2001年全国大学生电子设计竞赛一等奖_自动往返小汽车.pdf

1、设 计 竞 赛 廖年 全 国 大 学 生 电 予 设 计 竞 赛 一 等 奖有 动 往 返 小 汽 车 北 京 大 学 电 子 学 系 刘 野 高 迪 郡 毅 阳 为 了 实 现 小 汽 车 的 自 动 往 返 和 智 能 控 制 , 我 们 选 用 了 单 片机 系 统 。 设 计 以 为 核 心 , 将 各 种 传 感 器 得 到的 信 息 进 行 综 合 判 别 和 处 理 , 然 后 发 出 指 令 给 电 机 驱 动 器 , 控制 小 汽 车 使 小 汽 车 能 够 快 速 、 准 确 的 实 现 往 返 , 并 且 能 精 确 地在 停 车 线 附 近 停 车 。 本 设 计 使

2、用 了 光 电 传 感 器 检 测 标 识 线 , 使用 了 超 声 波 传 感 器 测 量 车 辆 的 位 置 、 矫 正 行 车 路 线 。 多 传 感 器并 行 工 作 、 的 综 合 数 据 处 理 为 小 汽 车 按 照 预 定 程 序 运 行提 供 了 充 分 的 保 证 。设 计 的 发 挥 部 分 通 过 霍 尔 传 感 器 记 录 小 汽 车 车 轮 转 动 圈数 , 计 算 出 行 车 距 离 。 行 车 距 离 连 同 行 车 时 间 等 数 据 一 起 送 人, 驱 动 显 示 屏 显 示 行 车 距 离 和 时 间 。 由 于 没 能 找到 一 , 等 芯 片 , 最

3、 终 只 在 理 论 上 实 现 了 语 音 播放 行 车 距 离 和 时 间 的 构 想 。方 案 论 证控 制 系 统方 案 一 控 制 部 分 的 核 心 采 用 传 统 的 数 字 逻 辑 芯 片 来 实现 。 该 子 系 统 共 有 启 动 、 加 速 前 进 后 退 、 限 速 前 进 后 退 、 暂停 、 等 待 等 几 个 状 态 。 各 个 状 态 保 持 或 转 移 的 条 件 依 赖 于 外 部传 感 器 光 电 传 感 器 、 霍 尔 传 感 器 、 超 声 传 感 器 送 来 的 信号 。 由 于 外 部 传 感 器 的 数 目 很 多 , 需 要 比 较 多 的 传

4、 感 器 接 口 电路 。 系 统 的 逻 辑 状 态 以 及 相 互 转 移 更 是 复 杂 , 用 纯 粹 的 数 字 电路 或 小 规 模 的 可 编 程 逻 辑 电 路 实 现 该 系 统 有 一 定 的 困 难 , 需 要用 中 大 规 模 的 可 编 程 逻 辑 电 路 。 这 样 , 系 统 的 成 本 就 会 急 剧 上升 相 对 于 方 案 二 。 因 此 , 本 设 计 并 未 采 用 这 种 方 案 。方 案 二 该 小 汽 车 实 际 上 是 一 个 自 动 控 制 系 统 , 这 样 的 系统 用 单 片 机 来 实 现 是 比 较 合 适 的 。 鉴 于 市 场 上

5、 常 见 的 系 列位 单 片 机 的 售 价 比 较 低 廉 , 我 们 的 设 计 采 用 了 位 主 从 双系 统 。 使 用 作 为 主 , 主 要 负 责 系 统 的 控 制 与协 调 工 作 首 先 , 通 过 的 及 其 余 三个 命 令 状 态 口 这 三 个 口 为 通 用 的 口 控 制 系 统 的 从 属, 而 是 用 来 控 制 超 声 波 传 感 器 和转 向 电 机 的 其 次 , 它 还 处 理 光 电 传 感 器 送 来 的 地 面 标 志 信 号 ,该 信 号 主 要 用 于 控 制 小 车 的 加 速 、 减 速 、 限 速 、 惯 性 行 使 、 刹 车

6、、倒 车 等 状 态 另 外 , 它 利 用 片 内 的 定 时 器 为 车 辆 行 驶 计 时 , 并 为驱 动 集 成 电 路 提 供 时 钟 和 数 据 最 后 , 小 汽 车 轮胎 上 的 霍 尔 传 感 器 的 输 出 信 号 直 接 送 到 它 的 , 这 样 , 小 汽车 的 实 际 行 驶 距 离 便 可 以 很 方 便 的 测 量 出 来 了 。作 为 从 , 控 制 超 声 传 感 器 和 转 向 马 达 。 这 样 的 设 计 不 仅 可以 降 低 单 个 的 工 作 量 , 为 发 挥 部 分 的 制 作 以 及 其 他 功 能扩 展 提 供 了 充 足 的 内 部 空

7、 间 和 更 多 的 外 部 接 口 同 时 由 于 安 装和 调 试 工 作 可 以 并 行 进 行 , 极 大 地 缩 短 了 总 体 设 计 和 制 造 的 时间 。喀外 部 传 感 器 的 选 择本 实 验 使 用 了 超 声 发 射 接 收 传 感 器 、 光 电 传 感 器 和 霍 尔 传感 器 。标 志 信 息 传 感 器 本 设 计 采 用 了 红 外 线 光 电 反 射 传 感器 , 鉴 于 车 底 盘 较 低 , 采 用 近 距 离 有 效 的 光 电 传 感器 。辅 助 娇 正 行 车 方 向 传 感 器 根 据 题 目 要 求 , 我 们 有 两个 选 择 。第 一 种

8、 是 中 远 距 离 一 反 射 式 红 外 线 光 电 传 感器 。 这 种 器 件 的 致 命 弱 点 是 只 能 输 出 开 关 量 , 因 为 它 只 在 阂 值距 离 处 发 生 电 平 翻 转 , 大 于 或 小 于 此 距 离 电 平 均 保 持 , 无 法 给小 汽 车 提 供 连 续 的 定 位 坐 标 。 发 生 异 常 情 况 时 显 然 很 难根 据 这 么 少 的 信 息 做 出 正 确 的 判 断 。 可 以 想 象 , 如 果 单 独 采 用这 种 测 距 方 案 , 小 汽 车 的 行 走 路 线 将 是 幅 度 较 大 的 字 型 。 这显 然 会 增 加 撞

9、 上 挡 板 的 几 率 , 最 终 导 致 总 行 驶 时 间 的 大 幅 度 增加 。 为 了 解 决 这 个 问 题 , 只 能 采 用 多 级 闹 值 距 离 各 不 相 同 的 光电 传 感 器 , 最 终 也 可 能 实 现 比 较 精 确 的 控 制 。 由 于 每 种 光 电 传感 器 至 少 需 要 两 个 , 如 果 该 系 统 需 要 四 种 不 同 阂 值 距 离 传 感 器的 话 , 那 么 该 系 统 最 终 将 使 用 至 少 个 光 电 传 感 器 加 上 探 测地 面 信 号 的 光 电 传 感 器 , 即 使 排 除 成 本 因 素 , 这 么 多 传 感

10、器 的调 试 和 相 应 的 控 制 算 法 将 是 比 较 复 杂 的 , 可 行 性 较 差 。第 二 种 是 超 声 波 测 距 方 案 。 超 声 波 传 感 器 可 以 给 提供 足 够 精 确 的 位 置 信 息 在 本 车 上 , 距 离 的 测 试 可 以 精 确 到。 , 使 得 可 以 根 据 该 信 息 精 确 调 整 小 汽 车 的 运 行 方 向和 状 态 , 使 小 汽 车 在 运 行 的 时 候 达 到 最 小 的 横 向 偏 离 。用 发 射 和 接 收 到 超 声 波 的 时 间 差 判 断 小 汽 车 与 挡板 之 间 的 距 离 , 根 据 这 个 数 据

11、 发 出 前 轮 左 转 、 右 转 或 直 行 的 指令 , 从 而 能 实 现 自 动 矫 正 行 车 路 线 , 减 少 撞 墙 的 几 率 , 使 小 车 快速 低 耗 的 往 返 。 因 而 , 本 设 计 采 用 了 这 套 方 案 。测 量 车 行 程 传 感 器 我 们 可 以 通 过 测 量 小 汽 车 驱 动 轮转 动 的 圈 数 来 间 接 换 算 小 汽 车 的 行 驶 距 离 。 而 测 量 车 轮 的 转动 有 以 下 几 个 办 法 。首 先 , 可 选 择 透 射 式 光 电 传 感 器 或 反 射 式 光 电 传 感 器 。 这样 需 在 车 轮 上 做 比

12、较 大 的 机 械 加 工 打 孔 或 粘 贴 黑 白 反 光 板 ,而 且 市 场 上 能 买 到 的 可 用 的 光 电 传 感 器 体 积 较 大 , 不 易 安 装 ,故 没 有 采 用 。我 们 采 用 了 开 关 式 霍 尔 传 感 器 , 该 传 感 器 体 积 小 , 使 用 时只 需 在 车 轮 上 安 装 一 块 小 磁 铁 , 是 个 比 较 理 想 的 选 择 。执 行 部 件 的 选 择执 行 部 件 分 为 驱 动 部 件 和 方 向 控 制 部 件 两 个 部 分 。 比 较好 的 方 案 是 在 方 向 控 制 部 分 中 使 用 步 进 电 机 , 这 样 可

13、 以 由比 较 精 确 地 控 制 前 轮 转 向 的 角 度 和 持 续 时 间 , 结 合 超 声 波 传 感器 送 来 的 位 置 信 号 , 便 可 以 非 常 精 确 地 控 制 小 汽 车 行 驶 的 方电 子 世 界 年 第 期碳 塔 羔 蔽动 车 改 装 的 , 其 电 动 机 和 变 速 系 统 已 无 法 更换 。 故 只 能 使 用 该 玩 具 汽 车 自 带 的 两 个 电 动机 。 实 际 使 用 时 , 用 信 号 驱 动 电 动 机 , 控制 电 机 的 输 出 功 率 和 转 速 。电 源由 于 该 系 统 用 电 池 供 电 , 对 电 路 功 耗 的 要求

14、比 较 严 格 。 该 电 路 中 耗 电 量 较 大 的 是 电 动 机和 。 电 动 机 的 功 耗 是 无 法 削 减 的 对 于, 比 较 可 行 的 办 法 是 使 用 型和 , 尽 量 降 低 时 钟 频 率 ,同 时 使 空 闲 时 及 时 进 人 省 电 状 态 。另 一 方 面 , 该 系 统 为 数 字 与 模 拟 混 合 系 统 , 要 求 使 用 多 档不 同 的 电 压 供 电 , 比 较 理 想 的 办 法 是 使 用 一 变 换 器 来 产生 系 统 所 需 要 的 各 种 电 压 。 但 考 虑 到 成 本 、 体 积 、 效 率 、 噪 声 干扰 等 一 系

15、列 随 之 而 来 的 问 题 , 系 统 并 未 采 用 一 变 换 的 方案 , 而 是 直 接 用 干 电 池 蓄 电 池 供 电 。设 计 与 论 证电 晶 片 震 动 , 发 出 超 声 波 接 收 后 , 经 过 运 放 及 的 处 理 ,产 生 中 断 信 号 , 记 录 传 播 时 间 , 算 出 距 离 , 发 出 指令 , 矫 正 行 车 路 线 。图 一畔 篡 月山路 程 测 量 主 从 机 电 路以 下 称 从 的 中 断 口 接 到 来 自以 下 称 主 中 断 信 号 , 从 、 和接 收 来 自 主 的 命 令 和 状 态 信 号 。 当 主 需 要 向 从传 送

16、 命 令 或 状 态 信 号 时 , 便 向 其 发 出 中 断 请 求 , 同 时 将 命 令 和状 态 信 号 传 至 相 应 的 端 口 。 从 响 应 中 断 后 , 便 从 这 些 端 口读 走 命 令 状 态 字 。标 示 信 号 探 测 及 处 理 电 路光 电 反 射 器 工 作 原 理 本 实 验 中 , 光 电 反 射 器 通 过 发 射 和路 程 侧 试 电 路 及 路 程 和 时 间 显 示 电 路图 是 霍 尔 传 感 器 车 轮 转 数 测 量 装 置 示意 图 , 图 是 车 程 和 行 车 时 间 显 示 装 置 示意 图 。如 前 所 述 , 本 系 统 采

17、用 霍 尔 传 感 器来 计 量 小 汽 车 驱 动 轮 转 动 的 圈 数 , 小 汽车 车 轮 每 转 动 一 圈 , 霍 尔 传 感 器 便 输 出两 个 负 脉 冲 , 该 信 号 直 接 送 到 主的 中 断 。 根 据 转 动 圈数 , 计 算 行 驶 距 离 同 时 , 主 也 完 成 计 时 的 功 能 。 把 该行 驶 距 离 和 时 间 数 据 直 接 送 到 驱 动 器 , 实 时 地光 电传 感 器光 电传 感 器的接 收 红 外 光 调 制信 号 来 判 断 地 面 的 颜 色对 比 度 情 况 , 从 而 控制 小 汽 车 的 运 动 状 态 。发 射 端 将 信

18、号 调制 、 放 大 , 驱 动 红 外 发 光 二 极 管 发 射 红 外 线 接 收 端 探 测 信 号 ,将 信 号 放 大 、 解 调 , 判 断 是 否 有 反 射 。 如 有 , 则 输 出 端 输 出 低 电平 。 设 计 电 路 如 图 所 示 。图 中 , 只 要 两 个 光 电 传 感 器 中 的 任 意 一 个 有 效 , 的 脚 便 输 出 低 电 平 申 请 中 断 。 响 应 中 断 后 , 立 刻 在 和口 查 询 输 人 信 号 判 断 到 底 是 那 个 光 电 传 感 器 在 申 请 中断 , 从 而 作 出 进 一 步 的 判 断 。辅 助 矫 正 电 路

19、压 电 式 超 声 波 发 生 器 测 距 原 理 压 电 式 超 声 波 发 生 器 实际 上 是 利 用 压 电 晶 体 的 谐 振 来 工 作 的 。 当 它 的 两 极 外 加 脉 冲电 压 信 号 的 频 率 等 于 压 电 晶 片 的 固 有 频 率 时 , 压 电 晶 片 将 会 发生 共 振 , 并 带 动 共 振 板 震 动 , 便 产 生 了 超 声 波 。 反 之 , 如 果 两 极间 未 外 加 电 压 , 当 共 振 板 接 收 到 超 声 波 时 , 将 迫 使 压 电 晶 片 震动 , 将 机 械 能 转 换 为 电 信 号 , 这 时 它 就 成 为 超 声 波

20、 接 收 器 了 。这 样 就 可 以 通 过 超 声 波 发 生 器 向 某 一 方 向 发 射 超 声 波 , 在 发 射时 计 时 , 超 声 波 在 空 气 中 传 播 , 遇 瘴 碍 物 反 射 , 接 收 器 接 到 反 射波 立 即 停 止 计 时 , 可 算 出 发 射 点 距 障 碍 物 的 距 离 。 设 计 电 路 图如 图 所 示 。在 上 面 的 电 路 设 计 中 , 发 出 时 钟 信 号 , 引 起 压题将 其 显 示 在 上 。电 机 驱 动 电 路电 机 驱 动 电 路 如 图所 示 。 其 中 ,是 一 种 用 于 马 达 驱 动的 芯 片 。 十 一 十

21、对 地 供 电 。和 为 输 出 , 接电 机 。 输 人 、 输 出 组 合,一 件 吁吁吁吁一一一 乃 州 巨巨 电 机 驱 动 电 路见 附 表 。由 此 可 通 过 给相 应 的 口 置数 , 控 制 电 机 的 运作 。附 表低低 电 平平 低 电 平平高高 电 平平 低 电 平平 高 电 平平 低 电 平平低低 电 平平 高 电 平平 低 电 平平 高 电 平平高高 电 平平 高 电 平平 低 电 平平 低 电 平平拟 定 的 语 音 播 放 行 车 路 程 和 行 车 时 间 电 路 图 是 行 车状 况 语 音 播 放 电 路八八片片 薄薄八八 盈 况 嗯嗯八八 匀户户 礴黯

22、八 糯 叼 石石筋 。 撰八份份 户户电 路 中 , 将 和 接 高 电 平 , 可 通 过 调 置 一 的状 态 来 选 择 不 同 的 操 作 方 式 高 电 平 有 效 , 可 通 过 一 的电 子 世 界 年 第 期 多阶 梯 教 室 多型 短 波 二 次 变 频 高 灵 敏 度 立 体 声 收 音 机 姜 立 中 德 生 公 司 最 新 推 出 的 型 收 音 机 是 一 款 短 波 二 次 变频 高 灵 敏 度 立 体 声 收 音 机 , 由 于 它 采 用 了 表 面 安 装 的 集 成 电 路和 阻 容 元 件 , 以 及 德 生 公 司 特 制 的 厚 度 仅 、 直 径 的

23、扬 声 器 , 所 以 它 是 德 生 公 司 短 波 二 次 变 频 收 音 机 系 列 中 最精 巧 的 一 种 , 比 一 包 香 烟 盒 略 大 些 。 作 为 一 个 收 音 机 爱 好 者 ,愿 深 人 了 解 其 内 部 电 路 结 构 和 特 性 。 现 试 作 一 分 析 。整 机 电 路 结 构型 收 音 机 的 电 原 理 图 如 图 所 示 。 电 路 的 核 心 是 单片 收 音 机 集 成 电 路 , 包 括 从 调 频 、 调 幅信 号 调 谐 输 人 到 立 体 声 输 出 的 所 有 信 号 处 理 电 路 。的 各 引 脚 功 能 和 内 部 框 图 如 图

24、 所 示 , 单 片 工 作 电 压 范 围 为一 , 在 电 源 电 压 下 , 调 幅 状 态 耗 电 , 调 频 状 态 耗电 。 引 脚 中 脚 和 脚 的 特 殊 功 能 为 脚 接 正 电 源 电 压时 , 内 调 频 立 体 声 解 码 的 压 控 振 荡 器 停 止 工 作 ,输 出 单 声 道 脚 悬 空 时 , 输 出 立 体 声 。 脚 接 正 电 源 电 压时 , 为 调 幅 工 作 状 态 不 接 正 电 源 电 压 时 , 为 调频 工 作 状 态 。立 体 声 功 放 采 用 , 为 保 证 用 机 内 扬 声 器 工作 时 有 足 够 的 推 动 功 率 , 而

25、 插 上 立 体 声 耳 机 有 立 体 声 输 出 , 本机 采 用 巧 妙 的 开 关 设 计 的 第 脚 担 任 切 换 功 能 ,是 耳 机 插 座 上 的 两 组 联 动 开 关 , 平 时 用 机 内 扬 声 器 时 ,一 使 的 脚 悬 空 , 一 使 的 脚 为 高 电 平 , 这样 只 输 出 单 声 道 , 而 工 作 于 功 放 状 态 , 以 保 证 在低 电 压 状 态 下 有 较 大 的 功 率 输 出 推 动 扬 声 器 一 旦 插 人 立 体声 耳 机 插 头 后 , 插 头 使 一 和 一 同 时 切 换 , 输 出 立输 人 , 从 任 何 地 址 开 始

26、执 行 , 通 过 控 制 排 列 组 合 可 以 实 现很 多 的 语 句 , 例 如 时 间 秒 、 路 程 米 等 等 。本 试 验 可 将 语 音 提 前 录 人 , 固 化 后 可 将 接 口 置 为高 电 平 拒 绝 录 音 , 此 时 可 拆 去 驻 极 体 相 应 电 路 , 以 节 省 小 汽 车的 空 间 。接 口 直 接 接 地 , 时 钟 信 号 由 自 己 提 供 , 以简 化 主 程 序 。由 给 出 信 号 , 不 录 音 放 音 时 将 其 置 为 高 电平 , 则 电 路 处 于 低 功 耗 状 态 , 节 省 电 能 。口 也 由 控 制 , 低 电 平 有

27、 效 , 不 录 音 放 音 时 令其 为 高 电 平 放 音 时 , 由 通 讯 口 置 零 。理 论 分 析 与 计 算压 电 式 超 声 波 发 生 器 测 距 计 算 设 超 声 波 发 生 器 离 墙 距离 为 , 则 。 其 中 , 为 发 射 , 接 收 信 号 的 时 间 差 。可 用 记 录 时 间 , 比 较 前 后 超 声 波 发 生 器 的 长 短 , 判 断 小汽 车 行 驶 方 向 是 否 有 偏 差 。 同 时 , 由 于 已 知 跑 道 的 宽 度 , 可 以根 据 小 汽 车 距 挡 板 的 距 离 , 判 断 小 汽 车 是 否 偏 离 中 心 线 。根 据

28、 以 上 判 断 , 发 出 左 转 或 右 转 的 指 令 。运 行 情 况 测 试依 据 题 目 的 要 求 , 我 们 制 作 了 一 个 比 较 小 的 模 拟 跑 道 , 某些 路 段 的 尺 寸 做 了 适 当 的 缩 减 , 测 试 结 果 如 下 总 往 返 时 间秒 , 限 速 区 用 时 秒 , 终 点 线 处 停 车 位 置 偏 差 , 起点 线 处 停 车 位 置 偏 差 。 和专 家 点 评参 数 的 选择 图 是 外围 电 路 。 为 保 证 有 较好 的 温 度 稳 定 性 二一 , 二二本 设 计 方 案中 采 用 双及 光 电 、 超 声波 、 霍 尔 效 应

29、 三种 传 感 器 来 完成 小 汽 车 的 启停 、 速 度 、 方 向等 控 制 , 和 时 间与 距 离 的 测 量 、显 示 。 是 考 虑 比较 全 面 的 设 计方 案 。 由 于 采 用超 声 波 传 感 器实 现 方 向 上 的闭 环 控 制 , 运 行驱驱 动 电 机 运 转转通通 知 控控制制 转 向 电 动 机机从 流 程 图主 流 程 图 。 其 中 , 为 中 心 频 率 二 ,为 带 宽 二 。 由 上 式 解 得 二, 取 二 , 则 二 实 际 中 使 用 了 一 个的 电 位 器 。 又 由 带 宽 公 式 , 计 算 得 二 考 虑, 取 二 林 。图 为

30、系 统 简 要 流 程 图 。电 子 世 界 年 第 期 多方 向 控 制 精 度 很 高 , 在 地 区 与 全 国 测 试 中 , 车 的 行 走 几 乎 成 一直 线 。 是 全 国 少 有 的 几 个 具 有 方 向 闭 环 控 制 , 且 效 果 甚 佳 的 作品 。由 于 采 用 光 电 传 感 器 检 测 标 志 后 , 未 能 进 行 连 续 闭 环 控料 , 调 节 行 车 速 度 加 上 像 很 多 方 案 一 样 , 未 考 虑 到 玩 具 汽 车 电池 容 量 对 速 度 的 影 响 , 因 此 停 车 的 距 离 精 度 较 差 , 且 多 次 测 试中 每 次 停 车 距 离 误 差 离 散 性 较 大 。点 评 专 家 沈 伯 弘 北 京 大 学 电 子 学 系 教 授 、 全 国 大 学 生电 子 设 计 竞 赛 组 委 会 副 主 任 兼 专 家 组 组 长 。