智能化自尋跡程控車模外形及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)【含4張CAD圖紙+文檔全套】

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The auto-searching for track is on the base of the AGV-auto-guided vehicle system. It makes the car discern the routs, judge and evade the obstacles automatically. So the car can choose the right routes. In the experiment we take use of the guiding wire whose color distinguishes from the background to guide the car and the inflected infrared sensor to discern the guiding wire and obstacles. The AT89S51 Single Chip Microcomputer is used for the control core in this system, and the one-way PWM direct current electromotor for the motive force or power system. This technology could serve to driverless mobile, robot factory, warehouse, service robot and etc. Key Word:Auto-searching for track; infrared sensor; Single Chip Microcomputer 2 目錄 摘要 i Abstrct ii 引言 4 第一章　設(shè)計(jì)方案與論證 5 第二章 外形設(shè)計(jì) 6 ２.1繪圖軟件的選擇 6 2.2設(shè)計(jì)方法分析 7 2.3產(chǎn)品外觀造型的三大美學(xué)因素 7 2.3.1造型 7 2.3.2顏色 8 2.3.3材料與結(jié)構(gòu) 8 第三章 單片機(jī)介紹 9 第四章 電機(jī)驅(qū)動及控制 23 4.1H 型橋式驅(qū)動電路 23 4.2P W M 控制 27 4.3通過軟件避免直通短路 28 4.4小結(jié) 29 第五章 單元電路的設(shè)計(jì) 30 5.1黑帶檢測方案選擇 30 5.2傳感器選擇 31 5.3 紅外反射式光電傳感器特性與工作原理 32 5.4具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 33 ５.４.1.硬件結(jié)構(gòu) 34 ５.４.2.電路原理 35 ５.４.３程序及流程圖 38 ６．１總結(jié) 43 參考文獻(xiàn) 46 致謝 47 外文翻譯 48 南華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì) 引言 自第一臺工業(yè)機(jī)器人誕生以來，機(jī)器人的發(fā)展已經(jīng)遍及機(jī)械、電子、冶金、交通、宇航、國防等領(lǐng)域。近年來機(jī)器人的智能水平不斷提高，并且迅速地改變著人們的生活方式。人們在不斷探討、改造、認(rèn)識自然的過程中，制造能替代人勞動的機(jī)器一直是人類的夢想。 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來越多，其中視覺傳感器成為自動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，目前的CCD已能做到自動聚焦。但CCD傳感器的價(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。自動尋跡是基于自動導(dǎo)引小車（AGV—auto-guided vehicle）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)小車自動識別路線，判斷并自動規(guī)避障礙，選擇正確的行進(jìn)路線。采用與地面顏色有較大差別的線條作引導(dǎo)，使用傳感器感知導(dǎo)引線和障礙判斷 第一章　設(shè)計(jì)方案與論證 采用ATMEL公司生產(chǎn)的AT89S51型單片機(jī)作為我們的控制單元，因?yàn)樵撔蛦纹瑱C(jī)價(jià)格便宜，功能比較強(qiáng)大，性價(jià)比高，而且在市場上很容易買到。通過紅外傳感器、電感式接觸開關(guān)等器件來采集各類信息，送入主控單元單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動作，以達(dá)到自身控制。其中尋跡（黑帶檢測）采用市面上通用的發(fā)射管及接收頭，經(jīng)過單片機(jī)調(diào)制后發(fā)射。鐵片檢測采用電感式接近開關(guān)LJ18A3-8- Z/BX檢測。此系統(tǒng)比較靈活，更重要的是采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。黑帶尋跡采用紅外線發(fā)射和接受原理。鐵片檢測采用電感式接近開關(guān)LJ18A3-8-Z/BX檢測，產(chǎn)生的高低電平信號經(jīng)過處理后控制小車停轉(zhuǎn)。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)。 第二章 外形設(shè)計(jì) 圖２.1 最終效果如圖２.1所示。 ２.1繪圖軟件的選擇 我選用的是現(xiàn)在最流行的三維繪圖軟件PRO/E，這是一個(gè)方位的3D產(chǎn)品開發(fā)軟件，它集零件設(shè)計(jì)、產(chǎn)品裝配、墨菊開發(fā)、NC加工、鈑金件設(shè)計(jì)、鑄造件設(shè)計(jì)、造型設(shè)計(jì)、逆向工程、自動測量、機(jī)構(gòu)模擬、壓力分析、產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理等功能于一體。其中工業(yè)設(shè)計(jì)模塊（CAID）主要用于對產(chǎn)品進(jìn)行幾何設(shè)計(jì)。以前在零件未制造出來時(shí)，是無法觀看零件的形狀的，只能通過二維平面圖形進(jìn)行想象?，F(xiàn)在，隨著三維軟件的出現(xiàn)，設(shè)計(jì)者可以在零件未制造出來之前，觀看和評價(jià)零件的幾何外形，現(xiàn)在，3ds max軟件可以生成實(shí)體模型，但用3ds max軟件生成的模型在實(shí)際工程中是“中看不中用”。用PRO/E軟件生成的試題模型，不僅外觀真實(shí)，而且相當(dāng)實(shí)用，PRO/E中文野火版中各階段的的各個(gè)工作數(shù)據(jù)庫的產(chǎn)生都要依賴與實(shí)體建模生成的數(shù)據(jù)。而該課題設(shè)計(jì)的遙控玩具汽車，又涉及到大量的曲面設(shè)計(jì)，而PRO/E正好有著強(qiáng)大的曲面設(shè)計(jì)功能，故在遙控玩具汽車外形設(shè)計(jì)這塊，我主要是選用PRO/E來進(jìn)行設(shè)計(jì)。 2.2設(shè)計(jì)方法分析 設(shè)計(jì)準(zhǔn)備：先得到掃描的數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)資料導(dǎo)入Pro/ENGINEER軟件進(jìn)行描線。 制作結(jié)構(gòu)外觀設(shè)計(jì)時(shí)，首先根據(jù)產(chǎn)品需求，確定它的整體外觀尺寸。設(shè)計(jì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，需要考慮硬件尺寸，因?yàn)樵谕鈿だ锩嫘枰胖盟辛慵?，例如定位PCB的孔位、指示燈的位置，上下蓋的固定位置等。 然后在基礎(chǔ)線上取面，拆分出各個(gè)零部件，拆分方式以ID的外形圖為依據(jù) ，若擔(dān)心強(qiáng)度不足，可以通過在內(nèi)部拉加強(qiáng)筋來解決，效果遠(yuǎn)遠(yuǎn)好過單一的增加壁厚。然后制作裝配圖，將拆分出的各個(gè)零部件按裝配順序分別引入，選擇用參考中心重合的對齊方式，放入電子內(nèi)部零件。將各個(gè)零件引入裝配圖時(shí)，應(yīng)根據(jù)需要將有些零部件先做成一個(gè)組件，然后再把組件引入裝配圖。 遙控玩具汽車外型設(shè)計(jì)總圖復(fù)雜，用到的建模功能非常多，需要使用掃描特征、混合特征、延伸、拉伸曲面以及曲面合并等工具來實(shí)現(xiàn) 2.3產(chǎn)品外觀造型的三大美學(xué)因素 一件產(chǎn)品的美并不是由唯一的因素造成的，它會牽涉到造型、色彩、材質(zhì)、結(jié)構(gòu)等多方面的美學(xué)因素，以及受到獨(dú)特的地區(qū)生活習(xí)慣，社會文化和流行特征的影響。我們很難用一套固定的模式，表達(dá)所有不同種類產(chǎn)品的造型美感，只能用以下的三大美學(xué)因素分類說明。 2.3.1造型 造型就是外型，產(chǎn)品造型是否美觀，總是客戶第一眼看見的。所以，造型將是產(chǎn)品設(shè)計(jì)的核心而造型設(shè)計(jì)所需的基礎(chǔ)幾何技法有點(diǎn)、線、面、形狀韻律、造型、模塊、紋理、對稱、平衡、統(tǒng)一、空間和體積。這是第一階段的美學(xué)規(guī)律。而造型設(shè)計(jì)第二階段所需的高級技法有對比、調(diào)和、漸變、質(zhì)量和重點(diǎn)。，當(dāng)然，還有一部分的造型美技法，需要我們在生活中的美學(xué)體驗(yàn)，以上的技法必須予以混合運(yùn)用，才能達(dá)到良好的效果。 2.3.2顏色 顏色就是色彩，它是構(gòu)成產(chǎn)品形態(tài)的美的重要組成部分，而造型設(shè)計(jì)也需要熟悉色彩學(xué)。色彩的配置在產(chǎn)品造型設(shè)計(jì)中是非常重要的部分，有一些應(yīng)用，如對比，調(diào)和等。對造型設(shè)計(jì)者而言，除了需要了解色彩的基本常識以外，我們還必須了解色彩心理學(xué)，這更加有助于設(shè)計(jì)時(shí)的配色參考重點(diǎn)。色彩的心理感受有以下幾類，冷暖色感、輕重色感、軟硬色感、前后色感、大小色感、華樸色感、活沉色感和燥靜色感。基于我們這個(gè)設(shè)計(jì)是遙控玩具汽車，它的消費(fèi)群體主要是廣大的兒童，所以在它外型的顏色搭配上，我們應(yīng)該更多地選用暖色調(diào)。而在配色時(shí)，針對它的消費(fèi)群體的特殊性，配色的主題應(yīng)該為動感，這種最鮮艷的色彩組合通常中央都有原色（黃色）。黃色代表帶給萬物生機(jī)的太陽，活力和永恒的動感。當(dāng)黃色加入白色后，它的光亮的特質(zhì)就會增加，并產(chǎn)生出格外耀眼的全盤效果，動感色的應(yīng)用：高度對比的配色設(shè)計(jì)，如黃色和它的補(bǔ)色紫色，就含有活力和行動的意味，尤其是出現(xiàn)在圓形的空間里面，身處于黃色或其它的任何一個(gè)明色的環(huán)境，幾乎是不會感到沮喪的，這點(diǎn)很符合小朋友的心理。 2.3.3材料與結(jié)構(gòu) 商品的美感與構(gòu)成它的材料、結(jié)構(gòu)和質(zhì)感是分不開的。由于本設(shè)計(jì)的材料比較明確，那就是塑料。所以在材料對造型美感的影響我們可以忽略。 第三章 單片機(jī)介紹 AT89S51是美國ATMEL公司生產(chǎn)的低功耗，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含4k bytes的可系統(tǒng)編程的Flash只讀程序存儲器，器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術(shù)生產(chǎn)，兼容標(biāo)準(zhǔn)8051指令系統(tǒng)及弓}腳。它集Flash程序存儲器既可在線編程(ISP)也可用傳統(tǒng)方法進(jìn)行編程及通用8位微處理器于單片芯片中，，ATMEL公司的功能強(qiáng)大，低價(jià)位AT89S51單片機(jī)可為您提供許多高性價(jià)比的應(yīng)用場合，可靈活應(yīng)用于各種控制領(lǐng)域。 主要性能參數(shù): ·MCS-51產(chǎn)品指令系統(tǒng)完全兼容 ·4k字節(jié)在系統(tǒng)編程(ISP)Flash閃速存儲器 ·1000次擦寫周期 · 4. 0-5.5V的工作電壓范圍 ·全靜態(tài)工作模式:OHz-33MHz ·三級程序加密鎖 ·128X8字節(jié)內(nèi)部 RAM ·32個(gè)可編程I/0口線 ·2個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器 ·6個(gè)中斷源 ·全雙工串行UART通道 ·低功耗空閑和掉電模式 ·中斷可從空閑模喚醒系統(tǒng) ·看門狗(WDT)及雙數(shù)據(jù)指針 ·掉電標(biāo)識和快速編程特性 ·靈活的在系統(tǒng)編程(ISP一字節(jié)或頁寫模式) 圖3.1 功能特性概述: AT89S51提供以下標(biāo)準(zhǔn)功能:4k字竹Flash閃速存儲器，128字節(jié)內(nèi)部RAM, 32個(gè)I/O口線，看門狗(WDT ),兩個(gè)數(shù)據(jù)指針，兩個(gè)16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，一個(gè)5 向量兩級中斷結(jié)構(gòu)，一個(gè)全雙工串行通信口，片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。同時(shí)，AT89S51可降至OHz的靜態(tài)邏輯操作，并支持兩種軟件可選的節(jié)電工作模式?？臻e方式停止CPU的工作，但允許RAM，定時(shí)/計(jì)數(shù)器，串行通信口及中斷系統(tǒng)繼續(xù)工作。掉電力式保存RAM中的內(nèi)容，但振蕩器停止工作并禁止其它所有部件工作直到下一個(gè)硬件復(fù)位。 圖3.2 邏輯門電路，對端口寫"1”可一作為高阻抗輸入端用。 在訪問外部數(shù)據(jù)存儲器或程序存儲器時(shí)，這組口線分時(shí)轉(zhuǎn)換地址(低8位)和數(shù)據(jù)總線復(fù)用，在訪問期間激活內(nèi)部上拉電阻。 在Flash編程時(shí)，PO口接收指令字節(jié)，而在程序校驗(yàn)時(shí)，輸出指令字節(jié)，校驗(yàn)時(shí)，要求外接上拉電阻。 Pl口:P1是一個(gè)帶內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口，P1的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯 門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口。作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流(IIL)，F(xiàn)lash編程和程序校驗(yàn)期間，P1接收低8位地址。 表3.1 P2口:P2是一個(gè)帶有內(nèi)部上拉電組的8位雙向I/O口，P2的輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對端口寫“1”，通過內(nèi)部的上拉電阻把端口拉到高電平，此時(shí)可作輸入口，作輸入口使用時(shí)，因?yàn)閮?nèi)部存在上拉電阻，某個(gè)引腳被外部信號拉低時(shí)會輸出一個(gè)電流(I)。 在訪問外部程序存儲器或16位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(例如執(zhí)行MOVX @DPTR指令)時(shí)，P2口送出高8位地址數(shù)據(jù)。在訪問8位地址的外部數(shù)據(jù)存儲器(如執(zhí)行MOVX @Ri指令)時(shí)，P2口線上的內(nèi)容(也即特殊功能寄存器(SFR)區(qū)中 P2寄存器的內(nèi)容)，在整個(gè)訪問期間小改變。 Flash編程或校驗(yàn)時(shí)，P2亦接收高位地址和其它控制信號 P3口:P3口是一組帶有內(nèi)部上拉電阻的8位雙向I/O口。P3口輸出緩沖級可驅(qū)動(吸收或輸出電流)4個(gè)TTL邏輯門電路。對P3口寫“1”時(shí)，它們被內(nèi)部上拉電阻拉高并可作為輸入端口。作輸入端時(shí)，被外部拉低的P3口將用上拉電阻輸出電流(I)。 P3口除了作為一般的I/0口線外，更重要的用途是它的第二功能，如下表所示:P3口還接收一此用于Flash閃速存儲器編程和程序校驗(yàn)的控制信號。 表3.2 RST:復(fù)位輸入。當(dāng)振蕩器工作時(shí)，RST引腳出現(xiàn)兩個(gè)機(jī)器周期以上高電平將使單片機(jī)復(fù)位。WDT溢出將使該引腳輸出高電平，設(shè)置SFR AUXR的DISRTO位(地址8EH )可打開或關(guān)閉該功能。DISRTO位缺省為RESET輸出高電平打開狀態(tài)。 ALE/PROG:當(dāng)訪問外部程序存儲器或數(shù)據(jù)存儲器時(shí)，ALE(地址鎖存允許)輸出脈沖用于鎖存地址的低8位字節(jié)。即使不訪問外部存儲器，ALE仍以時(shí)鐘振蕩頻率的1/6輸出固定的正脈沖信號，因此它可對外輸出時(shí)鐘或用于定時(shí)目的。要注意的是:每當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器時(shí)將跳過一個(gè)ALE脈沖。 對Flash存儲器編程期間，該引腳還用于輸入編程脈沖(PROG )如有必要，可通過對特殊功能寄存器(SFR)的8FH單元的DO位置位，可禁止ALE操作。該位置位后，只有一條MOVX和MOVC指令A(yù)LE才會被激活。此外，該引腳會被微弱拉高，單片機(jī)執(zhí)行外部程序時(shí)，應(yīng)設(shè)置ALE無效。 PSEN:程序儲存允許(PSEN)輸出是外部程序存儲器的讀選通信號，當(dāng)AT89S51由外部程序存儲器取指令(或數(shù)據(jù))時(shí)，每個(gè)機(jī)器周期兩次PSEN有效，即輸出兩個(gè)脈沖。當(dāng)訪問外部數(shù)據(jù)存儲器，沒有兩次有效的PSET信號。 EA/VPP:外部訪問允許。欲使CPU僅訪問外部程序存儲器(地址為OOOOH-FFFFH ) ， EA端必須保持低電平(接地)。需注意的是:如果加密位LB1被編程，復(fù)位時(shí)內(nèi)部會鎖存EA端狀態(tài) 如EA端為高電平(接Vcc端)，CPU則執(zhí)行內(nèi)部程序存儲器中的指令。Flash存儲器編程時(shí)，該引腳加上+12V的編程電壓Vpp。 XTAL1:振蕩器反相放人器及內(nèi)部時(shí)鐘發(fā)生器的輸入端。 XTAL2:振蕩器反相放人器的輸出端 特殊功能寄存器: 特殊功能寄存器的于片內(nèi)的空間分布如表3.3所示 這此地址并沒有全部占用，沒有占用的地址亦小可使用，讀這此地址將得到一個(gè)隨意的數(shù)值。而寫這此地址單元將不能得到預(yù)期的結(jié)果。 表3.3 AT89S51特殊功能寄存器分布圖及復(fù)位值 表3.3 不要軟件訪問這些未定義的單元，這些單元是留作以后產(chǎn)品擴(kuò)展用途的，復(fù)位后這此新的位將為0。 中斷寄存器: 各中斷允許控制位于IE寄存器，5個(gè)中斷源的中斷優(yōu)先級控制位于IP寄存器。 表3.4 AUXR輔助寄存器 表3.4 雙時(shí)鐘指針寄存器:為更方便地訪問內(nèi)部和外部數(shù)據(jù)存儲器，提供了兩個(gè)16位數(shù)據(jù)指針寄存器:DPO位于SFR(特殊功能寄存器)區(qū)塊中的地址82H, 83H和DPl位于地址84H, 85H, 當(dāng) SFR 中的位DPS=0選擇DPO，而DPS=1則選擇DPlo用戶應(yīng)在訪問相應(yīng)的數(shù)據(jù)指針寄存器前初始化DPS位。 表3.5 電源空閑標(biāo)志:電源空閑標(biāo)志(POF)在特殊功能寄存器SFR中PCON的第4位(PCON. 4 )，電源打開時(shí)POF置“1”，它可山軟件設(shè)置睡眠狀態(tài)并不為復(fù)位所影響。 存儲器結(jié)構(gòu):MCS-51單片機(jī)內(nèi)核采用程序存儲器和數(shù)據(jù)存儲器空間分開的結(jié)構(gòu)，均具有64KB外部程序和數(shù)據(jù)的尋址空間。 程序存儲器:如果EA引腳接地(GND ),全部程序均執(zhí)行外部存儲器在AT89S51，假如EA接至Vcc(電源+)，程序首先執(zhí)行地址從OOOOH-OFFFH (4KB)內(nèi)部程序存儲器，再執(zhí)行地址為1000H-FFFFH (60KB)的外部程序存儲器。 數(shù)據(jù)存儲器:AT89S51的具有128字節(jié)的內(nèi)部RAM，這128字節(jié)可利用直接或間接尋址方式訪問，堆棧操作可利用間接尋址方式進(jìn)行，128字節(jié)均可設(shè)置為堆棧區(qū)空間。 看門狗定時(shí)器(WDT ):WDT是為了解決CPU程序運(yùn)行時(shí)可能進(jìn)入混亂或死循環(huán)而設(shè)置，它山一個(gè)14bit計(jì)數(shù)器和看門狗復(fù)位SFR (WDTRST)構(gòu)成。外部復(fù)位時(shí)，WDT默認(rèn)為關(guān)閉狀態(tài)，要打開WDT，用戶必須按順序?qū)1EH和OE1H寫到WDTRST寄存器(SFR地址為0A6H ) ,當(dāng)啟動了WDT，它會隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，除硬件復(fù)位或WDT溢出復(fù)位外沒有其它力法關(guān)閉WDT,當(dāng)WDT溢出，將使RST引腳輸出高電平的復(fù)位脈沖 使用看門狗(WDT ):打開WDT需按次序?qū)慜1EH和OE1H到WDTRST寄存器(SFR的地址為OA6H ),當(dāng)WDT打開后，需在一定的時(shí)候?qū)慜1EH和OE1H到WDTRST寄存器以避免WDT計(jì)數(shù)溢出。14位WDT計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到16383 (3FFFH), WDT將溢出并使器件復(fù)位。WDT打開時(shí)，它會隨晶體振蕩器在每個(gè)機(jī)器周期計(jì)數(shù)，這意味著用戶必須在小于每個(gè)16383機(jī)器周期內(nèi)復(fù)位WDT，也即寫O1EH和OE1H到WDTRST寄存器，WDTRST為只寫寄存器o WDT計(jì)數(shù)器既不可讀也不可寫，當(dāng) WDT溢出時(shí)，通常將使RST引腳輸出高電平的復(fù)位脈沖。復(fù)位脈沖持續(xù)時(shí)間為98xTOSC，而TOSC=1/FOSC(晶體振蕩頻率)為使WDT工作最優(yōu)化，必須在合適的程序代碼時(shí)間段周期地復(fù)位WDT防止WDT溢出。 掉電和空閑狀態(tài)時(shí)的WDT:掉電時(shí)期，晶體振蕩停止, WDT也停止。掉電模式下，用戶不能再復(fù)位WDT。有兩種方法可退出掉電模式:硬件復(fù)位或通過激活外部中斷。當(dāng)硬件復(fù)位退出掉電模式時(shí)，處理WDT可通常的上電復(fù)位一樣。當(dāng)由中斷退出掉電模式則有所不同，中斷低電平狀態(tài)持續(xù)到晶體振蕩穩(wěn)定，當(dāng)中斷電平變?yōu)楦呒错憫?yīng)中斷服務(wù)。為防止中斷誤復(fù)位，當(dāng)器件復(fù)位，中斷引腳持續(xù)為低時(shí)，WDT并未開始計(jì)數(shù)，直到中斷引腳被拉高為止。這為在掉電模式下的中斷執(zhí)行中斷服務(wù)程序而設(shè)置為保證WDT在退出掉電模式時(shí)極端情況下溢出，最好在進(jìn)入掉電模式前復(fù)位WDT在進(jìn)入空閑模式前，WDT打開時(shí)，WDT是否繼續(xù)計(jì)數(shù)由SFR中的AUXR的WDIDLE位決定，在IDLE期間(位WDIDLE=0)默認(rèn)狀態(tài)是繼續(xù)計(jì)數(shù)。為防止AT89S51從空閑模式中復(fù)位，用戶應(yīng)周期性地設(shè)置定時(shí)器，重新進(jìn)入空閑模式。當(dāng)位WDIDLE被置位，在空閑模式中WDT將停止計(jì)數(shù)，直到從空閑(IDLE)模式中退出重新開始計(jì)數(shù) ·UAR7，一通用異步通信:AT89S51的DART操作與AT89C51一樣，有關(guān)更詳細(xì)的資料請參考ATMEL公司的網(wǎng)站(www.atmel.com)，從主頁選擇“Products"—"8051-Architecture Flash Microcontroller"—"Product Overview" ·定時(shí)器0和定時(shí)器1:AT89S51的定時(shí)器0和定時(shí)器1操作與AT89C51一樣，有關(guān)更詳細(xì)的資料請參考ATMEL公司的網(wǎng)站(www.atmel.com)，從主頁選擇“Products"——"8051-Architecture Flash Microcontroller"——"Product Overview"。 ·中斷:AT89S51共有5個(gè)中斷向量: 2個(gè)外中斷(INTO和INT1)，2個(gè)定時(shí)中斷(TimerO和Timer1)和一個(gè)串行中斷。這些中斷如圖1。這些中斷源各自的禁止和使能位參見特殊功能寄存器的IE。 IE也包含總中斷控制位EA, EA清0，將關(guān)閉所有中斷。值得注意的是表4 中的IE.6和IE.5沒有定義，用戶不要訪問這些位，它是保留為以后的AT89產(chǎn)品作擴(kuò)展用途定時(shí)器0和定時(shí)器1的中斷標(biāo)志TFO和TF1，它是定時(shí)器溢出時(shí)的S5P2時(shí)序周期被置位，該標(biāo)志保留至下個(gè)時(shí)序周期。 表3.6:中斷控制寄存器 表3.6 圖3.3 中斷源方框圖 圖3.3 ·品體振蕩器特性: AT89S51中有一個(gè)用于構(gòu)成內(nèi)部振蕩器的高增益反相放大器，引腳XTAL1和XTAL2分別是該放大器的輸入端和輸出端。這個(gè)放大器與作為反饋元件的片外石英晶體或陶瓷諧振器一起構(gòu)成自激振蕩器，振蕩電路參見圖5外接石英晶體(或陶瓷諧振器)及電容C1, C2接在放大器的反饋回路中構(gòu)成并聯(lián)振蕩電路。對外接電容C1, C2雖然沒有十分嚴(yán)格的要求，但電容容量的大小會輕微影響振蕩頻率的高低、振蕩器工作的穩(wěn)定性、起振的難易程序及溫度穩(wěn)定性。如果使用石英晶體，我們推薦電容使用30pF士10pF，而如使用陶瓷諧振器建議選擇40pF士lOpF。用戶也可以采用外部時(shí)鐘。采用外部時(shí)鐘的電路如圖5右圖所示。這種情況下，外部時(shí)鐘脈沖接到XTAL1端，即內(nèi)部時(shí)鐘，發(fā)生器的輸入端，XTAL2則懸空。由于外部時(shí)鐘信號是通過一個(gè)2分頻觸發(fā)器后作為內(nèi)部時(shí)鐘信號的，所以對外部時(shí)鐘信號的占空比沒有特殊要求，但最小高電平持續(xù)時(shí)間和最大的低電平持續(xù)時(shí)間應(yīng)符合產(chǎn)品技術(shù)條件的要求。 圖3.4晶體接線圖和外接時(shí)鐘線路圖 圖3.4 ·空閑節(jié)電模式: 在空閑工作模式狀態(tài)，CPU保持睡眠狀態(tài)而所有片內(nèi)的外設(shè)仍保持激活狀態(tài)，這種方式由軟件產(chǎn)生。此時(shí)片內(nèi)RAM和所有特殊功能寄存器的內(nèi)容保持不變?？臻e模式可由任何允許的中斷請求或硬件復(fù)位終止。 需要注意的是，當(dāng)硬件復(fù)位來終止空閑工作模式時(shí)，CPU通常是從激活空閑模式那條指令的下一條指令開始繼續(xù)執(zhí)行程序的，要完成內(nèi)部復(fù)位操作，硬件復(fù)位脈沖要保持兩個(gè)機(jī)器周期(24個(gè)時(shí)鐘周期)有效，在這種情況下，內(nèi)部禁止 CPU訪問片內(nèi)RAM，而允許訪問其它端口。為了避免在復(fù)位結(jié)束時(shí)可能對端口產(chǎn)生意外寫入，激活空閑模式的那條指令后一條指令不應(yīng)是一條對端口或外部存儲器的寫入指令。 ·掉電模式: 在掉電模式下，振蕩器停止工作，進(jìn)入掉電模式的指令是最后一條被執(zhí)行的指令，片內(nèi)RAM和特殊功能寄存器的內(nèi)容在終止掉電模式前被凍結(jié)。退出掉電模式的方法是硬件復(fù)位或山處于使能狀態(tài)的外中斷INTO和INT1激活。復(fù)位后將重新定義全部特殊功能寄存器但不改變RAM中的內(nèi)容，在Vcc恢復(fù)到正常工作電平前，復(fù)位應(yīng)無效，且必須保持一定時(shí)間以使振蕩器重啟動并穩(wěn)定工作。 表3.7空閑和掉電期間外部引腳狀態(tài) 表3.7 ·程序存儲器的加密:AT89S51可使用對芯片上的3個(gè)加密位LB1, LB2, LB3進(jìn)行編程(P或不編程(U)來得到如下表所示的功能: 注:表中的U—表示未編程，P—表示編程 表3.8 當(dāng)加密位LB1被編程時(shí)，在復(fù)位期間，EA端的邏輯電平被采樣并鎖存，如果單片機(jī)上電后一直沒有復(fù)位，則鎖存起的初始值是一個(gè)隨機(jī)數(shù)，且這個(gè)隨機(jī)數(shù)會一直保存到真正復(fù)位為止。為使單片機(jī)能正常工作，被鎖存的EA電平值必須與該引腳當(dāng)前的邏輯電平一致。此外，加密位只能通過整片擦除的方法清除。 ·Flash閃速存儲器的并行編程:AT89S51單片機(jī)內(nèi)部有4k字節(jié)的可快速編程的Flash存儲陣列。編程方法可通過傳統(tǒng)的EPROM編程器使用高電壓(+12V)和協(xié)調(diào)的控制信號進(jìn)行編程AT89S51的代碼是逐一字節(jié)進(jìn)行編程的。 編程方法:編程前，須按編程模式表所示設(shè)置好地址、數(shù)據(jù)及控制信號，AT89S51編程方法如下: 1.在地址線上加上要編程單元的地址信號。 2.在數(shù)據(jù)線上加上要寫入的數(shù)據(jù)字節(jié)。 3.激活相應(yīng)的控制信號。 4.將EA/Vpp端加上+12V編程電壓。 5.每對Flash存儲陣列寫入一個(gè)字節(jié)或每寫入一個(gè)程序加密位，加上一個(gè)ALE/PROG編程脈沖。每個(gè)字節(jié)寫入周期是自身定時(shí)的，人多數(shù)約為50us。改變編程單元的地址和寫入的數(shù)據(jù)，重復(fù)1-5步驟，直到全部文件編程結(jié)束。 ·數(shù)據(jù)查詢:AT89S51單片機(jī)用數(shù)據(jù)查詢方式來檢測一個(gè)寫周期是否結(jié)束，在一個(gè)寫周期中，如需讀取最后寫入的那個(gè)字節(jié)，則讀出的數(shù)據(jù)的最高位(P0.7)是原來寫入字節(jié)最高位的反碼。寫周期完成后，有效的數(shù)據(jù)就會出現(xiàn)在所有輸出端上，此時(shí)，可進(jìn)入下一個(gè)字節(jié)的寫周期，寫周期開始后，可在任意時(shí)刻進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢。 · Ready/Busy:字節(jié)編程的進(jìn)度可通過“RDY/BSY輸出信號監(jiān)測，編程期間，ALE變?yōu)楦唠娖健癏”后P3.0端電平被拉低，表示正在編程狀態(tài)(忙狀態(tài))。編程完成后，P3.0變?yōu)楦唠娖奖硎緶?zhǔn)備就緒狀態(tài)。 ·程序校驗(yàn):如果加密位LB1, LB2沒有進(jìn)行編程，則代碼數(shù)據(jù)可通過地址和數(shù)據(jù)線讀回原編寫的數(shù)據(jù)，各加密位也可通過直接回讀進(jìn)行校驗(yàn)。 ·讀片內(nèi)簽名字節(jié): AT89S51單片機(jī)內(nèi)有3個(gè)簽名字節(jié)，地址為OOOH, 100H和200H。用于聲明該器件的廠商和型號等信息，讀簽名字節(jié)的過程和正常校驗(yàn)相仿，只需將P3.6和P3.7保持低電平，返回值意義如下: (OOOH) =1EH聲明產(chǎn)品由ATMEL公司制造 (100H) =51H聲明為AT89S51單片機(jī) (200H) =06H ·芯片擦除:在并行編程模式，利用控制信號的正確組合并保持ALE/PROG引腳200ns-500ns的低電平脈沖寬度即可完成擦除操作。在串行編程模式，芯片擦除操作是利用擦除指令進(jìn)行。在這種力式，擦除周期是自身定時(shí)的，人約為500ms擦除期間，用串行方式讀任何地址數(shù)據(jù)，返回值均為OOH。 ·Flash閃速存儲器的串行編程:將RST接至Vcc,程序代碼存儲陣列可通過串行ISP接口進(jìn)行編程，串行接口包含SCK線、MOSI(輸入)和MISO輸出)線。將RST拉高后，在其它操作前必須發(fā)出編程使能指令，編程前需將芯片擦除。芯片擦除則將存儲代碼陣列全寫為FFH外部系統(tǒng)時(shí)鐘信號需接至XTAL1端或在XTAL1和XTAL2接上晶體振蕩器。最高的串行時(shí)鐘(SCK)不超過1/16晶體時(shí)鐘,當(dāng)晶體為33MHz時(shí)，最大SCK頻率為2MHz。 第四章 電機(jī)驅(qū)動及控制 一個(gè)電動小車整體的運(yùn)行性能，首 先取決于它的電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)。 電動小車的驅(qū)動系統(tǒng)一般由控制器、功率變換器及電動機(jī)三個(gè)主要部分組成。 電動小車的驅(qū)動不但要求電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng) 具有高轉(zhuǎn)矩重量比、寬調(diào)速范圍、高可靠 性，而且電機(jī)的轉(zhuǎn)矩-轉(zhuǎn)速特性受電源功 率的影響，這就要求驅(qū)動具有盡可能寬 的高效率區(qū)。我們所使用的電機(jī)一般為 直流電機(jī)，主要用到永磁直流電機(jī)、伺服 電機(jī)及步進(jìn)電機(jī)三種。直流電機(jī)的控制 很簡單，性能出眾，直流電源也容易實(shí) 現(xiàn)。這里主要介紹這種直流電機(jī)的驅(qū) 動及控制。 4.1H 型橋式驅(qū)動電路 直流電機(jī)驅(qū)動電路使用最廣泛的就 是H型全橋式電路，這種驅(qū)動電路可以 很方便實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的四象限運(yùn)行，分 別對應(yīng)正轉(zhuǎn)、正轉(zhuǎn)制動、反轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)制動。 它的基本原理圖如圖4.1所示。 全橋式驅(qū)動電路的4只開關(guān)管都工 作在斬波狀態(tài)，S1、S2為一組，S3、S4 為另一組，兩組的狀態(tài)互補(bǔ)，一組導(dǎo)通則 另一組必須關(guān)斷。當(dāng)S1、S2導(dǎo)通時(shí)，S3、 S4關(guān)斷，電機(jī)兩端加正向電壓，可以實(shí) 現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)或反轉(zhuǎn)制動；當(dāng)S3、S4導(dǎo) 通時(shí)，S1、S2關(guān)斷，電機(jī)兩端為反向電 壓，電機(jī)反轉(zhuǎn)或正轉(zhuǎn)制動。 圖4.1 在小車動作的過程中，我們要不斷 地使電機(jī)在四個(gè)象限之間切換，即在正 轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)之間切換，也就是在S1、S2導(dǎo) 通且S3、S4關(guān)斷，到S1、S2關(guān)斷且S3、 S4導(dǎo)通，這兩種狀態(tài)之間轉(zhuǎn)換。在這種 情況下，理論上要求兩組控制信號完全 互補(bǔ)，但是，由于實(shí)際的開關(guān)器件都存在 開通和關(guān)斷時(shí)間，絕對的互補(bǔ)控制邏輯 必然導(dǎo)致上下橋臂直通短路，比如在上 橋臂關(guān)斷的過程中，下橋臂導(dǎo)通了。這個(gè)過程可用圖4.2說明。 圖4.2 因此，為了避免直通 短路且保證各個(gè)開關(guān)管動作之間的協(xié)同 性和同步性，兩組控制信號在理論上要 求互為倒相的邏輯關(guān)系，而實(shí)際上卻必須相差一個(gè)足夠的死區(qū)時(shí)間，這個(gè)矯正過程既可以通過硬件實(shí)現(xiàn)，即在上下橋 臂的兩組控制信號之間增加延時(shí)，也可 以通過軟件實(shí)現(xiàn)（具體方法參看后文）。 驅(qū)動電流不僅可以通過主開關(guān)管流通，而且還可以通過續(xù)流二極管流通。當(dāng)電機(jī)處于制動狀態(tài)時(shí)，電機(jī)便工作在發(fā)電狀態(tài)，轉(zhuǎn)子電流必須通過續(xù)流二極管流通，否則電機(jī)就會發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)燒毀。 開關(guān)管的選擇對驅(qū)動電路的影響很大，開關(guān)管的選擇宜遵循以下原則： (1)由于驅(qū)動電路是功率輸出，要求開關(guān)管輸出功率較大； (2)開關(guān)管的開通 和關(guān)斷時(shí)間應(yīng)盡可能??； (3)小車使用的電源電壓不高，因此開關(guān)管的飽和壓降應(yīng)該盡量低。 在實(shí)際制作中，我們選用大功率達(dá)林頓管TIP122或場效應(yīng)管IRF530，效果都還不錯，為了使電路簡化，建議使用集成有橋式電路的電機(jī)專用驅(qū)動芯片，如L298、LMD18200，性能比較穩(wěn)定可靠。 由于電機(jī)在正常工作時(shí)對電源的干擾很大，如果只用一組電源時(shí)會影響單片機(jī)的正常工作，所以我們選用雙電源供電。一組 5V給單片機(jī)和控制電路供電， 另外一組9V給電機(jī)供電。在控制部分和電機(jī)驅(qū)動部分之間用光耦隔開，以免影響控制部分電源的品質(zhì)，并在達(dá)林頓管的基極加三極管驅(qū)動，可以給達(dá)林頓管提供足 夠大的基極電流。圖4.3所示為采用TIP122的驅(qū)動電機(jī)電路，IOB8口為“0”，IOB9口輸入PWM波時(shí)，電機(jī)正轉(zhuǎn)，通過 改變PWM的占空比可以調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。而當(dāng)IOB9口為“0”，IOB8口輸入PWM 波時(shí)，電機(jī)反轉(zhuǎn)，同樣通過改變PWM的占空比來調(diào)節(jié)電機(jī)的速度。 圖4.3 圖4.4為采用內(nèi)部集成有兩個(gè)橋式電 路的專用芯片L298所組成的電機(jī)驅(qū)動電路。驅(qū)動芯片L298是驅(qū)動二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用芯片，我們利用它內(nèi)部的 橋式電路來驅(qū)動直流電機(jī)，這種方法有一系列的優(yōu)點(diǎn)。每一組PWM波用來控制一個(gè)電機(jī)的速度，而另外兩個(gè)I/O口可以控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，控制比較簡單，電路 也很簡單，一個(gè)芯片內(nèi)包含有8個(gè)功率管，這樣簡化了電路的復(fù)雜性，如圖所示IOB10、IOB11控制第一個(gè)電機(jī)的方向，IOB8輸入的PWM控制第一個(gè) 電機(jī)的速度；IOB12、IOB13控制第二個(gè)電機(jī)的方向，IOB9輸入的PWM控制第二個(gè)電機(jī)的速度。 圖4.4 LMD18200是美國國家半導(dǎo)體公司推出的專用于直流電動機(jī)驅(qū)動的H橋組件，同一芯片上集成有CMOS控制電路和DMOS功率器件。此種芯片瞬間驅(qū)動電 流可達(dá)6A，正常工作電流可達(dá)3A，具有很強(qiáng)的驅(qū)動能力，無“shot-through”電流，而且此種芯片內(nèi)部還具有過流保護(hù)的測量電路，只需要在 LMD18200的8腳輸出端測出電壓和給定的電壓比較即可保護(hù)電路過流，從而實(shí)現(xiàn)電路的過流保護(hù)功能。由LMD18200組成的電機(jī)驅(qū)動電路如圖5所 示。LMD18200的5腳為PWM 波輸入端，通過改變PWM的占空比就可調(diào)節(jié)電機(jī)的速度，改變3腳的高低電平即可控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。此電路和以上幾種驅(qū)動電路比較具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，驅(qū)動功率 大，穩(wěn)定性好，實(shí)現(xiàn)方便，安全可靠。 圖4.5 4.2P W M 控制 PWM（脈沖寬度調(diào)制）控制，通常 配合橋式驅(qū)動電路實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速， 非常簡單，且調(diào)速范圍大，它的原理就 是直流斬波原理。如圖1所示，若S3、S4 關(guān)斷，S1、S2受PWM控制，假設(shè)高電平 導(dǎo)通，忽略開關(guān)管損耗，則在一個(gè)周期 內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t，周期為T，波形如圖 4.6，則電機(jī)兩端的平均電壓為： U=Vcc t/ T=αVcc ，其中，α=t/T稱為占空比，Vcc為電源電壓（電源電壓減去兩個(gè)開關(guān) 管的飽和壓降）。 圖4.6 電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)得越快，當(dāng)占空比α＝1時(shí)，電機(jī)轉(zhuǎn)速最大。 PWM控制波形的實(shí)現(xiàn)可以通過模擬 電路或數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)，例如用555搭成的觸發(fā)電路，但是，這種電路的占空比不能自動調(diào)節(jié)，不能用于自動控制小車的調(diào) 速。而目前使用的大多數(shù)單片機(jī)都可以直接輸出這種PWM波形，或通過時(shí)序模擬輸出，最適合小車的調(diào)速。我們使用的是ATMEL公司的AT89S51單片機(jī)，它是 16位單片機(jī)，頻率最高達(dá)到49MHz，可提供2路PWM 直接輸出，頻率可調(diào)，占空比16級可調(diào)，控制電機(jī)的調(diào)速范圍大，使用方便。SPCE061單片機(jī)有32個(gè)I/O口， 內(nèi)部設(shè)有2個(gè)獨(dú)立的計(jì)數(shù)器，完全可以模擬任意頻率、占空比隨意調(diào)節(jié)的PWM信號輸出，用以控制電機(jī)調(diào)速。 在實(shí)際制作過程中，我們認(rèn)為控制信號的頻率不需要太高，一般在400Hz以下為宜，占空比16級調(diào)節(jié)也完全可以滿足調(diào)速要求，并且在小車行進(jìn)的過程中，占 空比不應(yīng)該太高，在直線前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎 的時(shí)候應(yīng)該區(qū)別對待。若車速太快，則在 轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，方向不易控制；而車速太慢，則很浪費(fèi)時(shí)間。這時(shí)圖6可以根據(jù)具體情況慢慢調(diào)節(jié)。在2003年“簡易智能電動車”的實(shí)際制作中，我們的小車驅(qū)動 信號的占空比一般在8/16以下。 4.3通過軟件避免直通短路 從前面的分析可知，橋式驅(qū)動電路中，由于開關(guān)管有開通和關(guān)斷時(shí)間，因此存在上下橋臂直通 短路的問題。直通短路的存在，容易使開關(guān)管發(fā)熱，嚴(yán)重時(shí)燒毀開關(guān)管，同時(shí)也增加了開關(guān)管的能量損耗，浪費(fèi)了小車寶貴的能量。由于現(xiàn)在的許多集成驅(qū)動芯片內(nèi) 部已經(jīng)內(nèi)置了死區(qū)保護(hù)（如LMD18200），這里主要介紹的是利用開關(guān)管等分立元件以及沒有死區(qū)保護(hù)的集成芯片制作驅(qū)動電路時(shí)增加死區(qū)的方法。 死區(qū)時(shí)間的問題，只有在正轉(zhuǎn)變?yōu)榉崔D(zhuǎn)的時(shí)候才存在，而在正轉(zhuǎn)啟動或反轉(zhuǎn)啟動的時(shí)候并沒有，因此不需要修正。如果開關(guān) 管的開通和關(guān)斷時(shí)間非常小，或者在硬件電路中增加延時(shí)環(huán)節(jié)，都可以降低開關(guān)管的損耗和發(fā)熱。當(dāng)然，通過軟件避免直通短路是最好的辦法，它的操作簡單，控制 靈活。通過軟件實(shí)現(xiàn)死區(qū)時(shí)間，就是在突然換向的時(shí)候，插入一個(gè)延時(shí)的環(huán)節(jié)，待開關(guān)管關(guān)斷之后，再開通應(yīng)該開通的開關(guān)管。圖2.1為利用軟件修正死區(qū)時(shí)間的流程 圖，在開關(guān)管每次換向的時(shí)候，不立即進(jìn)行方向的切換，而是先使開關(guān)管關(guān)斷一段時(shí)間，使其完全關(guān)斷后再換向打開另外的開關(guān)管。這個(gè)關(guān)斷時(shí)間由單片機(jī)軟件延時(shí) 實(shí)現(xiàn)。 圖4.7 4.4小結(jié) 以上主要分析了電機(jī)的全橋式驅(qū)動電路，這是直流電機(jī)調(diào)速使用最多的調(diào)速方法。目前市場上 有很多種電機(jī)驅(qū)動的集成電路，效率高，電路簡單，使用也比較廣泛，但是其驅(qū)動方法大多與全橋式驅(qū)動一樣。PWM控制方法配合橋式驅(qū)動電路，是目前直流電機(jī) 調(diào)速最普遍的方法。 第五章 單元電路的設(shè)計(jì) 5.1黑帶檢測方案選擇 方案一：采用發(fā)光二極管發(fā)光，用光敏二極管接收。 　　當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到黑帶時(shí)，光線被黑帶吸收，光敏二極管為檢測到信號，呈高阻抗，使輸出端為低電平。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的可見光照射到地面時(shí)，它發(fā)出的可見光反射回來被光敏二極管檢測到，其阻抗迅速降低，此時(shí)輸出端為高電平。但是由于光敏二極管受環(huán)境中可見光影響較大，電路的穩(wěn)定性很差。 方案二：采用光敏電阻接受可見光檢測。 　　該電路采用T性網(wǎng)絡(luò)，可避免使用太大的反饋電阻，并且便于提高輸入阻抗。六組光敏電阻用于檢測可見光信號。但光敏電阻檢測到黑帶時(shí)，輸出端為低電平，但用光是電路輸出端顯示為高電平，信號返回給單片機(jī)，通過單片機(jī)控制前輪的轉(zhuǎn)向。但由于需要正負(fù)電源，同時(shí)光敏電阻易受環(huán)境影響，穩(wěn)定性也很差。 圖3 光敏電阻檢測黑帶 方案三：利用紅外線發(fā)射管發(fā)射紅外線，紅外線二極管進(jìn)行接收。采用六組紅外光敏耦合三極管發(fā)射和接受紅外信號，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(jìn)行隔離。接收的紅外信號轉(zhuǎn)換為電壓信號經(jīng)LM339進(jìn)行比較，產(chǎn)生高電平或低電平返回給AT89S51。 　 LM339集成塊采用C-14型封裝，圖４為其外型及管腳排列圖。LM339類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。兩個(gè)輸入端一個(gè)稱為同相輸入端，用“+”表示，另一個(gè)稱為反相輸入端，用“-”表示。用作比較兩個(gè)電壓時(shí)，任意一個(gè)輸入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339輸入共模范圍的任何一點(diǎn)），另一端加一個(gè)待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于輸出端開路。當(dāng) “-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端電壓差別大于10mV就能確保輸出能從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)，把 LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。LM339的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體三極管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般須接一只上拉電阻。輸入信號Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個(gè)參考電壓（門限電平）Ur。當(dāng)輸入電壓 Uin>Ur時(shí)，輸出為高電平UOH。 　　本方案經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，易于實(shí)現(xiàn)，可靠性好，因此采用方案三。黑帶檢測電路圖如圖2.2所示。輸出信號進(jìn)入LM339。穩(wěn)定性能得到提升。當(dāng)小車低部的某邊紅外線收發(fā)對管遇到黑帶時(shí)輸入電平為低電平，反之為高電平。結(jié)合中斷查詢方式，通過程序控制小車往哪個(gè)方向行走。 　　 圖5.1　　LM339外型及管腳排列圖　 5.2傳感器選擇 實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的視覺和接近覺功能有多種方式：1）可使用CCD攝像頭進(jìn)行圖象采集和識別方法，但是不適用在小體積系統(tǒng)使用，并且還涉及圖象采集、圖象識別等領(lǐng)域。2）電容式接近傳感器，基于檢測對象表面靠近傳感元件時(shí)的電容變化。3）超聲波傳感器，根據(jù)波從發(fā)射到接收的傳播過程中所受到的影響來檢測物體的接近程度。4）紅外反射式光電傳感器，它包括一個(gè)可以發(fā)射紅外光的固態(tài)發(fā)光二極管和一個(gè)用作接收器的固態(tài)光敏二極管（或光敏三極管）。 根據(jù)使用場合的具體情況，傳感器要感知的對象是物體的有無和物體的接近程度，與精確的測距系統(tǒng)有相似之處，但又有不同，只要求判斷出簡單的閾值或提供遠(yuǎn)、近分檔的距離。因此使用較簡單的接近傳感器實(shí)現(xiàn)小車尋跡和避障是有依據(jù)可循的并且是可行的。為了簡單起見，系統(tǒng)中使用了八個(gè)紅外反射式光電傳感器，其中三個(gè)用于尋跡，三個(gè)用于障礙判斷，兩個(gè)用于主動輪測速。 自單片機(jī)問世以來，的確給人們的生產(chǎn)，生活帶來很大方便，現(xiàn)如今的智能化時(shí)代，由單片機(jī)派生出的各類程序控制器也應(yīng)接不暇。為此，我采用微型可編程控制器 PROG-110設(shè)計(jì)并制作了此自尋跡程控車。該實(shí)驗(yàn)車是基于閉環(huán)控制原理設(shè)計(jì)制作的，它能夠檢測并且跟蹤已有的軌跡（指白色亮線），達(dá)到自動尋跡目的。產(chǎn)品還具有音樂、閃光、訊響等多種功能，是集機(jī)械、電子、編程和娛樂于一體的智能玩具車模。 5.3 紅外反射式光電傳感器特性與工作原理 反射式光電傳感器的光源有多種，常用的有紅外發(fā)光二極管，普通發(fā)光二極管，以及激光二極管，前兩種光源容易受到外界光源的干擾，而激光二極管發(fā)出的光的頻率較集中，傳感器只接收很窄的頻率范圍信號，不容易被干擾但價(jià)格較貴。理論上光電傳感器只要位于被測區(qū)域反射表面可受到光源照射同時(shí)又能被接收管接收到的范圍就能進(jìn)行檢測，然而這是一種理想的結(jié)果。因?yàn)楣獾姆瓷涫艿蕉喾N因素的影響，如反射表面的形狀、顏色、光潔度，日光、日光燈照射等不確定因素。如果直接用發(fā)射和接收管進(jìn)行測量將因?yàn)楦蓴_產(chǎn)生錯誤信號，采用對反射光強(qiáng)進(jìn)行測量的方法可以提高系統(tǒng)的可靠性和準(zhǔn)確性。紅外反射光強(qiáng)法的測量原理是將發(fā)射信號經(jīng)調(diào)制后送紅外管發(fā)射，光敏管接收調(diào)制的紅外信號，原理如圖2.3 所示。 vout 發(fā) 射 反 4 射 接收電路 表 面 x/mm x 10 紅外發(fā)射接收原理 光強(qiáng)度相應(yīng)曲線 圖5.2 反射光強(qiáng)度的輸出信號電壓Vout 是反射面與傳感器之間距離x的函數(shù)，設(shè)反射面物質(zhì)為同種物質(zhì)時(shí)，x與Vout 的響應(yīng)曲線是非線性的，如圖2.3所示。設(shè)定輸出電壓達(dá)到某一閾值時(shí)作為目標(biāo)，不同的目標(biāo)距離閾值電壓是不同的。 5.4具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 接近覺傳感器應(yīng)用場合不同選擇不同，感覺的距離范圍不同，可從幾毫米到幾米。對于自動尋跡和小車輪子的測速傳感器，反射距離都在１cm左右，探測環(huán)境都在陰影之下，不易受到日光的干擾。因此，這兩種探測的傳感器都選用FS-359F反射紅外傳感器，048W型封裝。該封裝形狀規(guī)則，便于安裝。對于障礙物的檢測，可以使用超聲波傳感器，效果也較好，但電路系統(tǒng)龐大，還需占用大量MCU時(shí)間。 上文的激光傳感器雖然性能不錯，但價(jià)格較貴。從需要5—10cm垂直探測距離的要求來看，普通的紅外反射式傳感器又很難勝任。在對６個(gè)型號的傳感器測試后，選用了價(jià)格、性能基本適合的043W封裝的反射紅外傳感器。在使用約40ｍA的發(fā)射電流，沒有強(qiáng)烈日光干擾（在有日光燈的房間里）探測距離能達(dá)８cm，完全能滿足探測距離要求。紅外傳感器的電路有多種形式，在這