)由控制器模塊、尋線前進(jìn)模塊、紅外避障模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊等幾部分組成的系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)題目要求。為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能，下面分別對幾種不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了具體的分析論證。方案一：避障模式時(shí)，使用超聲波進(jìn)行避障。把超聲波模塊裝在小車上，通過

12、超聲波接收到的信號，判斷出障礙物的位置情況來進(jìn)行多個(gè)方向的避障，在行進(jìn)過程中，小車對前方障礙物進(jìn)行檢測并根據(jù)障礙物情況進(jìn)行相應(yīng)轉(zhuǎn)彎，進(jìn)行相應(yīng)方向轉(zhuǎn)彎重復(fù)前邊的行進(jìn)過程，尋線模式時(shí)，通過光電傳感器傳回的信息，判斷小車是否偏離軌跡，再作出相應(yīng)的處理，在軌跡上行走中。小車采用雙電機(jī)驅(qū)動(dòng)，根據(jù)速度差實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎。方案二：避障模式時(shí)，在小車左前、前、右前、左后、后、右后各安裝一個(gè)紅外傳感器，當(dāng)小車處于前進(jìn)狀態(tài)時(shí)，對前方3個(gè)紅外傳感器傳送的信號進(jìn)行檢測分析，當(dāng)有傳感器檢查到信號時(shí)，進(jìn)行停車處理并根據(jù)檢測到的信號情況進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎后退，后退3S后自動(dòng)前進(jìn)，在后退的過程中對后3個(gè)紅外線傳感器進(jìn)行信號檢

13、測，若檢測到信號，就立即剎停后前進(jìn)。尋線模式時(shí)，單片機(jī)根據(jù)兩排尋線的紅外線傳感器采集的信號情況進(jìn)行相應(yīng)的轉(zhuǎn)彎使小車保持在黑線中央行進(jìn)。尋線過程中打開前面的紅外傳感器，時(shí)時(shí)檢測，防止小車碰到附近的墻壁。 兩個(gè)方案比較，方案一的超聲波傳感器受環(huán)境的影響較大，故放棄了此種方案。而方案二，采用普遍應(yīng)用的傳感器采集信號，且舵機(jī)控制方向精準(zhǔn)、反映速度快、轉(zhuǎn)彎平緩靈活等優(yōu)點(diǎn)，故選擇了方案二。這種方案能實(shí)現(xiàn)對電動(dòng)車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足對系統(tǒng)的各項(xiàng)要求。1.2 各模塊方案選擇與論證1.2.1 控制器模塊單片機(jī)控制模塊在本系統(tǒng)中處于核心地位，其工作包括采集傳感器的信號，進(jìn)行數(shù)據(jù)處

14、理，控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)行等。對單片機(jī)控制模塊的基本要具有較高的速度、資源配置滿足要求。方案一：采用傳統(tǒng)的8位89C51單片機(jī)作為運(yùn)動(dòng)物體的控制核心。經(jīng)典51單片機(jī)具有價(jià)格低廉，使用簡單等特點(diǎn)，但其運(yùn)算速度低，功能單一，外圍模塊少等缺點(diǎn)。若采用51單片機(jī)，將增加軟件的設(shè)計(jì)難度。方案二：采用8位單片機(jī)PIC16F877A作為小車運(yùn)動(dòng)的控制中心。PIC16F877A具有豐富的硬件資源：RAM，ROM空間大、指令周期短、運(yùn)算速度快、低功耗、低電壓、外圍功能模塊多，單片機(jī)PIC16F877A的晶振頻率為4MHz，最高運(yùn)算速度可達(dá)20MHz；有8K的FLASH，5V供電，兩個(gè)8位和一個(gè)16位的可編程定時(shí)/計(jì)

15、數(shù)器，可以自動(dòng)設(shè)置預(yù)設(shè)處置，具有運(yùn)行/ 睡眠方式，并且芯片自帶看門狗維護(hù)功能。程序具有易于編寫和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。綜合考慮，采用方案二。1.2.2 避障系統(tǒng)方案一：采用超聲波避障，超聲波受環(huán)境影響較大，電路復(fù)雜，而且墻壁對超聲波的反射，會(huì)影響系統(tǒng)對障礙物的判斷。方案二：采用紅外傳感器避障（包括發(fā)射管和接收管），紅外線發(fā)射管發(fā)射信號，發(fā)射出的紅外線遇到障礙物反射，紅外線接受管對反射回的信號處理，經(jīng)高低電平轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電壓信號送入單片機(jī)進(jìn)行處理，完成避障功能。外界對紅外信號的干擾較小，易于實(shí)現(xiàn)，故采用方案二。1.2.3 尋線系統(tǒng)紅外檢測模塊用以實(shí)現(xiàn)小車沿著場地上標(biāo)出的黑色路線運(yùn)動(dòng)。題目中路徑和周

16、圍場地黑白對比明顯，可用傳感器來感知前進(jìn)軌跡。方案一：可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成得發(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)對光敏二極管工作產(chǎn)生很大干擾，環(huán)境要求比較高。外界環(huán)境條件改變，很可能造成誤判和漏判，因此沒有采用這個(gè)方案。方案二：采用紅外線傳感器。當(dāng)紅外線照射到下方的場地會(huì)發(fā)生反射，由于黑色膠皮和白色膠皮的反射系數(shù)不同，紅外線傳感器可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱判斷是否有黑線?？墒褂秒p排反射式紅外線傳感器控制，達(dá)到更高的控制精度。綜合考慮，選擇了抗干擾能力強(qiáng)且易于實(shí)現(xiàn)的紅外線電傳感器，即確定方案二。本系統(tǒng)采用雙排傳感器作為尋線系統(tǒng)的信號采集，目前，大多數(shù)智能車采用單排傳感器的道路

17、檢測方式，這種方式獲得的道路信息少，對智能車的狀態(tài)和道路的狀況都不能很好地區(qū)別，造成控制上的麻煩。為了彌補(bǔ)不足，形成了大前瞻的單排傳感器的道路檢測方式，這種方式檢測的距離更遠(yuǎn)，能夠更早地判斷出道路的走向，在一定程度上彌補(bǔ)了檢測精度低的缺點(diǎn)，但也無法有效地區(qū)分智能車狀態(tài)與道路狀況。比賽的車?？蛇x用攝像頭或傳感器的方式進(jìn)行道路信息檢測，我們的車模采用的是雙排紅外的循跡方式，采用大前瞻雙排傳感器可以得到更多的賽道信息，更早地采取策略處理，形成更好的行車軌跡。是采用復(fù)雜的攝像頭方案的一種替代方式?？梢栽谥钡乐袑?shí)現(xiàn)穩(wěn)定控制，加速順暢的能力；在S彎中以小曲線的方式前進(jìn)，減少行進(jìn)路線和舵機(jī)調(diào)整次數(shù)。在大彎中

18、實(shí)現(xiàn)提前轉(zhuǎn)彎，切彎的效果。尤其是在轉(zhuǎn)彎方面，通過前后排共同對彎道的預(yù)測，達(dá)到延伸物理識別距離的能力，從而做出提前的動(dòng)作，減少由于檢測距離近而帶來的負(fù)面影響，達(dá)到上述效果。傳感器陣列布局如圖1-1所示，圖中僅以接受管示意傳感器位置。圖1-1 傳感器陣列布局布局方式說明：前排傳感器伸出距離較遠(yuǎn)，小車中心偏離黑線后，會(huì)在前排傳感器上產(chǎn)生較大偏移量。后排傳感器伸出距離較近，小車中心偏離黑線后，會(huì)在后排傳感器上產(chǎn)生較小偏移量。利用前后排傳感器對小車偏移時(shí)不同的敏感度對小車進(jìn)行控制。為了使前后排體現(xiàn)出更明確的分工和采集到更遠(yuǎn)處的信息，我們把前排傳感器傾斜約45°角，使前排的前瞻距離更大，更能體現(xiàn)

19、出前排的優(yōu)勢和特點(diǎn)。直道識別方式、控制策略：采用此種方式布局雙排紅外，對于直道的判別方法可有以下5種物理方式，每種方式應(yīng)用的時(shí)機(jī)列于后。圖1-2 第一種直道情況在左轉(zhuǎn)大彎后，出彎時(shí)最可能出現(xiàn)的前后排傳感器檢測到黑線時(shí)的組合情況。適用于左轉(zhuǎn) 90°彎、180°彎。提前得到出彎信息，舵機(jī)向左轉(zhuǎn)動(dòng)較小角度，并在此時(shí)采取加速動(dòng)作，起到彌補(bǔ)前瞻不足的作用。此情況在賽道的s彎出現(xiàn)時(shí)，不滿足直道的第二種識別方式，故不會(huì)加速。圖1-3 第二種直道情況此情況是對第一種情況的再確認(rèn)，左轉(zhuǎn)大彎并經(jīng)過第一種情況后，再經(jīng)歷此種情況，可確認(rèn)無誤前方為直道，繼續(xù)提升小車的加速能力?？刂瞥绦蛴蓮澋莱绦蚯袚Q

20、到直線穩(wěn)定程序。圖1-4 第三種直道情況此時(shí)采取直線穩(wěn)定控制。由于前兩種情況已經(jīng)明確識別為直道，此種情況只是增加直道識別的成功率。圖1-5 第四種直道情況與第二種情況類似，對第五種情況的再確認(rèn)，右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)大彎并經(jīng)過第五種情況后，再經(jīng)歷此種情況，可確認(rèn)無誤前方為直道，繼續(xù)提升小車的加速能力?？刂瞥绦蛴蓮澋莱绦蚯袚Q到直線穩(wěn)定程序。圖1-6 第五種直道情況在右轉(zhuǎn)大彎后，出彎時(shí)最可能出現(xiàn)的前后排傳感器檢測到黑線時(shí)的組合情況。適用于右轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 90°彎、180°彎。提前得到出彎信息，舵機(jī)向右轉(zhuǎn)動(dòng)較小角度，并在此時(shí)采取加速動(dòng)作，起到彌補(bǔ)前瞻不足的作用。在賽道的s彎出現(xiàn)時(shí)，不滿足直道的第二種識別

21、方式，故不會(huì)加速。直道識別，程序輔助確認(rèn)：進(jìn)入彎道后，隨著小車的行進(jìn)，會(huì)發(fā)生振蕩，致使出彎時(shí)不一定滿足上述5種情況。為了提高直道的識別成功率，增加第二種直道判別方法。兩者同時(shí)起作用，滿足第一種后經(jīng)過最多15ms確認(rèn)是直道。程序是循環(huán)執(zhí)行，我們的程序執(zhí)行頻率是2KHz。采用定時(shí)中斷(15ms)的方式，對前排中間3個(gè)傳感器(編號為3、4、5)使用3個(gè)計(jì)數(shù)器分別計(jì)數(shù)，每次執(zhí)行程序若是其中一個(gè)檢測到黑線，相對應(yīng)的計(jì)數(shù)器加1。經(jīng)過計(jì)算，15ms所能計(jì)數(shù)的最大值為31。我們設(shè)定計(jì)數(shù)的最大值，若在15ms達(dá)到所要求的計(jì)數(shù)值，就認(rèn)為是直道，切換直道程序并將計(jì)數(shù)器清零；若15ms沒有達(dá)到所要求的計(jì)數(shù)值，計(jì)數(shù)器清

22、零，重新計(jì)數(shù)。例如小車為2m/s的速度，小車行進(jìn)3cm。我們只要判斷22.5cm為直道即可。所以設(shè)最大計(jì)數(shù)值為2025即認(rèn)為是直道，跳出彎道程序。當(dāng)然也可以采用更嚴(yán)格的方法來判斷，只需調(diào)整定時(shí)中斷的時(shí)間和計(jì)數(shù)值即可。此條件在進(jìn)入直道后總能滿足，所以作為第一種直道判別方式的補(bǔ)充，保證直道的穩(wěn)定可靠識別。直線穩(wěn)定控制策略：小車出彎后，由于舵機(jī)的反應(yīng)不靈敏，智能車會(huì)發(fā)生振蕩，隨后才能達(dá)到穩(wěn)定，為了盡早減小振蕩，采用如下方式控制小車出彎后的動(dòng)作：在彎道策略中設(shè)置標(biāo)志位，進(jìn)入直線程序后，識別標(biāo)志位，對控制舵機(jī)轉(zhuǎn)向的公式采取修正設(shè)置。公式為：q=K1q1+K2q2；其中q為最終送給舵機(jī)的控制量，q1為前排

23、光電傳感器的返回轉(zhuǎn)角值，q2為后排紅外返回轉(zhuǎn)角值。K1、K2分別為前后排傳感器的加權(quán)比例值。當(dāng)小車從彎道進(jìn)入直道并成功識別出直道后，減小K1的值，由于后排傳感器距離小車的前輪(轉(zhuǎn)向輪)很近，小車中心偏離黑線時(shí)，不會(huì)在后排傳感器橫向位置產(chǎn)生很大位移(相對于前排傳感器)，故小車在直線上舵機(jī)調(diào)整的次數(shù)就會(huì)明顯減少，直線的穩(wěn)定性會(huì)好。同時(shí)，根據(jù)前后排不同傳感器的組合，給出不同的轉(zhuǎn)角策略(在程序中以列表的方式體現(xiàn))，近一步提高直線的穩(wěn)定控制能力。1.2.4 直流調(diào)速系統(tǒng)方案一：串電阻調(diào)速系統(tǒng)：旋轉(zhuǎn)變流系統(tǒng)由交流發(fā)電機(jī)拖動(dòng)直流電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)變流，由發(fā)電機(jī)給需要調(diào)速的直流電動(dòng)機(jī)供電，調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流即可改變

24、其輸出電壓，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。改變勵(lì)磁電流的方向則輸出電壓的極性和電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向都隨著改變，所以G-M系統(tǒng)的可逆運(yùn)行是很容易實(shí)現(xiàn)的。該系統(tǒng)需要旋轉(zhuǎn)變流機(jī)組，至少包含兩臺(tái)與調(diào)速電動(dòng)機(jī)容量相當(dāng)?shù)男D(zhuǎn)電機(jī)，還要一臺(tái)勵(lì)磁發(fā)電機(jī)，設(shè)備多、體積大、費(fèi)用高、效率低、維護(hù)不方便等缺點(diǎn)。且技術(shù)落后，因此擱置不用。方案二：靜止可控整流器。簡稱V-M系統(tǒng)：V-M系統(tǒng)是當(dāng)今直流調(diào)速系統(tǒng)的主要形式。它可以是單相、三相或更多相數(shù)，半波、全波、半控、全控等類型，可實(shí)現(xiàn)平滑調(diào)速。V-M系統(tǒng)的缺點(diǎn)是晶閘管的單向?qū)щ娦?，它不允許電流反向，給系統(tǒng)的可逆運(yùn)行造成困難。它的另一個(gè)缺點(diǎn)是運(yùn)行條件要求高，維護(hù)運(yùn)行麻煩。最后，當(dāng)系統(tǒng)處于低

25、速運(yùn)行時(shí)，系統(tǒng)的功率因數(shù)很低，并產(chǎn)生較大的諧波電流危害附近的用電設(shè)備。采用晶閘管的直流斬波器基本原理與整流電路不同的是，在這里晶閘管不受相位控制，而是工作在開關(guān)狀態(tài)。當(dāng)晶閘管被觸發(fā)導(dǎo)通時(shí)，電源電壓加到電動(dòng)機(jī)上，當(dāng)晶閘管關(guān)斷時(shí)，直流電源與電動(dòng)機(jī)斷開，電動(dòng)機(jī)經(jīng)二極管續(xù)流，兩端電壓接近于零。脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation），簡稱PWM。脈沖周期不變，只改變晶閘管的導(dǎo)通時(shí)間，即通過改變脈沖寬度來進(jìn)行直流調(diào)速。方案三：脈寬調(diào)速系統(tǒng)：與V-M系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點(diǎn)：（1）由于PWM調(diào)速系統(tǒng)的開關(guān)頻率較高，僅靠電樞電感的濾波作用就可以獲得脈動(dòng)很小的直流電流，電樞電流容

26、易連續(xù)，系統(tǒng)的低速運(yùn)行平穩(wěn)，調(diào)速圍較寬，可達(dá)1：10000左右。由于電流波形比V-M系統(tǒng)好，在一樣的平均電流下，電動(dòng)機(jī)的損耗和發(fā)熱都比較小。（2）同樣由于開關(guān)頻率高，若與快速響應(yīng)的電機(jī)相配合，系統(tǒng)可以獲得很寬的頻帶，因此快速響應(yīng)性能好，動(dòng)態(tài)抗擾能力強(qiáng)。（3）由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。根據(jù)以上綜合比較，以與本設(shè)計(jì)中受控電機(jī)的容量和直流電機(jī)調(diào)速的發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用了H型單極型可逆PWM變換器進(jìn)行調(diào)速。脈寬調(diào)速系統(tǒng)的主電路采用脈寬調(diào)制式變換器，簡稱PWM變換器。脈寬調(diào)速也可通過單片機(jī)控制繼電器的閉合來實(shí)現(xiàn)，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。為順利實(shí)現(xiàn)電動(dòng)小汽車的前行與倒車，本

27、設(shè)計(jì)采用了可逆PWM變換器?？赡鍼WM變換器主電路的結(jié)構(gòu)式有H型、T型等類型。我們在設(shè)計(jì)中采用了常用的雙極式H型變換器，它是由4個(gè)三極電力晶體管和4各續(xù)流二極管組成的橋式電路。1.2.5 車速檢測系統(tǒng)由于紅外檢測具有反應(yīng)速度快、定位精度高，可靠性強(qiáng)以與可見光傳感器所不能比擬的優(yōu)點(diǎn)，故采用紅外光電碼盤測速方案。具體電路同圖1-7所示。圖1-1-7 行車速度檢測電路紅外測速由測速輪，遮光盤，紅外光電耦合器與凹槽型支架組成的。測長輪的周長為記數(shù)的單位，最好取有效值為單一的數(shù)值（如0.1米），精度根據(jù)電動(dòng)車控制的需要確定。測距輪安裝在車輪上，這樣能使記數(shù)值準(zhǔn)確一些。遮光盤有一缺口，盤下方的凹形物為槽型

28、光電耦合器，其兩端高出部分的里面分別裝有紅外發(fā)射管和紅外接收管。遮光盤在凹槽中轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，缺口進(jìn)入凹槽時(shí)，紅外線可以通過，缺口離開凹槽紅外線被阻擋。由此可見，測距輪每轉(zhuǎn)一周，紅外光接收管均能接收到一個(gè)脈沖信號經(jīng)過整形器后送入計(jì)數(shù)器或直接送入單片機(jī)中。為實(shí)現(xiàn)可逆記數(shù)功能，我們在測距儀中并列放置了兩個(gè)槽型光電耦合器，遮光盤先后通過凹槽可產(chǎn)生兩個(gè)脈沖信號。根據(jù)兩個(gè)脈沖信號發(fā)生的先后順序與兩個(gè)光電耦合器的位置關(guān)系，即可計(jì)算出玩具車的行駛方向（前進(jìn)或后退）。遮光盤與槽型光電耦合器均安裝在不透光的盒子里，以避免外界光線的干擾，使電路不能正常工作。測速原理：將光柵安裝在電機(jī)軸上，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光柵也隨之轉(zhuǎn)動(dòng)，同

29、時(shí)安裝在光柵一側(cè)的紅外發(fā)光二極管點(diǎn)亮，在光柵的另一側(cè)設(shè)有紅外三極管，用于接收紅外發(fā)光二極管發(fā)出的紅外線信號。由于光柵隨電機(jī)高速轉(zhuǎn)動(dòng)，則紅外線三極管接收到的就是一系列脈沖信號。將該信號傳輸?shù)絇IC16F877A單片機(jī)的部計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)，根據(jù)預(yù)先實(shí)測的數(shù)據(jù)換算關(guān)系即可計(jì)算出小車的行車速度。1.2.6 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊是本系統(tǒng)的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，用于控制小車的運(yùn)行。方案一：采用舵機(jī)和直流電機(jī)分別控制小車轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)控制兩個(gè)前輪的轉(zhuǎn)向，不能為小車提供前進(jìn)的動(dòng)力，為使小車前進(jìn)，在后輪裝了個(gè)驅(qū)動(dòng)馬達(dá)，從而使小車既能前進(jìn)又能轉(zhuǎn)彎。方案二：小車采用雙電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向。利用電機(jī)差速原理控制小車轉(zhuǎn)向，能夠?qū)?/p>

30、現(xiàn)原地任意角度的轉(zhuǎn)向。首先在小車的后方安裝一萬向輪，兩側(cè)為雙動(dòng)力電機(jī)。由于舵機(jī)控制具有靈活、靈敏度高、反映速度快等優(yōu)點(diǎn)，極易實(shí)現(xiàn)小車的快速而精確轉(zhuǎn)彎，在尋線模式時(shí)優(yōu)勢更加明顯?；谏鲜龇治?，采用了方案一。1.2.7 電源模塊方案一：采用普通電池，選用7節(jié)電池給直流電機(jī)供電，經(jīng)7805穩(wěn)壓管對單片機(jī)、光電傳感器、金屬接觸傳感器等供電，但對直流電機(jī)影響很大，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化大，對任務(wù)的完成極為不利。方案二：采用10節(jié)可充電式鎳氫電池組共12V給直流電機(jī)供電，經(jīng)7805電壓轉(zhuǎn)換為單片機(jī)、紅外線傳感器等額定電壓為5V器件供電。單片機(jī)和傳感器工作正常，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大且平穩(wěn)行進(jìn)，且電池體積較小，重量較輕

31、，能夠滿足系統(tǒng)要求。上述論證可知，電池組可保持系統(tǒng)穩(wěn)定，選取方案二。1.3 系統(tǒng)各模塊的最終方案經(jīng)過論證，得到各個(gè)模塊的最終應(yīng)用方案，方案如下：(1) 控制器模塊：采用MicroChip公司單片機(jī)PIC16F877A作為小車運(yùn)動(dòng)的控制核心；(2) 尋線前進(jìn)和障礙物檢測躲避模塊：采用ST168型紅外線傳感器來進(jìn)行信號采集；(3) 小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊：采用了L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片控制電機(jī)；(4) 小車方向調(diào)整模塊：采用舵機(jī)的PWM波控制；(5) 電源模塊：采用12V電池組經(jīng)7805穩(wěn)壓后作為單片機(jī)、紅外傳感器、舵機(jī)等的電源，12V電池組直接作為直流電機(jī)的電源；(6) 直流調(diào)速系統(tǒng)：由單片機(jī)的CCP模

32、塊產(chǎn)生的PWM波控制電機(jī)的速度。第二章 硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)2.1 電源電路的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)所有芯片都需要+5V的工作電壓，而一節(jié)電池只能提供的電壓為12V的倍數(shù)的電壓，10節(jié)電池電壓為12V，則需要7805穩(wěn)壓芯片。L7805能提供小于1.5A的電流，足以滿足芯片供電的要求。雖然微處理器和微控制器不需要支持電路，功耗也很低，但必須要加以考慮。由于直流電機(jī)的額定電壓大且額定電流大，可直接由12V而不經(jīng)降壓為其供電，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電源由它來提供的。圖2-1為12V電壓經(jīng)7805穩(wěn)壓后得到5V電壓的穩(wěn)壓電路。圖2-1 電源穩(wěn)壓電路2.2 檢測電路設(shè)計(jì)智能小車速度檢測的傳感器采用紅外對射式，尋路避障用的傳感器

33、采用紅外反射式。 ST系列反射式光電傳感器是經(jīng)常使用的傳感器。這個(gè)系列的傳感器種類齊全、價(jià)格便宜、體積小、使用方便、質(zhì)量可靠、用途廣泛。我們采用ST168作為小車傳感器。信號檢測電路如圖2-2所示，在電機(jī)測速中，使用較多的有編碼盤與色碼盤，不同的是，色碼盤在一個(gè)扇形區(qū)域里只有一種顏色，而編碼盤在同樣的扇形區(qū)域有多種顏色，假設(shè)黑色表示0，白色表示1，則這樣的扇形組成二進(jìn)制編碼，并且相鄰的區(qū)域編碼連續(xù)。這樣我們就可以據(jù)此判斷電機(jī)的速度和方向了，但是它需要的傳感器較多，使用較復(fù)雜，而小車的空間很緊，并且對方向要求不高，所以在小車上使用不多，我們采用手工制作的碼盤。如果發(fā)射管和接收管之間的障礙物時(shí)有時(shí)

34、無，則接收管的狀態(tài)就呈現(xiàn)0和1的交替，形成脈沖信號。只要對這個(gè)脈沖信號計(jì)數(shù)，就可以得到小車車輪的轉(zhuǎn)速。我們在車輪的軸上安裝手工制作的碼盤與車輪同軸同步旋轉(zhuǎn)，就可以得到車輪旋轉(zhuǎn)的脈沖信號。在避障的測試中，室無障礙的情況下，發(fā)射管發(fā)射的紅外線沒有反射到接收管，測量接收管的電壓為4.8V，有白色障礙物情況下，接收管接受到發(fā)射管發(fā)射的紅外線，電阻發(fā)生變化，所分得的電壓也就隨之發(fā)生變化，測的接收管的電壓為0.5V，避障的測試基本滿足要求。圖2-2 紅外檢測電路2.3電機(jī)控制電路設(shè)計(jì)電機(jī)的選擇，有以下幾種電機(jī)可供選擇：步進(jìn)電機(jī)，伺服電機(jī)，直流電機(jī)，直流減速電機(jī)。根據(jù)實(shí)際的情況和要求，由于伺服電機(jī)在市面上很

35、難買到，價(jià)格過于昂貴，直流電機(jī)雖說價(jià)格低易于購買，但我們須增加減速機(jī)構(gòu)，而直流減速電機(jī)省去了設(shè)計(jì)復(fù)雜減速機(jī)構(gòu)的麻煩，且輸出力矩大，雖說須設(shè)計(jì)速度反饋電路，但速度反饋比較易于設(shè)計(jì)，所以我們選擇直流減速電機(jī)，電機(jī)的控制部分采用直流H橋集成功放電路，直流H橋功放電路是用于控制直流電機(jī)雙向運(yùn)動(dòng)的基本電路，該電路使電機(jī)在單電源供電下可以雙向運(yùn)轉(zhuǎn)。圖2-4所示電路為用三極管構(gòu)成的H橋集成功放電路基本形式。為使電機(jī)順時(shí)針轉(zhuǎn)，應(yīng)接通三極管A和D，對電機(jī)而言，其電壓右負(fù)左正，通過改變不同的三極管導(dǎo)通狀況，可改變電機(jī)兩端電壓，達(dá)到反轉(zhuǎn)目的。由主控程序控制這幾個(gè)腳就可以達(dá)到控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)的目的。L298N是部集成了

36、兩個(gè)H橋的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，圖2-3所示為邏輯電平與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況表，圖2-5所示電路為用L298N設(shè)計(jì)的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。ENA接單片機(jī)的PWM輸出，當(dāng)PWM的占空比改變時(shí)，電機(jī)的電樞電壓改變，從而達(dá)到控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速的目的。IN1和IN2接單片機(jī)的兩個(gè)引腳，當(dāng)單片機(jī)兩引腳輸出不同的電平時(shí)，電機(jī)有不同的動(dòng)作，其關(guān)系如表一所示。圖2-3 邏輯電平與電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)情況表 圖2-4 H橋功放電路圖2-5 L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路2.4 PWM調(diào)速實(shí)現(xiàn)脈寬調(diào)制器本身是一個(gè)由運(yùn)算放大器和幾個(gè)輸入信號組成的電壓比較器。運(yùn)算放大器工作在開換狀態(tài)，稍微有一點(diǎn)輸入信號就可使其輸出電壓達(dá)到飽和值，當(dāng)輸入電壓極性改變時(shí)，輸出電壓就在

37、正、負(fù)飽和值之間變化，這樣就完成了把連續(xù)電壓變成脈沖電壓的轉(zhuǎn)換作用。加在運(yùn)算放大器反相輸入端上的有三個(gè)輸入信號。一個(gè)輸入信號是鋸齒波調(diào)制信號，另一個(gè)是控制電壓，其極性大小可隨時(shí)改變，與鋸齒波調(diào)制信號相減，從而在運(yùn)算放大器的輸出端得到周期不變、脈寬可變的調(diào)制輸出電壓。只要改變控制電壓的極性,也就改變了PWM變換器輸出平均電壓的極性，因而改變了電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)向。改變控制電壓的大小，則調(diào)節(jié)了輸出脈沖電壓的寬度，從而調(diào)節(jié)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。只要鋸齒波的線性度足夠好，輸出脈沖的寬度是和控制電壓的大小成正比的。利用PIC16F877A的I/O口資源，CCP模塊產(chǎn)生380Hz的PWM波，通過調(diào)節(jié)PWM的占空比來實(shí)現(xiàn)電

38、機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)整。此時(shí)加在電機(jī)兩端的平均電壓為：通過調(diào)整PWM波的占空比，改變Th和Tl的比值，從而改變了加在電機(jī)兩端的平均電壓U的大小，最終實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的調(diào)速。其原理圖如圖2-6所示。圖2-6 PWM調(diào)速原理圖2.5 舵機(jī)的方向控制實(shí)現(xiàn)舵機(jī)的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制（PWM）信號，其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms，相對應(yīng)舵盤的位置為0180度，呈線性變化。也就是說，給它提供一定的脈寬，它的輸出軸就會(huì)保持在一個(gè)相對應(yīng)的角度上，無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變，直到給它提供一個(gè)另外寬度的脈沖信號，它才會(huì)改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。舵機(jī)部有一個(gè)基準(zhǔn)電路，產(chǎn)生周期20ms，寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號

39、，有一個(gè)比較器，將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較，判斷出方向和大小，從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)信號。舵機(jī)的控制一般需要一個(gè)20ms左右的時(shí)基脈沖，該脈沖的高電平部分一般為0.5ms2.5ms圍的角度控制脈沖部分。以180度角度伺服為例，那么對應(yīng)的控制關(guān)系是這樣的：    0.5ms-0度；    1.0ms-45度；    1.5ms-90度；    2.0ms-135度；    2.5ms-180度；圖2-7 舵機(jī)控制原理圖其控制原理如圖2-7所示，由此可見

40、，舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)圍不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)當(dāng)中。比方說機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。正是因?yàn)槎鏅C(jī)的控制信號是一個(gè)脈寬調(diào)制信號，所以很方便和數(shù)字系統(tǒng)進(jìn)行接口。只要能產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)的控制信號的數(shù)字設(shè)備都可以用來控制舵機(jī)，比方PLC、單片機(jī)等。本系統(tǒng)利用單片機(jī)產(chǎn)生舵機(jī)的控制信號來進(jìn)行控制。第三章 軟件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與調(diào)試在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除了系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)外，大量的工作就是如何根據(jù)每個(gè)生產(chǎn)對象的實(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)中占重要地位。對于本系統(tǒng)，軟件更為重要。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，大體上可分為數(shù)據(jù)處理

41、、過程控制兩個(gè)基本類型。數(shù)據(jù)處理包括：數(shù)據(jù)的采集、數(shù)字濾波、標(biāo)度變換等。過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，然后再輸出，以便控制生產(chǎn)。為了完成上述任務(wù)，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)時(shí)，通常把整個(gè)過程分成若干個(gè)部分，每一部分叫做一個(gè)模塊。所謂“模塊”，實(shí)質(zhì)上就是所完成一定功能，相對獨(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)是：1、 單個(gè)模塊比起一個(gè)完整的程序易編寫與調(diào)試；2、 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；3、 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。本系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)，由主程序定時(shí)子程序、避障子程序中斷子程序顯示子程

42、序調(diào)速子程序算法子程序構(gòu)成。 本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)方法是各個(gè)獨(dú)立模塊程序分布設(shè)計(jì)，然后所有程序連接組成系統(tǒng)程序，程序調(diào)試方法采用自上而下的調(diào)試方法，即對單獨(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用，然后連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試。本系統(tǒng)可分為以下幾個(gè)模塊：(1) 小車避障程序；(2) 小車巡線程序；(3) 舵機(jī)控制程序；(4) 電機(jī)控制程序；(5) 速度檢測程序；(6) PWM調(diào)速程序；（小車系統(tǒng)模塊示意圖見附錄一，小車程序清單見附錄三）3.2 軟件抗干擾技術(shù)提高玩具車智能控制的可靠性，僅靠硬件抗干擾是不夠的，需要進(jìn)一步借助于軟件抗干擾技術(shù)來克服某些干擾。在單片機(jī)控制系統(tǒng)中，如能正確的采用軟件抗干擾技術(shù)，與硬件干擾

43、措施構(gòu)成雙道抗干擾防線，無疑為了將大大提高控制系統(tǒng)的可靠性。經(jīng)常采用的軟件抗干擾技術(shù)是數(shù)字濾波技術(shù)、開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)、指令冗余技術(shù)、軟件陷阱技術(shù)等。3.2.1 數(shù)字濾波技術(shù)一般單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)的模擬輸入信號中，均含有種種噪音和干擾，它們來自被測量本身、傳感器、外界干擾等。為了進(jìn)行準(zhǔn)確測量和控制，必須消除被測信號中的噪音和干擾。對于這類信號，采用積分時(shí)間等于20ms的整數(shù)倍的雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，可有效的消除其影響。后者為隨機(jī)信號，它不是周期信號。對于隨機(jī)干擾，我們可以用數(shù)字濾波方法予以削弱或?yàn)V除。所謂數(shù)字濾波，就是通過一定的計(jì)算或判斷程序減少干擾在有用信號中的比重。故實(shí)質(zhì)上它是一種程序?yàn)V波。

44、數(shù)字濾波克服了模擬濾波器的不足，它與模擬濾波器相比 ，有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：（1）數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬設(shè)備，所以可靠性高，穩(wěn)定性好。（2）數(shù)字濾波可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或?yàn)V波參數(shù)，具有靈活、方便，功能強(qiáng)的特點(diǎn)。（3）數(shù)字濾波可以對頻率很低的信號實(shí)現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。（4）由于數(shù)字濾波器具有以上優(yōu)點(diǎn)，所以數(shù)字濾波在微機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。3.2.2 開關(guān)量的軟件抗干擾技術(shù)干擾信號多呈毛刺狀，作用時(shí)間短，利用這一點(diǎn)，我們在采集某一開關(guān)量信號時(shí)，可多次重復(fù)采集，直到連續(xù)兩次或兩次以上結(jié)果完全一致方為有效。若多次采樣后，信號總是變化不定，可停止采集，給出報(bào)

45、警信號，由于開關(guān)量信號主要是來自各類開關(guān)型狀態(tài)傳感器，如限位開關(guān)、操作按鈕、電氣觸點(diǎn)等，對這些信號的采集不能用多次平均的方法，必須絕對一致才行。如果開關(guān)量信號超過8個(gè)，可按8個(gè)一組進(jìn)行分組處理，也可定義多字節(jié)信息暫存區(qū)，按類似方法處理。在滿足實(shí)時(shí)性要求的前提下，如果在各次采集數(shù)字信號之間接入一段延時(shí)，效果會(huì)好一些，就能對抗較寬的干擾。輸出設(shè)備是電位控制型還是同步鎖存型，對干擾的敏感性相對較大。前者有良好的抗毛刺干擾能力，后者不耐干擾，當(dāng)鎖存線上出現(xiàn)干擾時(shí)，它就會(huì)盲目鎖存當(dāng)前的數(shù)據(jù)，也不管此時(shí)數(shù)據(jù)是否有效。輸出設(shè)備和慣性（響應(yīng)速度）與干擾的耐受能力也有很大關(guān)系。慣性大的輸出設(shè)備（如各類電磁執(zhí)行機(jī)

46、構(gòu)）對毛刺干擾有一定的耐受能力。慣性小的輸出設(shè)備（如通行口、顯示設(shè)備）耐受能力就小一些。在軟件上，最為有效的方法就是重復(fù)輸出同一個(gè)數(shù)據(jù)。只要有可能，其重復(fù)周期盡可能短些。外設(shè)設(shè)備接受到一個(gè)被干擾的錯(cuò)誤信息后，還來不與作出有效的反應(yīng)，一個(gè)正確的信息又來了，就可與時(shí)防止錯(cuò)誤動(dòng)作的產(chǎn)生。另外，各類數(shù)據(jù)鎖存器盡可能和CPU安裝在同一電路板上，使傳輸線上傳送的都是鎖存好的電位控制信號，對于重要的輸出設(shè)備，最好建立檢測通道，CPU可以檢測通道來確定輸出結(jié)果的正確性。3.2.3 指令冗余技術(shù)當(dāng)CPU受到干擾后，往往將一些操作數(shù)當(dāng)作指令碼來執(zhí)行，引起程序混亂。當(dāng)程序彈飛到某一字節(jié)指令上時(shí)，便自動(dòng)納入正軌。當(dāng)彈

47、飛到某一雙字節(jié)指令上時(shí)，有可能落到其操作數(shù)上，從而繼續(xù)出錯(cuò)。當(dāng)程序彈飛到三字節(jié)指令上時(shí)，因它有兩個(gè)操作數(shù)，繼續(xù)出錯(cuò)的機(jī)會(huì)就更大。因此，我們應(yīng)多采用單字節(jié)指令（NOP)或?qū)巫止?jié)指令重復(fù)書寫，這便是指令冗余。指令冗余無疑會(huì)降低系統(tǒng)的效率，但在絕大多數(shù)情況下，CPU還不至于忙到不能多執(zhí)行幾條指令的程度，故這種方法還是被廣泛采用。在一些對程序流向起決定作用的指令之前插入兩條NOP指令，以保證彈飛的程序迅速納入正確軌道。在某些對系統(tǒng)工作狀態(tài)重要的指令前也可插入兩條NOP指令，以保證正確執(zhí)行。指令冗余技術(shù)可以減少程序彈飛的次數(shù)，使其很快進(jìn)入程序軌道，但這并不能保證在失控期間不干壞事，更不能保證程序納入正

48、常軌道后就太平無事了，解決這個(gè)問題必須采用軟件容錯(cuò)技術(shù)。3.2.4 軟件陷阱技術(shù)指令冗余使彈飛的程序安定下來是有條件的。首先，彈飛的程序必須落到程序區(qū)；其次，必須執(zhí)行到冗余指令。所謂軟件陷阱，就是一套引導(dǎo)指令，強(qiáng)行將捕獲的程序引向一個(gè)指定的地址，在那里有一段專門對程序出錯(cuò)進(jìn)行處理的程序。如果我們把這段程序的入口標(biāo)號記為 ERR 的話，軟件陷阱即為一條無條件轉(zhuǎn)移指令，為了加強(qiáng)其捕捉效果，一般還在它前面加兩條 NOP 指令，因此真正的軟件陷阱由3條指令構(gòu)成：NOPNOPERR軟件陷阱安排在以下四種地方： (1)未使用的中斷向量區(qū)。 (2)未使用的大片ROM空間 (3)表格 (4)程序區(qū)由于軟件陷阱

49、都安排在正常程序執(zhí)行不到的地方，故不影響程序執(zhí)行效率，在當(dāng)前EPROM容量不成問題的條件下，還是多多益善。第四章 系統(tǒng)測試與調(diào)整4.1 電路硬件測試測試方法與儀器：1、 測試儀器測試儀器包括秒表、數(shù)字萬用表、信號發(fā)生器、示波器、仿真軟件、直流穩(wěn)壓電源等。2、測試方法數(shù)字萬用表主要用來測試分立元件的電阻、壓降、漏電流、截止/導(dǎo)通狀態(tài)等參數(shù)；信號發(fā)生器與示波器用于測試各光電傳感器信號的接收與傳輸；直流穩(wěn)壓電源在測試期間為各待測系統(tǒng)供電；秒表用于產(chǎn)品測試，按照任務(wù)書的基本要求對制成的電動(dòng)車進(jìn)行產(chǎn)品測試；軟件仿真測試各模塊程序。3、測試數(shù)據(jù)與測試結(jié)果分析： 計(jì)時(shí)精度分析 計(jì)時(shí)系統(tǒng)采用了新型顯示芯片。理

50、論上的誤差不到1秒/年。 測距精度分析 測速系統(tǒng)采用了電機(jī)軸光電碼盤檢測技術(shù)。電機(jī)軸與車輪軸之間采用了齒輪箱二級減速，變比1/16。車輪周長135mm,光電碼盤與電機(jī)軸安裝在一起，電機(jī)軸每一轉(zhuǎn)產(chǎn)生2個(gè)脈沖，車輪每轉(zhuǎn)產(chǎn)生32個(gè)脈沖，理論測量精度可達(dá)135mm/32=4.22mm<4.5mm 定位精度分析 本設(shè)計(jì)采用實(shí)際測量與軟件補(bǔ)償技術(shù)，理論上可使定位精度提高到誤差<10mm。4.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能測試系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)在障礙物行進(jìn)，黑線巡線前進(jìn)，行進(jìn)速度顯示，調(diào)速系統(tǒng)。其中，對各部分進(jìn)行獨(dú)立測試，對其他功能放在整車測試中進(jìn)行。4.3 整車測試整車測試過程中，不斷進(jìn)行調(diào)試和改裝。尤其在建筑物

51、行進(jìn)過程和尋線過程中，不斷修改參數(shù)，保證小車平穩(wěn)前行。實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果滿足要求?？?結(jié)本文提出了一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的智能小車系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，采用了直流減速電機(jī)作為執(zhí)行元件，ST系列紅外傳感器作為檢測元件，PIC16F877A單片機(jī)作為主控芯片，完成了智能機(jī)器人硬件制作與軟件設(shè)計(jì)，成功實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)巡路避障功能，在無軌自動(dòng)物料小車與工業(yè)智能機(jī)器人領(lǐng)域也具有一定的實(shí)用價(jià)值。在設(shè)計(jì)過程中，力求電路簡單，外形美觀，軟件方面，力求穩(wěn)定卡可靠。最終順利完成了題目中所有的基本要求并發(fā)揮了題外部分，系統(tǒng)更加智能化，人性化。致 歷時(shí)兩個(gè)月的科技創(chuàng)新設(shè)計(jì)已經(jīng)告一段落。經(jīng)過自己不斷的搜索努力以與夏老師的耐心指導(dǎo)和熱情幫助，本設(shè)計(jì)已

52、經(jīng)基本完成。在這段時(shí)間里，夏老師嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和熱忱的工作作風(fēng)令我十分欽佩，他的指導(dǎo)使我受益非淺。同時(shí)本系實(shí)驗(yàn)室的開放也為我的設(shè)計(jì)提供了實(shí)習(xí)場地。通過這次科技創(chuàng)新設(shè)計(jì)，使我深刻地認(rèn)識到學(xué)好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實(shí)際的含義，并且檢驗(yàn)了大學(xué)學(xué)習(xí)成果。雖然在這次設(shè)計(jì)中對于知識的運(yùn)用和銜接還不夠熟練。但是我將在以后的工作和學(xué)習(xí)中繼續(xù)努力、不斷完善。這兩個(gè)月的設(shè)計(jì)是對過去所學(xué)知識的系統(tǒng)提高和擴(kuò)充的過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎(chǔ)。由于自身水平有限，設(shè)計(jì)中一定存在很多不足之處，敬請各位老師批評指正。參考文獻(xiàn)1 閻石 數(shù)字電路技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育， 20072 童詩白，華成英 模擬電路技術(shù)基礎(chǔ) 高等教育， 20063 啟中，榮正，王力生等 PIC單片機(jī)原理與應(yīng)用 航空航天大學(xué)， 2003附錄一（系統(tǒng)模塊示意圖）附錄二（主要元器件清單）器件名稱器件數(shù)量PIC16F877A單片機(jī)2片電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N1片紅外線傳感器ST16822個(gè)舵機(jī)1個(gè)LED數(shù)碼管2個(gè)直流電機(jī)1個(gè)LE