工业自动小车位置检测及控制
摘要
本设计小车能在规定的跑道上按规定的动作自动往返行驶，车子从起跑线出发后到达终点线停车10s,然后返回到起点停止。在限速区行驶时间能够达到大于8s，终点县停车与最后停车时车子中心点与黑线的误差很小。车子能够自动记录时间及里程并在车上显示。车子的自动控制系统部分以AT89C52为核心，对各个硬件模块进行控制。通过对光敏二极管和发光二极管组成的跑道标志的脉冲检测电路对小车位置进行定位，从而控制智能小车在相应的黑线标志处自动选择适合的速度档进行变速。通过引进改进的脉宽调速系统可以完成对小车的往返行驶的控制。而且可以通过控制小车车轮的反转进行减速的控制方法实现小车的快速准确制动。通过霍尔速度集成传感器对小车车轮的转数脉冲计数从而能够使小车精确的测量行驶距离，并配合LED动态显示技术显示小车所行驶的里程数。通过软件计时并配合显示器显示行驶时间。本次设计采用一键开关的方法，既方便又实用。软件部分采用主程序总领，子程序分部完成各个单元模块任务的程序设计思想。每个独立的任务都由相应的子程序独立完成，整体结构清晰明了。尤其是延时子程序采用调用显示子程序的独特方法，以改善LED现实的效果，设计新颖独特。最后，由于本设计采用了模块化设计方法，这就方便了它以后得升级和扩展的功能。
关键词：自动控制系统 光电检测传感器 霍尔速度集成传感器
动态显示 模块化显示
Automatic control system of electronic mini-car
Abstract
This mini-car can run on the designed route all by itself ,when car reach the destination stopping 10s at there ,then go back and stop at the beginning line . the mini-car also can display time journey . base on the
micro-controller AT89C52.the mini-car can race intellectually. The system adopts photo electronic sensors to detecting the black line and control the direction then adds or reduces the speed of mini-car by PWM at once. By introducing the HALL speed sensor, the car can measure the distance accurately while running at different speed. To the display distance and time, it adopts a 8-bit LED. The car has only one key to start it, which make it feel more useful. The design of software adopts modularized designing method, and has a special characteristic, the display course constitute delay course, which strengthens display effect. Because this design applied modularized designing method, it has upgrade and extensible capability.
Keywords: Automatic control system , Photo electronic sensor ,
HALL speed sensor , 8-bit LED ,
Modularized designing method
目录
第一章 选题背景……………………………………………………………………… 5
第二章 方案论证……………………………………………………………………… 7
2.1测线方案比较……………………………………………………………………… 7
2.2测速方案比较……………………………………………………………………… 7
2.3数据存储方案比较………………………………………………………………… 7
2.4驱动方案比较……………………………………………………………………… 8
2.5刹车方案比较……………………………………………………………………… 8
2.6单片机选用比较…………………………………………………………………… 9
2.7显示方案比较……………………………………………………………………… 9
第三章 硬件设计……………………………………………………………………… 11
3.1总体设计 ……………………………………………………………………… 11
3.2调速设计 ……………………………………………………………………… 12
3.3测速设计 ……………………………………………………………………… 23
3.4测线设计 ……………………………………………………………………… 25
3.5显示设计 ……………………………………………………………………… 26
3.6键盘 ……………………………………………………………………… 27
3.7电源设计 ……………………………………………………………………… 27
第四章 软件设计 ……………………………………………………………………… 28
4.1内存分配 ……………………………………………………………………… 28
4.2初始化程序设计…………………………………………………………………… 28
4.3主程序设计 ……………………………………………………………………… 28
4.4延时子程序设计…………………………………………………………………… 28
4.5慢车，停车程序设计……………………………………………………………… 29
4.6里程计数程序设计………………………………………………………………… 29
4.7计时子程序设计…………………………………………………………………… 30
4.8动态显示程序设计………………………………………………………………… 31
第五章 结果分析 ……………………………………………………………………… 32
第六章 总结 ……………………………………………………………………… 34
主要参考文献 ……………………………………………………………………… 35
附录 ……………………………………………………………………… 37
A.程序清单 ……………………………………………………………………… 37
B.设计中使用器件列表………………………………………………………………… 48
C.硬件小图 ……………………………………………………………………… 49
一 选题背景
（一）背景
本次设计题目是参考2001年全国大学生电子设计大赛（C题）自动往返电动小汽车来拟订的。设计要求也基本一样，详细内容参看下面的设计基本要求。自动电动小汽车题目曾经多次被全国大学生电子设计大赛以不同的形式和要求选出，这充分说明这个题目的科技实用性，实践性，变化多样性以及可操作性，可塑造行之强。而且随着汽车工业在全国乃至全球的蓬勃发展，自动控制，导航，行驶的智能汽车控制系统在全球范围内早就进行了大量的研究，实验，乃至应用。而且这种系统有很大的可移植性，不仅仅是应用于汽车自动控制方面，还可以移植到电车，轮船，飞机，导弹以及航天航空等许多方面，对未来的运输也有极深远的影响意义。
（二）要求
本次设计的要求：小汽车能在如图1.1所示的跑道上自动往返行驶。车子从起跑线出发后到达终点线停车10s，然后返回到起点停止。在限速区行驶时间要求大于8s，终点线停车与最后停止时求车子中心点与黑线的误差尽量小。车子能自动记录时间及里程并在车上显示。跑道宽为0.5m，两侧挡板高度大于0.2m，跑道表面贴有白纸，在B，C，D，E，F和G处画有2cm宽的黑线。
图1.1跑道俯视图
1．参数要求
（1） 车辆从起跑线出发（出发前，车体不得超出起跑线），到达终点线后停留10秒，然后自动返回起跑线（允许倒车返回）。往返一次的时间应力求最短（从合上电源开关开始计时）。
（2） 到达终点线和往返起跑线时，停车位置离起跑线和终点线偏差应最小（以车辆中心点与终点线或起跑线中心线之间距离作为偏差的测量）。
（3） D~E 间为限速区，车辆往返均要求以低速通过，通过时间不的超过秒，但不允许在限速区内停车。
2．发挥部分
（1） 自动记录，显示一次往返时间（记录显示装置要求安装在车上）。
（2） 自动记录，显示行驶距离（记录显示装置要求安装在车上）。
其它特色与创新。
二 .方案论证
（一）标志线探测模块的设计与比较：
本次设计要求探测元件对白色质地和黑色质地有不同检测信号产生。所以我对如下方案作了比较：
方案一：用一个发光二极管作为发射光源，光敏二极管检测返回信号。优点是便于观察信号的产生和接收，而且驱动电路简单实用，理论简单适合用于毕业设计中。缺点是环境对它有一定的干扰，但是本次设计中对精度要求不是十分高的情况下是完全可以达到设计要求的。
方案二：红外线光作为发射光源，光敏三极管可以检测返回信号，虽然外界对其干扰很小，精度也比较高，但是这样的传感器十分昂贵，用在这样的小车设计中十分浪费，而且驱动电路复杂，所以并不采纳。
方案三：也可以用一个紫外线传感器接收发光二极管发出的可见光，但是紫外线传感器主要用于火灾报警系统，所以也不适用于本设计。
通过对三个方案的比较，本设计采用方案一。
（二）数据存储比较：
方案一：采用外接ROM进行存储。
采用外接ROM进行存储是保存实验数据的惯用方法，其特色是在单片机断电后仍然能保存住数据，但无疑将增加硬件资源的占用和软件编程的麻烦，而且也会使设计图纸混乱不堪。
方案二：直接用单片机内部的RAM进行存储。
虽然不能在断电后保存数据，但可以在实验结束后根据按键显示相应值。而且本次实验的数据存储不大，采用RAM可以减少I/O接口的使用，便利I/O接口分配，故此方按具有成本低，易实现的优点，更符合实际需要。
鉴于方案二的以上优点，综合比较，本设计采用方案二。
（三）距离检测方案比较：
方案一：
通过检测得出小车平均速度v，在行驶过程中将行驶时间与其乘积t.v作为驶过的距离。但该方案受电池电量，路面介质等因素的影响，在大多数情况下均暴露出误差大的缺点。故不予采用。
方案二：
在后轮轮轴均距贴上m个磁铁，车厢内装上霍尔开关。对轮子转速进行测量，由于低速下轮子与地面接触良好，设轮周长为c，可以用霍尔开关输出脉冲数n乘以c/m得出行驶距离。只要磁钢在后轮轮轴上的位置足够精确，霍尔开关固定牢靠，就可以获得较好的测试效果。但车子颠簸时，稳定性较差。
方案三：
在齿轮箱中安装透射式开关，测出变速齿轮的每秒转速，用变速比和车轮周长计算出线速度，积分求出行驶距离。但在齿轮箱中使用光电开关，要求有足够的安装位置，不能影响机构的机械动作。其优点是工作稳定。
综合以上方案优劣和小车的结构特点，本系统再用方案二。
（四）电机驱动模块电路：
由直流激励电动机的机械特性方程式：
n= U/CeΦ-R0T/CeCtΦ2
看出，改变电驱回路电阻，磁通及电驱端电压可以达到调速的目的。
方案一：
电驱回路串联电阻调速，不能改变理想空载转速，只能改变机械特性的硬度。尤其是在轻载的条件下，调速的可能性就更小了。电驱串电阻调速是有级的。这种调速的优点是：方法比较简单。所以，该方法仅使用在电动机容量不大时，在低速工作时间不长，调速范围较小的场合。
方案二：
减弱磁通调速的手段是在励磁回路中串接等效电阻，还可以用单独的可调支流电源向励磁贿赂供电。调速时能量消耗较少，控制比较容易，可以平滑调速，但不能进行低速调整。
方案三：
降低电驱电压调速的方法又有两种：一种是晶闸管整流张制供电的支流调速系统调速范围大，平滑性好，效率高，运行可靠，动态响应快，但整流电流中交流成分大，损耗加大，而且不易控制：另一种是直流脉冲宽度调速型的调速系统。它的优点是：线路简单，须用的功率元件少，开关频率高，谐波少，机电损耗少，低速性能好，调速范围宽，快速响应好，动态抗干扰能力强，容易实现控制。
经过比较和讨论，本设计采用方案三中的直流脉冲宽度调速型的调速系统。
