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1、编号 本科生毕业设计简易电动车遥控系统设计The Design of Simple Electric Car Remote Control System学 生 姓 名刘清鑫专 业电子信息工程学 号040411510指 导 教 师杨宏伟学 院电子信息工程学院2008年 6 月 摘 要本系统以AT89C51单片机作为小车的检测和控制中心，利用红外传感器、金属传感器和超声波传感器实现测距及避障功能。通过单片机的智能控制技术实现对小车的自动控制。本设计的主要特色是优化的软件算法，智能化的自动控制，使小车定位更加精确。并且采用金属探测，音乐报警增强听觉效果。本系统通过综合运用光、机、电技术，基本完成了设
2、计要求，发挥部分达到设计要求。关键词：智能 单片机 传感器AbstractThe system takes AT89C51 monolithic integrated circuit as the cars examination and control center ,and uses infrared sensor, the metal sensor and the ultrasonic sensor to realize the function of range finder and evading bonds .The cars automatic control is realiz
3、ed through intelligent control technology of MCU.This designs main characteristic is the optimized software algorithm, the intellectualized automatic contro to make the localization more precise.Moreover metal detector and music warning enhances the sense of hearing effect.This system completed the
4、design requirements basically through the synthesis utilization of light, machine and the electricity technology, and then the display part has achieved the design requirements.Keywords： Intelligent MCU Sensor目 录第一章前 言11.1课题研究意义11.2课题研究背景11.3发展趋势和方向11.4研究中存在的问题2第二章设计要求与原理分析42.1 设计要求与原理分析42.2 机械系统分析4
5、2.3传感器设置与布局分析4第三章方案论证与系统原理框图63.1 传感器的选型与工作方式选取63.2总控电路的选型9第四章硬件电路设计与参数计算144.1红外与光电探测器的驱动电路设计与参数计算144.2金属探测装置的设计与参数计算154.3超声测距装置的设计与参数计算164.4主轴电机与步进电机驱动电路设计与参数计算174.5显示、键盘、声光告示与单片机电路设计及参数计算184.6遥控接收模块的硬件电路设计与参数计算19第五章单片机软件设计215.1行走控制程序流程215.2超声测距程序流程215.3 显示程序流程图225.4 定时器PWM输出23第六章应用实例分析前景展256.1步进电机2
6、56.2左右转向灯256.3车速显示256.4时间显示256.5超声波与红外避障系统266.6金属探测报警器266.7单片机遥控发射接收系统26第七章测试数据与实验结论277.1测试数据277.2 实验结论及存在问题分析28致 谢30参考文献31第一章 前 言1.1课题研究意义随着电子技术的发展，自动控制已经不再是一个新鲜的话题，无人驾驶的小汽车也必将进入实用阶段，本系统模拟未来智能小车，利用微型计算机技术实现小车的自动避障。微型计算机是计算机技术与大规模集成电路发展相结合的产物。在计算机领域中，它是发展最快，应用最广的一个分支，以其独特的结构和优点，深受广大用户欢迎和重视，发展极为迅速，应用
7、极为广泛。它的应用已渗透到国民经济和人民生活的各个领域，并发挥出很大的效益。1.2课题研究背景 随着科技的进步，人类的视野越来越开阔，对未知世界进行探索的愿望越来越强烈。迄今为止，人们己经开始了对月亮、火星等宇宙星体的探索，也开始对地下埋藏的，乃至海底沉寂的历史古迹、文化遗产、地理地貌的研究。另外，现代战争的复杂程度越来越高，反恐斗争的难度也越来越大，需要人们能够及时准确地完成各种侦察或作战任务。不过，面对各种复杂的环境，如宇宙星体日夜温度变化剧烈、地形高低起伏明显、战场情况的突发性和多变性等，由于生理原因，人们常常束手无策。鉴于此，电动车的自动遥控技术得到广泛研究。而其控制核心单片机技术的发
8、展更是日新月异。如今单片机已经经历了4位单片机，8位低档单片机，8位高档单片机，16位单片机。现在正向高性能、高速度、高集成度、大容量、多功能、低功耗、加强I/O能力及结构兼容的32位和双CPU方向发展。本文就是运用了单片机技术控制简易电动车运行过程。系统中根据命令来控制电动小汽车的启动、停止、返回，并且能自动避开障碍物，前行或后退，并且可以利用光电检测器检测路上的障碍物，控制电动小汽车行使状态，并自动记录往返距离，在整个行程中如果遇到正前方的障碍物将倒退一段距离后拐弯后正向前行。1.3发展趋势和方向智能电动小汽车是微型行走机器人的一种，它在各种复杂地形上都具有较高的机动性，可以进入人类无法进
9、入或生存的环境，适用于国防及民用等多个领域，在反恐斗争中也可以发挥很大作用。这种车辆的主要应用领域包括以下几个方面:(1)军事侦察环境探测可以探测各种人类无法进入或适应的环境，完成规模战争和反恐作战中的侦察任务。在车上装备摄像机、安全激光测距仪、夜视装置和卫星全球定位仪等设备，通过无线电或光缆操纵，完成侦察和监视敌情、情报收集、目标搜索和自主巡逻等任务。从在洞穴或房屋中进行搜寻，到边界巡逻监视，都有微型智能车辆的身影。(2)高度机动独立作战善于具有在复杂地形中的高机动能力，它能快速完成侦察、警戒、追击等多种作战任务。在战时，可在车上装备机枪、榴弹发射器、导弹发射架等武器装备，使之具备强大的攻击
10、杀伤力。曾有专家预测，未来战争将是在人的控制下智能无人化机器直接交锋的战争(3)探测危险排除险情在战场上或工程中，常常会遇到各种各样的意外。这时，智能化微型车辆就会发挥很好的作用。美国军方曾广泛使用智能车辆扫除路边炸弹、寻找地雷和销毁地雷。民用方面，可以探测化学泄漏物质，可以进行地铁灭火，以及在强烈地震发生后到废墟中寻找被埋人员等。(4)安全检测受损评估 在工程建设领域，可对水库堤坝、海岸护岸堤、江河大坝进行质量和安全性检测之外，还可应用于码头、桥墩等被撞后的受损程度探测评估。在制造领域，可用于工业管道中机械损伤，裂纹等缺陷的探寻，对输油和输气管线的泄漏和破损点的查找和定位等。这种特殊机器人技
11、术集机械、电子、新材料、传感器、计算机、智能控制与网络通信等多门科学于一体，对这种车辆的研究，将为未来地面战争、反恐事业和民用工业的发展提供技术上的有力支持。1.4研究中存在的问题在本设计中，智能小车的检测和控制核心是采用单片机控制系统。路面黑色引导线检测使用光电开关，通过对汽车运行位置检测,校正行车路线，实现小车的自动调向；障碍物检测采用红外传感器，小车行驶的速度和路程的测量利用霍尔传感器，并通过软件编程实现自动小车在不同路段行驶速度的自动变化；小车准确入库停车的光强度检测采用光敏电阻；小车行驶时间,路程和路面金属板块数用LED数码管显示。基于这些性能可靠的硬件设备，配以一套独特的计算程序，
12、小车准确驶入车库，完成预定任务。本系统先以双电源开始调试，发现所有的开关器件很难稳定地给单片机送正确值，只有当更换新电池或小车刚刚启动时才会很准确，经过思考，这都是开关元件消耗电量很大的原因，一旦电池电量不足其工作将会很难进行，于是本系统将所有开关器件划成一个部分，由一块电池专门供电。 在前轮PWM驱动转向电路运行中，本系统发现，电机只给一个转向力，但保持长期转向时，电机的转动由于受到强行制动而处于一种相对静止的状态，导致PWM驱动电路产生大量的热量，本系统既利用软件使其尽量减少长期单向转动状态，又在硬件上，在PWM驱动板上涂上了一层散热胶，即使发热，也不会烧坏PWM驱动电路。 在安装上避障用
13、光电开关之后，它与其它所有开关元件共用同一电源，在运行时发现三个用于寻迹用的开关元件不能全部正常工作了，据分析，避障用光电开关由于探测距离远，功率大，很可能影响其他元件改用单一电源供电后，小车就能正常工作。在所有电源开启后，系统即进入6秒钟倒计时状态，6秒钟倒计时完毕之后，有时后轮电机不能正常启动。经分析，这是属于正常情况，因为其启动需要克服很大的惯性，而其电源又不能在瞬间提供很大的电流，所以就没有动静。此时，关掉单片机电源，再重新打开后即可进入正常状态去正常运行。本设计在硬件上，使用了多种传感装置，实现对小车的准确定位和探测，充分利用了CPU的强大功能，在软件的配合下，实现了题目的要求。第二
14、章 设计要求与原理分析2.1 设计要求与原理分析本系统基本要求如下：（1）电动车启动和停止为遥控方式，声、光、磁、电、波等不限，遥控电路不得采用成品需要自己设计制作。（2）电动车一旦启动，由程序完成各种行走方式。例如：正8反8行走，其他方式自定。（3）其他功能：如前方有障碍的避让，或退时有障碍的识别等，自行决定增加与否。根据设计要求，认为此设计属于多输入量的复杂程序控制问题，并且输入量属于低速开关量，对于低速开关量复杂程序控制应用单片机技术比较合适，初步计划使用MCU作为核心器件来完成本设计。2.2 机械系统分析在题目中要求电动小汽车正8反8行走，在考虑场地大小的情况，因此选用最小回转半径小于
15、0.8m的电动小汽车，考虑到能精确控制电动小汽车的转弯半径，市售的电动小汽车的前轮转弯司服机构多数为开关量控制（要么不转弯、要么以最小半径转弯）在此初步考虑要对前轮转弯司服结构进行改造。2.3传感器设置与布局分析通过对题目的分析得出如下几大需要检测的物理量：（1）障碍物位置；（2）地面金属的位置；（3）小车行走速度。对于这几大物理量分别使用：（a）红外探测器；（b）金属探测器；（c）光电编码盘。另外对时间的检测可由单片机自身时钟得到，对金属片的检测可由单片机的延时功能得到，对小汽车运行路程的检测采用“光电编码盘”和“红外探测器”。在传感器的布局上（如图2-1示）拟采用以下方案：a) 前左侧红外
16、探测器、前右侧红外探测器、后左侧红外探测器、后右侧红外探测器，为电动小汽车规避障碍物提供近距位置参数。b) 超声波探测器测远距离物体，与红外线探测器构成避障系统。c) 光电编码盘探测器，为小汽车提供运行路程信息、行走时间记录。d) 中央金属探测器，为小汽车寻找“金属”提供开关量信息。后左侧红外探测器前右侧红外探测器后右侧红外探测器前左侧红外探测器正前红外探测器正前超声测距探测器中央金属探测器20cm光电探测器空间光学滤波器步进电机简易光电被动雷达示意图图2-1传感布局图第三章 方案论证与系统原理框图3.1 传感器的选型与工作方式选取3.1.1红外探测器的选型与工作方式1)红外探测器的选型红外探
17、测器以其发射功率大、抗干扰能力强而在工业生产中有着广泛的应用，红外探测器按其工作模式可大致分为主动式与被动式，主动式红外探测器自带红外光源，通过对光源的遮挡、反射、折射等光学手段可以完成对被探测物体位置的判别。被动式红外探测器本身没有光源，通过接受被探测物体的特征光谱辐射来测量被探测物的位置、温度或进行红外成像。在本体中要利用红外探测器检测黑白两种不同的灰度和障碍物的距离，显然选用主动式红外传感器比较合适，系统的造价可以降低可靠性可以提高。红外发光管红外接收管分立元件型透射遮挡型反射型图3-1主动式红外探测器的形式主动式红外传感器又可分为分立元件型、透射遮挡型和反射型（如图3-1示），分立元件
18、型发光管与接收管相互独立，用户在使用时可以根据需要灵活的设定发光管与接受管的位置，并可利用棱镜、透镜等完成特殊的目的，缺点是装置麻烦。透射遮挡型和反射型通过塑料模具将发光管与接收管封装在一起，非常方便用户使用，在本设计中“码盘红外探测器”使用透射遮挡型而对黑白灰度和障碍物的检测使用反射型。2)主动式红外探测器的工作方式选取主动式红外探测器常用的驱动方式可分为直流直接驱动方式和交流调制方式，直流直接驱动方式装置简单但检测距离和抗干扰能力都比较差；交流调制方式由于可以采用交流耦合方式，解决了放大器的直流漂移问题从而可以大大提高检测的距离，同时由于环境光产生的干扰多数情况是信号的直流或低频分量可以由
19、滤波器加以隔绝，因此交流调试方式抗干扰能力也比较强，缺点是系统相对复杂。在本设计中对障碍物的检测受到环境光（特别是200W白炽光源）的干扰比较大，因此选用抗干扰能力较强的交流调制工作方式；而对黑白灰度的检测由于在车的底部干扰相对较弱，为简化设计选用直流直接驱动方式。3.1.2超声探测器的选型与工作方式1）超声探测器的选型超声探测技术主要用于中程测距、结构探伤等领域，超声波换能器是其核心部件，换能器按其工作介质可分为气相、液相和固相换能器；按其发射波束宽度可分为宽波束和窄波束换能器；按其工作频率又可分为38KHz、40KHz等不同等级。按题目要求选用气相、窄波束、40KHz的超声波换能器。2）用
20、超声波探测器测距的工作方式的选取直接耦合信号被测物反射信号图3-2强度法示意图图3-3反射时间法示意图T1T2当利用超声波探测器测距时常用二种方法强度法和反射时间法，强度法是利用声波在空气中的传输损耗值来测量被测物的距离，被测物越远其反射信号越弱，根据反射信号的强弱就可以知道被测物的远近，但在使用这种方法时由于换能器之间的直接耦合信号很难消除，在放大器增益较高时这一直接耦合信号就可使放大器饱和从而使整套系统失效其原理如图3-2示，由于直接耦合信号的影响强度法测距只适合较短距离的且精度要求不高的场合。反射时间法是利用检测声波发出到接收到被测物反射回波的时间来测量距离其原理如图3-3示，对于距离较
21、短和要求不高的场合可认为空气中的声速为常数，通过测量回波时间T利用公式其中，S为被测距离，V为空气中声速，T为回波时间（），可以计算出路程，这种方法不受声波强度的影响，直接耦合信号的影响也可以通过设置“时间门”来加以克服，因此这种方法非常适合较远距离的测距，如果对声速进行温度修订，其精度还可进一步提高，本设计中选用此方法。3.1.3 金属探测器的选型金属物体的非接触探测常用的方法有两种，对于铁、钴、镍等磁性金属常使用磁场传感器如霍尔器件，而对一般的金属材料通常利用磁路敞开的线圈来进行检测，当金属材料靠近磁路敞开的线圈时，线圈的电感量和Q值都会改变，通过测量线圈这两个参量的变化就可以知道金属材料
22、的位置，电感量的测量一般是将线圈接入到LC振荡器中，用测量频率的方法来间接的测量电感量，但由于电感量的变化不会很大加上LC振荡器的频率稳定度比较低，事实上这种方法并不理想。线圈的Q值测量比较麻烦，但很多情况并不需要精确的知道Q值，只需知道Q是否改变就可以了，比较成熟的方案是将线圈接成阻尼可调的振荡器，并调节阻尼电阻使线路刚刚起振，由于绝大多数金属接近线圈时都会使线圈的Q值降低从而使线路停振，这样通过检测线路是否振荡就可以知道金属是否靠近。本设计中选用此方法。3.1.4 光电探测器的选型光电探测器一般特制可见光光谱范围的光电探测器，包括光电导探测器、光伏型探测器、倍增管等，本设计中可见光源是20
23、0W功率的白炽灯，功率较强，因此不必选用适合微光照探测的光电倍增管，同时光源光强相对比较分散选用热释电探测器（如碳斗）也不合适，光电导探测器温度、线性和稳定性不好，一般用于特殊光谱范围的测量同样不适合本设计，综合考虑以上因素光伏型探测器以其价廉、驱动电路简单而成为本设计的首选。光伏型探测器又可分为光电二极管、PIN探测器、光电三极管和雪崩光电管(APD)，光电二极管量子效率较低，光点三极管漏电流较大，APD驱动电路复杂造价较高都不适合，因此选用硅材料（可见光光谱范围）的PIN探测器。可见光光电探测器抗干扰能力较差，非常容易受到环境光的干扰，同时由于本设计中光源未经调制，因此仅靠电子线路自身的设
24、计很难取得好的效果，为解决这些问题，使用了“空间光学滤波器”利用黑色塑料箱体将探测器包裹中空的，以次来解决环境光干扰大的问题。3.2总控电路的选型3.2.1单片机的选型针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统，需要擅长处理多开关量的标准单片机，而不能用精简I/O口和程序存储器的小体积单片机，D/A、A/D功能也不必选用，根据这些分析选定了89C51单片机作为本设计的主控装置，51系列单片机具有功能强大的位操作指令，I/O口均可按位寻址，程序空间多达4K对于本设计也绰绰有余，更可贵的是51系列单片机价格非常低廉。3.2.2键盘与显示电路的选型1）键盘电路选型本设计只需控制电动小汽车的运行开始
25、，仅一支按键就足够了，选用最简单的直接键盘驱动方式。2）车轮检速及路程显示电路选型方案一：采用霍尔集成片。该器件内部有三片霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，因此可以在车轮上安装磁片，而将霍尔集成片安装在固定轴上，通过对脉冲的记数进行车速的测量。方案二：受鼠标的工作原理的启发，采用断续式光电开关。由于该开关是沟槽结构，可以将其固定在轴旁，再在车轴上均匀的固定多个避光条，让其恰好通过沟槽，产生一个个脉冲。通过脉冲的记数，对速度进行测量。车轮转数及里程检测模块的设计：在车轮侧壁贴圆形遮光纸板，将其分成黑白相间八等份，每份为45度扇形，将红外对管固定在正对前轮位置，
26、因为后轮在刹车时容易打滑反转，故安装在正对前轮位置才能准确测的车的里程。555多谐振荡器输出的1khz，占空比1：1的方形脉冲作为发射，利用黑白纸板对红外线反射系数不同，车轮转动时，接收到间隔为黑白纸板反射强度不同的信号。得到的信号通过比较器产生脉冲，再发送至单片机，以实现车里程的检测。具体电路如图3-4：图3-4 小车里程检测电路图3.2.3电源电路的选型方案一：所有器件采用单一电源（6节AA电池）。这样供电比较简单；但是由于电动机启动瞬间电流很大，而且PWM驱动的电动机电流波动较大，会造成电压不稳、有毛刺等干扰，严重时可能造成单片机系统掉电，缺点十分明显。方案二：双电源供电。将电动机驱动电
27、源与单片机及其周边电路电源完全隔离，利用光电耦合器传输信号。这样做法虽然不如单电源方便灵活，但可将电动机驱动所造成的干扰完全消除，进一步提高系统稳定性。认为本设计的稳定性更为重要，故拟采用方案二。3.2.4直流电机与步进电机驱动电路的选型电机是一种重要的能量转换机械，它应用于各个领域发挥着重要作用。而作为永磁式小型直流电动机，以它的体积小、重量轻等优势被广泛使用在小型电器和模型上。 由于小车的尺寸，限制了电机的使用。小型电机成为首选，永磁式电机的功率都因其励磁原因而导致其功率不足，因此，先做了理论上的验证：所有电机的原理都是基于法拉第电磁感应定律和安培定律。一般原理为：采用相应的导磁和导电材料
28、构成能相互转化的磁路和电路。以产生感应电势和电磁转矩，从而达到转换能量形态的目的。直流电机中的有效导体为参数为Un=12V，In=0.11A的国外产的价值35元的旧的减速电机，可以看到：它的减速箱与机体的连接是十分紧密的，这一点从做工就可以优良，2V即可启动。电枢绕组元件数为s，则电枢表面dx段上共有2s/dadx个元件边。于是dx段电流所产生的电磁转矩为：绕组中全部有效导体数为N=2SWy,电枢总电流I=2aIa 所以dm=NIaBxldx/4a于是，在一个极距内导体电流产生的电磁转矩为： 式中, &范围内的气隙磁通，也称为每级磁通。因而，每个极下导体电流所产生的电磁转矩都是相同的，直流电机
29、的电磁转矩可表示为M=2pNIa&/4a=pN&Ia/2a=Cm&Ia如果令w代表Cm=pN/2a电枢的角速度。则这过程所经过时间为t=/2pn/60=60/2pn根据电磁感应定律，一个匝数为wy的元件中感应电势为Eay=4Wypn/60(s/2a)&由于每条支路串联的元件数为s/2a。支路电流平均值为Ea=pN*n/60a=Ce*n。如果将绕组全部有效导体数n=2swy带入上式，则得： Ea=pa/60a式中，Ce=pn/60a 称为电磁系数，决定于电机自身结构，直流电机的电磁功率一直是困扰小车动力不足的一个瓶颈，下面就将对这一问题进行阐述：根据动力学原理，就直流发电机而言，把原动机克服电磁
30、转矩所需要的功率，称为电磁功率，用pm表示。该功率全部转换为电枢电路中的电功率；对于为直流电动机来说，电磁功率是指电机在电磁转矩的作用下，电枢所发出的全部机械功率md，该功率由电枢吸收的电功率转化而来。于是直流电动机电磁功率的机械表达式形式为：p=mo m-电磁转矩o-电枢的机械角度这就是说如果要车转矩上升则必然导致，在同一功率下电车的速度的下降，唯一的办法是提高功率，而提高功率必然增加电机体积，所以综合考虑了电机价格、体积、功率、输出转矩、速度等因素解决了这一问题。对于电机的启动并没有按分级方式，因为电机的功率太小，所以直接采用加压启动，为了能可靠的完成电机的起制动。发现由于电机的齿轮的阻力
31、矩很大，因此，采用摩擦制动以满足设计要求，而不用采用电机的反接制动。 由于电机较长，且主轮较大。那么为安装其上，采用粘合力较强的AB胶水将电机用木块垫高，加固，再用502胶水使其整体固于车上，最后又用三股线紧密编成了一股强度较高的组合式，链锁将其整体完全铰于车体上，最后用胶水在次加固，确保车体的牢固性。 在车体的前端加了两个限位板以避免前轮步进电机左右打死死时前轮的摩擦。 对于电池的封装，由于原车的是蓄电池，故而成本较高分压不灵活，因此采用6节Pannasonic9V电池加以替换，再用一个打孔板封装。直流电机的驱动选型：方案一：采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压，从而达到分压的目的。但电
32、阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小，但电流很大，分压不仅回降低效率，而且实现很困难。方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调节。这个方案的优点是：电路较为简单，但缺点是继电器的响应时间慢、机器结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。方案三：采用由达林顿管组成的 H型PWM电路。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的 饱和截止模式下，效率非常高；H型保证了简单的实现 转速和方向的控制；电子管的开关速度很快，稳定性也极强，是一种广泛采用的 PWM调速技
33、术。基于上述理论分析拟选方案三。步进电机选用的是打印机的字车四项步进电机，直接利用单片机的I/O口通过光耦和扩流电路直接驱动，这样可以节省硬件资源，虽然占用用单片机I/O资源较多但对于51系列单片机这种I/O资源丰富的片种并不带来额外的负担。3.2.5声光报示电路的选型（1）采用市面上常见的语音芯片与8欧0.5瓦扬声器组合，形成语音报警系统，当小车上的金属探测器探测到金属时，音乐响起并开始记时用数码管显示音乐时间。（2）配合音乐芯片的工作用发光二极管，进行光报警，构成声光结合报警系统。（3）在小车的后轴电机应用上为防止蹩车电机被烧坏，采用运算放大器应用中的电压比较器的功能，再蹩车时电压的变化使
34、发光二极管与蜂鸣器工作，发光二极管与蜂鸣器结合形成声光报警系统通过本章第一节于第二节的分析总结出了MCU负责电动小汽车运行时间的纪录、金属片的探测、记录运行路程、控制步进电机和主轴电机正转、反转。第四章 硬件电路设计与参数计算4.1红外与光电探测器的驱动电路设计与参数计算图4-1直流直接驱动红外探测器1）直接直流驱动红外探测器电路的设计与参数计算电路如图4-1示：W1和R1及V1构成简单直流发光二极管驱动电路，调节W1可以改变发光管的发光光强，从而调节探测距离，NE555及其外围元件构成施密特触发器，其触发电平可通过W2 控制，接收管V2和电阻R2构成光电检测电路。通过NE555第3脚输出的T
35、TL电平可以直接驱动单片机I/O口。图4-2交流调制红外探测器2）交流调制驱动红外探测器的设计与参数计算LM567及其外围芯片构成音频检频器，其检频频率f0由R4、C5决定:其中，f0为检频频率，当R4=10K，C5=222时这一振荡信号经过V3扩流后，驱动发光管，仅这样处理后可以保证发光频率与检频频率严格一致使LM567的输出仅与光强有关，为进一步提升探测距离，还设立了一级交流放大器，其增益约为240倍，虽然这样大的放大倍数放大器的线性和稳定性会较差，但对于频率检测不会造成太大的影响。LM567还有一个重要的参数是带宽（BW）可由下式计算：其中，Vi是输入信号有效值，f0是检频频率。当Vi=
36、50mV,C4=225时，带宽约为10KHz。3）光电探测器信号处理电路同直接直流驱动电路4.2金属探测装置的设计与参数计算4.2.1电路原理图4-3金属探测器电路图如图4-3示，利用CD4049的线性区制作了一个LC振荡器，可调电阻W1在这里作阻尼电阻使用，通过调整W1使电路刚刚起振，线圈L1由0.7mm漆包线在半个磁罐上密绕300匝制成，由于只有半个磁罐磁路不闭合，当有金属靠近磁罐开口处时，线圈的Q值降低线路停振，U1B和电阻R1，电容C4构成交流耦合放大器，用来放大振荡器输出信号，当有振荡信号时有V1,R2,C5构成的检波器输出低电平，无振荡信号时输出高电平，这一电平信号经U1C缓冲后输
37、出。4.2.2参数计算电感L1、电容C1、C2、C3决定振荡频率，为避免其和前述交流调制驱动红外探测器相互干扰，把振荡器的振荡频率稍微调高了些，当取如图参数是频率约为100KHz左右，U1B放大器的放大倍数与R1的取值有关，经试验调整后R1取680K。4.3超声测距装置的设计与参数计算4.3.1超声波发射装置的设计图4-4超声波发射装置如图4-4示，由NE555构成无稳多谐振荡器，其振荡频率由电阻W1、R1和C3决定通过调节W1可以改变振荡频率，输出的振荡信号经过CD4049的放大推动超声波换能器S1发声。NE555的第4脚使能端可由单片机控制，当需要发射超声信号时该脚为高电平。4.3.2超声
38、波接收装置的设计如图4-5示，超声波换能器S1接受到的微弱信号，经过交流耦合到IC1放大，其放大倍数为：图4-5超声波接收装置放大的信号在经过交流耦合到IC1的另一运放，其放大倍数为：总增益为：经过放大的信号再由比较器LM311整形，输出标注TTL电平信号以被单片机接收。4.4主轴电机与步进电机驱动电路设计与参数计算4.4.1主轴电机驱动电路设计图4-6主轴电机驱动电路如图4-6示，由三极管V1、V2、V3、V4构成H桥驱动电路，控制着几个管子的通断就可以控制直流电机的正转、反转真值表如表4-7示 为了使光耦取得比较大的驱动能力，在本电路中光耦的发光管限流电阻取得比较小。表4-7 电机真值表D
39、0，D1电机状态00非法01正转10反转11滑行4.4.2步进电机驱动电路设计如图4-8示，V1、V2、V3、V4构成步进电机驱动电路，电阻R1、R2、R3、R4起限流作用，二极管,V5、V6、V7、V8构成其续流作用，三极管的基极通过光耦隔离由单片机控制。单片机通过循环移位0001来驱动步进电机，左移时正转，右移时反转。在完成所需角度的转动后，单片机应将D1、D2、D3、D4全部置高，此时4个三极管全部截止以节省电源开支。图4-8步进电机驱动电路4.5显示、键盘、声光告示与单片机电路设计及参数计算MCU1的外围部件与接口电路如图4-9示，MCU1的主要工作是金属探测器和计时以及驱动键盘及显示
40、电路，接收个位置传感器信息，并根据这些信息控制运动部件完成转弯等行走动作，是整个系统的控制核心。图4-9 MCU2接口电路4.6遥控接收模块的硬件电路设计与参数计算本系统遥控模块发射出信号后，接受模块进行接收并接通小车电路，小车由单片机控制行走路线，例如前进倒退，行走8字，以及利用小车上的红外传感器和金属传感器，在自由行走方式下避让功能的实现。遥控模块的选择有声、光、磁、电、波等几种形式，考虑到声音遥控受外界干扰较大，光控也有同样的弊病，磁、电等都受发射距离的限制，所以采用由2051单片机构成的红外发射器，和一体化红外接收头作为这次的小车控制启停的控制器。由于空气中的红外光强度很小，因此采用2
41、051单片机作为红外发射器的控制核心部件，这样一来，由此红外发射系统发出的红外信号就具有相当高的强度，足以被与其配套的接收器件接收到。接收器件是根据发射器发射的红外信号进行调制和处理，然后进一步处理成电信号来对小车进行启动和停止的控制。实际上，由于发射能力强，传输距离远，接受模块精度高，抗干扰能力强，且辨码率高，所以，此红外发射、接收模块不仅能完成小车的遥控启停的功能，还能实现其它许多功能。 第五章 单片机软件设计5.1行走控制程序流程5.1.1控制程序流程根据真值表设计如图5-1示程序流程，首先读如三坐标传感器状态值，然后判断状态值，再根据判断结果作出相应动作。停车、音乐响后退3秒钟走正反八
42、字进入避让程序汽车前进探测到金属YN图5-1控制程序流程图5.2超声测距程序流程5.2.1单片机控制的超声测距工作原理及参数计算超声测距的基本原理就是发射一超声脉冲，根据回波时间，利用公式来计算距离S，根据声音在空气中的速度公式:其中，V0是常数，TO为标准温标，t是空气温度。由于只需一般测量精度，没有对t进行修正而直接取一般情况20摄氏度。根据计算得到的声速为343米/秒。在利用单片机测速时,首先打开定时器，为避免直接耦合设置了时间门，在超声脉冲没有发完时不会响应回波信号，当超声脉冲发射完成后，打开外部中断并等待，中断发生后关闭定时器，利用定时器的数值查表就可以得到距离S。5.2.2 系统程
43、序流程图图5-2超声波程序流程图工作时，微处理器AT89C51先把P1.0置0，启动超声波传感器发射超声波，同时启动内部定时器T0开始计时。由于我们采用的超声波传感器是收发一体的，所以在发送完16个脉冲后超声波传感器还有余震，为了从返回信号识别消除超声波传感器的发送信号，要检测返回信号必须在启动发射信号后2.38ms才可以检测，这样就可以抑制输出得干扰。当超声波信号碰到障碍物时信号立刻返回，微处理器不停的扫描INT0引脚，如果INT0接收的信号由高电平变为低电平，此时表明信号已经返回，微处理器进入中断关闭定时器。再把定时器中的数据经过换算就可以得出超声波传感器与障碍物之间的距离。5.3 显示程
44、序流程图系统中采用动态显示电路，首先设置缓冲区指针初值，然后扫描模式置初值给8155A口，取显示数据查表转换为段码给8155B口，此时数据指针指向PB口，然后延时1ms,显示数据缓冲区指针指向下一个单元，最后判断是否扫描到最右边的LED，如到最右边，则返回。如不到最右边，扫描模式初值R3左移一段,返回继续显示。图5-3 显示程序流程图5.4 定时器PWM输出将IOB8设置成APWMO口，脉宽调制信号将从IOB8输出。输出接一个发光二极管，同时接示波器。可以通过观察二极管亮灭的快慢来对比频率的变化，通过示波器观察信号的频率，如果示波器测量到的频率为P，则f=16*P，f即为CLK Source时
45、钟基准。本系统可以选择不同的时钟源作为脉宽调制输出计数器的时钟源输入，即改变定时器A的计数初值；也可以改变输出信号的占空比，其方法是给定时器/计数器A的控制寄存器P_TimerA_Ctrl写入相应值。本系统生成的脉宽信号占空比为8/16，使用Timer A的定时溢出信号作为脉宽调制输出计数器的时钟输入。若选择Timer B的溢出信号作为时钟源，则需将IOB9设置成BPWMO口，同时设置Timer B初值。图5-4 定时器输出流程图本系统生成的脉宽信号占空比为8/16，使用Timer A的定时溢出信号作为脉宽调制输出计数器的时钟输入。若选择Timer B的溢出信号作为时钟源，则需将IOB9设置成
46、BPWMO口，同时设置Timer B初值。第六章 应用实例分析前景展6.1步进电机本车步进电机采用四相的，采用的是单4拍。通电顺序为A-B-C-D。这样可以定出步距角为1.5度。支流电机采用带齿轮减速的电机，转速降低，但转力提高了。两者合理配合可以提高小车的精确转向定位，提高小车的防干扰性，在不平的路面上仍能正常行走。在未来的我国登月计划中登月车的设计中它们可占有一席之地，可以为国家的航天事业做出一定贡献。6.2左右转向灯.各种型号的车上方向灯是必不可少的。本车的方向灯的设计上采用同一转向双重设计，即用红绿两种不同颜色的灯显示小车的转向程度。当小车前轮转向角在022.5度时绿灯亮，而当小车前轮转向角在22.545度时红灯亮。前者显示小车在缓慢转弯，而后者则表示小车处于急转弯状态。它的实现是通过对步进电
