小车自动入库系统设计.doc

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1、小车自动入库系统设计摘要 本次小车自动入库设计主要由硬件和软件两部分组成，硬件部分包括:单片机SPEC061A、时钟电路、电源电路、LCD显示电路、数据存储电路、超声波接收和发射电路、蜂鸣器电路、H型PWM驱动电路；软件部分包括:单片机定时/ 计时器的使用、单片机C语言的开发概述、硬件初始化程序、LCD 动态显示编程、中断服务编程等内容。小车自动入库系统采用凌阳单片机SPEC061A 作为主控芯片, 配以各种传感器,采用自制超声波接收器检测车库位置；使用步进电动机打开、关闭门栏；采用PWM技术控制电动机的转速，H型驱动电路控制电动机转向。基于可靠的硬件设计和抗干扰的双电源供电方式，采用稳定的算

2、法，实现对小车在行进过程中进行精确控制，使其准确检测光源、找到车库的准确位置而实现自动入库的功能。关键词：超声波；步进电机；单片机SPEC061A；PWM调速；检测光源CarautostorageAbstract The design of the main car auto storage hardware and softwarecomponents, Hardware included：SCM SPCE061A, clock circuits, power circuits, LCD display circuit, data storage circuit, ultrasonic re

3、ceiver and transmitter circuit, the buzzer circuit, H-type PWM driver circuit；Software components including：Microcontroller timer / timer to use, 89C52 interrupt system, microcontroller development of C language overview, hardware initialization process, LCD dynamic display programming, interruptpro

4、gramming, etc.Automatic storage system uses the car Sunplus SPEC061A as the main chip microcontroller, with various sensors, ultrasonic receivers with self-made garage location; use stepper motors to open and close the door bar; using PWM technique to control the motor speed, H-type Control the stee

5、ring motor drive circuit. Reliable hardware-based anti-jamming design and dual power supply, the stability of the algorithm used to realize the car in the road during the process of precisely controlled light source to accurately detect, locate the exact location of the garage and automatic storage

6、features. Keywords: Ultrasonic；Stepper motor；SCMSPEC061A；PWMspeed control；Detection oflight目 录小车自动入库系统设计I摘要IABSTRACTII1绪论12方案论证及比较42.1 单片机选择42.1.1单片机的选择方案42.1.2单片机的影响因素42.1.3单片机的特点和性能52.2 电机驱动方案的选择62.2.1采取的电动驱动方案62.2.2逆变器的PWM控制法72.3 方位检测方案的选择72.3.1 小车自动入库的方位检测方案72.3.2超声波的特有性质92.3.3超声波测距的基本原理以及测距仪的使用

7、92.4 电源选择11单片机供电的选择方案113系统总体功能设计123.1单片机作为小车的控制核心123.2系统的硬件设计123.2.1 车体结构123.2.2 电机PWM驱动模块电路133.3 全方位超声波检测模块143.3.1 超声波测距相位法测距基本原理143.3.2超声波压电逆效应测距基本原理153.4 车库边缘检测153.5 车库检测模块163.5.1检测小车是否接近车库163.5.2步进电动机作为控制动力164 系统的软件设计174.1软件的两部分174.2超声波发生子程序和超声波接收中断程序184.3 系统的软件设计194.4主程序序软件流程20结 论21致 谢22参考文献23附

8、录A 单片机控制原理图241绪论 随着现代科学技术的快速发展，电子通讯业发展相当迅速，越来越广泛的应用于工业、农业、金融、娱乐、航空航天等各个领域中。在电子通讯的应用当中，应用最普遍的应属单片机的应用了。单片机几乎渗透到了我们生活的各个领域，导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能IC卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录象机、摄象机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机。 单片机是指在一块半导体硅片上集成了中央处理器（CPU），存储器（RAM，ROM，EPROM）和各种输入/输出接口（定

9、时器/计数器，并行I/O口，串行口，A/D转换器以及脉冲调制器PWM等）的单片微型计算机，简称单片机。单片机的设计目标主要是增强“控制”能力，满足实时控制当面的需要。因此，它在硬件结构、指令系统、I/O端口、功率消耗及可靠性等方面均有其独特之处，其独特之处，其最显著的特长之一就是具有非常有效的控制功能。因此，又常常被业界称为微处理器。由于它主要面向控制性应用领域，通常是处于测控系统的核心地位并嵌入其中，因此又称为嵌入式微控制器EMCU（Embedded MicroController Unit）。而在我国，大部分工程技术人员则比较习惯使用“单片机”这一名称。应用领域和场合有电信产品、家用电器、

10、计算机外围设备、办公自动化、工业控制领域、商用电子领域、电子玩具、仪器仪表、汽车电子、军用电子的导弹、鱼雷得精确制导控制、智能武器、雷达系统、电子战飞机等。 如今的市场上为我们提供了丰富多彩的单片机产品。从宏观上讲，有RISC和CISC两大类型；从微观上说，有Intel、Motorola、Philips、Microchip、EMC、NEC等公司的相关产品。而随着电子通讯行业的迅速发展，单片机的发展速度也很快，其发展趋势主要表现为：单片机的高性能化，存储器大容量化，外围电路内装化，工艺上的提高。 在功用上，单片机适用于机、 电、仪一体化的智能产品，它具有体积小，成本低，易于产品化，可靠性高，抗干

11、扰能力强，易扩展，易构成各种规模的应用系统，控制功能强，具有位处理指令，容易实现多机和分布式控制等优点。把它应用到仪器仪表上，可使产品的体积缩小、功能增强，实现不同程度的智能化，单片机的信息处理和分析能力，从而实现复杂的自动化控制，本实验就是利用其最重要的特点较为准确的完成任务。 现在可以说是一个单片机百花齐放，百家争鸣的时期，世界上各大芯片制造公司都推出了自己的单 片机，SPCE061A 单片机之所以能在短时间内在国内得到认同，主要是因为它代表了单片机发展的潮流，SPCE061A 是各类单片机里的一种，它是伴随着凌阳大学计划在大陆推出的，在短时间里 SPCE061A 单片机得到了各大专院校师

12、生的认可，并在业界获得了良好的声誉，因为这个单片机代表了现代单片机 的大部分特点，它整合了多个常用的功能模块，让我们在进行系统开发的时候不用外加过多的硬件就可方便的 完成一个系统的设计，这就是人们常说的 SoC（System on chip）技术。耗电少，可以满足很多手提设备、掌上设备低能耗的需求，低能耗也是电子技术一直在追求的 一个目标。可方便的用来实现声音录制、播放，Midi 音乐合成和语音识别，相比别的单片机比较有特色。可方便的完成一系列乘加的运数，实现一些数据处理比较容易，别的单片机一般都不具备这种 功能。芯片里具备在线仿真调试电路，使调试和程序下载更加方便，也把仿真器和烧录器的成本给

13、节 省下来了。 人能够勉强理解汇编语言。人常用的语言是更上一层的高级语言，比如 C, BASIC。这些语言编写的 程序更容易理解，并且一般都能在多种电脑上运行（多种电脑上运行就是所谓平台概念，可方便的实现 资源重复利用），但同样必须先由一个叫作编译器或者是解释器的软件将高级语言程序翻译成特定的机器 语言程序。 汇编语言主要优点是占用硬件资源少、程序直接对硬件操作加快了处理速度。但是不同的单片机， 其汇编语言可能有所差异，所以不利于资源重复利用。C 语言是一种比汇编更高级语言。其优点是可以很好的组织程序，并且容易读懂，可以在多种单片 机上运行，是普遍使用的一种计算机语言。缺点是占用硬件资源较多，

14、处理速度和效率没有汇编高，当 然这也取决于编译器的翻译结果，正如现实中翻译员水平参差不齐，有的人翻译得很慢甚至出错，但有 的人翻译得又快又准。 对于一线大城市而言，停车位资源极为紧张，也使停车也成为一件令人头疼的事。尤其对于新手而言，停车更是让他们困惑的一件事。随着科技的发展，自动泊车辅助系统悄然而生。不仅如此，它也出现在我们能够承受得起的价位车型上。泊车辅助可以帮助我们停车，不但安全，也是十分有效的。 因此，具有自主识别的智能机器人是当今研究的热门技术,而智能车是机器人的一个重要分支, 广泛的应用于工业控制、航空航天等领域。本文介绍的小车自动入库系统, 以凌阳单片机SPEC061A 作为主控

15、芯片, 配以各种传感器,从车库和车体两个方面入手, 构建了一个小车自动寻找车库位置, 并自动入库, 车库的车门在小车靠近时自动开门, 在小车进入时自动关门的完整系统。在本次设计中我们使用单片机SPCE061A和2051系列单片机制作了一个操作简单、功能完善、测量精确的的小车自动入库系统，超声波接收发射器的测量误差小，并且超声波的抗干扰能力强，不易受到周围环境的影响，从而保证小车准确安全自动的进入车库，利用现在技术完善的自动开启关闭车库门超声波感光设计，使其自动开关，更加智能化和自动化设计1。2方案论证及比较2.1 单片机选择2.1.1单片机的选择方案 方案一: 采用传统的89C51 作为小汽车

16、的控制核心。51 单片机具有价格低廉、使用简单等特点, 但其运算速度较低, 功能比较单一, 如要直接处理硬件部分送来的模拟信号, 则还要外扩A/D 转换, 控制过程相对比较繁琐。 A/D转换模块：将A/D转换器电路集成到单片机内，可有效地减少外部器件，同时具有低成本和减少器件空间需求的优势。SPEC061A 系列单片机具有9通道A/D转换功能，精度为10位，可选内部参考电压即电源电压（VDD），也可选择外部参考电压输入。 方案二: 采用16 位单片机SPCE061A (SPCE061A系列单片机共有6个定时/计数器Timer，每个定时/计数器都分别具备CCP即capture computer

17、pwm的功能，即捕获 比较 PWM输出功能，定时/计数器有4种工作模式：8位/16位定时/计数器模式、捕获模式 比较模式和PWM模式)。作为小车的控制核心, SPCE061A 资源丰富, 指令周期短, 工作效率高,功耗低, 自带A/D 转换模块, 可在线下载, 易于调试, 适合对小车进行控制2。基于上述分析, 拟选择方案二。2.1.2单片机的影响因素 1电磁兼容性是指电气和电子系统、设备和装置，在设定的电磁环境中，在规定的安全界限内以设计的等级或性能运行，而不会由于电磁干扰引起损坏或者不可接受的性能恶化的能力。 2噪声是指出现在电路系统中的非期望的电信号，不包括电气元器件本身内部的非线性失真。

18、单片机的实效的噪声来源有以下三个方面：认为因素、自然因素和固有噪声。人为因素，如数字电路的开关过程，高频无线电信号的发射等;自然现象，如打雷闪电，太阳黑子爆发等；固有噪声，如热噪声。常见的干扰源有机械干扰、热干扰、光干扰、温度变化干扰、化学干扰、电磁干扰等。综合以上不利因素，选择单片机时要选择具备超强的高干扰性和可靠性的单片机SPCE061A。2.1.3单片机的特点和性能SPCE061A系列单片机的是继unSP系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只

19、内嵌32K字的闪存。较高的处理速度使unSP能够非常容易地 、快速地处理复杂的数字信号。因此，与SPCE500A相比，以unSP为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。SPCE061A的性能特点如下：1 16位unSP CPU微处理器内核 2 CPU内核工作电压VDD为2.43.6V3 外围模块和外部端口VDDH可以为2.45.5V4 CPU时钟：03.2MHz49.152MHz。锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号5 片内配置了2K字数据存储器6 片内配置了32K字可以反复擦写的程序存储器7 具有典型的“混合信号处理器”特征。不仅能够处理“逻辑数字信

20、号”，而且还能集成了支持“音频模拟信号”处理的硬件资源8 片内配置了支持音频录制、播放、识别等处理功能所需要的硬件电路，假如，电压放大器、AGC、ADC、DAV等9 可以支持多种时钟源方式，晶体振荡强振和弱振，以及32768Hz实时时钟10 系统处于备用状态下，耗电仅为2ua11 2个16位通用输入/输出端口，不仅每条引脚的输入输出可单独编程，而且每条引脚额外带有内部上拉、下拉、同相驱动、反向驱动等功能，并且均可单独编程。每条引脚具有12mA的电流驱动能力12 2个16位可编程定时器/计数器，能够输出信号13 7通道10位电压模/数转换器ADC和单通道声音模/数转换器14 2个10位模/数转换

21、器DAC输出通道15 中断管理系统可以管理多级中断源，拥有来自定时器、实基发生器、外部中断源、触键中断等模块的14个中断源16 具备省电模式，并且具有触键唤醒功能17 内部集成了一个通用异步收发器UART接口18 具备凌阳格式的同步串行扩展接口SIO19 具有低电压复位(LVR)功能和低电压监测(LVD)功能；20 内置在线仿真功能单元ICE，从而极大地简化了片外仿真器的硬件逻辑，甚至免用外接那种传统的仿真器，也就是可以把传统的仿真器硬件简化为一条电缆，于是节省了学习者和开发者的开销21 声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；22 使用凌阳音频编码SACM_S2

22、40方式(2.4K位/秒)，能容纳210秒的语音数据；23 具有不可破解的程序代码保护能力24 具有可选的看门狗功能32.2 电机驱动方案的选择2.2.1采取的电动驱动方案 方案一: 采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压, 从而达到调速的目的, 但电阻网络只能实现有级调速, 而数字电位器价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小, 但电流很大; 分压不仅会降低效率,而且实现困难。 电阻网络或数字电位器调整电动机的优缺点：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电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。更重要的问题在于一般电动机的电阻很小，但

23、电流很大，分压不仅降低效率，而且实现起来很困难。 方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对电机的转速的调整。此方案的优点是电路比较简单，缺点是继电器的响应时间慢，机械结构易损坏，可靠性不好 方案三: 采用大功率达林顿管组成的PWM和H 型电机驱动电路, 这种电路由于工作在管子的饱和或截止状态下, 效率高, 利于节省能源。H 型电路可以简单地实现转向控制; 稳定性也较好。使用PWM调速方案可以很方便地在程序上实现对电机调速, 减少硬件电路。基于H桥PWM控制原理，设计了一种直流电机正反转调速驱动控制电路，满足大功率直流电机驱动控制。实验表明该驱动控制电路具有结构简单、驱动能力

24、强、功耗低的特点。基于上述分析, 拟选择方案三。2.2.2逆变器的PWM控制法 逆变器的PWM控制法是指把逆变器输出波形半个周期内的方波脉冲分割成多个小方波脉冲，通过对每个小方波脉冲的宽度进行控制来控制输出量（电压或电流），并改善输出量的波形（减少谐波含量）的方法。它是用相当于输出量波形的基波分量信号波与载波三角波（作为开关基准）进行比较调制小方波脉冲的宽度，使输出量的波形接近于基波分量信号波的波形，并对输出量的大小进行调节的，因此成为PWM。PWM控制对于电压型逆变器和电流型逆变器都是适用的，但两者的目的是不完全相同的。PWM调速控制的基本原理是按一个固定频率来接通和断开电源，并根据需要改变

25、一个周期内接通和断开的时间比(占空比)来改变直流电机电枢上电压的占空比，从而改变平均电压，控制电机的转速。在脉宽调速系统中，当电机通电时其速度增加，电机断电时其速度减低。只要按照一定的规律改变通、断电的时间，即可控制电机转速。而且采用PWM技术构成的无级调速系统启停时对直流系统无冲击，并且具有启动功耗小、运行稳定的特点。PWM用于电压型逆变器时具有如下优点。1，可以省去控制电压的主电路器件，可以使逆变器小型化和减低成本。2，可以减少输出电压的低次谐波。3，可以实现快速电压控制，这对于交流电动机的相量控制等高性能的传动系统是不可缺少的。 电流型逆变电路的PWM控制与电压型逆变器时不一样的，区别是

26、：，电流型逆变器的PWM控制只是为了改善输出电流的波形，而一般不能调节输出电流的大小。，电压型PWM逆变器的换向是在相内逆变开关管之间进行的，而电流型逆变器的换流是在相邻相开关管之间进行的4。2.3 方位检测方案的选择2.3.1 小车自动入库的方位检测方案 方案一: 可见发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收模块。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大的干扰, 一旦外界光亮条件改变, 很可能造成误判和漏判; 虽然采用强光二极管可以降低一定的干扰, 但这样会增加额外的功耗。 方案二: 采用红外发射- 接收对管。由于采用了红外线管子代替普通可见光管, 可以降低环境( 光源) 对

27、接收管的干扰。红外线测距仪具有自动化程度高、测距速度快以及精度高等优点。但如果对仪器的使用不当或维护不好, 都可能造成仪器性能发生变化, 导致精度降低。电子元件老化也是造成仪器精度降低及仪器加常数变化的重要原因。为了掌握每台仪器的性能指标, 合理使用仪器, 测出高质量的数据, 必须定期对仪器进行全面检测。红外测距传感器的测量范围较小，对于汽车入库的测距时的要求不太合适，修改动作的时间较短，单片机处理加上发出指令，启动PWM控制电路，发动发动机修改轨迹的时间过短，会出现误导，况且由于红外线的其他不利因素，例如：照准误差（瞄准误差）是指采用测距仪发射光束不同的位置进行测量时, 测距结果不一致, 而

28、形成的测距偏差, 即发光管或调制器空间相位不均匀的误差, 主要是由于砷化稼(GaAs)发光二极管发出的光束相位不均匀或调制器的相位不均匀造成的。砷化嫁发出的光束, 理想的情况是在光束范围内与发光管在等距离的曲面上, 相位均相同。, 样利用光束的任一位置测出的距离也就相同, 但实际上并非如此, 与发光管等距离的曲面上各点的相位并不相同, 而相位相同的则是一个不规则的曲面, 图2.3 a中所示A 点和B点是相同的, 但OA 与OB的距离并不相等, 这就造成了用光束的不同位置测距时, 所得结果不同, 两者之差即为由于相位不均匀造成的照准误差。 图2.3 a测距仪发光管光束相位 方案三: 采用超声波检

29、测, 超声波在测距定位方面技术成熟, 有较大的优势, 但超声波发射器体积较大, 考虑到小车的带负载能力有限, 所以不予采用。超声波测距仪原理框图如下图2.3 b。超声波发射器放大电路超声波接收器放大电路锁相环检波电路定时器单片机控制显示器 图2.3 b 超声波测距仪原理框图单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。基于上述分析, 拟选择方案三。2.3.2超声波的特有性质 1超声波位直线传播，绕射能力弱，反射能力强2超声波在

30、液体、固体中传播的衰减很小，穿透能力强，在空气中传播速度较慢3当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中的传播速度不同，在介质面上会产生反射、折射和波形转换等现象。 超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。它们所产生的超声波的频率、功率、和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前在近距离测量方面常用的是压电式超声波换能器。2.3.3超声波测距的基本原理以及测距仪的使用 该原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。实用的测距方法有两种，一种是在被

31、测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。此次设计采用反射波方式。 测距仪的分辨率取决于对超声波传感器的选择。超声波传感器是一种采用压电效应的传感器，常用的材料是压电陶瓷。由于超声波在空气中传播时会有相当的衰减，衰减的程度与频率的高低成正比；而频率高分辨率也高，故短距离测量时应选择频率高的传感器，而长距离的测量时应用低频率的传感器超声波传感器是经常采用的传感器之一，用来检测对方机器人的有无和距离。、其原理犹如蝙蝠，它的嘴发出超声波，当超声波遇到小昆虫的时候，蝙蝠的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫的位置和距离并予以

32、捕杀。超声波传感器的工作方式是通过发送器发射出来的超声波被物体反射后传到接收器接收来判断是否检测到物体。 超声波测距的原理为超声波发生器T在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器R所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可算出超声波发生器与反射物体的距离。距离的计算公式为：超声波在介质中的传播 d=s/2=(ct)/2 （2.1）由于超声波受环境等因素的影响，所以采用跟环境的有关的因素的等式来减少实际测量的误差所谓超声波就是空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。人的听觉所能感觉的声音的频率范围往往因人而异，大约20Hz-

33、20kHz。超声波的传播速度V可以用下式表示： V=331.5+0.607T（m/s） （2.2）式中，T（摄氏度）为环境温度，在23摄氏度的常温下超声波传播速度为345.3m/s。当温度T一定时，超声波的速度既定，只要记录从发射到接受的时间t，利用L=ct/2即可求出被测距离，超声波传感器一般就是利用这样的超声波来检测物体的。其中，d为被测物与测距仪的距离，s为声波的来回的路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。 在启动发射电路的同时启动单片机内部的定时器T0，利用定时器的计数功能记录超声波发射的时间和收到反射波的时间。当收到超声波反射波时，接收电路输出端产生一个负跳变，在INT0或INT1

34、端产生一个中断请求信号，单片机响应外部中断请求，执行外部中断服务子程序，读取时间差，计算距离。其部分源程序如下： RECEIVE0：PUSH PSW PUSH ACC CLR EX0 ；关外部中断0 MOV R7, TH0 ；读取时间值 MOV R6, TL0 CLR C MOV A, R6 SUBB A, #0BBH；计算时间差 MOV 31H, A ；存储结果 MOV A, R7 SUBB A, #3CH MOV 30H, A SETB EX0 ；开外部中断0 POP ACC POP PSW RETI 2.4 电源选择单片机供电的选择方案 方案一: 采用单一电源( 4 节AA 电池) 供电

35、方案。这样供电比较简单; 但由于电动机启动电流很大。而且PWM驱动的电动机电流波动较大, 会造成电源电压不稳,可能会使传感器误检测, 严重时可能引起单片机程序跑飞、复位等异常现象。 方案二: 双电源供电, 将电机驱动电源与单片机及传感器电源完全隔离, 利用光电耦合器进行连接。这样可以彻底解决电机运行对系统稳定性的影响, 从而提高系统的可靠性。 基于上述分析, 拟选择方案二。3系统总体功能设计3.1单片机作为小车的控制核心 采用凌阳单片机SPEC061A 开发系统5, 利用TIMER 定时器/计数器实现PWM控制, 利用ADC 模块实现模拟信号采样实现方向控制。同时采用激光测距技术, 利用步进电

36、机实现门栏的打开与关闭。小车及车库上原理框图分别如图图3.1 a 和 图3.1 b。 图3.1 a 小车主控原理框图图3.1 b 车库控制原理框图3.2系统的硬件设计3.2.1 车体结构 电动小车为四轮结构, 其中前面两个车轮由前轮电机控制, 在连杆和支点作用下控制前轮左右摆动, 来调节小车的前进方向。在自然状态下, 前轮在弹簧作用下保持中间位置。后面两个车轮由后轮电机驱动, 为整个小车提供动力, 所以又称前面的轮子为方向轮, 后面的两个轮子为驱动轮。 车体部分: 小车车体主要为两个电机驱动装置, 分前轮( 方向) 驱动和后轮( 动力驱动) 。在车体的下面有一个可以安装4 节AA 电池的电池盒

37、, 整个小车的电源就是由它来提供的。在小车的底部有一个小开关, 它负责控制整个小车的电源开通与关断。 61 板: 61 板是小车的核心部分, 它负责整个小车控制信号的产生, 以及语音的播放和识别功能实现。在不使用小车时可以将61 板从小车上拆下来, 61 板仍然是完整的, 可以用它来做其它的实验或开发。控制板: 控制板负责将来自61 板的控制信号转化为能够驱动电动机的信号。3.2.2 电机PWM驱动模块电路 本电路采用的是基于PWM原理的H 型驱动电路, 其电路原理如图4.2所示。该电路采用复合驱动, 以保证电机启动时的大电流要求。B9 为高电平, IOB8 为低电平时,三极管Q2、Q3、Q5

38、 导通, 三极管Q1、Q4、Q6 截止, 电动机正转。当IOB8 为高电平, IOB9 为低电平时, 三极管Q2、Q3、Q5 截止, 三极管Q1、Q4、Q6 导通, 电动机反转。对于IOB9、IOB8 这对控制电压, 我们采用TIMER定时器信号控制, 通过对其占空比的调整对车速进行调节。同时可以通过IOB9、IOB8 调整切换来实现电机的正反转。图3.2 PWM原理的H 型驱动电路3.3 全方位超声波检测模块3.3.1 超声波测距相位法测距基本原理 相位法测距通过测定调制光波经过时间t 后所产生的相位移,从而求得光波所走过的路程D6。如图3.3 所示, A 点表示调制光波的发射点，B点表示被

39、测反射面, A表示光波经被测面反射后的接收点, A 与A两点之间的距离就是光波所走过的路程,它等于待测距离A的2倍,图3.3 中就代表了光波在往返路程上的相位移。图3.3 相位测距原理图光波在传播过程中相位是不断变化的, 用表示光波波长,则每传播一个波长,相位就变化2。所以距离D、光波往返相位移和光波波长之间的关系为: 定义/2为测尺长度L , /2相当于D 内包括的测尺长L 的数目。若令 = 2N + (3.1) ,式中N 是正整数或0 ,是中不足2的尾数,则式(3.1) 可写为: (3.2) 3.3.2超声波压电逆效应测距基本原理 超声波在相同的传播媒体里 (大气条件) 传播速度相同, 即

40、在相当大的频率范围内声速不随频率变化, 波动的传播方向与振动方向一致, 是纵向振动的弹性机械波, 它是借助于传播介质的分子运动而传播的, 波动方程描述方法与电磁波是类似的。 (3.3) (3.4) 式中, A (x ) 为振幅, A 0 为常数, 为圆频率, t 为时间, x 为传播距离, k= 2/为波数, 为波长, 为衰减系数。衰减系数与声波所在介质及频率的关系为=af2 (3.5) 式中, a 为介质常数, f 为振动频率。在空气里, a =210- 13 s2/cm, 当振动的声波频率f = 40kHz (超声波) 代入式(3.5) 可得 a = 3.210-4 cm-1 , 即1/=

41、 31m;若f = 30 kHz, 则1/= 56m。它的物理意义是: 声波在空气媒质里传播, 因空气分子运动摩擦等原因, 能量被吸收损耗。在 (1/) 长度上, 平面声波的振幅衰减为原来的e 分之一, 由此可以看出, 频率越高, 衰减得越厉害, 传播的距离也越短。考虑实际工程测量要求,在设计超声波测距仪时, 选用频率f = 40kHz 的超声波, 波长为34000/40000=0.85cm6。3.4 车库边缘检测 在小车的左前方、右前方装上调制频率为40kHz 的超生波传感器, 在车库的左右边缘装有超声波发射管, 和与之对应的超声波接收管，通过超声波测距，得到车库的长度和宽度，为了使车垂直进

42、入库中，单片机的分析处理能力，已知车身的宽度和长度分别为4.4米，1.8米，车库左侧和右侧距离车身宽度相当为最佳，左右偏差不大于0.5米为可接受入库方案，同时当车尾距离车库末端的距离大于0.4米小于0.8米时，表明车已安全入库。3.5 车库检测模块3.5.1检测小车是否接近车库 若已接近车库车前的超声波发射管将照射到门栏上的超声波接管, 超声波接收管接收到信号后向车库上的2051 单片机系统发出中断请求, 2051 单片机在相应中断请求后发信号给控制门栏的步进电机, 使电机正转打开门栏, 小车入库后, 2051 单片机控制电机反转关闭门栏。在硬件设计方面, 在小车的正前方装有一个发射管, 在门

43、栏正中央装有接收管, 当小车正对车门时, 经比较器送一电位给2051, 使2051 发送控制信号给步进电机, 打开门栏。Rp 可用以调整接收灵敏度,调整Rp 的阻值可以改变小车距门栏的打开距离。在车库的后方, 也装有发射接收对管, 当小车进入车库后方的时候, 挡住光线, 将向2051 单片机发送中断请求信号, 单片机驱动步进电机关闭门栏。汽车未能准确入库时, 门栏无法落下。若门栏无法落下时间超过2 分钟, 2051 的P1.5 口送一低电平, 使蜂鸣器发出警告声8。3.5.2步进电动机作为控制动力 这里涉及了利用AT89C2051单片机驱动电路作为步进电动机的驱动电路。步进电动机的运行方式采用

44、了三相六拍方式，使得步进电动机的步角为3.75度。步进电动机所需要的脉冲有小单片机AT89C2051的3个口线给出，通过调整控制程序从而到达对电动机的速度以及转过的角度进行精确控制的目的。电动机速度的控制通过调节3个口线的输出频率进行调节，电动机转过的角度通过控制线给出的脉冲数目进行控制。控制算法主要由C52芯片运行，电动机驱动电路则由AT89C2051驱动，单片机间用串行通信方式传输数据。其中C52芯片用于协调两片AT89C2051的工作，AT89C2051用于控制电动机的转速、转向和转动量的控制，超声波传感器反馈轨迹信号给C52芯片，用于实现寻迹的功能9。4 系统的软件设计 4.1软件的两

45、部分软件分为主程序和中断服务程序，如图4-1（a）（b）（c） 所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。 定时中断服务子程序完成三方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。主程序首先是对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位定时计数器模式。置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P1清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直射波触发，需要延时约0.1 ms（这也就是超声波测距仪会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用的是12 MHz的晶 振，计数器每计一个数就是1s，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按式(4.1)计算，即可得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20时的声速为344 m/s则有： d=(ct)/2=172T0/10000cm (4.1) 其中，T0为计数器T0的计算值。 测出距离后结果将以十进制BCD码方式送往LED显示约0.5s，然后再发超声波脉冲重复测量过程。为了有利于程序结构化和容易计算出距离，主程序采用C语言编写。 a 主程序流程图 b 定时中断子程序