往返智能小车论文文档格式.docx
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9、挡板检测模块
B、系统各模块的最终方案
C、系统总体设计框图
二、系统主要电路设计
1、直流电机驱动模块设计
2、黑线检测电路设计
3、路程检测电路设计
4、LED显示电路
5、稳压电源电路设计
三、系统软件设计
1、车底黑线检测设计
2、PWM程序设计
3、路程计算原理设计
4、主程序流程图
5、挡板检测流程图
四、系统测试
1、测试仪器
2、计时测试
3、路程测试
4、限速区测试
5、系统实现的功能
6、结论
五、总结
六、参考文献
0七、附录
A、系统基本方案
根据题目要求，系统可以划分为控制部分和信号检测部分。
其中控制部分包括：
控制器模块，电机驱动模块，显示模块。
信号检测部分包括：
黑带检测模块，距离检测模块和挡板检测模块，模块框图如图1所示。
为实现各模块的功能,分别做了几种不同的设计方案并进行了论证。
图1：
系统的基本模块框图
根据题目要求，控制器主要用于各个传感器信号的接收和控制电机从而控制小车的行驶速度和方向，并且显示小车的行驶时间和距离。
对于控制器的选择，有以下两种方案。
方案一：
采用89C51单片机实现，单片机软件编程自由度大，可用编程实现各种控
制算法和逻辑控制。
但是89C51需外接模数转换器来满足数据采样。
如果系统增加语音播放功能，还需外接语音芯片，对外围电路来说，比较复杂，且软件实现也较麻烦。
另外，51单片机需要用仿真器来实现软硬件调试，较为繁琐。
方案二：
采用SPCE061A单片机实现，此单片机内置8路ADC,2路DAC,且集成开发环中，配有很多语音播放函数，用SPCE061A实现语音播放极为方便。
另外，比较方便的是该芯片内置在线仿真、编程接口，可以方便实现在线调试，这大大加快了系统的开发与调试。
基于以上分析拟订方案二。
2、电机模块的选择
方案一：
采用一般的玩具电机。
虽然玩具直流电机价格便宜，空载转速快，
但弱点是力矩小，负载性能差，不易调速。
所以不适宜用于此处
方案二：
采用步进电机，步进电动机的一个显著的特点就是具有快速启动和停止能力，能够达到我们所要求的标准。
如果负荷不超过步进电机所能提供的动态转矩值，就能够立即是步进电机启动或反转。
其转换灵敏度比较高。
正转、反转控制灵活。
但是步进电机的价格比较昂贵，对于我们的现状相差太远。
方案三：
采用直流减速电机。
直流减速电机具有优良的调速特性，调速平滑、方便，而且制动能力好，调整范围广；
过载能力强，能承受频繁的冲击负载，可实现频繁的无极快速启动、制动和反转。
能满足各种不同的特殊运行要求。
同时，直流减速电机价格适宜，更易于购买，并且电路相对简单。
基于以上分析拟订方案三。
3、电机驱动模块的选择
采用继电器对电动机的开关控制，通过控制开关的切换速度实现对小车的速度进行调整。
这个电路的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间长，易于损坏，寿命较短、可靠性小。
采用技术成熟的电机驱动芯片L293N,不仅可以大大简化驱动电路，而且功率容量大，输出电压最高可达32V，可以直接通过电源来调节输出电压；
可以直接用单片机的IO口提供信号；
而且电路简单，使用比较方便，通过实验，我们发现L293D芯片能稳定地驱动电机。
图2：
L293D集成芯片
L293D的使用非常简单，如图2所示，管脚1、2、7、9、10、15是用来控制电机动、停的关键，是由单片机的P0.0、P1.0、P1.1、P0.1、P1.2、P1.3控制的。
前三个管脚是用来控制第一个电机，后三个是用来控制第二个电机的。
当使能端1或9脚接收到单片机发送的高电平时，芯片就可以由2、7或10、15脚分别控制两个电机正反转。
如果，2、7同时为高或低电平时电机停止运转。
只要这两个管脚电平不同电机就可以运转，10、15两个管脚同2、7一样。
293芯片的输出分别是3、6脚和11、14脚。
其余的4、5、12、13是接地用的，VSS、VS分别接5V、12V。
4、距离检测模块
方案一：
采用反射式红外发射一接收管，通过测量车轮在行驶过程中所转的圈数，再乘以车轮的周长，就可以得到小车的行驶距离。
在车轮上描绘黑白两种颜色，两者对红外线的反射程度不同，则可以得到高低不同的脉冲电平，通过单片机计数，就可以测得车轮所转的圈数，从而得到车速和距离。
但是红外发射接收管有时容易受外界光的影响，精确度不够。
利用霍尔元件来对转过的车轮圈数来计程，在车轮子上装六块小磁片，霍尔元件每靠近磁片一次就会产生信号，通过单片机统计信号的个数，然后乘以车轮周长的六分之一。
由于此方案将周长分成六块大大提高的精确度，而且传感的信号强，电路简单且精度高。
5、黑线检测模块
采用发光二极管发光，用光敏二极管接收。
当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。
因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化，通过阻值的变化可以输出高低电平。
但是由于光敏二极管受可见光的影响较大，稳定性差。
采用红外线发射接收一体管，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。
最后通过LM339把输出的电压信号转化为TTL电平信号送给单片机。
为了屏蔽外界光的影响，使灵敏度大幅提升，可以在对管上套一塑料纸。
实验证明，此方案应用简单，体积小，工作稳定，精度较高。
6、显示模块
采用16位字符型液晶（LCD）显示各种相关数据和信息，利用2行字符型液晶显示的大容量特性。
用LCD可以用中文标志区别路程与时间，LCD的模块体积也较小。
采用8位LED七段数码管，4位数码管显示时间，4位数码管显示路程，采用ZLG7289驱动,实现单片机I/O口的并用，电路结构简单。
但是，LED数码管有的管道容易失灵烧坏，且不能明确标出时间与路程及其单位。
基于以上分析拟订方案一。
7、小车的选择
直接改装市场上的玩具车，制作时间短，但成本高，安装灵活性不够，很难达到题目的要求。
根据题目要求，自行制作小车，设计灵活性高。
用玻璃板制作底板，不但美观而且可以根据题目要求来随意构造。
8、电源的选择
采用10节1.5V干电池供电，电压达到15V，经7812，7805稳压后分别给支流电机、单片机系统和其他芯片供电。
但干电池电量有限，使用大量干电池给系统调试带来很大的不便，增加了小车的重量，同时也增加了小车的惯性，削弱电动机的控制性能，降低了灵敏度。
采用一节12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压直接给电机系统供电，通过7805降压、稳压给单片机系统供电和其他芯片供电。
蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。
而且一节蓄电池的质量小，减低了小车的重量。
采用超声波检测挡板，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且地面对超声波的反射，会影响系统对挡板的判断。
采用红外线检测挡板，当红外发送接收一体管靠近挡板输出一个低电平，通过LM339输出TTL电平给单片机。
外界对红外信号的干扰比较小，且易于实现，价格也比较便宜。
B、系统各模块的最终方案
经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：
（1）控制器模块：
采用SPCE061A控制；
（2）电机选择：
直流减速电机；
（3）电机驱动模块：
采用L293N电机驱动芯片
（4）距离检测模块：
采用霍尔传感器；
（5）黑带检测模块：
采用红外对射传感器；
（6）显示模块：
采用LCD显示模块显示；
（7）小车选择：
自行制作；
（8）电源选择：
1节12V电源供电。
（9）挡板检测模块：
综上所述，系统总体设计框图如图3所示。
图3：
系统总体设计框图
L293D是著名的SGS公司的产品。
为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收DTL或者TTL逻辑电平，内部包含4通道逻辑驱动电路。
其额定工作电流为1A，最大可达1.5A，Vss电压最小4.5V，最大可达36V；
Vs电压最大值也是36V，经过实验，Vs电压应该比Vss电压高，否则有时会出现失控现象。
表1是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。
表1
引脚和输出引脚的逻辑关系
ENA（B）
IN1（IN3）
IN2（IN4）
电机运转情况
H
H
L
正转
反转
同IN2（IN4）
同IN2（IN4）
快速停止
X
停止
L293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。
通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。
调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，调试通过。
图4：
直流电机驱动电路
题目要求小车经过不同的黑线，小车处于不同的状态。
为了达到这个要求，系统需要将路面的状态及时的以电信号的形式反馈到控制部分，控制部分控制电机的转动速度。
为了检测到地上的黑线，采用红外线发射管采集外部信息作为外部中断源，遇到黑线和白线交替变化将产生一个中断，通过对中断的计数确定小车位置，并对行驶状态做出相应的反映。
当检测到黑线时，红外光被黑线吸收，接收管接收到的红外光减少输出高电平，反之低电平。
其电路原理图如图5所示：
VCC
“？
2
LM339N
GND
图5：
黑线检测电路图
红外发射极长正短负，接收极相反
本系统通过计算车轮的转数间接测量距离，利用了霍尔元件UGN3020感应磁铁产生脉冲的原理，再对脉冲进行计数。
另可在车轮均匀放置小磁块，当车轮转动时，霍尔传感器检测到磁块，不断地输出脉冲，通过单片机对脉冲计数，再经过一个数据的处理过程，这样就可把小车走过的距离计算出来。
当UGN3020正面正对S磁面时,3脚将输出低电平。
电路原理图如图6所示。
有标志的一面朝自己，左正，中地，右信号输出。
图6：
路程检测电路图
4、LCD显示电路
采用LM7805将电压分别变为5V，电路图如图8所示：
图8：
稳压电源电路
在车底装上一个红外发射接收管，每当检测到一条黑线就产生一个中断，通过计数中断的个数来确定小车的位置。
PWM调制器原理如图9（a）。
当开关接通时,电源E加到电机上；
当开关断开时,电源与电机断开,电机两端的电压近似为零.如此反复循环,电机两端的电压波形如图9（b）所示。
好象是电源电压E在一段时间（T-ton）内被斩断后形成的,故称斩断器1电机得到的平均电压为Vd=tonE/T=δE式中,T为开关元件的开关周期;
ton为开关元件开通时间;
δ=ton/T为开关占空比1这种在开关元件频率不变的条件下,通过改变开关的导通时间来控制平均输出电压大小的方法称为脉冲宽度调制（PWM）.
在此设计中采用脉宽调制（PWM）的方式控制电机,直流电机的转速Vd由驱动脉冲的宽度决定:
Vd=D×
Vmax=N100×
Vmax 式中D=t/T称为占空比,N为脉宽长度,Vmax为电机的最高速度1D越大Vd就越高;
反之则反1直流电机的调速过程是,让它启动一段时间,然后切断电源,电机因惯性而降速转动,当转速降到一定限度时,电源再次接通,电机因此再加速，不断的给电枢两端送入脉冲电压就可以使电动机转速控制在指定的速度范围内.
图9：
PWM调制原理图
通过测量小车轮子的周长是17.584厘米，将车轮分割成6份，在其中均匀装上6快小磁铁，每个小磁铁经过霍尔传感器就会产生一个脉冲信号给单片机，假设检测到的脉冲信号的个数是N，那么小车所走过的路程S=2.93N。
小车倒退
N
Y
1、测试仪器
测试使用的仪器设备如表2所示。
表2：
测试使用的仪器设备
序号
名称
数量
备注
1
卷尺
最小刻度mm
2
秒表
最小刻度ms
行车时间测试如表3所示：
表3：
行车时间测试
第1次
第2次
第3次
第4次
第5次
第6次
第7次
实际测量时间/s
107
109
108
110
路程测试如表4所示：
表4：
距离测试
LCD显示距离/cm
1740
1810
1782
1783
1759
1770
1802
实际测量距离/cm
1800
限速区测试如表5所示：
表5：
限速区测试
12
13
14
15
（1）能在规定跑道上按规定状态行驶，在限速区往返均低速通过。
（2）自动记录、显示一次往返时间。
（3）自动记录、显示行驶距离。
（4）准确的停在起跑线和终点线。
经过对小车行驶时间、行驶距离、限速区行驶时间、停车时偏离起点和终点的距离的测试，本设计基本达到了设计制作要求。
本系统以单片机SPCE061A芯片为核心部件，利用光电检测技术，红外避障、霍尔检测技术配合一套独特的软件算法实现了电动小车的沿跑道行驶、电机的方向和速度控制、黑带检测、躲避挡板、距离和时间显示等功能，最终使小车完成题目中要求的各项任务。
在系统设计过程中，充分发挥61板软件编程方便灵活的特点，结合电子电路知识设计电路，以满足系统设计的要求。
因为时间有限，该系统还有许多值得改进的地方：
红外避障有一定的缺陷，电机的全速行驶有点慢，硬件的连接和布局的设计冗余。
在本次设计过程中，遇到不少棘手的问题，设计制作曾处于停滞状态，但通过仔细分析和自我心态调整后共同发现问题，并解决了问题。
在这个过程中我们深刻地体会到共同协作和团队精神的重要性，亟须提高解决问题的能力，并且在以后的设计中能吸取经验，改进本次系统设计的缺陷，从而提高小组的竞争力。
1、《凌阳单片机在大学生电子竞赛中的应用》/凌阳科技大学计划编著。
北京：
北京航空航天大学出版社，2005.6
2、《十六位单片微处理机器原理及应用》张培仁等。
清华大学出版社，2006.12
3、《单片机原理及应用》/马光主编。
机械工业出版社，2006.1
七、附录
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