项目七机器车中检测系统设计

机电一体化系统授课老师：熊 小 明2015年5月27日(a)遥控赛车(b)智能小车思考：两者有何差别？思考：两者有何差别？7.1 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计7.4 基于基于DS18B20温度传感器的测温电路设计温度传感器的测温电路设计7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计项目七 机器车中检测系统设计本章的学习目标：本章的学习目标：（1）掌握机器车中检测系统的设计能力。（2）掌握各检测传感器的种类及其工作原理（3）熟悉机电产品常用的检测系统设计方法本章的本章的重点重点: :系统（计数、测距、寻迹、测温、测力、测速）的工作原理、控制硬件和控制程序的设计本章的本章的难点难点: : 系统（计数、测距、寻迹、测温、测力、测速）的控制硬件设计和控制程序设计7.1 7.1 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计一、任务简介：一、任务简介：基于51单片机，通过光电传感器实现计数功能，绘制硬件电路并编制控制程序。计数功能是指当产品通过传感器时，被传感器检测到，并将计数器个数自动加1；二、任务目标：二、任务目标：（1）掌握光电传感器的工作原理；（2）熟悉基于51单片机的光电传感器计数控制电路（3）掌握基于51单片机的光电传感器计数的程序编制7.1 7.1 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计三、相关知识三、相关知识（1）光电传感器的工作原理光电传感器(光电开关)有光束发射端和接收端，如发射端与接收端位于同一侧，产品通过时就会将发射的光束反射回来，被接收端接收到，开关状态改变，即红外接收电路输出口将产生一个高电平信号，这个信号将供给单片机的I/ 0口进行计数控制。计数控制部分是将计数脉冲送入单片机中断入口的INTO (INTl)入口，经过单片机内部对这个中断信号进行计数。如传感器的发射端与接收端相对，产品通过它们之间时，光线被遮，同样可以改变开关状态。如图7.1.1所示。7.1 7.1 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计（a）光电传感器工作原理示意图（b）对射式光电传感器工作示意图（c）漫反射式光电传感器工作示意图7.1.1 光电传感器工作原理图（c）镜面反射式光电传感器工作示意图（e）聚光型反射式光电传感器工作示意图7.1 7.1 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计（2）光电传感器的结构及特点1）组成：光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成，实物图如图7.1.2所示。2）特点：光电检测方法具有精度高、反应快、非接触的优点，而且可测参数多，传感器的结构简单，形式灵活多样，因此，光电式传感器在检测和控制中应用非常广泛。7.1.2 光电传感器实物图7.1 7.1 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计一、控制电路设计一、控制电路设计控制电路主要由红外光电检测电路、单片机系统、蜂鸣器报警电路、数码显示部分以及复位电路。控制电路组成结构示意图如图7.1.3所示。STC89C51单片机蜂鸣器报警电路红外光电检测电路数码管显示电路复位电路7.1.3 光电传感器计数系统控制电路组成结构示意图7.1 7.1 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计工作过程：红外传感器感受到外界信息时，产生高低电平，通过软件程序设置单片机内部寄存器，当传感器的高低脉冲被单片机接收到时，单片机产生中断，中断产生后进入中断服务程序，通过设置中断服务程序进行计数，并通过单片机I/O将计数信息传送至数码管，数码管显示计数的个数。当需要置位时，则按下复位开关，计数器清零，数码管显示清零，重新开始计数。控制电路如图7.1.4所示。7.1 7.1 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计7.1.4 光电传感器计数系统控制电路7.1 7.1 光电传感器计数系统设计光电传感器计数系统设计二、控制程序设计二、控制程序设计外部中断TO初始化后处于关闭状态，当其中断标志有效时进行加计数，外部中断TO进行加计数且判断计数器是否达到设定值10，若等于设定值10，则蜂鸣器报警，然后判断计数值是否达到设定值100，若等于100，则计数清零。最后将计数值通过数码管显示，其流程如图7.1.5所示。控制程序包括：延时函数、显示函数、主函数以及中断函数7.1.5 光电传感器计数系统控制程序框图7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计一、任务简介：一、任务简介：利用超声波传感器工作原理，绘制超声波传感器测距电路，并编写控制程序二、任务目标：二、任务目标：（1）熟悉超声波传感器的结构和工作原理（2）掌握利用超声波传感器测距电路的设计及其程序的编制7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计三、相关知识三、相关知识（1）超声波传感器简介1）超声波超声波是指频率高于20 kHz的机械波。在空气中衰减较快，而在液体及固体中传播，衰减较小，传播较远。利用超声波的特性，可做成各种超声传感器。7.2.1 超声波的常见应用2）超声波的结构为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波，完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称其为超声波换能器或超声波探头，外形如图7.2.2所示。7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计7.2.2 超声波传感器外形图7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计3）超声波传感器的工作过程超声波传感器有发送器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收超声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换声波信号，发射超声波;而在收到回波的时候，则将超声振动转换成电信号，具体如图7.2.2所示。7.2.2 超声波传感器工作过程示意图4）压电式超声波换能器的结构及其工作过程压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的，其转化结构如图7.2.3所示。超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板，当它的两极外加脉冲信号，且其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器;反之，如果两电极间未外加电压，则当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片做振动，并将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计7.2.3 压电式超声波传感器结构示意图（2）超声波传感器测距工作原理超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOF( Tithe Of Flight)。发射点距物体距离S：S=Cm（t/2）其中：Cm-超声波在空气中的传播速度，值为331.45m/s。t-从发射超声波到接收超声波的时间，若由单片机负责计时，且晶振频率为12MHz，最小测量精度可达到毫米级。注意：超声波速度还和温度、气流等因素相关，具体为Cm=20（273+T）1/2其中：T-工作时环境温度，单位为 Cm-超声波传播速度7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计图7.2.4 超声波传感器测距工作原理示意图7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计气流和正对物体的反射角度对超声波传感器工作特性的影响，如图7.2.5所示图7.2.5 气流和正对物体的反射角度对超声波传感器工作特性的影响示意图7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计（3）超声波传感器测距硬件系统设计根据设计要求和综合各方面要求，可以采用51单片机作为主控制器，用动态扫描发实现LED数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距硬件系统框图如图7.2.6所示。超声波接收超声波发送单片机控制器LED显示扫描驱动图7.2.6 超声波测距硬件系统框图7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计一、系统硬件设计一、系统硬件设计硬件电路部分主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路和超声波检测接收电路三部分组成。采用51单片机来实现对C X20106 A红外接收芯片和TCT40-10系列超声波转换模块的控制。单片机通过P1. 0引脚经反相器来控制超声波的发送，然后不停地检测INTO引脚，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍物之间的距离。其工作示意图如图7.2.7所示。7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计定时器单片机显示器调制器振荡器超声波发射器计时器接收检测超声波接收器图7.2.7 基于单片机超声波传感器测距工作原理示意图7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计（1 1）单片机系统）单片机系统单片机采用89C52,采用12MHz高精度的晶振，以便于获得较为稳定的时钟频率，减少测量误差。单片机P1.0口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接收电路输出的返回信号。图7.2.8 单片机系统电路图（2 2）显示电路）显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS245N驱动，位码用PNP三极管驱动7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计图7.2.10 显示电路7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计（3 3）超声波发射电路）超声波发射电路 发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40 kHz的方波信号，一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极;另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R10,R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力;另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。图7.2.11 超声波发射电路图7.2.12 超声波检测接收电路7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计（3 3）超声波检测接收电路）超声波检测接收电路集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控常用的载波频率38 kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路，如图7.2.9所示。实验证明，用CX20106A接收超声波(无信号时输出高电平)，具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。适当更改电容C9的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计二、系统程序设计二、系统程序设计超声波测距仪的软件设计主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序组成。我们知道C语言程序有利于实现较复杂的算法，汇编语言程序则具有较高的效率且容易精细计算程序运行的时间，而超声波测距仪的程序既有较复杂的计算(计算距离时)，又要求精细计算程序运行时间(超声波测距时)，所以控制程序可采用C语言和汇编语言混合编程。程序流程框图如图7.2.13所示。图7.2.13 程序流程框图7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计（1）超声波测距系统主程序设计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INTO或INT1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。7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计（2）超声波测距系统超声波发生和接收程序超声波发生子程序的作用是通过P1.0端口发送两个左右信号频率约40 kHz的方波，脉冲宽度为12s左右，同时把计数器T0打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号(INTO引脚出现低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1。如果当计时器溢出时还未检测到超声波返回信号，则定时器T0溢出中断将外中断0关闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功。三三、系统调试、系统调试超声波测距仪的制作和调试都比较简单，其中超声波发射和接收采用15的超声波换能器TCT40-10F1( T发射)和TCT40-10S1(R接收)，其中心频率为40 kHz,安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4-8 cm，其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好，并下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要。系统调试完后应对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统，使其达到实际使用的测量要求7.2 7.2 超声波传感器测距系统设计超声波传感器测距系统设计7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计一、任务简介：一、任务简介：基于51单片机，设计一个利用灰度传感器实现智能小车寻迹系统，包括绘制电路图以及编制程序二、任务目标：二、任务目标：（1）掌握灰度传感器的结构及其工作原理；（2）掌握灰度传感器寻迹工作原理（3）掌握利用灰度传感器寻迹功能的程序编制三、相关知识三、相关知识（1）灰度传感器简介1）用途 灰度检测传感器主要用于检测不同颜色的灰度值，例如在灭火比赛中判断门口白线、在足球比赛中判断机器人在场地中的位置。在各种轨迹比赛中沿黑线行走等。2）结构 灰度传感器是模拟传感器，有一只发光二极管和一只光敏电阻，安装在同一面上，结构如图7.3.1所示。7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计图7.3.1 灰度传感器的结构7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器的发光二极管发出一束白色光(BE一1112)或蓝色光(BE113)，照到不同颜色的物体上，由于不同颜色对光线的吸收作用不一样(总的来说，颜色越深，吸收越多，颜色越浅，吸收越少)，导致反射光线的强弱不同。对于黑色之类颜色比较深的物体，反射信号比较弱，因而输出电平较低;对于自色之类颜色比较浅的物体，反射信号比较强，因而输出电平比较高。通过对输出电平的测量比较，机器人就能判别物体颜色的深浅。电路中包含了稳压等环节，因此工作的电源范围比较宽，并且能克服电源电压波动对电路的影响。7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计3）工作原理 灰度传感器利用光敏电阻对不同检测路面返回光的阻值不同的原理进行颜色深浅检测。在有效的检测距离内，发光二极管发出白光，照射在检测面上，检测面反射部分光线，光敏电阻检测此光线的强度并将其转换为机器人可以识别的信号。其原理如图7.3.2所示。图7.3.2 灰度传感器的原理图7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计（2）灰度传感器使用时注意事项1)检测面的材质不同一也会引起其返回值的差异。2)外界光线的强弱对其影响非常大，会直接影响到检测效果，在对具体项目检测时注意包装传感器，避免外界光的干扰。3)根据它的工作原理光敏元件根据检测面反射回来的光线强度，来确定其检测面颜色的深浅。因此，测量的准确性和传感器到检测面的距离是有直接关系的。当机器人运动时，机体的震荡同样会影响其测量精度。（3）灰度传感器调节方法灰度传感器上无信号指示灯，但是配有检测颜色返回模拟量大小的调节器。欲使检测给定的颜色时，可以将发射或接收头置于给定颜色处，配合调节器即可调出合适的返回模拟量。检测颜色越浅，返回值越小。将调节器逆时针方向旋转，返回模拟量变大;将调节器顺时针方向旋转，返回模拟量变小。可以一直调节直到需要的数值为止。若需要准确的模拟量，可以用程序在液晶屏幕上显示，配合调节器即可调出准确的模拟量。用螺丝刀旋转调节器时，不要旋得太快，也不要旋得太用力，以防旋坏，在发现旋不动时，应马上停止。7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计（1）硬件设置在机器人底部左右两侧安装两个地面灰度传感器，固定好，且离地面510mm，机器人寻迹时检测地面灰度并把黑色的预设值设置为大于180,自色值为80左右，在程序设计时，取80180的中间值130作为判断黑自色的条件，即灰度传感器测得的值小于130，则为自色;测得的值大于130，则为黑色。有色轨迹灰度传感器图7.3.3 灰度传感器布置示意图有色轨迹有色轨迹7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计（2）程序设计程序初始化后进入循环扫描，首先判定右侧传感器是否压到黑线(大于130)，若压到黑线(为真)，则说明小车左偏，控制小车向右转。若没有压到黑线(为假)，再判断左侧传感器是否压到黑线，若压到黑线(为真)则说明小车右偏，控制小车左转;若没有压到黑线说明小车姿态正确，小车直行。其控制程序流程如图7.3.4所示。图7.3.4 寻迹程序流程图7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计部分程序如下：#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intright_red=P14; /定义右侧传感器输入端口为P1.4left_red=P15; /定义右侧传感器输入端口为P1.5void turn_right() /右转函数省略 void turn_left() /左转函数省略void straight() /直行函数省略 void infrared() /寻迹函数 uchar flag； /定义信号 7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计 if（right_red=1） /右侧传感器压黑线 flag=1; else if(left_red=1) /左侧传感器压黑线 flag=2; else if(left_red=0)&(right_red=0) /左右传感器均未压黑线 flag=3; switch(flag) case1: turn_right(); /跳转右转函数 break; case2: turn_left(); /跳转左转函数 break; case3: straight() /跳转直行函数 break; void main（） init（）； /调用初始化函数 while（1） /循环扫描 infrared（）； /调用寻迹函数7.3 7.3 灰度传感器寻迹电路设计灰度传感器寻迹电路设计7. 4基于DS18B20温度传感器的测温电路设计 7. 4. 1设计前准备 1.任务简介 设计基于DS18B20的测温控制电路，并编写程序。 2.任务目标 (1)熟悉DS18B20温度传感器的结构和工作原理。 (2)掌握利用DS18B20测温控制电路的设计。 (3)掌握利用DS18B20测温电路控制程序的编写。7. 4基于DS18B20温度传感器的测温电路设计3.相关知识（1）DS18B20传感器简介美国Dallys半导体公司的数字化温度传感器D S 1820是世界上第一片支持“一线总线”接口的温度传感器，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内， “一线总线”独特而且经济的特点，使用户可轻松地组建传感器网络，为测量系统的构建引入全新概念。D518 B20可以通过程序设定9一12位的分辨率，也可选更小的封装方式和更宽的电压适用范围，用户设定的报警温度可存储在EEPROM中，掉电后依然保存。现场温度直接以“一线总线”的数字方式传输，大大提高了系统的抗干扰性。其适合于恶劣环境现场温度的测量，如环境控制、设备或过程控制和测温类消费电子产品等。7. 4基于DS18B20温度传感器的测温电路设计（2）DS18B20温度传感器的主要特性。适应电压范围更宽，电压范围为3. 0 5. 5 V，在寄生电源方式下还可由数据线供电。独特的单线接u方式，DS 18 B20在与微处理器连接时仅需要一条总线即可实现微处理器与DS18B20的双向通信。 DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网，并进行多点测温。DS18B20在使用中不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内。温度测量范围为一55一+125，在一10+85时精度为0. 5。可编程的分辨率为912位，对应的可分辨温度分别为0. 5、0. 25、0. 125和0. 0625，可实现高精度测温。在9位分辨率时，最多在93. 75 ms内把温度转换为数字信号，在12位分辨率时，最多在750 ms内把温度值转换为数字信号，速度快。测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行方式传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。负压特性:当电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。7. 4基于DS18B20温度传感器的测温电路设计（3） DS18B20的外形和内部结构。DS18B20内部结构主要由四部分组成:64位光刻ROM、温度传感器、非挥发性的温度报警触发器TH和TL,配置寄存器。D518 B20的外形及管脚排列如图7一19所示。DS18B20引脚定义:DQ为数字信号输入或输出端。 CND为电源地线。VDD为外界供电电源输入端(在寄生电源接线方式时接地)。7. 4基于DS18B20温度传感器的测温电路设计（4）DS18B20测温原理。DS18B20测温原理如图7 - 20所示。图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号，并送给计数器1。高温度系数晶振随温度变化其振荡频率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在一55所对应的一个基数值上。计数器1对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置值将被重新装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值的累加，此时温度寄存器中的数值即所测温度。图7 - 20中的斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。7. 4基于DS18B20温度传感器的测温电路设计7. 4基于DS18B20温度传感器的测温电路设计（2）DS18B20传感器主要的数据存储器。1)光刻ROM中的64位序列号是出厂前被光刻好的，它可以看作是该D518 B20的地址序列码。64位光刻ROM的排列是:开始8位(28H)是产品类型标号，接着的48位是该D518 B20自身的序列号，最后8位是前面56位的循环冗余校验码(GRC = X8 + XS + X4 +1)。光刻ROM的作用是使每一个D518 B20都各不相同，这样就可以实现一根总线上挂接多个D S 18 B20的目的。2) DS18B20中的温度传感器可完成对温度的测量，以12位转化为例:11用16位符号扩展的二进制补码读数形式提供，以0.0625 0G/LSB形式表达，其中S为符号位。D518 B20温度值格式见表7一3。3) DS18B20温度传感器的存储器。DS18B20温度传感器的内部存储器包括一个高速暂存RAM和一个非易失性的可电擦除的EEPRAM，后者存放高温度与低温度触发器TH , TL和结构寄存器。4)酉己置寄存器。该字节中各位的意义见表7 -4，低5位一直都是“1 ” ; TM是测试模式位，用于设置D518 B20在工作模式还是在测试模式，在D S 18 B20出厂时该位被设置为0，用户不要去改动;R1和RO用来设置分辨率。7. 4基于DS18B20温度传感器的测温电路设计7. 4基于DS18B20温度传感器的测温电路设计5)高速暂存存储器。高速暂存存储器由9个字节组成，当温度转换命令发布后，经转换所得的温度值以二字节补码形式存放在高速暂存存储器的第0和第1个字节中。单片机可通过单线接u读到该数据，读取时低位在前、高位在后。对应的温度计算:当符号位s =0时，直接将二进制位转换为十进制;当s=1时，先将补码变为原码，再计算十进制值。