寻迹小车系统的设计 (论文)

大学毕业设计（论文）纸共35页第1页寻迹小车系统的设计摘要摘要摘要摘要本次设计的小车寻迹系统，采用AT89S52作为小车的检测和控制核心。小车的车体选用玩具车的底盘改装而成，驱动部件部分采用常用的H桥驱动电路，用直流电机对车进行转向和行动控制，所用的芯片是L293D。根据题目设定的具体要求，采用红外传感器进行目标识别，PWM控制等技术。文章详细介绍了系统构成、软硬件设计方法。该小车控制系统基于红外技术、单片机等技术，采用控制方式为单向PWM的直流电机，以与地面颜色有较大差别的黑线作引导，实现了步行、步伐调整、地面探测等功能。系统在智能性、准确性、实时性方面达到了一定的要求,具有较好的应用前景。关键词关键词关键词关键词AT89S52L293D红外传感器PWM第1章绪论11选题目的及意义随着科学技术的发展，机器人的感觉传感器种类越来越多，其中视觉传感器成为自动行走和驾驶的重要部件。视觉的典型应用领域为自主式智能导航系统，对于视觉的各种技术而言图像处理技术已相当发达，而基于图像的理解技术还很落后，机器视觉需要通过大量的运算也只能识别一些结构化环境简单的目标。视觉传感器的核心器件是摄像管或CCD，目前的CCD已能做到自动聚焦。但CCD传感器的价格、体积和使用方式上并不占优势，因此在不要求清晰图像只需要粗略感觉的系统中考虑使用接近觉传感器是一种实用有效的方法。机器人要实现自动寻迹功能和检测障碍物功能就必须要感知导引线和障碍物，感知导引线相当给机器人一个视觉功能。检测障碍物控制系统是基于自动寻迹小车系统，基于它的智能小车实现自动识别路线，判断障碍物报警，选择正确的行进路线。使用传感器感知路线和障碍并作出判断和相应的执行动作。本文利用AT89S52设计了一种嵌入式智能寻迹机器人，在传感器、电机驱动和软件的控制下，能够智能地完成行走路线探测的任务，与传统的遥控玩具车相比，具有一定的独立性和智能性，是未来智能玩具车的一种雏形。本设计是以认识和了解为目的，为以后进一步地研究打下一定的基础。12寻迹小车的研究现状大学毕业设计（论文）纸共35页第2页在信息技术的飞速发展当今世界，计算机，通讯、消费电子三种技术合一的后PC的时代，虽然计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落，但各种各样的新型嵌入式接入设备已经成为当前的主流产品。任何一个普通人都可能拥有几十种嵌入式技术的电子产品，小到手表、手机、MP3播放器、PDA等微型数字化产品，大到智能家电、网络家电、车载电子设备等都离不开嵌入式技术。作为嵌入式技术的一个重要的研究分支机器人技术，目前在国内外研究的如火如荼，各种各样的工业机器人和服务机器人已经开始应用到人们的生产和生活当中，使用机器人的优势已经被人们广泛认可，并正在成为我们日常工作和生活的一部分。众所周知,机器人是自动执行工作的机器装置。机器人可接受人类指挥，也可以执行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。机器人能力的评价标准包括智能，指感觉和感知，包括记忆、运算、比较、鉴别、判断、决策、学习和逻辑推理等；机能，指变通性、通用性或空间占有性等；物理能，指力、速度、连续运行能力、可靠性、联用性、寿命等。因此，可以说机器人是具备一些与人或生物相似的智能能力的空间三维坐标机器，是一种具有高度灵活性的自动化机器。在安全领域,机器人的应用已经广泛。13小车寻迹系统的原理该寻迹小车可以作为机器人的典型代表。它可以分为三大组成部分传感器检测部分、执行部分、CPU。机器人要实现自动检测障碍物功能，还可以扩展循迹等功能，感知导引线和障碍物。可以实现小车自动识别路线，选择正确的行进路线，并检测到障碍物自动躲避。基于上述要求，传感检测部分考虑到小车一般不需要感知清晰的图像，只要求粗略感知即可，所以可以舍弃昂贵的CCD传感器而考虑使用价廉物美的红外反射式传感器来充当。这里的循迹是指小车在白色地板上循黑线行走，通常采取的方法是红外探测法。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板时发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接收；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接收不到红外光。单片机就是否收到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。红外探测器探测距离有限，一般最大不应超过3MM。14设计要求本次寻迹机器人系统设计要求如下1自动寻迹小车从安全区域启动。2小车按指定路线运行，自动区分直线轨道和弯路轨道，在指定弯路处拐弯，大学毕业设计（论文）纸共35页第3页实现灵活前进、转弯、倒退等功能，在轨道上划出设定的地图。3小车完成指定运行任务中，自动显示左右轮行驶的路程，自动检测障碍物并发出警报。大学毕业设计（论文）纸共35页第4页第2章方案论证根据设计要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、直流电机及其驱动模块等模块构成。为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。21系统结构框图寻迹智能小车的系统结构框图如图21所示图21系统结构框图22各部分电路的设计221底盘设计底盘设计底盘设计底盘设计由于本设计是一个实物小车，我们考虑如下两个方案。方案1购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。AT89S52单片机稳压电源电压比较器直流减速机L293D红外对管组LED显示大学毕业设计（论文）纸共35页第5页方案2自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，前方向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个自由轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。在安装时我们保证两个驱动电机异轴。当小车前进时，左右两驱动轮与后自由轮形成了四点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后自由轮起支撑作用。对于车架材料的选择，我们经过比较选择了有PCD。用有PCD做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。综上考虑，我们选择了方案2。222控制模块控制模块控制模块控制模块控制模块在本设计中是核心部分，所以我们考虑了如下三个方案。方案1采用可编程逻辑期间CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、IO资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。方案2采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行寻迹运行的检测以及电机的控制。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案3采用宏晶公司的AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一个低功耗，片内含32K空间的可反复擦些100,000次的FLASH只读存储器，具有2KBYTES的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个8位可编程定时计数器，1个16位可编程定时计数器，四通道PWM，内置8路10位ADC。从方便适用的角度考虑，我们选择了方案3。223电源模块电源模块电源模块电源模块由于小车需要供电，分为电池和稳压两个部分，我们考虑了如下集中方案为系统大学毕业设计（论文）纸共35页第6页供电。1电池部分方案1采用10节15V干电池供电，电压达到15V，经7812稳压后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但干电池电量有限，使用大量的干电池给系统调试带来很大的不便，因此，我们放弃了这种方案。方案2采用3节42V可充电式锂电池串联共126V给直流电机供电，经过7812的电压变换后给支流电机供电，然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我们的预算，因此，我们放弃了这种方案。方案3采用9V干电池为直流电机供电，将9V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。干电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。虽然9V干电池的体积稍大，在小型电动车上使用有些不方便，但由于我们的车体设计时留出了足够的空间，并且干电池的价格比较低。因此我们选择了此方案。综上考虑，电池部分我们选择了方案3。2稳压部分方案1采用两片7812将电压稳压至12V后给直流电机供电，然后采用一片7809将电压稳定至9V，最后经7805将电压稳至5V，给单片机系统和其他芯片供电，但7809和7805压降过大，使7809和7805消耗的功率过大，导致7809和7805发热量过大，因此，我们放弃了这种方案。方案2采用9V干电池可直接给12V直流减速电机供电，然后采用7805将电压稳至5V。7805的输出电流最大可至3A，完全满足系统要求。综上考虑，稳压部分我们选择了方案2。224传感器模块传感器模块传感器模块传感器模块本设计中寻迹模块就如是人的眼睛，所以我们考虑如下三个方案。方案1用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案2用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的大学毕业设计（论文）纸共35页第7页光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。方案3用RPR359F发型光电对管。RPR359F是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR359F采用DIP4封装，其具有如下特点（1）塑料透镜可以提高灵敏度；（2）内置可见光过滤器能减小离散光的影响；（3）体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我们选择了方案3。225电机模块电机模块电机模块电机模块本系统为寻迹电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。由于本实验要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了两种方案。方案1采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑，我们放弃了此方案。方案2采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生较大扭力。我们所选用的直流电机减速比为174，减速后电机的转速为100R/MIN。我们的车轮直径为35CM，因此我们的小车的最大速度可以达到0183M/S能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。226电机驱动模块电机驱动模块电机驱动模块电机驱动模块本设计在电朵驱动上，考虑如下四个方案。方案1采用专用芯片L293N作为电机驱动芯片。L293N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片L293N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案2对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。大学毕业设计（论文）纸共35页第8页方案3采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。方案4采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过开关的切换对小车的速度进行调整。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短，可靠性不高。因此我们选用了方案1。227最终方案最终方案最终方案最终方案经过反复论证，我们最终确定了如下方案（1）车体用有机玻璃车架手工制作；（2）采用AT89S52单片机作为主控制器；（3）用干电池直接为直流电机供电，将9V电压经7805降压、稳压后为单片机系统和其他芯片供电；（4）用RPR359F型光电对管进行寻迹；（5）L293N作为直流电机的驱动芯片。大学毕业设计（论文）纸共35页第9页第3章硬件系统设计31小车电控系统硬件组成小车由机械和电控两部分组成，机械载体采用一种简单的车模装置，本节主要介绍的主要是电控部分，本设计主要分为六个部分控制模块；电源模块；稳压模块；寻迹传感器模块；电机模块；电机驱动模块。311单片机的组成单片机的组成单片机的组成单片机的组成单片机是整个小车系统的核心，控制所有模块。本系统采用AT89S52单片机。一个单片机应用系统的硬件电路设计包含有两部分内容一是系统扩展，即单片机内部的功能单元，如ROMRAMI/O口定时/记数器中断系统等能量不能满足应用系统的要求时，必须在片外进行扩展，选择适当的芯片，设计相应的电路。二是系统配置，既按照系统功能要求配置外围设备，如键盘显示器打印机A/DD/A转换器。AT89S52单片机是把作为控制应用所必需的基本内容都集成在一个尺寸有限的集成电路芯片上7。如果按功能划分，它由如下功能部件组成，即微处理器、数据存储器、程序存储器、并行I/O口、串行口、定时器/计数器、中断系统及特殊功能寄存器。它们都是通过片内单一总线连接而成，其基本结构依旧是CPU加上外围芯片的传统结构模式。但对各种功能部件的控制是采用特殊功能寄存器的集中控制方式。微处理器该单片机中有一个8位的微处理器，与通用的微处理器基本相同，同样包括了运算器和控制器两大部分，只是增加了面向控制的处理功能，不仅可处理数据，还可以进行位变量的处理。数据存储器片内为128个字节，片外最多可外扩至64K字节，用来存储程序在运行期间的工作变量、运算的中间结果、数据暂存和缓冲、标志位等，所以称为数据存储器。程序存储器由于受集成度限制，片内只读存储器一般容量较小，如果片内的只读存储器的容量不够，则需用扩展片外的只读存储器，片外最多可外扩至64K字节。中断系统具有5个中断源，2级中断优先权。定时器/计数器片内有2个16位的定时器/计数器，具有四种工作方式。串行口1个全双工的串行口，具有四种工作方式。可用来进行串行通讯，扩展并行I/O口，甚至与多个单片机相连构成多机系统，从而使单片机的功能更强且应用更广。P1口、P2口、P3口、P4口为4个并行8位I/O口。特殊功能存储器共有21个，用于对片内的个功能的部件进行管理、控制、监视。实际上是一些控制寄存器和状态寄存器，是一个具有特殊功能的RAM区。大学毕业设计（论文）纸共35页第10页由上可见，AT89S52单片机的硬件结构具有功能部件种类全，功能强等特点。特别值得一提的是该单片机CPU中的位处理器，它实际上是一个完整的1位微计算机，这个一位微计算机有自己的CPU、位寄存器、I/O口和指令集。1位机在开关决策、逻辑电路仿真、过程控制方面非常有效；而8位机在数据采集，运算处理方面有明显的长处。312时钟电路时钟电路时钟电路时钟电路简单地说，没有晶振，就没有时钟周期，没有时钟周期，就无法执行程序代码，单片机就无法工作。AT89S52虽然有内部振荡电路，但要形成时钟，内部时钟精度不高，对于有比较高定时要求的，肯定不会实用。还有就是内部时钟周期频率有限必须外部附加电路。AT89S52单片机的时钟产生方法有两种。内部时钟方式和外部时钟方式。本设计采用内部时钟方式，电路如图31所示利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2引脚上外接定时元件，内部的振荡电路便产生自激振荡。本设计采用最常用的内部时钟方式，即用外接晶体和电容组成的并联谐振回路。振荡晶体可在12MHZ到12MHZ之间选择。电容值无严格要求，但电容取值对振荡频率输出的稳定性、大小、振荡电路起振速度有少许影响，C1、C2可在20PF到100PF之间取值，所以本设计中，振荡晶体选择6MHZ,电容选择30PF。图31时钟电路313复位电路复位电路复位电路复位电路单片机是属于数字电路，数字电路就只有“0”低电平和“1”高电平两个状态。大学毕业设计（论文）纸共35页第11页但在电路上电时候或电压波动不稳定的时候，当给单片机上电那一瞬间，电压有在几微秒内（有的是几毫秒内）不是直接跳变到5V的而是一个直线上升的阶段，这时候，单片机不能正常工作，需要复位电路给它延时以等到电压稳定。这叫上电复位。在运行过程中电压不稳引起复位也大致这样RESET脚一直为高电平就一直复位电容未充电时就相当于短路，充满了就接近开路，所以，加电时，电容开始充电，RESET脚就为高电平。经过几毫秒看电容容量及RESET脚的接地电阻，电容充满了,RESET脚变为低了。AT89S52的复位是由外部的复位电路来实现的。上电瞬间，电容充电电流最大，电容相当于短路，RST端为高电平，自动复位；电容两端的电压达到电源电压时，电容充电电流为零，电容相当于开路，RST端为低电平，程序正常运行。最简单的上电自动复位电路中上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的。只要VCC的上升时间不超过1MS,就可以实现自动上电复位。本次设计的复位电路如图32所示。图32复位电路部分32电机驱动电路采用2个桥式电路的芯片L293D直接控制2个电机。L293D是采用二相和四相步进电机的专用芯片，即内含2个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动36V，2A以下的电机。脉冲宽度调制（PULSEWIDTHMODULATIONPWM）控制，通常配合桥式驱动电路实现直流调速，非常简单，且调速范围大。它的原理就是脉冲宽度调制将输出信号的基本周期固定，通过调整基本周期内高电平工作周期的大小来控制输出功率。电机的转速和电机两端电压成正比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成正比，占空比越大，电机转得越快，当占空比达到1时，电机转速最大。在实际操作过程中采用软件模拟PWM输出调制的方法，控制信号的频率不需要太大学毕业设计（论文）纸共35页第12页高，一般在15KHZ以下为宜。本次设计最终采用的信号频率为1KHZ，在小车正常直线行进过程中，使能端直接接到电平，电机全速转动。在转弯时候才进行占空比调制，占空比的大小决定了小车转向的快慢，占空比太小时，电机几乎不转，转向最快，但有可能使小车摇摆不定；占空比太大时，2电机转速差很小，小车将转向很慢。321L293D芯片芯片芯片芯片L293D是步进电机驱动芯片如图33所示。L293D采用16引脚DIP封装，其内部集成了双极型H桥电路，所有的开量都做成N型。这种双极型脉冲调宽方式具有很多优点，如电流连续；电机可四角限运行；电机停止时有微振电流，起到“动力润滑”作用，消除正反向时的静摩擦死区低速平稳性好等。L293D通过内部逻辑生成使能信号。其内部结构如图34所示。H桥电路的输入量可以用来设置马达转动方向，使能信号可以用于脉宽调整。图33L293D芯片另外，L293D将2个H桥电路集成到1片芯片上，这就意味着用1片芯片可以同时控制2个电机。每1个电机需要3个控制信号EN1、IN1、IN2，其中EN1是使能信号，IN1、IN2为电机转动方向控制信号，IN1、IN2分别为1，0时，电机正转，反之，电机反转。选用一路PWM连接EN1引脚，另一路接EN2引脚，通过调整PWM的占空比可以调整电机的转速。选择一路I/O口，控制电机的正反转。小车电机为直流减速电机，带有齿轮组，考虑不需调速功能，采用电机驱动芯片L293D。为单块集成电路，高电压，高电流，四通道驱动，设计用来接收TL或者TTL逻辑电平，驱动感性负载比如继电器，直流和步进马达，和开关电源晶体管。内部包含4通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为1A，最大可达15A，VSS电压最小45V，最大可达36V；VS电压最大值也是36V，经过实验，VS电压应该比VSS电压高，否则有时会出现失控现象。表31是其使能、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。大学毕业设计（论文）纸共35页第13页图34L293D内部结构表31引脚和输出引脚的逻辑关系电机运行情况EN1（2）IN1（IN3）IN2（IN4）正转HHL反转HLH快速停止H同IN2（IN4）同IN1（IN3）停止LXXL293D可直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的I/O输入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作，非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，能够实现对应的动作，调试通过322直流减速电机直流减速电机直流减速电机直流减速电机直流发电机通常是作为直流电源，向负载输出电能；直流电动机则是作为原动机大学毕业设计（论文）纸共35页第14页带动各种生产机械工作，向负载输出机械能。在控制系统中，直流电机还有其它的用途，例如测速电机、伺服电机等。虽然直流发电机和直流电动机的用途各不同，但是它们的结构基本上一样，都是利用电和磁的相互作用来实现机械能与电能的相互转换。从结构上来看，任何电机都包括磁场部分和电路部分。从上述原理可见，任何电机都体现着电和磁的相互作用，是电、磁这两个矛盾着的对立面的统一。直流电机有定子和转子两大部分组成如图35，定子上有磁极，转子有绕组，通电后，转子上也形成磁场，定子和转子的磁极之间有一个夹角，在定转子磁场的相互吸引下，是电机旋转。改变电刷的位子，就可以改变定转子磁极夹角的方向，从而改变电机的旋转方向。图35电机构成1定子部分定子部分定子部分定子部分包括主磁极、换向极、机座和电刷装置等。主磁极在大多数直流电机中，主磁极是电磁铁，为了尽可能的减少涡流和磁滞损耗，主磁极铁心用115MM厚的低碳钢板叠压紧固而成，励磁绕组套在主极铁心外面。整个磁极再用螺钉固定在机座上。主磁极的作用是在定转子之间的气隙中建立磁场，使电枢绕组在此磁场的作用下感应电动势和产生电磁转矩。换向器换向极或间极，其作用是用以改善方向。换向极装在相邻两主极之间，它也是由铁心和绕组构成。机座一是起导磁的作用，作为电机磁路系统中的一部分，叫定子磁轭。二是用来固定主磁极、换向极及端盖等，起机械支撑的作用。因此要求机座有好的导磁性能及足够的机械强度与刚度。机座通常用铸钢或厚钢板焊成。电刷装置电刷的作用是把转动的电枢绕组与静止的外电路相连接，并与换向器相配合，把直流电压、直流电流引入或引出。2转子部分转子部分转子部分转子部分转子又称为电枢，包括电枢铁心、电枢绕组、转向器、转轴和风扇等。（1）电枢铁心作为电机主磁路的一部分，用来嵌放电枢绕组的。为了减少电枢旋转时电枢铁心中因磁通变化而引起的磁滞及涡流损耗，电枢铁心通常用05MM厚的两面涂有绝缘漆的硅钢片叠压而成。大学毕业设计（论文）纸共35页第15页（2）电枢绕组电枢绕组是由许多按一定规律联接的线圈（亦称元件，有两个出线端）组成，是通过电流和感应电动势，从而实现机电能量转换的关键性部件。（3）换向器直流发电机中作用是将绕组内的交变电动势转换为电刷端上的直流电动势；直流电动机中作用将电刷上所通过的直流电流转换为绕组内的交变电流。换向器安装在转轴上，主要由许多换向片组成，片与片之间用云母绝缘。3直流电机工作原理直流电机工作原理直流电机工作原理直流电机工作原理直流电动机的工作原理如图36所示直流发电机原理模型线圈逆时针方向旋转180度图36电机工作原理线圈不被原动机拖动；电刷A、B接上直流电源。于是在线圈ABCD中有电流流过，电流的方向如图35所示。这一对电磁力形成了作用于电枢一个力矩，这个力矩在旋转电机里称为电磁转矩，转矩的方向是逆时针方向，企图使电枢逆时针方向引起的阻转矩以及其它负载转矩），电枢就能按逆时针方向旋转起来。当电枢转了180后，导体CD受力方向变为从右向左，导体AB受力方向是从左向右，产生的电磁转矩的方向仍为逆时针方向。因此，电枢一经转动，由于换向器配合电刷对电流的换向作用，保证了每个极下线圈边中的电流始终是一个方向，从而形成一种方向不变的转矩，使电动机能连续地旋转。这就是直流电动机工作原理。电力拖动系统的运动状态是由作用在转轴上的所决定有转矩共同决定的所有转矩等于额定转矩时电机静止或恒速旋转，处于稳态；所有转矩大于额定转矩时电机处于加速状态，处于过渡过程；所有转矩小于额定转矩时，电机处于减速状态，处于过渡过程。323电机驱动电路电机驱动电路电机驱动电路电机驱动电路电机驱动电路原理图如图37所示L293D可驱动2个电机，3、6和11、14脚之间分别接2个电动机。2、7、10、15脚接入控制电平，控制电机的正反转，EN32、EN34接控制使能端，控制电机停转。单片机输出2组PWM波，每一组PW波用来控制1个电机的速度。另外2个I/O大学毕业设计（论文）纸共35页第16页口可以控制电机的正反转。控制方法与控制电路都比较简单。即2、7脚控制1个电机的方向，输入的EN32控制第1个电机的速度；10、15脚控制第2个电机的方向，输入的EN34控制第2个电机的速度。例如使左轮的转速大于右轮即可实现小车的右转弯，使左右轮子以相同的速度反向旋转可实现小车的原地反转。图37电机驱动原理图33黑线检测电路利用光的反射原理，当光线照射在白纸上，反射量比较大，反之，照在黑色物体上，由于黑色对光的吸收，反射回去的量比较少，这样就可以判断黑带轨道的走向。由于各路传感器会对单片机产生一定的干扰，使信号发生错误。因此，采用一级射极输出方式对信号进行隔离，这样系统对信号的判断就比较准确。331RPR359F传感器传感器传感器传感器RPR359F是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。1红外发光二极管红外发光二极管红外发光二极管红外发光二极管根据PN结反向特性可知，在一定反向电压范围内，反向电流很小且处于饱和状态。此时，如果无光照射PN结，则因本征激发产生的电子空穴对数量有限，反向饱和电流保持不变，在光敏二极管中称为暗电流。当有光照射PN结时，结内将产生附加的大量电子空穴对，使流过PN结的电流随着光照强度的增加而剧增，此时的反向电流称为光电流。不同波长的光在光敏二极管的不同区域被吸收形成光电流。被表面P型扩散层所吸收的主要是波长较短的兰光，在这一区域，因光照产生的光生载流子，一旦漂移到耗尽层界面，就会在结电场作用下，被拉向N区，形成部分光电流；波长较长的红光，将透过P型层在耗尽层激发出电子一空穴对，这大学毕业设计（论文）纸共35页第17页些新生的电子和空穴载流子也会在结电场作用下，分别到达N区和P区，形成光电流。波长更长的红外光，将透过P型层和耗尽层，直接被N区吸收。在N区内因光照产生的光生载流子（空穴）一旦漂移到耗尽区界面，就会在结电场作用下被拉向P区，形成光电流。因此，光照射时，流过PN结的光电流应是三部分光电流之和。它所发出的光的波长（决定颜色），是由组成P、N架构的半导体物料的禁带能量决定。发光二极管所用的材料都是直接带隙型的，这些禁带能量对应着近红外线、可见光、或近紫外线波段的光能量。2光光光光电三极管电三极管电三极管电三极管光敏三极管和普通三极管相似，也有电流放大作用，只是它的集电极电流不只是受基极电路和电流控制，同时也受光辐射的控制。通常基极不引出，但一些光敏三极管的基极有引出，用于温度补偿和附加控制等作用。因为光敏三极管由于还具有放大作用，故应用比二极管更加广泛。光敏三极管用于测量光亮度，经常与发光二极管配合使用作为信号接收装置。适应光电转换的要求，它的基区面积做得较大，发射区面积做得较小，入射光主要被基区吸收。和光电二极管一样，管子的芯片被装在带有玻璃透镜金属管壳内，当光照射时，光线通过透镜集中照射在芯片上。光敏三极管的另一个作用是传输信号，光耦合器（OPTICALCOUPLER，英文缩写为OC）亦称光电隔离器，简称光耦。光耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。光耦合器一般由三部分组成光的发射、光的接收及信号放大。输入的电信号驱动发光二极管（LED），使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。综上，光耦合器的主要优点是信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。用于传递模拟信号的光耦合器的发光器件为二极管、光接收器为光敏三极管。当有电流通过发光二极管时，便形成一个光源，该光源照射到光敏三极管表面上，使光敏三极管产生集电极电流，该电流的大小与光照的强弱，亦即流过二极管的正向电流的大小成正比。由于光耦合器的输入端和输出端之间通过光信号来传输，因而两部分大学毕业设计（论文）纸共35页第18页之间在电气上完全隔离，没有电信号的反馈和干扰，故性能稳定，抗干扰能力强。发光管和光敏管之间的耦合电容小（2PF左右）、耐压高25KV左右，故共模抑制比很高。输入和输出间的电隔离度取决于两部分供电电源间的绝缘电阻。此外，因其输入电阻小（约10），对高内阻源的噪声相当于被短接。因此，由光耦合器构成的模拟信号隔离电路具有优良的电气性能。332LM324芯片芯片芯片芯片LM324系列运算放大器是价格便宜的带差动输入功能的四运算放大器。可工作在单电源下，电压范围是30V32V或16VLM324的特点1短跑保护输出；2真差动输入级；3可单电源工作3V32V；4低偏置电流最大100NA（LM324A）；5每封装含四个运算放大器；6具有内部补偿的功能；7共模范围扩展到负电源；8行业标准的引脚排列；9输入端具有静电保护功能。LM324是四运放集成电路,它采用14脚双列直插塑料封装,内部运算放大器符号如图38所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器,除电源共用外,四组运放相互独立。每一组运算放大器可用图38所示的符号来表示,它有5个引出脚,其中“”、“”为两个信号输入端,“V”、“”为正、负电源端,“VO”为输出端。两个信号输入端中,VI（）为反相输入端,表示运放输出端VO的信号与该输入端的位相反VI（）为同相输入端,表示运放输出端VO的信号与该输入端的相位相同。LM324的引脚排列见图39。图38放大器符号LM324应用作比较器应用作比较器应用作比较器应用作比较器如图310所示，当去掉运放的反馈电阻时,或者说反馈电阻趋于无穷大时即开环状态,理论上认为运放的开环放大倍数也为无穷大实际上是很大,如LM324运放开环放大倍数为100DB，既10万倍。此时运放便形成一个电大学毕业设计（论文）纸共35页第19页压比较器，其输出如不是高电平（V），就是低电平（V或接地）。当正输入端电压高于负输入端电压时，运放输出低电平。图39LM324芯片引脚图图310中使用两个运放组成一个电压上下限比较器。图310放大器比较电路电阻R1、R1组成分压电路，为运放A1设定比较电平U1；电阻R2、R2组成分压电路，为运放A2设定比较电平U2。输入电压U1同时加到A1的正输入端和A2的负输入端之间，当UIU1时，运放A1输出高电平；当UIU2，则当输入电压UI越出U2，U1区间范围时，LED点亮，这便是一个电压双限指示器。若选择U2U1，则当输入电压在U2，U1区间范围时，LED点亮，这是一个“窗口”电压指示器。333黑线检测电路黑线检测电路黑线检测电路黑线检测电路黑线检测电路如图311所示。当小车沿黑线行驶时，四个光电二极管发出的红外线便反射到光电三极管，这时光信号转变为电信号，是光电三极管导通，通过运算放大器比较，从LM324的1、7、8、14脚2输出低电平信号0，发光二极管D2、D3、D4、D5发光；当小车偏离黑线时，其中至少一个光电二极管发出的红外线被黑线吸收，这时，与之对应的光电三极管不导通此时的电信号通过运放到达单片机的就是高大学毕业设计（论文）纸共35页第20页电平信号1，这时与之对应的发光二极管将不发光。图中3、5、10、12脚接变阻器是为了给LM运算放大器一个基准电压，这样才能输出高低电平。图311所示电路中，R5，R8，R10，R14起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R4、R7上端，R9，R13的下端变为高电平，此时放大器饱和导通，三极管集电极输出低电平。当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，放大器截至，其集电极输出高电平。放大器在该电路中起到滤波整形的作用。图311黑线检测电路系统图34金属检测和声光电路为了探测铁片,在小车的后部固定金属接近开关型号为FA188NA,该器件的探测距离为8MM,输出TTL电平,当没有探测到铁片,输出高电平1,当探测到铁片,输出低电平0,单片机根据检测到的电平知道是否检测到铁片,并通过控制电机做出下一步动作。声控电路是一种蜂鸣器电路，见图312。当小车检测到铁片后，蜂鸣器发出声音提示已检测到铁片。蜂鸣器发生原理是电流通过电磁线圈，使电磁线圈产生磁场来驱动振动膜发声的，因此需要一定的电流才能驱动它。单片机的I/O引脚输出的电流较小，单片机输出的TTL基本上驱动不了蜂鸣器，因此需要增加一个电流放大的电路图310就是AT89S52单片机通过8550来驱动蜂鸣器。大学毕业设计（论文）纸共35页第21页如图312，蜂鸣器的正极接到VCC,负极接二极管的发射极，三极管的基极经过限流电阻R20,由单片机的P31控制，如输出的是高电平时，三极管截止，没有电流流过线圈，蜂鸣器不发声；如输出的是低电平时三极管导通，这样蜂鸣器的电流形成回路，发出声音。图312蜂鸣器电路35显示电路35174HC373芯片芯片芯片芯片由于8051单片机的P0口是分时复用的，因此在进行程序存储器扩展时，需要使用地址锁存器将地址信号从地址/数据总线中分离出来。单片机系统中常用的地址锁存器芯片74LS373以及COMS的74HC373。是带三态缓冲输出的8D触发器。74HC373是8数据锁存器。主要用于数码管、按键等等的控制。其管脚图如图313。数据锁存当输入的数据消失时,在芯片的输出端,数据仍然保持这个概念在并行数据扩展中经常使用到。数据缓冲加强驱动能力。74LS244/74LS245/74LS373/74LS573都具备数据缓冲的能力。表32为74HC373功能表。大学毕业设计（论文）纸共35页第22页图31374HC373管脚图表3274HC373功能表OEOUTPUT_ENABLE,输出使能LELATCH_ENABLE,数据锁存使能,LATCH是锁存的意思DN第N路输入数据ON第N路输出数据74HC373芯片片内部结构如图314所示。图31474HC373芯片内部结构再看上面那个真值表,意思如下第四行当OE1是,无论DN、LE为何,输出端为高阻态第三行当OE0、LE0时,输出端保持不变第二行、第一行当OE0、LE1时,输出端数据等于输入端数据。大学毕业设计（论文）纸共35页第23页例AOE0B先将数据从单片机的口线上输出到DNC再将LE从010D这时,你所需要输出的数据就锁存在ON上了,输入的数据在变化也影响不到输出的数据了实际上,单片机现在在忙着干别的事情,串行通信、扫描键盘352LED数码管数码管数码管数码管7段LED数码管是利用7个LED（发光二极管）外加一个小数点的LED组合而成的显示设备，可以显示09等10个数字和小数点，使用非常广泛。这类数码管可以分为共阳极与共阴极两种，共阳极就是把所有LED的阳极连接到共同接点COM，而每个LED的阴极分别为A、B、C、D、E、F、G及DP（小数点）；共阴极则是把所有LED的阴极连接到共同接点COM，而每个LED的阳极分别为A、B、C、D、E、F、G及DP（小数点）。图315中的8个LED分别与上面那个图中的ADP各段相对应，通过控制各个LED的亮灭来显示数字。图315LED管脚图常用的LED数码管有两种，分为共阳极与共阴极。共阳极当数码管里的发光二极管的阳极记载一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源正极。当发光二极管的阴极接低电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示。如图317所示。而输入高电平的段则不能点亮。共阴极当数码管里面的发光二极管的阴极接在一起作为公共引脚，在正常使用时此引脚接电源负极。当发光二极管的阳极接高电平时，发光二极管被点亮，从而相应的数码段显示如图316所示，而输入低电平的段则不能点亮。大学毕业设计（论文）纸共35页第24页图316共阴极LED发光电路图317共阳极LED发光电路353数码管驱动方式数码管驱动方式数码管驱动方式数码管驱动方式LED数码管要正常显示，就要用驱动电路来驱动数码管的各个段码，从而显示出我们要的数位，因此根据LED数码管的驱动方式的不同，可以分为静态式和动态式两类。1静态显示驱动静态显示驱动静态显示驱动静态显示驱动静态驱动也称直流驱动。静态驱动是指每个数码管的每一个段码都由一个单片机的I/O埠进行驱动，或者使用如BCD码二十进位器进行驱动。静态驱动的优点是编程简单，显示亮度高，缺点是占用I/O埠多，如驱动4个数码管静态显示则需要4832根I/O埠来驱动，要知道一个89S51单片机可用的I/O埠才32个呢。故实际应用时必须增加驱动器进行驱动，增加了硬体电路的复杂性。2动态显示驱动动态显示驱动动态显示驱动动态显示驱动数码管动态显示介面是单片机中应用最为广泛的一种显示方式之一，动态驱动是将所有数码管的8个显示笔划“A,B,C,D,E,F,G,DP“的同名端连在一起，另外为每个数码管的公共极COM增加位元选通控制电路，位元选通由各自独立的I/O线控制，当单片机输出字形码时，所有数码管都接收到相同的字形码，但究竟是那个数码管会显示出字形，取决于单片机对位元选通COM端电路的控制，所以我们只要将需要显示的数码管的选通控制打开，该位元就显示出字形，没有选通的数码管就不会亮。透过分时轮流控制各个LED数码管的COM端，就使各个数码管轮流受控显示，这就是动态驱动。在轮流显示过程中，每位数码管的点亮时间为12MS，由于人的视觉暂留现象及发光二极体的余辉效应，尽管实际上各位数码管并非同时点亮，但只要扫描的速度足够快，给人的印象就是一组稳定的显示资料，不会有闪烁感，动态显示的效果和静态显示是一样的，能够节省大量的I/O埠，而且功耗更低。根据设计要求,显示系统采用4个LED数码管来显示速度和行程,并带有一些发光大学毕业设计（论文）纸共35页第25页二极管和扬声器进行状态提示。由于数码管数目较多,若采用单片机静态扫描方式显示,公共阳极或阴极接VCC或GND,一直处于显示有效状态,所以每一个显示内容必须由锁存器加以锁存,显示各位相互独立。静态显示时,LED的亮度高,控制容易,但功耗大,所需I/O口多,若其显示位数增多,则静态显示方式很难适应,且影响到其他功能的扩展,所以一般采用动态扫描方式。对于动态显示,一般将所有位的段选线的同名端连在一起,由1个8位I/O口控制,形成段选线的多位复用。而各位的公共阳极或阴极则分别有相应的I/O口线控制,实现各位形成段的分时选通,即同一时刻只有被选通位能显示相应的字符,而其他所有位都是熄灭的。由于人眼有视觉暂留现象,只要每位显示间隔足够短,则会造成多位同时点亮的假象。这就需要单片机不断地对显示进行控制,牺牲单片机的CPU时间来换取元件的减少以及显示功耗的降低。其工作过程是将字形代码送入字形锁存器锁存,这时所有的显示块都有可能显示同样的字符,再将需要显示的位置代码送入字位锁存器锁存。为防止闪烁,每位显示时间在12MS,然后显示另一位,CPU不断地进行显示刷新。354显示部分电路显示部分电路显示部分电路显示部分电路显示部分电路图如图318所示。图318显示部分电路数码显示电路如图318所示，单片机的P35、P34、P33、P32口输出的高低电平控制的是数码管的选择高电平时亮，低电平时该数码管不亮，通过单片机程序使大学毕业设计（论文）纸共35页第26页单片机P00P07输出8位二进制数，然后作为74HC373锁存器的输入端，所存后由Q端输出到单片机选择点亮的数码管上使对应的LED点亮，DS4、DS3显示的是左轮路程的十位和个位，而另外两个则是右轮路程的十位和个位。36电源电路小车体积小,电源是关键问题。从成本及小车性能等方面考虑在设计中选用了单一电源供电,见图319。电源采用10V直流电源,经L7805稳压模块后输出5V电压,供给单片机及检测电路,而且10V电源可直接通过电机驱动芯片向电机供电,提高电机的运行性能。图中330UF，的电容是旁路电容，作用是抑制电路中可能产生的自激振荡，尽量放在管脚根部，其中引脚1的电容大于引脚2的电容，是为了防止1处的电容漏电时，放电速度大于2处（输出端）的速度，导致稳压器倒置而损坏，二极管是为了当有强电磁干扰使“地线电平”高于输出电平，使稳压器内部晶体管反向偏置而损坏设立的，这样经可以使压差在07V左右而不至于损坏。图中C5、C6起滤波的作用，1N4001起整流的作用