1、智能小車簡介1 緒論 引言智能作為現代的新發明，是以后的發展方向，它可以按照預先設定的模式在一個環境里自動的運作，不需要人為的管理，可應用于科學勘探等用途。智能電動小車就是其中的一個體現。設計者可以通過軟件編程實現它的行進、繞障、停止的精確控制以及檢測數據的存儲、顯示，無需人工干預。因此，智能電動小車具有再編程的特性，是機器人的一種。根據本設計的要求，確定如下方案：以AT89C51單片機為核心的控制電路，采用模塊化的設計方案，運用光電傳感器、金屬探測傳感器、超聲波傳感器組成不同的檢測電路，實現小車在行駛中自動尋跡、探測預埋金屬鐵片、躲避障礙物、測量里程等問題。并將測量數據傳送至單片機進行處理，

2、然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動小車的智能控制。這種方案能實現對電動小車的運動狀態進行實時控制，控制靈活、可靠，精度高，可滿足系統的各項要求。本設計采用了比較先進的AT89C51為控制核心，功耗很低。該設計具有實際意義，可以應用于考古、機器人、娛樂等許多方面。尤其是在足球機器人研究方面具有很好的發展前景；在考古方面也應用到了超聲波傳感器進行檢測。所以本設計與實際相結合，現實意義很強1.2 課題來源隨著計算機、微電子、信息技術的快速進步，智能化技術的開發速度越來越快 ,智能度越來越高 ,應用范圍也得到了極大的擴展。在海洋開發、宇宙探測、工農業生產、軍事、社會服務、娛樂等各個領域。智能電

3、動小車系統以迅猛發展的汽車電子為背景，涵蓋了控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多個學科。主要由路徑識別、角度控制及車速控制等功能模塊組成2。同時，當今機器人技術發展的如火如荼，其應用在國防等眾多領域得到廣泛開展。神五、神六升天、無人飛船等等無不得益于機器人技術的迅速發展。一些發達國家已把機器人制作比賽作為創新教育的戰略性手段。如日本每年都要舉行諸如“NHK杯大學生機器人大賽”、“全日本機器人相撲大會”、“機器人足球賽”等各種類型的機器人制作比賽，參加者多數為學生，目的在于通過大賽全面培養學生的動手能力、創造能力、合作能力和進取精神，同時也普及智能機器人的知識。從某種意義上來說

4、,機器人技術反映了一個國家綜合技術實力的高低,而智能電動小車是機器人的雛形,它的控制系統的研制將有助于推動智能機器人控制系統的發展，同時為智能機器人的研制提供更有利的手段。隨著汽車工業的迅速發展，關于汽車的研究也就越來越受人關注。全國電子競賽和省內電子競賽幾乎每次都有智能小車這方面的題目，全國各高校也都很重視該題目的研究。可見其研究意義很大。本設計是結合科研項目而確定的設計類課題。設計的智能電動小車能夠實現在行駛中自動尋跡、探測預埋金屬鐵片、躲避障礙物、測量距離、實時顯示時間，最后在光源的引導下到達目的地，停車。 1.3 國內外現狀在國內外，智能化系統主要采用單片機作為控制核心。因此，單片機的

5、發展將有助于智能化技術的開發。在本設計中,采用比較先進的AT89C51單片機為控制核心，它的功耗很低。單片機技術發展至今，掌握最先進技術的仍然是國外的幾大公司。如Intel公司發展的MCS-51系列的新一代產品，如8C152、80C51FA/FB、80C51GA/GB、8C451、8C452,還包括了Philips、Siemens、ADM、Fujutsu、OKI、Harria-Metra、ATMEL等公司以80C51為核心推出的大量各具特色與80C51兼容的單片機。新一代的單片機的最主要的技術特點是向外部接口電路擴展，以實現Microcomputer完善的控制功能為己任，可連接一些外部接口功能

6、單元如A/D、PWM、PCA(可編程計數器陣列)WDT(監視定時器)高速I/O口、計數器的捕獲/比較邏輯等。這一代單片機中，在總線方面最重要的進展是為單片機配置了芯片間的串行總線，為單片機應用系統設計提供了更加靈活的方式。Philips公司還為這一代單片機80C51系列8C592單片機引入了具有較強功能的設備間網絡系統總線-CAN(Controller Area Network BUS)。2 方案設計與論證 總體方案論證與比較方案一、采用AT89C51單片機作為整機的控制單元。以AT89C51單片機為核心的控制電路，采用模塊化的設計方案，運用光電傳感器、金屬探測傳感器、超聲波傳感器組成不同的檢

7、測電路，實現小車在行駛中自動尋跡、探測預埋金屬鐵片、躲避障礙物、測量里程等問題。并將測量數據傳送至單片機進行處理，然后由單片機根據所檢測的各種數據實現對電動小車的智能化控制3。在本系統中，反射式紅外光電傳感器檢測黑線，然后將信號傳送到單片機系統進行處理，使小車沿軌道自主行走；電感式接近開關電路代替金屬傳感器探測預埋在軌道下的金屬鐵片，并發出聲光信息進行提示；通過霍爾元件測量小車行駛里程；采用H型脈沖寬度調制（PWM）全橋式驅動電路控制電機的轉向，實現電動小車的正反向行駛、快慢速行駛及轉彎；采用LCD1602實時顯示小車行駛的時間。此系統比較靈活，采用軟件方法來解決復雜的硬件電路部分，使系統硬件

8、簡潔化，各類功能易于實現，具有高度的智能化、人性化，一定程度體現了智能，能滿足系統的要求。此方案的基本原理如圖2.1所示。  智能車運行基本原理圖框圖方案二、采用各類數字電路來組成電動小車的控制系統。采用數字電路對外圍探測軌跡信號，檢測金屬信號，避障信號，尋找光源信號分部進行處理。但對輸入輸出都是模擬量的小裝置，如果采用數字化方案，則要先用A/D轉換器將模擬量轉換為數字量，經過數字電路處理后，再經D/A轉換器將數字量轉換為模擬量。這樣必然帶來高成本、電路復雜等缺點。因此，本方案靈活性不高，效率低，不利于電動小車智能化的擴展。同時，對各路信號處理也比較困難。比較以上兩種方案的優缺點，方

9、案一簡潔、靈活、可擴展性好，能達到設計要求，因此本設計采用方案一來實現。 探測軌跡模塊 在本設計中，要求電動小車沿著路面的黑色軌道行駛。其探測路面黑線的基本原理：光線照射到路面并反射，由于黑線和白紙對光的反射系數不同，可以根據接收到的反射光強弱來判斷是否是黑線。利用這個原理，可以控制電動小車行走的路跡。下面幾種方案是根據本原理設計的。方案一、采用發光二極管發光，用光敏二極管接收。由于光敏二極管受可見光的影響較大，穩定性差，所以放棄該方案。方案二、利用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發射較弱。

10、因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩定的工作。方案三、采用反射式紅外線光電傳感器。紅外探測法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質的特點4。在小車行駛過程中不斷地向地面發射紅外光，當紅外光遇到白色紙質地板時發生漫反射，反射光被裝在電動小車上的接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，電動小車上的接收管接收不到紅外光。單片機根據是否收到反射回來的紅外光來確定黑線的位置，從而控制小車的行走路線。采用紅外線發射，外面可見光對接收信號的影響較小，再用射極輸出器對信號進行隔離。紅外線光電傳感器的

11、特點是尺寸小、使用方便、工作狀態受溫度影響小。它的外圍電路簡單。因此本方案易于實現，也比較可靠。所以本設計采用方案三。2.3 檢測金屬鐵片模塊方案一、采用探測線圈和探測儀構成的金屬探測器。此類金屬探測器利用探測線圈產生的交變磁場在接近金屬材料時產生微弱變化這一原理，將變化信號放大處理進而實現探測金屬的目的，但是該探測器的結構復雜。因此不易采用。 方案二、采用根據電渦流原理自制的傳感器。該傳感器取才方便，但難以調試，輸出信號也不可靠，成功率比較低，難以準確輸出傳感信息。方案三、利用電感式接近開關代替金屬探測器。接近開關又稱無觸點接近開關，是理想的電子開關量傳感器。它除可以完成行程控制和限位保護外

12、，還是一種非接觸型的檢測裝置，可用于檢測零件尺寸和測速等，也可用于變頻計數器、變頻脈沖發生器、液面控制和加工程序的自動銜接等。當金屬檢測體接近開關的感應區域，開關就能無接觸，無壓力、無火花、迅速發出電氣指令，準確反應出運動機構的位置和行程，即使用于一般的行程控制。其定位精度、操作頻率、使用壽命、安裝調整的方便性和對惡劣環境的適用能力，是一般機械式行程開關所不能相比的5。因此用它作為小車的金屬傳感器，簡單易行、準確且抗干擾性能優越。綜合考慮以上三種方案的優越性，本設計選擇方案三。2.4 避障模塊考慮到在測障過程中小車車速及反應調向速度的限制，小車應在距障礙物40CM的范圍內做出反應，這樣在順利繞

13、過障礙物后，可尋找到最佳的位置和方向。否則，如果范圍太大，則可能產生對障礙物的判斷失誤；范圍過小又很容易造成車身撞上障礙物或雖繞過障礙物卻無法實現理想定向。根據上述要求，提出以下方案。方案一、采用激光傳感器探測障礙物。該傳感器能非常準確地測出障礙物的存在，但價格高，處理復雜，不符合該設計的要求。方案二、采用超聲波傳感器探測障礙物。超聲波傳感器安裝于小車前端，在規定的檢測距離內，當探測到障礙物時，超聲波傳感器給出脈沖信號至單片機，單片機檢測到該信號后，調整小車的方向，以控制小車準確地繞過障礙物，而且避免因小車自然轉彎而導致的盲目方向控制。這樣不但能準確完成測量，而且能避免電路的復雜性。同時，超聲

14、波傳感器具有頻率高、波長短、繞射現象小，特別是方向性好、能夠成為射線而定向傳播等特點。超聲波對液體、固體的穿透本領很大，尤其是在光線不透明的固體中，它可穿透幾十米的深度。超聲波碰到雜質或分界面會產生顯著反射，形成回波，碰到活動物體能產生多普勒效應。因此超聲波檢測廣泛應用在工業、國防、生物醫學等方面6。智能電動小車應以準確、智能見優，因此采用方案二。2.5 尋找光源模塊方案一、采用多只方向性較強的光敏二極管作光源定位器。若干定位器在水平面上按不同角度展開，在尋找光源時根據每個定位器接收到的光線強弱（有無）得出光源的方位。該方案若采用方向性較強的光敏二極管作為光源定位器，要么是需要很多的器件，要么

15、是難以檢測到光源的方向。方案二、利用由光敏電阻組成的光控開關電路。利用光敏電阻阻值隨光強弱變化的特性組成光控開關電路，檢測光源。光敏電阻是用光電導體制成的光電器件，又稱光電管，它是基于半導體內光電效應工作的。當無光照射時，光敏電阻值（暗電阻）很大，電路中電流很小。當光敏電阻受到一定波長范圍的光照時，它的阻值（亮電阻）急劇減少，因此電路中電流迅速增加。光敏電阻具有很高的靈敏度、很好的光譜特性，光譜響應從紫外區一直到紅外區，而且體積小、重量輕、性能穩定，因此在自動化技術中得到了廣泛的應用【7】。綜合考慮到上述方案的優缺點，本設計采用方案二。2.6 顯示模塊方案一、采用LED數碼管顯示。在系統中要用

16、到多只LED數碼管進行動態顯示即可達到要求。其優點是價格便宜，壽命長。缺點是只能顯示09的數字和一些簡單的字符，電路設計繁鎖，且占用空間。方案二、采用LCD1602液晶顯示器。LCD廣泛應用于微型計算機控制系統中。與LED相比，它具有功耗低，抗干擾能力強，體積小，廉價的特點，且有良好的人機界面，直觀，顯示效果漂亮。目前已廣泛應用在各種顯示領域。另外，LCD在大小和形狀上更加靈活，接口簡單，不但可以顯示數字、字符，而且可以顯示漢字和圖形，因此在袖珍儀表、醫療儀器、分析儀器及低功耗便攜式儀器中，LCD已成為一種占主導地位的顯示器件【8】。因此，本設計采用方案二。 測量里程模塊方案一、通過測試得出小

17、車平均速度v，在行駛過程中將行駛時間與其乘積t*v作為駛過的里程。但該方案受電池電量、路面介質等因素的影響，在大多數情況下均暴露出誤差較大的缺點。故不予采用。方案二、采用開關式霍爾元件。在車輪上安裝小磁鋼，將霍爾開關器件安裝在固定軸上。當車輪轉動時,磁鋼也跟著轉動,霍爾元件感應到磁場的變化時,就會產生通斷效果,使單片機的輸入端產生高低電平的變化,從而使其計數小車車輪轉的圈數,假設為N,并設車輪的周長為L,通過S=N*L,就可以計算出小車在一段時間內的里程。霍爾元件由于它的霍爾效應顯著而得到實用和發展，被廣泛用于電流、磁場、位移、壓力等物理量的測量。同時，霍爾元件具有體積小，頻率響應寬度大，動態

18、特性好，抗干擾能力強，對外圍電路要求簡單，使用壽命長，價格低廉等特點，安裝也較為方便【7】。只要磁鋼在后輪上的位置足夠精確，霍爾開關固定牢靠，就可以獲得較好的測試效果。方案三、采用透射式光電開關。在齒輪箱中安裝透射式光電開關，測出變速齒輪的每秒轉速，用變速比和車輪周長計算出線速度，積分求行駛里程。但在齒輪箱中使用光電開關，要求有足夠的安裝位置，不能影響傳動機構的機械動作。通過比較上述方案的優缺點，綜合多方面因素決定選用方案二。2.8 電動機驅動模塊方案一、使用功率三極管作為功率放大器的輸出控制直流電機。線性型驅動的電路結構和原理簡單，成本低，加速能力強，但功率損耗大，特別是低速大轉距運行時，通

19、過電阻R的電流大，發熱厲害，損耗大，對于小車的長時間運行不利。方案二、采用繼電器控制電機。采用繼電器對電機的開或關進行控制。通過開關的切換對小車的速度進行調整.此方案的優點是電路較為簡單,缺點是繼電器的響應時間慢,易損壞,壽命較短,可靠性不高【1】。方案三、采用H型脈沖寬度調制（PWM）全橋式驅動電路。通過PWM脈寬調制的方法,實現對小車速度的控制。這種調速方式有調速特性優良、調整平滑、調速范圍廣、過載能力大，能承受頻繁的負載沖擊，還可以實現頻繁的快速啟動、制動和反轉等優點，是一種廣泛采用的調速技術。H型全橋式電路保證了可以簡單地實現轉速和方向的控制。這種驅動電路可以很方便實現直流電機的四象限

20、運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。為了電路設計簡單，采用電機專用驅動芯片L298N，其驅動電流大，瞬時電流最高可達2A，為電機驅動專門設計，工作穩定可靠。完全滿足設計要求9。綜合三種方案的優缺點，決定選擇方案三。3 硬件電路設計單片機（SCM）是單片微型計算機（Single Chip Microcomputer）的簡稱。它是把中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、I/O接口電路、定時/計數器以及輸入輸出適配器都集成在一塊芯片上，構成一個完整的微型計算機。隨著SCM在技術上、體系上不斷擴展其控制功能，國際上已經采用MCU（MicroControllerUnit）代替單

21、片機的名詞。它的最大優點是體積小，可放在儀表內部。但存儲量小，輸入輸出適配器簡單，功能較低。目前，單片機在民用和工業測控領域得到最廣泛的應用，早已深深地融入人們的生活中。近年來，AT89C51在我國非常流行，它最大的特點是內部有可以多次重復編程的閃爍ROM,并且閃爍ROM可以直接用編程器來擦寫（電擦寫），使用起來比較方便【10】。一個單片機應用系統的硬件電路設計包含有兩部分內容：一是系統擴展，即單片機內部的功能單元，如ROMRAMI/O口定時/記數器中斷系統等能量不能滿足應用系統的要求時，必須在片外進行擴展，選擇適當的芯片，設計相應的電路。二是系統配置，既要按照系統功能要求配置外圍設備，如鍵盤

22、顯示器打印機A/DD/A轉換器等，又要設計合適的接口電路。本系統采用AT89C51單片機作為中央處理器。其主要任務是在小車行走過程中不斷讀取傳感器采集到的數據，將得到的數據進行處理后，來控制小車行走，同時將相關數據送顯示單元動態顯示。 在本系統中，AT89C51單片機的P1口用于LCD1602顯示，P、口用于電動機的PWM驅動控制，P、P口用于探測軌跡，口用于探測障礙物，口用于尋找光源。用于LED提示，用于蜂鳴器報警，外部中斷0用于檢測金屬鐵片，外部中斷1用于計數脈沖，從而達到測量里程的目的。 AT89C51單片機硬件結構AT89C51是一種低功耗/低電壓、高性能的八位CMOS單片機，片內有一

23、個4KB的FLASH可編程可擦除只讀存儲器（FPEROMFlash Programmable and Erasable Read Only Memory），它采用了CMOS工藝和ATMEL公司的高密度非易失性存儲器技術，而且其輸出引腳和指令系統都與MSC51兼容。片內置通用8位中央處理器（CPU）和FLASH存儲單元，片內的存儲器允許在系統內改編程序或用常規的非易失性存儲器編程。因此，AT89C51是一種功能強、靈活性高且價格合理的單片機，可方便的應用于各種控制領域11。 主要特性(1)與MCS-51產品指令系統兼容 (2)4K字節可編程閃爍存儲器 (3)壽命：1000寫/擦循環(4)數據保留

24、時間：10年(5)全靜態工作：0Hz-24Hz(6)三級程序存儲器鎖定(7)128*8位內部RAM(8)32可編程I/O線(9)兩個16位定時器/計數器(10)6個中斷源 (11)可編程串行通道(12)低功耗的閑置和掉電模式(13)片內振蕩器和時鐘電路 另外，AT89C51是用靜態邏輯來設計的，其工作頻率可下降到零并提供兩種軟件的省電方式-空閑方式和掉電方式。在空閑方式中，CPU停止工作。在掉電方式中，片內振蕩器停止工作，由于時鐘被“凍結”，使一切功能都暫停，只保存片內RAM中的內容，直到下次硬件復位為止。 管腳說明 VCC（40）：供電電壓，其工作電壓為5V。GND（20）：接地。P0端口）

25、：P0口為一個8位漏級開路雙向I/O口，每腳可吸收8TTL門電流。當P1口的管腳第一次寫1時，被定義為高阻輸入。P0能夠用于外部程序數據存儲器，它可以被定義為數據/地址的第八位。在FIASH編程時，P0 口作為原碼輸入口，當FIASH進行校驗時，P0輸出原碼，此時P0外部必須被拉高。P1端口）：P1口是一個內部提供上拉電阻的8位雙向I/O口，P1口緩沖器能接收輸出4TTL門電流。P1口管腳寫入1后，被內部上拉為高電平，可用作輸入，P1口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。在FLASH編程和校驗時，P1口作為第八位地址接收。 P2端口）：P2口為一個內部上拉電阻的8位雙向I

26、/O口，P2口緩沖器可接收，輸出4個TTL門電流，當P2口被寫“1”時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。并因此作為輸入時，P2口的管腳被外部拉低，將輸出電流。這是由于內部上拉的緣故。P2口當用于外部程序存儲器或16位地址外部數據存儲器進行存取時，P2口輸出地址的高八位。在給出地址“1”時，它利用內部上拉優勢，當對外部八位地址數據存儲器進行讀寫時，P2口輸出其特殊功能寄存器的內容。P2口在FLASH編程和校驗時接收高八位地址信號和控制信號。P3端口）：P3口管腳是一個帶有內部上拉電阻的8位的雙向I/O端口，可接收輸出4個TTL門電流。當P3口寫入“1”后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入

27、。作為輸入端時，由于外部下拉為低電平，P3口將輸出電流（ILL）。 P3口也可作為AT89C51的一些特殊功能口，如所示。表3.1 P3端口引腳兼用功能表P3口同時為閃爍編程和編程校驗接收一些控制信號。復位RST(9)：復位輸入。在振蕩器運行時，有兩個機器周期（24個振蕩周期）以上的高電平出現在此引腳時，將使單片機復位，只要這個腳保持高電平，51芯片便循環復位。復位后P3.0-P3.7口均置1，引腳表現為高電平，程序計數器和特殊功能寄存器SFR全部清零。當復位腳由高電平變為低電平時，芯片為ROM的00H處開始運行程序。復位操作不會對內部RAM有所影響。ALE/(30)：當訪問外部存儲器時，地址

28、鎖存允許的輸出電平用于鎖存地址的地位字節。在FLASH編程期間，此引腳用于輸入編程脈沖。在平時，ALE端以不變的頻率周期輸出正脈沖信號，此頻率為振蕩器頻率的1/6。因此它可用作對外部輸出的脈沖或用于定時目的。然而要注意的是：每當用作外部數據存儲器時，將跳過一個ALE脈沖。如想禁止ALE的輸出可在SFR8EH地址上置0。此時， ALE只有在執行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，該引腳被略微拉高。如果微處理器在外部執行狀態ALE禁止，置位無效。 (29)：外部程序存儲器的選通信號。在由外部程序存儲器取指令期間，每個機器周期兩次有效。但在訪問外部數據存儲器時，這兩次有效的信號將不出現。E

29、A/VPP(31)：當保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（0000H-FFFFH），不管是否有內部程序存儲器。注意加密方式1時，將內部鎖定為RESET；當端保持高電平時，此間內部程序存儲器。在FLASH編程期間，此引腳也用于施加12V編程電源（VPP）。XTAL1(19)：反向振蕩放大器的輸入及內部時鐘工作電路的輸入。XTAL2(18)：來自反向振蕩器的輸出。其引腳圖如圖3.1所示。圖3.1 AT89C51引腳圖 振蕩器特性 XTAL1和XTAL2分別為反向放大器的輸入和輸出。該反向放大器可以配置為片內振蕩器。石晶振蕩和陶瓷振蕩均可采用。如采用外部時鐘源驅動器件，XTAL2應不接。有余輸入

30、至內部時鐘信號要通過一個二分頻觸發器，因此對外部時鐘信號的脈寬無任何要求，但必須保證脈沖的高低電平要求的寬度。3.1.2 芯片擦除整個PEROM陣列和三個鎖定位的電擦除可通過正確的控制信號組合，并保持ALE管腳處于低電平10ms 來完成。在芯片擦除操作中，代碼陣列全被寫“1”且在任何非空存儲字節被重復編程以前，該操作必須被執行。此外，AT89C51設有穩態邏輯，可以在低到零頻率的條件下靜態邏輯，支持兩種軟件可選的掉電模式。在閑置模式下，CPU停止工作。但RAM，定時器，計數器，串口和中斷系統仍在工作。在掉電模式下，保存RAM的內容并且凍結振蕩器，禁止所用其他芯片功能，直到下一個硬件復位為止。3

31、.1.5 AT89C51最小系統 AT89C51最小系統接線如圖3.2所示，在XTAL1、XTAL2端接上晶振及兩個諧振電容，在RESET端接上相應的電阻、電容，如需要按鍵復位，加上按鍵即可組成一個最小系統，按要求通電后，系統就可以工作了。 圖3.2 AT89C51最小系統 探測軌跡電路軌跡探測電路根據反射接收原理配置了一對紅外線發射、接收傳感器。該電路包括一個紅外發光二極管、一個紅外光敏三極管及其上拉電阻。如圖3.4所示。紅外發光二極管發射一定強度的紅外線照射物體，紅外光敏三極管在接收到反射回來的紅外線后導通，發出一個電平跳變信號。當小車在白色地面行駛時，裝在車下的紅外發射管發射紅外線信號，

32、 經白色反射后，被接收管接收，一旦接收管接收到信號，那么圖中光敏三極管將導通，輸出低電平，經LM306電壓比較器送單片機控制。當小車行駛到黑色引導線時，紅外線信號被黑色吸收后，光敏三極管截止，輸出高電平，從而實現了通過紅外線檢測信號的功能。將檢測到的信號送到單片機I/O口，當I/O口檢測到的信號為高電平時，表明紅外光被地上的黑色引導線吸收了，表明小車處在黑色的引導線上；同理，當I/O口檢測到的信號為低電平時，表明小車行駛在白色地面上。即當小車底部的某邊紅外線收發對管遇到黑帶時輸入電平為高電平，反之為低電平4。圖3.3 軌跡探測電路圖為了保證小車沿黑線行駛，采用了兩個檢測器并行排列，左右方向都可

33、以進行控制，控制精度得以提高。在小車行走過程中，結合查詢方式，通過程序控制小車行走軌跡。如果左方向偏離黑線，則右側的探頭就會檢測到黑線，把信號傳送到單片機，進行處理校正。控制其向右轉；如果右方向偏離黑線，則左側的探頭就會檢測到黑線，把信號傳送到單片機，進行處理校正。控制其向左轉。從而保證小車沿黑線行駛。電路中的可調電阻可調節靈敏度，以滿足小車在不同光度的環境中能夠尋跡。由于接收對管裝在車底，發射距離的遠近較難控制，調節可調電阻，靈敏度不高，因此采用在對管上套一塑料管，屏蔽外界光的影響，靈敏度將大幅提升。在該電路中，加比較器LM306的目的是使模擬量轉化為開關量，便于處理。 3.3 檢測金屬片電

34、路電感式接近開關由三大部分組成：LC振蕩器、開關電路及放大輸出電路。它的工作原理是外界的金屬性物體對它的高頻振蕩器產生非接觸式感應作用。振蕩器即是由纏繞在鐵氧體磁芯上的線圈構成的LC振蕩電路。振蕩器通過傳感器的感應面，在其前方產生一個高頻交變的電磁場。當外界的金屬性導電物體接近這一磁場，并到達感應區時，在金屬物體內產生渦流效應，這個渦流反作用于接近開關，從而導致LC振蕩電路振蕩能力衰減，振幅變小，內部電路的參數發生變化，即稱之為阻尼現象。這一振蕩的變化，即被開關的后置電路放大處理并轉換為一確定的輸出信號，觸發開關并驅動控制器件，從而達到非接觸式目標檢測之目的。這種接近開關所能檢測的物體必須是金

35、屬物體。其原理框圖如圖3.4所示。圖3.4 接近開關原理框圖在車底中部安裝一個金屬檢測傳感器，將其檢測面對準運行路面，當小車通過金屬鐵塊時，輸出端輸出一個高電平信號，將這個高電平信號通過74LS04反相器，將信號用單片機檢測出來，借此控制電動機產生相應的動作，并聲光提示。檢測金屬鐵片電路原理圖如圖所示。圖3.5 檢測金屬鐵片電路原理圖 檢測障礙物電路 采用超聲波傳感器探測障礙物。超聲波是一種在彈性介質中的機械振蕩，其頻率超過20KHz，分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，其傳播速度不同。它有折射和反射現象，且在傳播過程中有衰減。利用超聲波的特性，可做成各種超聲波傳感器

36、，結合不同的電路，可以制成超聲波儀器及裝置，在通訊、醫療及家電中獲得廣泛應用。作為超聲波傳感器的材料，主要為壓電晶體。壓電晶體組成的超聲波傳感器是一種可逆傳感器，它可以將電能轉變成機械振蕩而產生超聲波，同時它接收到超聲波時，也能轉變成電能，故它分為發送器和接收器。超聲波傳感器有透射型、反射型兩種類型，常用于防盜報警器、接近開關、測距及材料探傷、測厚等。本設計應用反射式超聲波探測電路探測障礙物。該電路分為超聲發射電路，超聲接收電路和信號處理電路12。（1）超聲發射電路超聲發射電路由時基電路555組成，555振蕩電路的頻率可以調整，調節電位器RP1可以將接受超聲傳感器的輸出電壓調至最大，通常可調至

37、40kHz。電路如圖3.6所示。圖3.6 超聲波發射電路該電路用到時基電路LM555。 LM555 時基電路內部由分壓器、比較器、觸發器、輸出管和放電管等組成，是模擬電路和數字電路的混合體。其各個引腳的功能如下：6腳為閥值端（TH），是上比較器的輸入。2腳為觸發端（TR），是下比較器的輸入。3腳為輸出端（OUT），有0和1兩種狀態，它的狀態由輸入端所加的電平決定。7腳為放電端（DIS），是內部放電管的輸出，它有懸空和接地兩種狀態，也是由輸入端的狀態決定。4腳為復位端（R），叫上低電平（）時可使輸出端為低電平。5腳為控制電壓端(CV )，可以用它來改變上下觸發電平值。8腳為電源（VCC），1腳為

38、地（GND）。一般可以把 LM555 電路等效成一個大放電開關的R-S 觸發器。這個特殊的觸發器有兩個輸入端：閥值端（TH）可看成是置零端 R，高電平有效；觸發端（TR）可看成是置位端S，低電平有效。它只有一個輸出端OUT，OUT可等效成觸發器的Q 端。放電端（DIS）可看成由內部放電開關控制的一個接點，放電開關由觸發器的反Q端控制：反Q=1時DIS 端接地；反Q=0時DIS端懸空。此外這個觸發器還有復位端 R，控制電壓端CV，電源端VCC和接地端GND。圖3.7是等效的觸發器和它的功能真值表。 圖3.7 等效的觸發器和它的功能真值表這個特殊的R-S 觸發器工作原理：兩個輸入端的觸發電平要求一

39、高一低：置零端R即閥值端TH要求高電平，而置位端S即觸發端TR則要求低電平。兩個輸入端的觸發電平，是使它們翻轉的閥值電壓值也不同，當CV端不接控制電壓時，對TH（R）端來講，大于2/3VCC是高電平1，小于2/3VCC是低電平0；而對 TR（S）端來講，大于1/3VCC是高電平1，小于1/3VCC是低電平0。如果在控制端CV加上控制電壓VC，這時上觸發電平就變成VC值，而下觸發電平則變成 1/2VC。可見改變控制端的控制電壓值可以改變上下觸發電平值。（2）超聲波接收電路 超聲波接收電路使用超聲波接收傳感器，當它接收到超聲波信號（為正弦波信號）后輸入到集成比較器LM393進行處理。LM393輸出

40、的是比較規范的方波信號。將此方波信號輸出到信號處理電路。電路如圖3.8所示。圖3.8 超聲波接收和處理電路 （3）信號處理電路 信號處理電路使用集成電路LM2907N，它原是測量轉速用的IC,其內部有F/V轉換器和比較器、充電泵、高增益運算放大器，它的輸出要求有一定頻率的信號，能將頻率信號轉換為直流電壓信號。LM2907N具有以下特點：LM2907N進行頻率倍增時只需使用一個RC網絡；以地為參考點的轉速計（頻率）輸入可直接從輸入管腳接入；運算放大器比較器采用浮動三極管輸出；最大50mA的輸出電流可驅動開關管、發光二極管等；內含的轉速計使用充電泵技術，對低紋波有頻率倍增功能；比較器的滯后電壓為3

41、0mV利用這個特性可以抑制外界干擾；輸出電壓與輸入頻率成正比，線性度典型值為±0.3%；具有保護電路，不會受高于Vcc值或低于地參考點輸入信號的損傷；在零頻率輸入時，LM2907N的輸出電壓可根據外圍電路自行調節；當輸入頻率達到或超過某一給定值時，可將輸出用于驅動繼電器、指示燈等負載。LM2907N的內部結構及各引腳功能如圖3.9所示，LM2907N的引腳功能如下： 腳（F）和11腳（IN-）為運算放大器比較器的輸入端 腳接充電泵的定時電容（C1）3腳接充電泵的輸出電阻和積分電容（R1/C2） 4腳（IN+）和10腳（UF1）為運算放大器的輸入端 5腳為輸出晶體管的發射極（U0）8腳

42、為輸出晶體管的集電極，一般接電源（UC） 9腳為正電源端（VCC） 12腳為接地端（GND） 6，7，13，14腳未用圖3.9 LM2907N原理框圖電阻的分壓，LM290N7的10腳電壓Vop-=6V，這是內部比較器的參考電壓。內部比較器的4腳電壓為Vop+輸入電壓，它是電阻R（51K）上的電壓，這個電壓和頻率有關的。當Vop+大于Vop-時，比較器輸出為“1”，LM2907N內部三極管導通（或飽和）輸出為“0”,則發光二極管LED點亮。因此，當超聲發射電路由LM555產生40KHz方波來起振超聲波發射探頭，使其發射超聲波，如智能電動小車前方遇到障礙物時，此超聲波信號被障礙物反射回來，超聲波

43、接收電路接收到超聲波信號（為正弦波信號）后輸入到比較器LM393使其調整為方波輸出到LM2907N，LM2907N芯片會把此方波信號的頻率轉化為對應電壓值，當此電壓值大于由4號引腳輸入的門電壓時，LM2907N的8號引腳輸出低電平，LED處于發光狀態。即當有障礙物時LED處于發光狀態，LM2907N的8號引腳輸出低電平，同時通過8腳將信號送給單片機，使單片機該根據信號控制小車轉向，從而實現避開障礙物的目的。 檢測光源電路利用光敏電阻阻值隨光強弱變化的特性組成光控開關電路，如圖3.10所示，檢測光源。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，即光敏電阻。它根據照射在它上面的

44、光線的強弱，阻值發生變化，輸出電壓隨之變化。當小車前方無光照射時, 光敏電阻阻值很大，三極管處于截止狀態, 集電極輸出高電平；當有光照射時, 光敏電阻阻值變小, 三極管飽和導通7。將檢測到的高低電平信號送單片機, 依此調整車頭方向, 使其沿光源方向行駛。圖3.10 光源檢測電路 顯示電路本設計采用LCD1602顯示，其與單片機的連接方式如圖1所示。單片機的P1口與LCD1602的連接。圖3.11 顯示電路該電路用到2行16個字的DM-162液晶模塊，它采用標準的14腳接口，如圖2所示。其中:圖3.12 DM-162液晶模塊(1)第1腳：VSS為地電源(2)第2腳：VDD接5V正電源(3)第3腳

45、：V0為液晶顯示器對比度調整端，接正電源時對比度最弱，接地電源時對比度最高。(4)第4腳：RS為寄存器選擇，高電平時選數據寄存器、低電平時選指令寄存器。(5)第5腳：RW為讀寫信號線，高電平時進行讀操作，低電平時進行寫操作。當RS和RW共同為低電平時可以寫入指令或者顯示地址，當RS為低電平RW為高電平時可以讀忙信號，當RS為高電平RW為低電平時可以寫入數據。(6)第6腳：E端為使能端，當E端由高電平跳成低電平時，液晶模塊執行命令。(7)第714腳：D0D7為8位雙向數據線。 測量里程電路本設計采用霍爾傳感器A4EE測量里程。A4EE集成霍爾開關屬于開關型的霍爾器件，其工作電壓范圍比較寬（18V

46、），其輸出的信號符合TTL電平標準。它由穩壓器A、霍爾電勢發生器(即硅霍爾片)B、差分放大器C、施密特觸發器D和OC門輸出E五個基本部分組成12。如圖3.13所示。在輸入端輸入電壓VCC，經穩壓器穩壓后加在霍爾電勢發生器的兩端，根據霍爾效應原理，當霍爾片處在磁場中時，在垂直于磁場的方向通以電流，則與這二者相垂直的方向上將會產生霍爾電勢差HV輸出，該HV信號經放大器放大后送至施密特觸發器整形，使其成為方波輸送到OC門輸出。當施加的磁場達到工作點時，觸發器輸出高電壓(相對于地電位)，使三極管導通，此時OC門輸出端輸出低電壓，通常稱這種狀態稱為開。當施加的磁場達到釋放點時，觸發器輸出低電壓，三極管截

47、止，使OC門輸出高電壓，這種狀態稱為關。兩次電壓的變換，霍耳開關就完成了一次開關動作。圖3.13 霍爾傳感器A4EE的內部結構將霍爾元器件以一定方式裝成后，再將霍爾傳感器H的1腳和3腳間接2K的電阻12，霍爾傳感器的使用原理如圖3.14所示。在非磁材料的車后輪上粘貼片磁鋼（N、S磁極），將霍爾傳感器固定在小磁鋼（N、S磁極）附近，當車輪轉動時,磁鋼也跟著轉動,霍爾元件感應到磁場的變化。若N極經過霍爾開關，其輸出電壓為正，則S極經過霍爾開關，其輸出電壓為負;反之，亦然。所以N極穿過霍爾開關產生正脈沖，S極穿過霍爾開關產生負脈沖。每經過一對N、S極，就出現一個完整的正弦波或一對正、負方波。因此，汽

48、車后輪每轉一圈，霍爾元件產生個脈沖，將其送入單片機進行計數小汽車車輪轉的圈數，轉一周所產生的正負方波總長度，即是電機的轉動周期T。將其送入單片機進行計數，假設為N,并設車輪的周長為L,通過S=N*L,就可以計算出小車在一段時間內的距離。本設計選擇P3.3口作為信號的輸入端，內部采用外部中斷1，車輪每轉一圈，霍爾開關就檢測并輸出信號，引起單片機的中斷，從而對脈沖計數。 圖3.14 霍爾傳感器測速電路 電動機驅動電路直流電機驅動電路使用最廣泛的就是H型全橋式驅動電路。這種驅動電路可以很方便實現直流電機的四象限運行，分別對應正轉、正轉制動、反轉、反轉制動。它的基本原理圖如圖5所示。 圖3.15 H型

49、全橋式驅動電路 全橋式驅動電路的4只開關管都工作在斬波狀態，S1、S2為一組，S3、S4 為另一組，兩組的狀態互補，一組導通則另一組必須關斷。當S1、S2導通時，S3、 S4關斷，電機兩端加正向電壓，可以實現電機的正轉或反轉制動；當S3、S4導通時，S1、S2關斷，電機兩端為反向電壓，電機反轉或正轉制動。當全部導通時，電機處于剎車狀態。當全部關斷時，電機將自由滑行8。其工作狀態表如表3.2所示。表3.2 電機工作狀態表狀態S1S2S3S4正轉1100反轉0011剎車1111滑行0000在本設計中用到電機驅動芯片L298N。PWM輸出脈沖信號經雙H橋功率驅動電路L298N后接至電機，控

50、制小車運動。如圖3.16所示。L298N芯片是一種高壓、大電流雙全橋式驅動器，其設計是為接受標準TTL邏輯電平信號和驅動電感負載的。每個H橋的下側橋臂晶體管發射極連在一起，其輸出腳（SENSEA和SENSEB）用來連接電流檢測電阻。Vcc接邏輯控制的電源。Vs為電機驅動電源。IN1-IN4輸入引腳為標準TTL 邏輯電平信號，用來控制H橋的開與關即實現電機的正反轉，ENA、ENB引腳則為使能控制端，用來輸入PWM信號實現電機調速。圖3.16 H型全橋式驅動電路4 軟件設計 程序設計程序設計(Programming)是指設計、編制、調試程序的方法和過程。它是目標明確的智力活動。在進行微機控制系統設

51、計時，除了系統硬件設計外，大量的工作就是如何根據每個生產對象的實際需要設計應用程序。因此，軟件設計在微機控制系統設計中占重要地位。對于本系統，軟件也占有重要的地位。在單片機控制系統中，大體上可分為數據處理、過程控制兩個基本類型。數據處理包括：數據的采集、數字濾波、標度變換等。過程控制程序主要是使單片機按一定的方法進行計算，然后再輸出，以便控制生產13。為了完成上述任務，在進行軟件設計時，通常把整個過程分成若干個部分，每一部分叫做一個模塊。把一個程序分成具有多個明確任務的程序模塊，分別編制、調試后再把它們連接在一起形成一個完整的程序，這樣的程序設計方法稱為模塊化程序設計。所謂“模塊”，實質上就是

52、能完成一定功能，并相對獨立的程序段，這種程序設計方法稱為模塊程序設計法14。模塊程序設計法的主要優點是：(1)單個模塊比起一個完整的程序易編寫、調試及修改。(2)程序的易讀性好。(3)程序的修改可局部化。(4)模塊可以共存，一個模塊可以被多個任務在不同條件下調用。(5)模塊程序允許設計者分割任務和利用已有程序，為設計者提供方便。本系統軟件采用模塊化結構，由主程序中斷程序（探測金屬和測量里程）、躲避障礙物子程序構成。 主程序設計在系統的程序設計中，主控模塊只負責根據消息調用相應模塊的處理函數，具體如何處理這些消息由各功能模塊中的對應程序決定。在主程序模塊中，需要完成對各模塊接口的初始化，LCD1

53、602的初始化、中斷向量的設計以及開中斷、循環等待等工作。另外，在主程序模塊中還需要設置啟動/清除標志寄存器，并對它們進行初始化。然后，主程序將根據各標志寄存器的內容，分別完成不同的操作。主程序流程圖如圖所示。當接通電源時，小車啟動，同時LCD1602開始計時。在行駛中，結合程序查詢方式，若為高電平表示小車左方向偏離黑線，則控制小車右轉；若為高電平時表示小車右方向偏離黑線，則控制小車左轉，從而實現自動尋跡。當檢測到障礙物時，調用躲避障礙物子程序，達到躲避障礙物的目的。當檢測到金屬鐵片時，產生中斷，進行聲光提示。最后通過光源的引導，停車。圖4.1 主程序流程圖主程序： RIGHT_BLACK E

54、QU P0.3 ;右邊黑線LEFT_BLACK EQU P0.4 ;左邊黑線 ZHANGAI LEFT_LAMP EQU P0.0 ;左邊光源 RIGHT_LAMP EQU P0.1 ;右邊光源 BELL EQU P0.6 ;蜂鳴器 LED EQU P0.7 ;LED DATA1602 EQU P1 ;1602數據端口 RS EQU RW EQU E EQU IN2 EQU P2.1 ;L298N電機驅動芯片端口定義 ENA EQU P3.4 ;L298N ENA端口定義 SECBUF EQU 21H ;秒緩沖 MINBUF EQU 22H ;分緩沖 BUF EQU 20H LCD1 EQU

55、30H LCD2 EQU 31H LCD3 EQU 32H LCD4 EQU 33H LCD5 EQU 34H COUNTER EQU 35H ;計數次數 LENGTH EQU 36H ;周長 LICHENG EQU 37H ;里程 ORG 0000H LJMP MAIN ORG 0003H LJMP EXT0 ORG 000BH LJMP ITT0 ORG 0013H ;外部中斷1,車輪轉一圈時,光電傳感器發出一個脈沖 LJMP EXT1 ORG 0100HMAIN:MOV R0,#00H MOV LCD1,#0 MOV LCD2,#0 MOV LCD3,#11 MOV LCD4,#0 MOV LCD5,#0 MOV BUF,#0 MOV SECBUF,#0 MOV MINBUF,#0 SETB P3.5 MOV SP,#60H MOV TMOD,#11H MOV TH0,#3Ch MOV TL0,#0B0h MOV LENGTH,#1 ;設周長為1SETB EA SETB ET0SETB ET1 SETB IT0 SETB EX0SETB EX1 SETB TR0 SETB PT0 MOV DATA1602,#00000001B;清屏并光標復位 ACALL EN