1.1研究意義和發(fā)展趨勢(shì)............................................ 1

1.2研究?jī)?nèi)容...................................................... 1

2.1整體設(shè)計(jì)概述.................................................. 3

2.2系統(tǒng)硬件模塊方案分析.......................................... 3

2.2.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案分析...................................... 4

2.2.3測(cè)速方法分析.............................................. 4

3.1硬件設(shè)計(jì)總體框圖.............................................. 5

3.2電源電路設(shè)計(jì).................................................. 5

3.3主控電路設(shè)計(jì).................................................. 6

3.3.1 AT89C51單片機(jī)介紹........................................ 6

3.3.2最小系統(tǒng)介紹.............................................. 8

3.3.3主控電路.................................................. 9

3.4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊.................................................. 9

3.4.1驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì).............................................. 9

3.4.2 H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路......................................... 10

3.5路徑識(shí)別模塊設(shè)計(jì)............................................. 11

3.6 電機(jī)轉(zhuǎn)向電路設(shè)計(jì)............................................ 11

3.7避障模塊設(shè)計(jì)................................................. 12

3.8驅(qū)光模塊設(shè)計(jì)................................................. 13

3.9報(bào)警模塊設(shè)計(jì)................................................. 14

3.10顯示電路設(shè)計(jì)................................................ 14

4.1主程序框圖設(shè)計(jì)............................................... 16

4.2循跡子程序設(shè)計(jì)............................................... 17

4.3避障子程序設(shè)計(jì)............................................... 22

4.4驅(qū)光子程序設(shè)計(jì)............................................... 25

5.1仿真軟件介紹................................................. 27

5.1.1 PROTUSE軟件介紹......................................... 27

5.1.2 MULTISIM軟件的介紹...................................... 27

5.2仿真結(jié)果及分析............................................... 28

5.2.1基于PROTUES平臺(tái)仿真結(jié)果分析............................. 28

5.2.2基于MULTISIM仿真平臺(tái)結(jié)果分析............................ 29

近年來(lái)，隨著科學(xué)技術(shù)不斷進(jìn)步，汽車(chē)逐漸成為人們生活出行方式的主要交通工具，越來(lái)越受到消費(fèi)者的青睞，導(dǎo)致道路上的車(chē)輛越來(lái)越多，交通事故發(fā)生的頻率在生活中越來(lái)越多，給人們的生活帶來(lái)了很大的影響，給社會(huì)造成了無(wú)法彌補(bǔ)的經(jīng)濟(jì)損失。政府有關(guān)部門(mén)對(duì)事故的分析普遍認(rèn)為是由以下幾個(gè)因素造成：駕駛?cè)藢?duì)周邊環(huán)境判斷不足，駕駛?cè)吮旧硭刭|(zhì)和管理法則等。在汽車(chē)的智能化方向的探索與研究由此受到人們的廣泛關(guān)注與重視。智能車(chē)系統(tǒng)是一種集路徑識(shí)別、決策規(guī)劃、自動(dòng)駕駛等功能于一體的綜合智能系統(tǒng)。它更加注重于駕駛?cè)藛T的舒適性和安全性以及汽車(chē)本身的智能性。

智能車(chē)就是一種輪式移動(dòng)機(jī)器人，它能夠獲取周邊環(huán)境的信息、決策規(guī)劃軌跡來(lái)選擇最佳的行駛模式。智能化汽車(chē)綜合運(yùn)用了計(jì)算機(jī)、電氣、機(jī)械、汽車(chē)電子、自動(dòng)控制、傳感器技術(shù)等一系列技術(shù)。計(jì)算機(jī)技術(shù)、信息技術(shù)和控制技術(shù)的進(jìn)步帶動(dòng)了智能車(chē)在日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中的使用。在國(guó)內(nèi)，很多高校和企業(yè)建立起校企合作產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合的模式，這都充分突出車(chē)輛的智能化研究有著重大的意義和廣闊的前景。隨著控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)的不斷提高，汽車(chē)在智能化方面的研究將會(huì)得到很大程度的突破和進(jìn)展。在未來(lái)汽車(chē)的研究方面將會(huì)越來(lái)越智能化，汽車(chē)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力將會(huì)越來(lái)越強(qiáng)。

本課題研究的目標(biāo)是使小車(chē)具有按照路面的黑色軌道循跡行駛功能，尋找前方點(diǎn)光源并行駛到位的趨光功能及聲光報(bào)警功能，這就需要小車(chē)對(duì)道路信息的獲取、識(shí)別，以及對(duì)信息的處理和反饋等具有很強(qiáng)的能力。通過(guò)查找相關(guān)資料總結(jié)前人的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，研究并設(shè)計(jì)了智能車(chē)的硬件電路以及控制方法，使小車(chē)能夠高速穩(wěn)定的運(yùn)行。主要有以下幾個(gè)方面。

首先，通過(guò)介紹智能車(chē)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并選擇一個(gè)較好的方案使智能車(chē)系統(tǒng)的各個(gè)模塊能夠維持小車(chē)高速穩(wěn)定的狀態(tài)。

然后，在硬件控制電路方面進(jìn)行了模塊化設(shè)計(jì)，主要有電源電路設(shè)計(jì)、主控電路設(shè)計(jì)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、電機(jī)轉(zhuǎn)向電路設(shè)計(jì)、路徑識(shí)別模塊、避障模塊、驅(qū)光模塊、報(bào)警模塊和顯示電路模塊等。其中，電源能夠提供系統(tǒng)各個(gè)模塊所需的電壓和電流，保證了各個(gè)模塊正常工作。選擇符合實(shí)際需求的穩(wěn)定可靠的穩(wěn)壓芯片才能保證智能車(chē)具有較好的速度，選擇驅(qū)動(dòng)效果較好的驅(qū)動(dòng)電路才能保證小車(chē)高速穩(wěn)定的運(yùn)行。

最后，通過(guò)編程和使用仿真軟件對(duì)硬件電路和軟件電路進(jìn)行仿真和調(diào)試。

本課題所設(shè)計(jì)的小車(chē)要求具有自動(dòng)循跡、驅(qū)光、避障等功能，能在預(yù)訂的軌跡上快速穩(wěn)定的行駛。小車(chē)的行駛軌跡是以白色地面為背景以中間30mm寬度連續(xù)黑色作為引導(dǎo)線(xiàn)，遇到障礙物能夠避開(kāi)障礙物，同時(shí)遇到點(diǎn)光源能夠進(jìn)行驅(qū)光行駛，針對(duì)這樣的路況小車(chē)能夠自動(dòng)決策運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)控制系統(tǒng)。其中，通過(guò)激光傳感器檢測(cè)到的道路信息傳送到單片機(jī)內(nèi)，單片機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，分別輸出舵機(jī)的控制量和電機(jī)的控制量，來(lái)控制舵動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)角和舵機(jī)的轉(zhuǎn)向轉(zhuǎn)角。另外，通過(guò)速度檢測(cè)部分，將電機(jī)轉(zhuǎn)速傳遞到單片機(jī)內(nèi)，對(duì)智能車(chē)速度實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制，以提高單片機(jī)對(duì)電機(jī)的控制。因此，設(shè)計(jì)的智能小車(chē)不僅要按照要求正常行駛，還必須能夠穩(wěn)定、快速的運(yùn)行。

智能車(chē)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵器件是自動(dòng)控制器。在保證智能車(chē)正常行駛的前提下，應(yīng)優(yōu)先考慮電路設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單明了，以減輕系統(tǒng)不必要的負(fù)載，也要應(yīng)堅(jiān)持充分創(chuàng)新的原則，以提高智能車(chē)的靈活性，同時(shí)，以清晰明了但功能完美為出發(fā)點(diǎn)，同時(shí)充分考慮小車(chē)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)智能車(chē)快速穩(wěn)定行駛。

作為能夠自動(dòng)獲取周邊道路信息、識(shí)別路徑穩(wěn)定運(yùn)行的智能小車(chē)，控制器和車(chē)模可以看作一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)。一般情況下由傳感器、信息處理、控制算法和執(zhí)行機(jī)構(gòu)四個(gè)部分構(gòu)成。其中，單片機(jī)作為核心器件。控制系統(tǒng)的硬件主要由傳感器、執(zhí)行器和驅(qū)動(dòng)電路組成；控制系統(tǒng)的軟件主要由單片機(jī)完成信息處理和控制算法設(shè)計(jì)。因此，自動(dòng)控制器設(shè)計(jì)包括硬件電路設(shè)計(jì)和軟件控制算法兩部分。

2.2系統(tǒng)硬件模塊方案分析
2.2.1 顯示方案分析

方案一：液晶顯示屏（LCD）具有重量輕，功耗低，無(wú)輻射危險(xiǎn)，平板顯示器和視覺(jué)區(qū)域影像穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，屏幕效果好、分辨率高、抗干擾能力強(qiáng)。但是液晶顯示是以點(diǎn)陣的形式來(lái)顯示各種字符，內(nèi)置芯片要有大量的字符庫(kù)，需要大量程序控制而本顯示功能只需要顯示時(shí)間等簡(jiǎn)單的信息，不需要占用控制芯片的大量資源。此外液晶顯示芯片容易受到靜電干擾造成芯片損壞，使用液晶顯示屏成本要高。

方案二：使用數(shù)碼管顯示。數(shù)碼管具有低能耗，低電壓，使用壽命長(zhǎng)，抗老化、防曬、防潮，對(duì)環(huán)境要求低，維護(hù)方便。數(shù)碼管是采用BCD編碼顯示數(shù)字，其優(yōu)點(diǎn)是程序占用資源少，編譯程序工作量小。

綜上所述，選用方案二。

方案一：將電力晶體管作為功率放大器的輸出控制直流電機(jī)使用。該方案所需成本不高，驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但驅(qū)動(dòng)能力較弱，低速運(yùn)行時(shí)連接晶體管的電阻會(huì)產(chǎn)生一定的功率損失，甚至發(fā)熱發(fā)燙，很難保證小車(chē)經(jīng)過(guò)很長(zhǎng)時(shí)間依舊維持高速穩(wěn)定的運(yùn)行的狀態(tài)。

方案二：采用由雙極性管組成的H橋電路，用單片機(jī)輸出控制PWM脈沖來(lái)控制晶體管的開(kāi)關(guān)狀態(tài)從而調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速。H橋電路在晶體管工作處于飽和或截止?fàn)顟B(tài)下工作狀態(tài)較好；它能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單的轉(zhuǎn)速和方向的控制；晶體管開(kāi)關(guān)速度很快，有很好的穩(wěn)定性，并且此調(diào)速方案應(yīng)用于很多領(lǐng)域。

根據(jù)兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，選擇方案二。

方案一：利用霍爾開(kāi)關(guān)器件A44E檢測(cè)輪子上的磁鐵輸出轉(zhuǎn)動(dòng)圈數(shù)信號(hào)輸出給單片機(jī)，達(dá)到測(cè)量回送速度的作用。霍爾元件外圍電路簡(jiǎn)單、占用體積小，動(dòng)態(tài)特性好，價(jià)格相對(duì)便宜等特點(diǎn)，電源要求高，安裝方便。霍爾開(kāi)關(guān)的原理是在一定磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍內(nèi)起到控制作用，因此其抗干擾能力非常的強(qiáng)。將磁鐵安裝在車(chē)輪上，將霍爾器件安裝在固定軸上，有霍爾元件感應(yīng)磁鐵來(lái)產(chǎn)生脈沖（當(dāng)霍爾器件靠近磁場(chǎng)時(shí)輸出高電平，其它情況下是低電平），只需將四個(gè)磁鐵均勻的安放在一個(gè)輪子上四個(gè)磁鐵，通過(guò)測(cè)得一秒所得的脈沖數(shù)，計(jì)算出一秒車(chē)輪轉(zhuǎn)動(dòng)的圈數(shù)，再測(cè)出車(chē)輪的周長(zhǎng)就能夠計(jì)算出小車(chē)運(yùn)行時(shí)的所對(duì)應(yīng)速度，再結(jié)合脈沖時(shí)間計(jì)算可得到當(dāng)前路程。

方案二：采用紅外傳感器進(jìn)行測(cè)速。對(duì)射式紅外傳感器以及反射式紅外傳感器都容易受到環(huán)境因素的影響，穩(wěn)定性相對(duì)較低，且在價(jià)格方面相對(duì)較高。

綜合方案一和方案二，決定采用方案一。

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原理框圖介紹：系統(tǒng)把89C51單片機(jī)作為主控制器，將傳感器模塊獲取的值進(jìn)行處理，然后控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)左右轉(zhuǎn)和前進(jìn)后退的功能。并在小車(chē)行駛過(guò)程中所測(cè)得的時(shí)間和路程顯示在數(shù)碼管上，這樣便于我們觀察小車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)運(yùn)行過(guò)程中檢測(cè)到點(diǎn)光源時(shí)，單片機(jī)控制報(bào)警模塊進(jìn)行報(bào)警，并驅(qū)光行駛。當(dāng)小車(chē)在行駛過(guò)程中檢測(cè)到障礙物時(shí)自動(dòng)發(fā)出報(bào)警。

電源部分的作用是給單片機(jī)系統(tǒng)各個(gè)模塊進(jìn)行供電，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)將電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分和單片機(jī)等數(shù)字器件分開(kāi)，獨(dú)立進(jìn)行供電。分開(kāi)獨(dú)立供電有利于提高小車(chē)運(yùn)行的穩(wěn)定。

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電源電路是系統(tǒng)的核心部分，它給系統(tǒng)各個(gè)模塊供電使各個(gè)模塊能夠工作并維持正常穩(wěn)定的狀態(tài)。在本設(shè)計(jì)中，系統(tǒng)需要的供電模塊有：傳感器模塊、單片機(jī)模塊、顯示模塊、報(bào)警模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊等。本設(shè)計(jì)除了要考慮電壓范圍和電流大小外，還需要考慮外圍電路的簡(jiǎn)單性和電源轉(zhuǎn)化損耗及干擾、噪聲問(wèn)題。選用適當(dāng)?shù)姆桨高x擇電源能夠維持系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行。

系統(tǒng)的總電源選擇7.2v，2A/h可充電的鎳鎘電池組，根據(jù)電路中各個(gè)模塊對(duì)電路中電壓的要求不同，因此電源模塊需要使用多個(gè)穩(wěn)壓電路，將充電電池電壓轉(zhuǎn)換成各個(gè)模塊所需電壓。

各模塊所需電源如圖所示

電源電路我們采用LM317AH作為穩(wěn)壓芯片進(jìn)行穩(wěn)壓。LM317AH作為集成三端穩(wěn)壓塊，具有改變輸出電壓的能力，使用非常方便而且應(yīng)用范圍非常廣。穩(wěn)壓電源的輸出電壓可根據(jù)公式Vo=1.25（1+R2/R1）進(jìn)行計(jì)算。7.2V電源由兩節(jié)鋰離子電池串聯(lián)得到，7.2V電壓經(jīng)過(guò)穩(wěn)壓芯片LM317AH轉(zhuǎn)換得到5V電壓，給其它模塊供電，7.2V提供給電機(jī)。分開(kāi)供電的目的是最大程度減少電機(jī)運(yùn)行過(guò)程中對(duì)其它模塊和器件產(chǎn)生干擾。

89C51單片機(jī)是把所有具有控制應(yīng)用所必須的模塊都集成在一個(gè)大小有限的集成電路芯片上。如果按功能劃分，它由如下功能部件組成，即微處理器、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、程序存儲(chǔ)器、并行I\O口、串行口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)及特殊功能存儲(chǔ)器。它們是由單一總線(xiàn)連接而成，其基本結(jié)構(gòu)是CPU加上外圍電路芯片的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)模式，但對(duì)各種功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。

1微處理器

該單片機(jī)中包含一個(gè)與通用的微處理器基本相同的八位的微處理器，同時(shí)包含了控制器和運(yùn)算器兩大部分，提高了單片機(jī)控制的處理功能的能力，它可以處理位變量和處理數(shù)據(jù)。

2數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器

其內(nèi)部為128個(gè)字節(jié)，片外最多擴(kuò)至64k字節(jié)，在程序運(yùn)行的時(shí)候運(yùn)算中間結(jié)果、工作變量、緩沖、標(biāo)志位和數(shù)據(jù)暫存等，所以稱(chēng)為數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。

3程序存儲(chǔ)器

由于受集成度限制，片內(nèi)只讀存儲(chǔ)器容量不夠時(shí)可擴(kuò)展至片外只讀存儲(chǔ)器，片外最多可外擴(kuò)至64k字節(jié)。

4中斷系統(tǒng)

具有5個(gè)中斷源。2級(jí)中斷優(yōu)先權(quán)。

5定時(shí)器/計(jì)數(shù)器

片內(nèi)有2個(gè)16位的定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，具有四種工作方式。

6串行口

1個(gè)全雙工的串行口，具有四種工作方式。可用來(lái)進(jìn)行串行通訊，擴(kuò)展并行I/O口，甚至與多個(gè)單片機(jī)相連構(gòu)成多級(jí)系統(tǒng)，從而使單片機(jī)的功能更強(qiáng)且應(yīng)用更廣。

7P0口、P1口、P2口、P3口

為4個(gè)并行8位I/O口

8特殊功能寄存器

共有21個(gè)，用于對(duì)片內(nèi)的各功能部件進(jìn)行管理、控制、監(jiān)視。實(shí)際上是一些控制寄存器和狀態(tài)寄存器，是一個(gè)具有特殊功能的RAM區(qū)。

89C51是一種低功耗、低電壓、高性能的8位單片機(jī)。它采用了CMOS和高密度非易失性的存儲(chǔ)器技術(shù)，而且其輸出引腳和指令系統(tǒng)都與MCS-51兼容；片內(nèi)的FlashROM允許在系統(tǒng)內(nèi)改編程序或用常規(guī)的非易失性存儲(chǔ)器編程。因此89C51是一種功能強(qiáng)、靈活性高且價(jià)格合理的單片機(jī)，可方便地應(yīng)用在各種控制領(lǐng)域。

圖3.4單片機(jī)控制電路

1.電源

89C51單片機(jī)的電壓為4.0-5.5V。我們選擇LM317AH穩(wěn)壓芯片對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行供電，其中C為瓷片電容，主要起退耦作用，保證單片機(jī)穩(wěn)定工作，維持各模塊的正常工作使小車(chē)能夠高速穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)。

2.晶振

晶振和單片機(jī)內(nèi)部的電路相結(jié)合，產(chǎn)生單片機(jī)需要的時(shí)鐘頻率，單片機(jī)的所有指令都是通過(guò)在這個(gè)基礎(chǔ)上執(zhí)行的。晶振提供時(shí)鐘頻率，單片機(jī)運(yùn)行速度隨著時(shí)鐘頻率的變化而變化，時(shí)鐘頻率越高單片機(jī)運(yùn)行速度就越快。本系統(tǒng)主要采用頻率為12M的晶振，再配合使用2個(gè)30Pf的電容構(gòu)成晶體振蕩電路。

3.復(fù)位

復(fù)位電路能夠確保系統(tǒng)中各個(gè)電路模塊的正常工作穩(wěn)定運(yùn)行，因此是電路部分不可缺少的部分。復(fù)位電路首先是要進(jìn)行上電復(fù)位，復(fù)位電路中的1uF電容在上電瞬間給RST端一個(gè)瞬時(shí)的高電平脈沖，當(dāng)這個(gè)電容上的電量充滿(mǎn)時(shí)高電平的信號(hào)將變低，即RST端的高電平保持的時(shí)間是由外部這個(gè)充電電容決定的。

本系統(tǒng)采用AT89C51作為控制核心，P2口主要接電機(jī)驅(qū)動(dòng)和報(bào)警電路，P0口接數(shù)碼管的段選，P1口低四位接四位數(shù)碼管的位選，高四位接傳感器模塊。18、19接單片機(jī)的晶振，9腳接復(fù)位。電容C起退耦作用，防止電源波動(dòng)對(duì)單片機(jī)的影響。

驅(qū)動(dòng)電路主要是控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向和停車(chē)。本設(shè)計(jì)采用H橋驅(qū)動(dòng)電路，L298N內(nèi)部集成了H橋式驅(qū)動(dòng)電路，單片機(jī)給予L298N電路PWM信號(hào)控制小車(chē)的速度和啟停，單片機(jī)通過(guò)I/O口向L298N的17、18腳發(fā)送驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)實(shí)現(xiàn)電機(jī)的速度和正反轉(zhuǎn)及啟停。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用L298作為主要的驅(qū)動(dòng)芯片，比較常見(jiàn)的15腳Multiwatt封裝，內(nèi)部有4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。

利用L298及其外部輔助電路和電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。LM298的六個(gè)輸入控制端IN1、IN2、IN3、IN4以及ENA和ENB接單片機(jī)I/O口，L298的輸出端OUT1、OUT2和OUT3、OUT4分別與MOTO1，MOTO2兩個(gè)電機(jī)相接。D2-D9主要是保護(hù)電路，保護(hù)LM298防止被燒壞，由于當(dāng)系統(tǒng)斷電時(shí)，LM298停止工作，但是電機(jī)由于慣性仍然繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，此時(shí)電機(jī)相當(dāng)與一個(gè)發(fā)電機(jī)，向外部電源發(fā)電。這個(gè)電壓如果直接加到LM298的輸出端就可能引起LM298燒壞。所以，必須在這個(gè)上面加上8個(gè)二極管，把電機(jī)斷電時(shí)產(chǎn)生的電能吸收掉，保護(hù)LM298不被燒壞。

如圖3.6所示是一個(gè)常用的電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制電路。因?yàn)樗�的形狀和字母H非常相似，因此叫做“H橋驅(qū)動(dòng)電路”。4個(gè)三極管組成這個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路H橋式通常包括4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。導(dǎo)通時(shí)分別為對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管，相應(yīng)電機(jī)會(huì)正反轉(zhuǎn)。判斷不同三極管對(duì)的導(dǎo)通與否，然后判斷電流的流向，根據(jù)電流的流向控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。

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對(duì)角線(xiàn)上的一對(duì)三極管導(dǎo)通則電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。例如，如圖3.7所示，當(dāng)Q1管和Q4管同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電流就從三極管Q1從左至右如黑線(xiàn)所示順時(shí)針流過(guò)電機(jī)，圖中箭頭所示為電流流過(guò)的方向，這時(shí)電流將驅(qū)動(dòng)電機(jī)正轉(zhuǎn)。

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圖3.8所示為三極管Q2和Q3導(dǎo)通時(shí)的電流流向，電流將從右至左逆時(shí)針?lè)较蛄鬟^(guò)電機(jī)。當(dāng)三極管Q2和Q3同時(shí)導(dǎo)通時(shí)，電流將從右至左流過(guò)電機(jī)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將反轉(zhuǎn)。

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圖3.8 H橋控制電機(jī)反轉(zhuǎn)

光電傳感器通過(guò)發(fā)射管發(fā)射光線(xiàn)再通過(guò)接收管接受反射回來(lái)的光線(xiàn)的強(qiáng)度的判斷來(lái)確定周?chē)�的道路情況。本設(shè)計(jì)中，光線(xiàn)在白色地面上反射回來(lái)的輕度較強(qiáng)，而在黑色地面上反射的光線(xiàn)較弱，經(jīng)過(guò)接收管兩端輸出電阻不同區(qū)分開(kāi)黑白路面。

將激光傳感器的發(fā)射管和調(diào)制管連接，通過(guò)載波來(lái)改變發(fā)射管的發(fā)光頻率。接收管通過(guò)接收的光線(xiàn)通過(guò)放大、比較將信號(hào)傳遞給單片機(jī)，從而控制單片機(jī)輸出高低電平判斷線(xiàn)路的軌跡。

舵機(jī)的結(jié)構(gòu)包括減速齒輪組、位置反饋電位計(jì)和直流電機(jī)等控制電路。減速齒輪組由電機(jī)驅(qū)動(dòng)，其輸出軸帶動(dòng)一個(gè)線(xiàn)性的比例電位器作位置檢測(cè)。該電位器把轉(zhuǎn)角線(xiàn)性地轉(zhuǎn)換為電壓并反饋給控制線(xiàn)路板，然后控制線(xiàn)路板將其與輸入的控制脈沖信號(hào)比較，產(chǎn)生糾正脈沖，并驅(qū)動(dòng)電機(jī)正、反轉(zhuǎn)，使齒輪組的輸出位置與期望值相符，從而達(dá)到使伺服電機(jī)精確定位的目的。

舵機(jī)工作原理框圖如圖3.9所示：

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舵機(jī)的輸入線(xiàn)共三條：白線(xiàn)是控制信號(hào)線(xiàn)。紅線(xiàn)是電源線(xiàn)，黑線(xiàn)的地線(xiàn)，這兩根線(xiàn)給舵機(jī)提供基本的能源保證，主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)消耗。

三線(xiàn)連接法：

黑線(xiàn)：地線(xiàn)

紅線(xiàn)：電源線(xiàn)（7.2V）

白線(xiàn)：信號(hào)線(xiàn)（PWM信號(hào)）

舵機(jī)插頭

小車(chē)在實(shí)際的運(yùn)行過(guò)程中，當(dāng)提供給舵機(jī)7.2V電源會(huì)發(fā)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)向非常靈敏，如果電壓電源低于7.2V會(huì)明顯發(fā)現(xiàn)舵機(jī)反應(yīng)遲鈍。正常情況下電機(jī)反應(yīng)較靈敏，能夠順利完成小車(chē)運(yùn)行所需的靈敏度要求。并且舵機(jī)內(nèi)部有過(guò)載保護(hù)作用，不會(huì)造成過(guò)電壓而損壞電機(jī)。

采用一只紅外對(duì)管置于小車(chē)右側(cè)，當(dāng)檢測(cè)到障礙物時(shí)，控制芯片輸出報(bào)警信號(hào)并調(diào)用控制小車(chē)避障程序，從而達(dá)到避障的目的。通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)小車(chē)能夠很好的避開(kāi)障礙，且充分的利用資源而不浪費(fèi)。

這里我們選用TCRT5000型光電對(duì)管，該紅外光電傳感器采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，輸出信號(hào)經(jīng)施密特電路整形，穩(wěn)定可靠。原理圖如下：

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電路工作時(shí)，傳感器的紅外發(fā)射二極管不斷發(fā)射紅外線(xiàn)，當(dāng)接收端沒(méi)有接收到反射回來(lái)的紅外線(xiàn)或接收到的紅外線(xiàn)強(qiáng)度不大時(shí)，光敏三極管一直保持關(guān)斷狀態(tài)，此時(shí)模塊的輸出端為低電平，指示二極管一直處于熄滅狀態(tài)；被檢測(cè)物體出現(xiàn)在檢測(cè)范圍內(nèi)時(shí)，接收紅到的外線(xiàn)強(qiáng)度足夠大，光敏三極管飽和，此時(shí)模塊的輸出端為高電平，指示二極管被點(diǎn)亮。

感光電路采用光敏電阻和ADC0832組合電路。通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后的電壓變換量反饋到單片機(jī)里執(zhí)行尋光處理程序。

感光模塊主要由光敏電阻和ADC0832組成。正常情況下ADC0832與單片機(jī)的接口應(yīng)為4條數(shù)據(jù)線(xiàn)，分別為CS,CLK,D0，DI.但由于D0和DI端在通信時(shí)并未同時(shí)有效并與單片機(jī)的接口是雙向的，因此在電路設(shè)計(jì)過(guò)程中可以將D0和DI并聯(lián)在一根數(shù)據(jù)線(xiàn)上使用。當(dāng)ADC0832未工作時(shí)，CS端應(yīng)為高電平，此時(shí)芯片禁用，CLK和D0/DI的電平不需要確定。當(dāng)要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換時(shí)，必須將CS端置于低電平并保持到轉(zhuǎn)換結(jié)束。此時(shí)芯片開(kāi)始轉(zhuǎn)換工作，同時(shí)由處理器向芯片時(shí)鐘輸入端CLK輸入時(shí)鐘脈沖，D0/DI端則使用DI端輸入通道功能選擇的數(shù)據(jù)信號(hào)。在第1個(gè)時(shí)鐘脈沖的下沉之前，DI端必須置于高電平，表示起始信號(hào)。在第2，3個(gè)脈沖下沉之前DI端應(yīng)輸入2位數(shù)據(jù)用于選擇通道功能，此時(shí)2位數(shù)據(jù)為“1”“0”時(shí)，只對(duì)CHO進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“1”“1”時(shí)，只對(duì)CH1進(jìn)行單通道轉(zhuǎn)換。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”“0”時(shí)，將CH0作為正輸入端，CH1為負(fù)輸入端進(jìn)行輸入。當(dāng)2位數(shù)據(jù)為“0”“1”時(shí)，將CH1作為正輸入端，CH0作為負(fù)輸入端進(jìn)行輸入。到第3個(gè)脈沖的下沉之后，DI端的輸入電平就失去輸入作用，此后D0/DI端則開(kāi)始利用數(shù)據(jù)輸出D0進(jìn)行轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)的讀取。從第4個(gè)脈沖下沉開(kāi)始由D0端輸出轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)最高位DATA7，隨后每一個(gè)脈沖下沉D0端輸出下一位數(shù)據(jù)。直到第11個(gè)脈沖時(shí)發(fā)出最低位數(shù)據(jù)DATA0，一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)輸出完成。也正是從此位開(kāi)始輸出下一個(gè)相反字節(jié)的數(shù)據(jù)，即從第11個(gè)字節(jié)的下沉輸出DATA0。隨后輸出8位數(shù)據(jù)，到第19個(gè)脈沖是數(shù)據(jù)輸出完成，也標(biāo)志一次A/D轉(zhuǎn)換的完成。最后將CS置高電平禁用芯片，直接將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理就可以了。

在單片機(jī)的I/O口里會(huì)輸出高低電平，在p21和p23分別接上LED指示燈而p25接上了蜂鳴器外接個(gè)9012的三極管起到開(kāi)關(guān)的作用，當(dāng)三極管達(dá)到飽和狀態(tài)下就驅(qū)動(dòng)了蜂鳴器工作了。

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圖3.11報(bào)警電路原理圖

單片機(jī)的顯示通常需要多位顯示。大多數(shù)時(shí)候選擇多位數(shù)碼動(dòng)態(tài)顯示來(lái)完成。

在數(shù)碼管顯示電路中，數(shù)碼管8段每一段都會(huì)占用單片機(jī)的一個(gè)I/O口，本次設(shè)計(jì)采用4位數(shù)碼管，則需要32個(gè)I/O接口，而單片機(jī)的I/O口只有32個(gè)，必然導(dǎo)致接口不夠用，動(dòng)態(tài)顯示則剛好解決這個(gè)問(wèn)題。

所有數(shù)碼管的段選全部連接在一起，如何不同內(nèi)容的同時(shí)顯示呢？動(dòng)態(tài)顯示的原理是利用多位數(shù)碼管交替來(lái)顯示，利用人的視覺(jué)短暫停留效果使人的視覺(jué)上看到好像多個(gè)數(shù)碼管同時(shí)在顯示。

在編程時(shí)，要用單片機(jī)控制和段選，所謂段選是指選中其中一個(gè)數(shù)碼管，然后通過(guò)單片機(jī)輸出段碼，要顯示的數(shù)字就能在相應(yīng)的數(shù)碼管上顯示出來(lái)，延時(shí)一段時(shí)間后，再選中另一個(gè)數(shù)碼管，再顯示出對(duì)應(yīng)的段碼，高速交替。

在動(dòng)態(tài)顯示程序中，各個(gè)位的延時(shí)時(shí)間的設(shè)置也是非常關(guān)鍵的，如果延時(shí)時(shí)間太長(zhǎng)就會(huì)出現(xiàn)閃爍的現(xiàn)象；如果時(shí)間太短就會(huì)出現(xiàn)顯發(fā)暗且有重影。

靜態(tài)驅(qū)動(dòng)就是單獨(dú)為每一個(gè)LED提供電流。這樣每個(gè)LED都能夠正常發(fā)光，亮度相對(duì)較高。

動(dòng)態(tài)掃描驅(qū)動(dòng)就是把電流供給所有的LED燈，燈的顯示亮度在相當(dāng)短的時(shí)間內(nèi)會(huì)顯得暗一點(diǎn)，由于供給給每個(gè)LED的電流并不是相同的，而是根據(jù)各LED間掃描頻率的電流不斷交替變化，掃描的頻率依據(jù)程序具體的設(shè)定，實(shí)際上每位數(shù)碼管是根據(jù)掃描頻率一次給每一個(gè)LED單獨(dú)供電。

程序設(shè)計(jì)主要包括電機(jī)的程序控制設(shè)計(jì)、舵機(jī)的程序控制設(shè)計(jì)以及道路信息檢測(cè)程序設(shè)計(jì)等幾個(gè)部分。所有的控制程序編程思路，除了模塊的初始化之外，都是以激光傳感器采集到的道路信息作為控制策略制定的基礎(chǔ)，以編碼器測(cè)得的實(shí)際行駛速度作為智能車(chē)的速度反饋信息，利用PID控制和模糊控制等思想，軟件和硬件有機(jī)結(jié)合，共同實(shí)現(xiàn)智能車(chē)自動(dòng)尋跡形式的目的。主程序的控制流程圖如上面圖4.1所示。

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圖4.2循跡流程框圖

小車(chē)在行駛過(guò)程中通過(guò)激光傳感器采集小車(chē)周?chē)�的道路信息反饋給單片機(jī)，單片機(jī)作出相應(yīng)的反應(yīng)。當(dāng)檢測(cè)到小車(chē)偏離路線(xiàn)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速使小車(chē)回到正確的路線(xiàn)，然后單片機(jī)再控制電機(jī)加速使小車(chē)高速行駛，當(dāng)檢測(cè)到終點(diǎn)時(shí)，單片機(jī)控制小車(chē)減速直至小車(chē)在終點(diǎn)處停止運(yùn)動(dòng)。

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在小車(chē)行駛過(guò)程中，當(dāng)激光傳感器檢測(cè)到小車(chē)前方有障礙物時(shí)，通過(guò)傳遞信息給單片機(jī)，使單片機(jī)執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速使小車(chē)減速，通過(guò)舵機(jī)實(shí)現(xiàn)小車(chē)轉(zhuǎn)向，當(dāng)小車(chē)避過(guò)障礙物后再通過(guò)舵機(jī)使小車(chē)回到原來(lái)的軌跡上行駛。當(dāng)激光傳感器未檢測(cè)到障礙物時(shí)，小車(chē)正常行駛，通過(guò)控制電機(jī)轉(zhuǎn)速使小車(chē)加速，直至小車(chē)高速穩(wěn)定運(yùn)行。

本系統(tǒng)使用protuse仿真軟件進(jìn)行仿真，并結(jié)合Keil C進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。它是一款著名的EDA仿真軟件，從畫(huà)原理圖、調(diào)試代碼到單片機(jī)和外圍電路協(xié)同仿真，一鍵切換到PCB設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了從概念到產(chǎn)品的完整設(shè)計(jì)。是一款集電路仿真軟件、PCB設(shè)計(jì)軟件和虛擬模型仿真軟件于一體設(shè)計(jì)軟件，其處理器模型支持HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、8086和MSP430等，2010年又增加了Cortex和DSP系列處理器，并持續(xù)增加其它系列處理器模型。它同時(shí)還支持IAR、Keil和MPLAB等多種編譯器進(jìn)行編譯。

元器件種類(lèi)多：器件庫(kù)中含有2700多種元器件，創(chuàng)建新元件也非常的容易；智能的器件搜索：對(duì)于比較模糊的元器件還可以通過(guò)模糊搜索迅速的找到所需的元器件的位置；它的連線(xiàn)功能也非常的智能化，連線(xiàn)時(shí)方便快捷，大大減短了繪圖所需要時(shí)間；支持總線(xiàn)結(jié)構(gòu)：使用器件和總線(xiàn)布局使電路變得清晰明了。

在該軟件中繪制完成電路圖后，再調(diào)入已經(jīng)編譯好的目標(biāo)代碼文件就能夠清晰的觀察到模擬的實(shí)物運(yùn)行的整個(gè)狀態(tài)過(guò)程。它不僅可以將單片機(jī)的功能形象化，同時(shí)還可以將實(shí)例運(yùn)行的過(guò)程形象化。前者可以在一定程度上得到實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)的效果，后者則是實(shí)物演示實(shí)驗(yàn)難以達(dá)到的效果。它的元器件、連接線(xiàn)路等卻和傳統(tǒng)的單片機(jī)實(shí)驗(yàn)硬度高度對(duì)應(yīng)。這在相當(dāng)程度上替代了傳統(tǒng)的單片機(jī)教學(xué)實(shí)驗(yàn)的功能。而且數(shù)據(jù)庫(kù)提供了大量的元器件，這是實(shí)驗(yàn)室無(wú)法與之相比的。在修改電路設(shè)計(jì)上更加的方便，它具有設(shè)計(jì)靈活，結(jié)果、過(guò)程統(tǒng)一的特點(diǎn)。且使設(shè)計(jì)時(shí)間變短，降低工程制造的風(fēng)險(xiǎn)和成本。

Multisim軟件用于電路設(shè)計(jì)和仿真，是一款EDA軟件。它擁有一個(gè)完整的集成化設(shè)計(jì)環(huán)境。Multisim計(jì)算機(jī)仿真與虛擬儀器技術(shù)不僅可以節(jié)省學(xué)校購(gòu)買(mǎi)儀器的成本還能夠讓學(xué)生隨時(shí)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生能夠很方便的使用該軟件進(jìn)行繪圖和進(jìn)行仿真，通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合提高獨(dú)立思考的能力，增強(qiáng)自己的專(zhuān)業(yè)知識(shí)。Multisin軟件的特點(diǎn)：

（1）清晰的圖形界面：整個(gè)操作界面就像一個(gè)電子實(shí)驗(yàn)工作平臺(tái)，繪制出電路所需要的元器件和仿真所需要的儀器都能夠直接拖放到操作界面，點(diǎn)擊鼠標(biāo)就能使用導(dǎo)線(xiàn)連接功能將它們連接起來(lái)，軟件儀器的控制面板和操作方式都與實(shí)物相似，測(cè)量實(shí)物、波形和特性曲線(xiàn)都能夠在儀器的控制面板上顯示出來(lái)，和在實(shí)驗(yàn)室使用真實(shí)儀器一樣。

（2）元器件種類(lèi)繁多：Multisim在EWB的元器件庫(kù)原有基礎(chǔ)上又增加了很多元器件，包括基本元件、半導(dǎo)體器件、運(yùn)算放大器及其它各種部件，用戶(hù)還能夠使用元件編輯庫(kù)的功能編輯自己所需要的元件模型，還可以通過(guò)LiT公司網(wǎng)站或其代理商獲得元件模型的擴(kuò)充和更新服務(wù)。

（3）接近完美的分析方法： EWB不僅提供了直流工作點(diǎn)分析、交流分析、瞬態(tài)分析、傅里葉分析、噪聲分析、失真分析、最壞情況分析等等外，Multisim還添加了很多的分析手段，包括直流掃描分析、批處理分析、等，一定程度上滿(mǎn)足了需求者對(duì)一般電子電路的分析設(shè)計(jì)要求。

該系統(tǒng)的鍵盤(pán)顯示與電機(jī)驅(qū)動(dòng)是在KEIL C編程下使用PROTUES仿真。最終實(shí)現(xiàn)其設(shè)計(jì)與仿真的。

鍵盤(pán)顯示仿真部分是由單片機(jī)AT89C51仿真、4*4鍵盤(pán)矩陣鍵盤(pán)、電阻、LCD1602液晶顯示屏組成。電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿真部分是由單片機(jī)AT89C51、L298驅(qū)動(dòng)芯片、直流電機(jī)以及部分保護(hù)電路組成。本電路對(duì)鍵盤(pán)的八個(gè)鍵設(shè)置了電機(jī)和顯示的一系列功能。通過(guò)對(duì)4*4的鍵盤(pán)進(jìn)行掃描，將鍵盤(pán)信號(hào)輸入到單片機(jī)，由單片機(jī)的P0口輸入到顯示屏，通過(guò)P2口來(lái)控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、停止、加速、減速等功能。

如圖5.1所示，4*4矩陣鍵盤(pán)上key1鍵控制第一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)傳屏幕顯示“one run right”，key2控制第一個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)屏幕顯示“one run left”；key3控制第二個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)屏幕顯示“two run right”；key4控制第二個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)屏幕顯示“two run left”，key5和key6控制第一個(gè)和第二個(gè)電機(jī)停止并顯示“one stop”和“two stop”；key7和key8分別控制第一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)加減速，并分別顯示“one right quick”和“one right slow”。

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圖5.1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路仿真圖

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電源管理模塊仿真結(jié)果：

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