光電設(shè)計(jì)大賽改后資料

第四屆全國(guó)光電設(shè)計(jì)大賽理論方案報(bào)告一.要求本設(shè)計(jì)是一種基于單片機(jī)限制的具有光電導(dǎo)航功能自動(dòng)尋跡小車系統(tǒng)，包括小車系統(tǒng)構(gòu)成軟硬件設(shè)計(jì)方法。要求從線路的指定點(diǎn)動(dòng)身，沿軌道上鋪設(shè)的“8”字形導(dǎo)航條走完全程。在行走過(guò)程中，利用光電技術(shù)測(cè)量、記錄沿途所通過(guò)隧道的數(shù)目、各段隧道的長(zhǎng)度及沿途路邊樹(shù)木的棵數(shù)。

小車以AT89C51為限制核心,用單片機(jī)產(chǎn)生PWM波，限制小車速度。利用太陽(yáng)能電池幫助供電供應(yīng)足夠的電能。利用紅外光電傳感器對(duì)路面白色軌跡進(jìn)行檢測(cè),并將路面檢測(cè)信號(hào)反饋給單片機(jī)。單片機(jī)對(duì)采集到的信號(hào)予以分析推斷,剛好限制驅(qū)動(dòng)電機(jī)以調(diào)整小車轉(zhuǎn)向,從而使小車能夠沿著白色軌跡自動(dòng)行駛,實(shí)現(xiàn)小車自動(dòng)尋跡的目的。

在計(jì)算隧道長(zhǎng)度時(shí)，接受光電傳感器和超聲波傳感器相協(xié)調(diào)的測(cè)量方式，使測(cè)量更精準(zhǔn)。關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89C51光電傳感器直流電機(jī)自動(dòng)循跡小車計(jì)數(shù)器光電檢測(cè)技術(shù)二.總體方案（1）探討隧道長(zhǎng)度測(cè)量問(wèn)題；（2）探討傳感器參數(shù)的選擇問(wèn)題（3）探討隧道長(zhǎng)度測(cè)量的問(wèn)題；（4）探討樹(shù)木、隧道計(jì)數(shù)時(shí)的識(shí)別問(wèn)題；（6）探討解決顯示器的問(wèn)題；（7）探討各模塊互不干擾的問(wèn)題；（8）探討行駛速度測(cè)量精確度之間的協(xié)調(diào)問(wèn)題；三.車體結(jié)構(gòu)小車或許尺寸是長(zhǎng)20CM,寬17CM(包括2輪子)長(zhǎng)20CM,寬14CM(不包括2輪子)四.循跡導(dǎo)航的實(shí)現(xiàn)1、小車循跡原理：這里的循跡是指小車在深綠色地板上循白線行走，由于白線和深綠色地板對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可以依據(jù)接收到的反射光的強(qiáng)弱來(lái)推斷“道路”。通常實(shí)行的方法是紅外探測(cè)法。

紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過(guò)程中不斷地向地面放射紅外光，當(dāng)紅外光遇到深綠色紙質(zhì)地板時(shí)發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接收；假如遇到白線則紅外光被吸取，小車上的接收管接收不到紅外光。單片機(jī)就是否收到反射回來(lái)的紅外光為依據(jù)來(lái)確定白線的位置和小車的行走路途。紅外探測(cè)器探測(cè)距離有限①工作原理及電路圖:當(dāng)檢測(cè)的物體為深綠色時(shí)，紅外放射器發(fā)出的光大部分被深綠色物體所吸取，反射會(huì)的光線已很微弱，光敏三極管無(wú)法導(dǎo)通，所以LM324的2引腳為高電平并且與3引腳的輸出電壓同時(shí)送到LM324內(nèi)進(jìn)行比較。由于U2>U3使得LM324的輸出引腳為低電平。當(dāng)檢測(cè)到白色物體時(shí)反射回的光線足夠多，光敏三極管導(dǎo)通此時(shí)2引腳為低電平并且與3引腳的高電平同時(shí)送入LM324內(nèi)進(jìn)行比較，由于此時(shí)U2<U3所以LM324輸出引腳輸出高電平將比較器輸出的凹凸電平送到單片機(jī)中進(jìn)行處理推斷就可以區(qū)分出此時(shí)被檢測(cè)到的軌跡是白色還是深綠色。②循跡的實(shí)現(xiàn)：在小車具體的循跡行走過(guò)程中，為了能精確測(cè)定白色線位置并確定小車行走的方向，須要同時(shí)在底盤(pán)裝設(shè)4個(gè)紅外探測(cè)頭，進(jìn)行兩級(jí)方向訂正限制，提高其循跡的牢靠性。這4個(gè)紅外探頭的具體位置如圖3-6所示。圖3-6傳感器安裝圖圖中循跡傳感器全部在一條直線上。其中X1與Y1為第一級(jí)方向限制傳感器，X2與Y2為其次級(jí)方向限制傳感器，并且白線同一邊的兩個(gè)傳感器之間的寬度不得大于白線的寬度。小車前進(jìn)時(shí)，始終保持(如圖3-6中所示的行走軌跡白線)在X1和Y1這兩個(gè)第一級(jí)傳感器之間，當(dāng)小車偏離白線時(shí)，第一級(jí)傳感器就能檢測(cè)到白線，把檢測(cè)的信號(hào)送給小車的處理、限制系統(tǒng)，限制系統(tǒng)發(fā)出信號(hào)對(duì)小車軌跡予以訂正。若小車回到了軌道上，即4個(gè)探測(cè)器都只檢測(cè)到深綠色，則小車會(huì)接著行走；若小車由于慣性過(guò)大照舊偏離軌道，越出了第一級(jí)兩個(gè)探測(cè)器的探測(cè)范圍，這時(shí)其次級(jí)探測(cè)器動(dòng)作，再次對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行訂正，使之回到正確軌道上去?？梢钥闯?，其次級(jí)方向探測(cè)器實(shí)際是第一級(jí)的后備疼惜，從而提高了小車循跡的牢靠性。③工作原理及電路圖五.隧道測(cè)量假如進(jìn)入隧道，我們可以用光敏電阻的感光性能調(diào)整阻值的大小從而輸出凹凸電平，從電平起先變更就計(jì)時(shí)，電平再次變更就結(jié)束計(jì)時(shí)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速以及車輪半徑就可以計(jì)算出隧道長(zhǎng)度。地面的白線是導(dǎo)引線，位置讀取和計(jì)算的精確度、穩(wěn)定性將干脆影響小車的限制和運(yùn)行。下圖是實(shí)際運(yùn)行中出現(xiàn)的狀況，白塊表示感應(yīng)到白線的傳感器。傳感器的排列比較密，可能1~2個(gè)傳感器都能踩到白線；轉(zhuǎn)彎處車身傾斜甚至2～3個(gè)傳感器都能踩到白線。應(yīng)當(dāng)求白線的中心位置作為結(jié)果。另外接受超聲波傳感器，提前感知隧道，協(xié)作光電傳感器精準(zhǔn)計(jì)算出小車進(jìn)入離開(kāi)和隧道的時(shí)間，結(jié)合小車行駛速度，并通過(guò)確定的算法，精確測(cè)得隧道數(shù)目和隧道的長(zhǎng)度。原理：具體方法：接受直流減速電機(jī)附帶測(cè)速系統(tǒng)：GB37Y3530該款電機(jī)適用條件:直徑：37mm,電機(jī)尾部加裝雙通道霍爾效應(yīng)編碼器，AB雙路輸出,單路每圈脈沖16CPR,雙路上下沿共輸出64CPR電壓工作范圍：DC6V-12V6V電機(jī)的空載轉(zhuǎn)速有：速度檢測(cè)方案:由于要精確測(cè)量隧道長(zhǎng)度，對(duì)小車的速度測(cè)量精度得特標(biāo)高，對(duì)測(cè)速方案要求更高。小車的實(shí)際行駛速度是小車速度限制的限制輸入量，精的確時(shí)的測(cè)量小車的速度才能實(shí)現(xiàn)小車的速度限制，即縱向限制。常用的測(cè)速方案有以下幾種：方案一：光電測(cè)速傳感器原理：是傳感器開(kāi)孔圓盤(pán)的轉(zhuǎn)軸與轉(zhuǎn)軸相連接，光源的光通過(guò)開(kāi)孔盤(pán)的孔和縫隙反射到光敏元件上，開(kāi)孔盤(pán)隨旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)一周，光敏元件上照到光的次數(shù)等于盤(pán)上的開(kāi)孔數(shù)，從而測(cè)出旋轉(zhuǎn)體旋轉(zhuǎn)速度。靈敏度較高，但簡(jiǎn)潔受外界光源影響。

方案二：測(cè)速發(fā)電機(jī)原理：是將旋轉(zhuǎn)機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電信號(hào)，適合于測(cè)量速度較高的旋轉(zhuǎn)物體的速度。接受電磁感應(yīng)的原理。但市場(chǎng)上測(cè)速發(fā)電機(jī)應(yīng)用于低壓市場(chǎng)的比較少，而且都比較重，不適用于模型車，并且要將側(cè)速發(fā)電機(jī)安裝到電動(dòng)車上須要對(duì)電動(dòng)車模型進(jìn)行較大改動(dòng)，由于其質(zhì)量較重，可能會(huì)嚴(yán)峻影響電動(dòng)車的機(jī)動(dòng)性能，除非自制。優(yōu)點(diǎn)是測(cè)速精確、穩(wěn)定、快速，可以干脆由AD轉(zhuǎn)換器讀入單片機(jī)測(cè)得當(dāng)前速度值。圖2-3測(cè)速發(fā)電機(jī)方案三：霍爾傳感器其工作原理是：利用霍爾開(kāi)關(guān)元件測(cè)轉(zhuǎn)速，內(nèi)部具有穩(wěn)壓電路、霍爾電勢(shì)發(fā)生器、放大器、施密特觸發(fā)器和輸出電路，其輸出電平和TTL電平兼容。在待測(cè)旋轉(zhuǎn)體的轉(zhuǎn)軸上裝上一個(gè)圓盤(pán)，在圓盤(pán)上裝上若干對(duì)小磁鋼，小磁鋼愈多辨別率越高?；魻栭_(kāi)關(guān)固定在小磁鋼旁邊，當(dāng)旋轉(zhuǎn)體以角速度M旋轉(zhuǎn)時(shí)，每當(dāng)一個(gè)小磁鋼轉(zhuǎn)過(guò)霍爾開(kāi)關(guān)，霍爾開(kāi)關(guān)便輸出一個(gè)脈沖，計(jì)算出單位時(shí)間的脈沖數(shù)，即可確定旋轉(zhuǎn)體的速度。

方案選擇論證：光電測(cè)速傳感器受外界光源影響很大，不適合運(yùn)動(dòng)性物體的測(cè)速；測(cè)速發(fā)電機(jī)體積重量較大，不便于小車上安裝；集成化霍爾開(kāi)關(guān)傳感器具有靈敏牢靠、體積小巧、無(wú)觸點(diǎn)、無(wú)磨損、運(yùn)用壽命長(zhǎng)、功耗低以及不怕塵土、油污、濕熱等優(yōu)點(diǎn)，綜合小車運(yùn)動(dòng)環(huán)境和重量輕的要求，我們運(yùn)用了霍爾傳感器來(lái)進(jìn)行速度檢測(cè)。

我們?cè)诤筝喩腺N了N個(gè)磁鐵，輪子每轉(zhuǎn)1/N圈，霍爾元件就會(huì)輸出一個(gè)脈沖，只要測(cè)量每?jī)蓚€(gè)脈沖之間的時(shí)間就可以知道當(dāng)前車速。要提高測(cè)速的速度可以適當(dāng)增加N值，但相應(yīng)測(cè)到速度的精度就會(huì)下降，但考慮到實(shí)際運(yùn)行系統(tǒng)對(duì)速度精度要求不高，所以在調(diào)試階段可以依據(jù)狀況增減N值。

圖4-5霍爾開(kāi)關(guān)型傳感器CS1018內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖六.樹(shù)木數(shù)目測(cè)量用的是顏色的ST188，假如檢測(cè)到有反射的光線就計(jì)數(shù)加一。接受并排式光電傳感器，兩側(cè)多組排列，并結(jié)合超聲波傳感器幫助測(cè)量，在測(cè)得數(shù)據(jù)后經(jīng)確定的算法，避開(kāi)遺漏或重復(fù)，使得測(cè)量樹(shù)木的棵樹(shù)更加精準(zhǔn)計(jì)數(shù)模塊：接受單片機(jī)自身的定時(shí)、計(jì)數(shù)器進(jìn)行計(jì)數(shù)，每當(dāng)傳感器檢測(cè)到一次目標(biāo)信號(hào)后計(jì)數(shù)器便自加一次，直至跑完全程，程序自動(dòng)停止計(jì)數(shù)，并通過(guò)顯示模塊實(shí)時(shí)地顯示樹(shù)木棵樹(shù)。顯示模塊：為了更直觀地顯示要測(cè)量的數(shù)據(jù)，我們選擇配備一個(gè)液晶顯示模塊，全部監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)一目了然。接受128*64OLED液晶顯示器，可以干脆插入開(kāi)發(fā)板液晶插座，兼容標(biāo)準(zhǔn)1602和12864接口，每個(gè)點(diǎn)都能自己發(fā)光，所以沒(méi)有背光這一說(shuō)法，可以顯示小車行駛速度，行駛距離，隧道長(zhǎng)度，樹(shù)木棵樹(shù)等等，對(duì)比度高，在強(qiáng)光下也可以看得很清晰。七.單片機(jī)的選擇單片機(jī)：AT89C51（32位）主要