电子设计制作自选赛设计报告双轨移动平台.doc

2011年“杰创杯”电子设计制作自选赛设计报告题 目 双轨移动平台 英文题目 The dual mobile platform 学 校 九江学院 作 者 指导教师 组 别 本科组 2011年 5月30日双轨移动平台（江西省2011年大学生电子设计自选赛第五题）摘要 ：本设计采用两块单片机STC89S52作为智能小车上的检测、控制核心和轨道上的6只红色led灯控制实现小车能在规定时候释放乒乓球，以备生产流水线作业，实现各种零部件加工、装配。采用红外前沿技术进行洞口探测并另增光线探测LED模块，更能有效校准小车停驶位置和时间点。本设计所用元器件基本为耗能小、性价比高的普通分立元件，所用耗材均为人们日常生活中废置不用的材料，更节能。小车采用履带传送式车，驱动电机采用直流电机，电机控制方式为单向PWM控制，性能稳定，易控制，并用单片机编程，运用精确的模数转换技术加上控制系统与电路用光电耦合器完全隔离以避免干扰，让小车有效而方便地完成任务！关键词：智能小车PWM 洞口探测 光线探测 性价比 节能The dual mobile platformAbstractThis design USES the two single-chip microcomputer AT89C51 as smart cars for inspection and control core and orbit red leds only 6 is controlled in regulation time to release car production line, for table tennis realization of different parts processing operations, and assembly. Using infrared frontier technique to detect the hole and another increase light detection more effectively LED module, car offend position and time calibration point. This design USES components basic for small energy, high ratio of ordinary division components used for people, all materials in daily life without materials, Nick more energy-saving. Car using crawler transmit type car, drive motor adopts dc motor and motor control mode for one-way PWM control, stable performance, easy to control, and SCM programming, using precise module conversion technology plus control system with the circuit using photoelectricity couplers complete isolation to avoid interference, make effective and convenient car to accomplish the task! Key words：Smart cars PWM hole detection light detection ratio energy saving 目 录摘要 ：- 2 -Abstract- 2 -目 录- 3 -1.1设计要求- 4 -1.2系统基本方案- 6 -1.2.1各模块方案选择和论证- 7 -1.2.2系统各模块的最终方案- 14 -1.2.3系统基本框图- 14 -2.系统的硬件设计与实现- 15 -2.1系统硬件的基本组成部分- 15 -2.2 主要单元电路的设计- 16 -2.2.1轨道上89C52控制模块- 16 -2.2.2红外探测洞孔模块：反射式红外光电传感器- 16 -2.2.3光敏探测LED模块：光电传感器- 17 -2.2.4小车上89C52控制模块- 18 -2.2.5数码管计时模块- 19 -2.2.6电机驱动：PWM脉宽调制方式控制- 20 -2.2.7舵机释放乒乓球模块- 21 -3.软件设计- 24 -4.系统测试- 27 -4.1 测试仪器- 27 -4.2 指标测试- 28 -4.2.1测试方法- 28 -4.2.2测试数据及测试结果分析：- 28 -4.2.3.系统任务完成情况- 28 -4.3结论- 29 -5.总结- 29 -参考文献- 30 -附录- 31 -附录一:主要元器件清单- 31 -附录二：程序- 31 -1.导轨上89C52流水灯程序- 31 -1 Main.c- 31 -2.车上89C52程序- 34 -1 Main.c- 34 -2 Device.c- 40 -3 Display.c- 41 -4 Motor.c- 41 -5 Device.h- 41 -6 Motor.h- 42 -附录三: PCB印制板图- 43 -1 1.系统方案选择和论证1.1设计要求设计背景和目的：在加工制造业，工业机器人被广泛应用于生产流水线作业，实现各种零部件加工、装配过程。本设计以一个简单的机器人作业过程综合考察参赛选手对制造工艺流程管理及自动配给、装配技术的理解，并着重考察运动控制方面的能力。1、任务设计一小车，使小车能将车上的乒乓球精准的放到导轨的孔洞里。轨道的结构：中间有六个孔洞（右侧第一个洞口为出发校准口，比赛开始前参赛队员需将小车上的放置孔与之对齐），洞之间的中心距为20cm，洞的直径最大为6cm；小车模型横跨在导轨上，并且小车上部是一个放小球的漏斗，如下图。（导轨自己制作）图1.1.1 导轨平台2、基本要求 图1.1.2每个洞口接相对应的指示灯，保证在led灯亮的时候乒乓球掉入洞内，其它视为无效。（按照功能板上LED输出的标志，把六个指示灯接好，每个洞口放置一个LED等，如上图所示） 比赛过程：洞孔上方红色指示灯依次亮起熄灭，同一时间只有一盏灯亮，并且从右第一个至左，且灯保持开的状态是2S，2S之后灯熄灭，等待5S之后下一盏灯亮起，且保持2S。小车初始位置在移动平台最右端。（1）小车在洞孔上方，开始信号后，孔洞上的灯点亮；小车在2秒内将乒乓球放入孔洞；（20分）（2）小车运行到下一位置并将球放入第二个洞里；不能连续向同一孔洞放入2个球；（10分）（3）小车能从右侧第2个孔洞运行到最左侧，并能将其余4个球全部放到相应孔洞；（20分）3、发挥部分比赛过程：洞孔上方红色指示灯依次亮起熄灭，同一时间只有一盏灯亮，并且从左第一个至右，且灯保持开的状态是1S，1S之后灯熄灭，等待2S之后下一盏灯亮起，且保持1S。小车初始位置放置在移动平台最右端。（1）小车从右侧启动3秒后，最左侧的指示灯亮；小车能在4秒内从最右侧运行到最左侧，并将球准确放到最左侧的孔洞里；（20分）（2）小车运行到左侧第二个洞上方并将球放入；不能连续向同一孔洞放入2个球；（5分）(3) 然后小车能依次从左侧运行到右侧，将其余4个球放到相应孔洞；（20分）（4）其他；（5分）4、说明1.比赛开始前所有参赛队伍需将小车放置于竞赛台面最右侧，并且保证乒乓球放置孔与右边第一个孔对齐，作为初始起点。（裁判员检查如发现偏差明显靠左视为蓄意抢跑，取消成绩）。2.裁判下令比赛开始后，所有比赛平台将开始进行时间计时并开始循环执行预定任务并在数码管上显示当前计时。此时参赛队员应启动小车开始比赛，10S内未启动队伍视为自动弃权。3.成功放入小球或放置任务失败之后，参赛队员方可重新往运动中的小车装载一个小球，继续比赛。（禁止该过程中参赛队员身体接触小车，如发生参赛队员强行手动调整小车位置情况，取消资格）注意：乒乓球在平台左侧可取，建议两名队员配合进行装载（必须在小球放入孔内或者小球放入孔内失败之后队员才可拿取乒乓球）1.2系统基本方案根据题目要求，系统可以划分为控制部分和信号检测部分。其中信号检测部分包括：洞口探测模块、光源探测模块。控制部分包括：计时模块、电机驱动模块、数码管显示模块、乒乓球释放模块。模块框图如图1.2.0所示。为实现各模块的功能，分别作了几种不同的设计方案并进行了论证。图1.2.01.2.1各模块方案选择和论证1.控制器模块根据题目要求，控制器主要用于各个传感器信号的接收和辨认、控制小车的电机的动作与运行的时间以及小车在停车时发出的声光信号等。对于控制器的选择有以下两种方案。方案一：采用FPGA。FPGA可以实现各种复杂的逻辑功能，规模大，密度高，它将所有器件集成在一块芯片上，减小了体积，提高了稳定性，并且可应用EDA软件仿真，调试，易于进行功能扩展。FPGA采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模实时系统的控制核心。由检测模块输出的信号并行输入FPGA，FPGA通过程序设计控制小车做出相应的动作，但由于本设计对数据处理的速度要求不高，FPGA的高速处理的优势得不到充分体现，并且由于其集成度高，使其成本偏高，同时由于芯片的引脚较多，实物硬件电路板布线复杂，加重了电路设计和实际焊接的工作。方案二：采用两片STC公司的STC89C52作为系统控制器的双CPU方案。单片机算术运算功能强，软件编程灵活、自由度大，可用软件编程实现各种算法和逻辑控制，并且由于其功耗低、体积小、技术成熟和成本低等优点，使其在各个领域应用广泛。基于以上分析拟定方案二。在本设计中，我们采用了两片单片机分开对8个单元模块进行监测和控制，这样减轻了单个Cpu的负担，提高了系统的工作效率，同时，通过CPU之间的分阶段地互相控制，减少了外围设备。表1.2.1.1 89C52主要功能特性· 标准MCS-51内核和指令系统· 片内8kROM(可扩充64kB外部存储器)· 32个双向I/O口· 256x8bit内部RAM(可扩充64kB外部存储器)· 3个16位可编程定时/计数器· 时钟频率3.5-12/24/33MHz· 向上或向下定时计数器· 改进型快速编程脉冲算法· 6个中断源· 5.0V工作电压· 全双工串行通信口· 布尔处理器帧错误侦测· 4层优先级中断结构自动地址识别· 兼容TTL和CMOS逻辑电平· 空闲和掉电节省模式· PDIP(40)和PLCC(44)封装形式2.洞口探测模块设计与比较方案一：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。当光敏电阻位于洞口上方时，由于受光线照射，阻值减小，当光敏电阻远离洞口时阻值增大，因此光敏电阻在与不在洞口上方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，且在与不在洞口上方，关照虽有变化却不是很大，不能够稳定的工作。方案二：红外探测法，即利用红外线遇到障碍物会反射回来红外接收管可以接受到，在小车行驶过程中不断红外发射管发出红外线，当发出的红外线射入洞口时，没有反射，红外输出低电平，若红外接收管没有在洞口上方则可以接收到经轨道地板反射回的光线则输出高电平。本系统正是利用了红外的此种特性。单片机就是通过接收到的高低电平为依据来确定洞孔的位置。经测试，此种方法简单可靠。经反复对比后，采用方案二3.光源探测模块方案一：采用多个普通三极管。当光敏电阻的阻值发生变化时，三极管Q1基极的电压发生变化再通过放大器对变化的微小信号进行放大，然后控制三极管Q3的导通与截止从而使输出点GY的电压呈现高低变化，如图所示1.2.1.1。使用普通单级比例放大电路。其特点是结构简单、调试方便、价格低廉。但是也存在着许多不足。如抗干扰能力差、共模抑制比低等。图1.2.1.1方案二：电压比较器方案。电压比较器的功能是比较两个电压的大小，例如将一个信号电压Ui和一个参考电压Ur进行比较，在Ui>Ur和Ui<Ur两种不同情况下，电压比较器输出两个不同的电平，即高电平和低电平。而Ui变化经过Ur时，比较器的输出将从一个电平跳变到另一个电平。比较器有各种不同的类型。对它的要求是：鉴别要准确，反应要灵敏，动作要迅速，抗干扰能力要强，还应有一定的保护措施，以防止因过电压或过电流而造成器件损坏。比较器的特点： 工作在开环或正反馈状态。放大、运算电路为了实现性能稳定并满足一定的精度要求，这些电路中的运放均引入了深度负反馈；而为了提高比较器的反应速度和灵敏度，它所采用的运放不但没有引入负反馈，有时甚至还加正反馈。因此比较器的性能分析方法与放大、运算电路是不同的。 非线性。由于比较器中运放处于开环或正反馈状态，它的两个输入端之间的电位差与开环电压放大倍数的乘积通常超过最大输出电压，使其内部某些管子进入饱和区或截止区，因此在绝大多数情况下输出与输入不成线性关系，即在放大、运算等电路中常用的计算方法对于比较器不再适用。 开关特性。比较器的输出通常只有高电平和低电平两种稳定状态，因此它相当与一个受输入信号控制的开关，当输入电压经过阈值时开关动作，使输出从一个电平跳变到另一个电平。由于比较器的输入信号是模拟量，而它的输出电平是离散的，因此电压比较器可作为模拟电路与数字电路之间的过渡电路。由于比较器的上述特点，我们选择比较器，但在分析时既不能象对待放大电路那样去计算放大倍数，也不能象分析运算电路那样去求解输出与输入的函数关系，而应当着重抓住比较器的输出从一个电平跳变到另一个电平的临界条件所对应的输入电压值（阈值）来分析输入量与输出量之间的关系。基于比较器的优势我们选择此方案并采用LM358比较器。4. 控制电机方案比较方案一 ：利用步进电机的准确定长步进性能方便的实现调速和方向的偏转，且能准确的测量速度、路程以及时间，简化编程和硬件连接的工作量。但是步进电机在与机械配合的小车改装上难度极大，非短时间所能完成。该方案实现较困难。方案二 ：用玩具小车上自带的双直流电机，该小车正好自带齿轮减速装置，两电机分别负责小汽车的驱动和转向的功能，依据外围红外光敏二极管传感器所采集到的信息可以补足直流电机定孔不准的缺点，有很高的性能/价格比。经比较验证，显然方案一的机械结构也短时间内难以满足题目的要求，而方案二本身是与小车相兼容的，性能也比较好，采用方案二。5、电机驱动方案的比较方案一：采用传统的功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单，成本低，加速能力强，但功率损耗大，特别是低速大转距运行时，通过电阻R的电流大，发热厉害，损耗大。图1.2.1.1三极管式电机驱动电路方案二：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.此方案的优点是电路较为简单,缺点是继电器的响应时间慢,易损坏,寿命较短,可靠性不高。图1.2.1.2继电器式电机驱动电路方案三：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N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L298N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。且由L298N结合单片机可实现对小车速度的精确控制。这种调速方式有调速特性优良、调整平滑、调速范围广、过载能力大，能承受频繁的负载冲击，还可以实现频繁的无级快速启动、制动和反转等优点。因此决定采用L298N控制直流电机6. 计时模块要实现的功能是对小车从启动到停止的过程进行计时，由于本系统的控制器是由单片机构成的，其内部有很好的定时系统，因此系统使用STC89S52内置的定时器/计数器实现该模块功能。STC89S52内部有2个定时器/计数器，它的计数脉冲的频率为所选晶振频率的1/12。本系统使用的晶振频率为12MHz，则计数脉冲频率为1MHz，通过对定时器/计数器的溢出控制，可以容易的实现最小单位为1s的计时功能。本方案在有效地利用系统资源的同时，又减少了单片机的外围电路。7. 数码管显示在小车运行过程中，系统需要对运行的时间作必要的显示。我们考虑有以下两种显示方案。方案一：使用液晶显示屏显示时间和路程。液晶显示屏（LCD）具有轻薄短小、低耗电量、无辐射危险，平面直角显示以及影像稳定不闪烁等优势可视面积大，画面效果好，分辨率高，抗干扰能力强等特点。但由于只需显示时间和路程这样的数字，信息量比较少，且由于液晶是以点阵的模式显示各种符号，需要利用控制芯片创建字符库，编程工作量大，控制器的资源占用较多，其成本也偏高。在使用时，不能有静电干扰，否则易烧坏液晶的显示芯片，不易维护。方案二：使用传统的数码管显示。数码管具有：低能耗、低损耗、低压、寿命长、耐老化、防晒、防潮、防火、防高（低）温，对外界环境要求低，易于维护，同时其精度比较高，称量快，精确可靠，操作简单。数码管是采用BCD编码显示数字，程序编译容易，资源占用较少。根据以上的论述，采用方案二。在本系统中，我们采用了数码管的动态显示，节省单片机的内部资源。8.乒乓球释放模块对于乒乓球释放模块我们想了很久，尝试过很多方法，想过继电器、电机，这些方法可行却不可靠，最后看到实验室有舵机，再上网找资料，发现舵机性能好、力气相对大、稳定可靠，价格便宜。常见的舵机厂家有：日本的Futaba、JR、SANWA等，国产的有北京的新幻想、吉林的振华等。这里我们选用Futaba S3003。之所以用3003是因为这个型号是市场上最常见的，也是价格相对较便宜的一种（以下数据摘自Futaba产品手册）。 尺 寸(Dimensions)： 40.4×19.8×36.0 mm 重 量(Weight)： 37.2 g 工作速度(Operating speed)：0.23 sec/60°(4.8V) 0.19 sec/60°(6.0V) 输出力矩(Output torque)： 3.2 kg.cm (4.8V) 4.1 kg.cm (6.0V)由此可见，舵机具有以下一些特点： >体积紧凑，便于安装； >输出力矩大，稳定性好； >控制简单，便于和数字系统接口； 正是因为舵机有很多优点，所以，现在不仅仅应用在航模运动中，已经扩展到各种机电产品中来，在机器人控制中应用也越来越广泛。图1.2.1.3 乒乓球释放装置示意图1.2.2系统各模块的最终方案经过仔细分析和论证，决定了系统各模块的最终方案如下：（1） 控制模块：采用2片STC89C52双CPU控制（2） 洞口探测模块：采用红外线传感器（3） 光源探测部分模块：采用比较器（4） 控制电机模块：采用双直流电机（5） 电机驱动模块：采用PWM调制方式控制电机（6） 计时模块：采用STC89C52内置的定时器/计数器（7） 显示模块：采用数码管（8） 乒乓球释放模块:采用舵机控制释放装置1.2.3系统基本框图系统的基本框图如图1.2.3.1所示。单片机89C52主要用于控制6个LED流水灯显示效果，并通过数码管对流水灯亮灭的时间进行状态监测。单片机89C52主要用于控制小车电机和处理与小车动作有关的传感信号，实现了小车速度控制、光源探测、乒乓球释放及数码管显示的功能。两单片机之间通过光电转换互相通信，将分别独立的两套系统有机的综合为一体，其工作过程如下：基础部分：刚开始小车放置于竞赛台面最右侧，并且保证乒乓球放置孔与右边第一个孔对齐，作为初始起点。小车通电后系统开始工作，小车上数码管开始正常计时并显示，同时导轨上数码管开始计时1-2-1-2-3-4-5-1-2-1-2-3-4-5-1-2-1-2-3-4-5-1-2-1-2-3-4-5-1-2-1-2-3-4-5-1-2-完，与导轨上控制6个LED灯亮灭的时钟信号是同步的，每当小车停驶任何一个切换时刻，小车上数码管都得从新计时，小车也由小车上89C52控制模块计时，并与轨道上89C52控制模块时钟对应，但为了克服两单片机时钟的微差保证在led灯亮的时候乒乓球掉入洞内，我们增加光敏探测模块进行实时监测，确保在灯亮的那一霎那，光敏探测模块发出高低电平的变化送至单片机，单片机接收到指令立即发出让舵机动作的信号，从而使乒乓完整、准确地掉入洞口。发挥部分：与基础部分基本一致，只是速度方面有点变化，导轨上数码管轮流显示1-2-3-1-1-2-1-1-2-1-1-2-1-1-2-1-1-2-1-1-2。图1.2.3.1 系统基本方框图2.系统的硬件设计与实现2.1系统硬件的基本组成部分本题是一个光、机、电一体的综合设计,在设计中运用了检测技术、自动控制技术和电子技术。系统可分为传感器检测部分和智能控制部分。传感部分包括红外探测洞孔模块、光敏探测LED亮灯模块，智能控制部分包括系统中控制器件根据由传感器变换输出的电信号进行逻辑判断，控制小车的电机、显示数码管、以及发光二极管，完成了小车的直线行驶，探测洞孔，探测光源，显示时间，舵机释放乒乓球等各项任务。控制部分包括四个主要单元电路：单片机控制电路、前后轮电机驱动电路、乒乓球释放电路、数码管动态显示电路。2.2 主要单元电路的设计2.2.1轨道上89C52控制模块轨道上89C52控制模块采用单片机程序控制。图2.2.1.1轨道上89C52控制模块sch电路图2.2.2红外探测洞孔模块：反射式红外光电传感器此模块电路原理检测系统主要实现光电检测，洞口探测采用反射接收原理配置了一对红外线发射、接收传感器。该电路包括一个红外发光二极管、一个红外光敏二极管及其上拉电阻。红外发光二极管发射一定强度的红外线照射物体，红外光敏二极管在接收到反射回来的红外线后导通，发出一个电平跳变信号。该电路采用反射式红外线光电传感器用于检测轨道洞口，此套红外光电传感器固定在小车底盘前沿，贴近地面，以适应探测洞口、停车和释放小球的需要。如图：小车未到洞口反射红外接收传感器接收到经木板反射回来的红外线输出高电平，绿灯亮；小车至洞口，由于反射距离增大接收信号变弱甚至没有输出低电平，绿灯灭。红灯亮指示传感器已通电正常运行。图2.2.2.1 小车至洞口过程中图2.2.2.2 小车前进至洞口2.2.3光敏探测LED模块：光电传感器小车要投球，就要准确地判断释放乒乓球的位置。由于光源在导轨一侧，用粘胶将光敏二极管固定在车的前侧沿部分，并使光敏二极管尽量与光源保持对准。图2.2.3.1光敏探测LED模块2.2.4小车上89C52控制模块图2.2.4.1小车上89C52控制模块小车加电系统开始工作，计时模块运行。根据光源传感器探测结果，舵机开始工作，控制第一个小球进洞。小车行驶时，利用反射式红外光电传感器判断是否到洞口，控制小车停驶。同时数码管显示当前计时。再判断对应的灯是否点亮，如亮则释放小球。基于89C52芯片完全能实现题目要求且稳定性强，性价比高，所以用它作为主控制芯片。89C52是INTEL公司MCS-51系列单片机中基本的产品，它采用INTEL公司可靠的CHMOS工艺技术制造的高性能8位单片机，属于标准的MCS-51的HCMOS产品。它结合了HMOS的高速和高密度技术及CHMOS的低功耗特征，它基于标准的MCS-51单片机体系结构和指令系统，属于80C51增强型单片机版本，集成了时钟输出和向上或向下计数器等更多的功能，适合于类似马达控制等应用场合。89C52内置8位中央处理单元、256字节内部数据存储器RAM、8k片内程序存储器（ROM）32个双向输入/输出(I/O)口、3个16位定时/计数器和5个两级中断结构，一个全双工串行通信口，片内时钟振荡电路。此外，89C52还可工作于低功耗模式，可通过两种软件选择空闲和掉电模式。在空闲模式下冻结CPU而RAM定时器、串行口和中断系统维持其功能。掉电模式下，保存RAM数据，时钟振荡停止，同时停止芯片内其它功能。2.2.5数码管计时模块图2.2.5.1双数码管实物图、图2.2.5.2 双数码管二极管排列图2.2.6电机驱动：PWM脉宽调制方式控制 L298N的原理L298N是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片。该芯片采用15脚封装。主要特点是：工作电压高，最高工作电压可达46V；输出电流大，瞬间峰值电流可达3A，持续工作电流为2A；内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器，可以用来驱动直流电动机和步进电动机、继电器线圈等感性负载；采用标准逻辑电平信号控制；具有两个使能控制端，在不受输入信号影响的情况下允许或禁止器件工作有一个逻辑电源输入端，使内部逻辑电路部分在低电压下工作；可以外接检测电阻，将变化量反馈给控制电路。使用L298N芯片驱动电机，该芯片可以驱动两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，可以直接通过电源来调节输出电压；并可以直接用单片机的I/O口提供信号；而且电路简单，使用比较方便。L298N可驱动2个电机，OUT1、0UT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机，5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA,ENB接控制使能端，控制电机的停转。单片机STC89C52输出二组PWM波，每一组PWM波用来控制一个电机的速度，另外二个IO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P10、P11控制第一个电机的方向，输入的:PWM1控制第一个电机的速度：P12、P13控制第二个电机的方向，输入的PWM2控制第二个电机的速度。图2.2.6.1电机驱动图2.2.6.2电机驱动SCH电路图2.2.7舵机释放乒乓球模块a.舵机： 一般来讲，舵机主要由以下几个部分组成， 舵盘、减速齿轮组、位置反馈电位计5k、直流电机、控制电路板等。图2.2.6.1工作原理：控制电路板接受来自信号线的控制信号，控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。 舵机的基本结构是这样，但实现起来有很多种。例如电机就有有刷和无刷之分，齿轮有塑料和金属之分，输出轴有滑动和滚动之分，壳体有塑料和铝合金之分，速度有快速和慢速之分，体积有大中小三种之分等等，组合不同，价格也千差万别。例如，其中小舵机一般称作微舵，同种材料的条件下是中型的一倍多，金属齿轮是塑料齿轮的一倍多。需要根据需要选用不同类型。 舵机的输入线共有三条，红色中间，是电源线，一边黑色的是地线，这辆根线给舵机提供最基本的能源保证，主要是电机的转动消耗。电源有两种规格，一是4.8V，一是6.0V，分别对应不同的转矩标准，即输出力矩不同，6.0V对应的要大一些，具体看应用条件；另外一根线是控制信号线，Futaba的一般为白色，JR的一般为桔黄色。另外要注意一点，SANWA的某些型号的舵机引线电源线在边上而不是中间，需要辨认。但记住红色为电源，黑色为地线，一般不会搞错。 舵机的控制信号为周期是20ms的脉宽调制（PWM）信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较，判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。由此可见，舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。 图2.2.7.2 舵机转动角度b.用单片机来控制： 正是舵机的控制信号是一个脉宽调制信号，所以很方便和数字系统进行接口。只要能产生标准的控制信号的数字设备都可以用来控制舵机，比方PLC、单片机。 因为在脉冲信号的输出是靠定时器的溢出中断函数来处理，时间很短，因此在精度要求不高的场合可以忽略。因此如果忽略中断时间，从另一个角度来讲就是主程序和脉冲输出是并行的，因此，只需要在主程序中按你的要求改变计数器计数初始值a，例如让a从500变化到2500，就可以让舵机从0度变化到180度。另外要记住一点，舵机的转动需要时间的，因此，程序中a值的变化不能太快，不然舵机跟不上程序。根据需要，选择合适的延时，用一个a递增循环，可以让舵机很流畅的转动，而不会产生像步进电机一样的脉动。这些还需要实践中具体体会。舵机的速度决定于你给它的信号脉宽的变化速度。3.软件设计系统的软件设计采用C语言，对单片机进行编程实现各项功能。程序是在WindowsXP环境下采用KeiluVision4软件编写的，可以实现小车对光电传感器的查询、输出脉冲占空比的设定、电机方向的确定等功能。主程序主要起到一个导向和决策功能，决定什么时候小车该做什么。小车各种功能的实现主要通过调用具体的子程序。3.1主程序流程图图3.1.1 主程序流程图3.2.传感器流程图图3.2.1 传感器流程图3.3洞孔探测：图3.3.1 洞孔探测流程图3.4光源探测：检测光电传感器子程序主要用于保证判断的准确性，采样时序图如图所示。单片机根据需要直接从端口读取，为了防止出现干扰和错误信号，采用延时读取的方法，即在第一次读取后延时一段时间再读取，如果第二次读取的信号和第一次的不一样，则说明信号是干扰信号，就重新读取并比较，直到两次读取的信号一致，才判断灯亮。 图3.4.1 采样时序图4.系统测试4.1 测试仪器测试使用的仪器设备如表4.1.1所示。表4.1.1 测试使用的仪器设备序号名称、型号、规格数量备注1手电筒12YB4365双踪示波器1江苏扬中电子仪器厂3UNI-T数字万用表1胜利公司4直流电压源DF1731SC2A1宁波中策电子有限公司5秒表 精度0.01s16软尺最大测量距离300.0cm，最小量程0.1cm14.2 指标测试4.2.1测试方法 数字万用表主要用来测试分立元件的电阻、压降、截止/导通状态等参数；信号发生器与示波器用于测试各光电传感器信号的接收与传输；直流稳压电源在测试期间为各待测系统供电；秒表用于产品测试，按照题目的基本要求对制成的电动车进行产品测试。4.2.2测试数据及测试结果分析： 计时精度分析 计时系统采用了新型显示芯片。理论上的误差不到0.0000001秒。红外探测分析 红外发射管的电流在520mA之间，电流大，发射的红外线强，但杂散反射光份量多，不易调整，检测误差大；电流小，工作可靠，检测头相对被检测的物体的距离范围窄，用手移于红外发射接收管底下用示波器观察波形是否存在低、高电平中跳变。若没有此现象，可进一步慢慢红外发射接收管离地面的距离，直到满意为止。 定位精度分析 本设计采用实际测量、软件补偿技术特别是探测是我们应用了延时进行二次判定，有效地防止了外界干扰，理论上可使对洞孔的定位精度提高到误差<1mm。4.2.3.系统任务完成情况表4.2.3.1系统任务完成情况4.3结论 经过对系统的光电检测部分、驱动电路、舵机释放乒乓球等的测试，本设计基本达到设计制作要求。5.总结本系统以单片机STC89S52芯片为核心部件，利用光电、红外检测技术，配合一套独特的编程控制实现了小车小车速度控制、光源探测、乒乓球释放及数码管显示等功能，最终使小车完成竞赛题目中要求的各项任务。在系统设计过程中，力求硬件线路简单，充分发挥软件编程方便灵活的特点，来满足系统设计要求。当然因为时间有限，该系统还有一些值得改进的地方。在本次设计的过程中，遇到了许多事先未曾预料的事件和各种困难，设计制作曾几度中断，但通过查找资料、仔细分析和自我状态调整后解决了问题。就在作品上交之前，为防止意外，我们都对各容易破坏的印制板电路进行了备份，确保万无一失。在整个过程中我们深刻得体会到共同协作和团队精神的重要性，提高了自己发现问题，分析问题，解决问题的能力。参考文献梅遂生、杨家德.光电子技术信息装备的新秀M.北京：国防工业出版社.1999年.88-102张友德、赵志英、涂时亮.单片机微型机原理应用与实验（第三版）M.上海：复旦大学出版社.2000年何立民.MCS-51系列单片机应用系统设计M、系统配置与接口技术.北京：北京航空航天大学出版社.1990年.149-156陆坤、奚大顺、李之权等.电子设计技术M.四川：电子科技大学出版社.1997年.P682-688、838-941谢自美、阎树兰、赵云娣等.电子线路设计·实验·测试（第二版）M.湖北：华中理工大学出版社.2000年.293-300杨邦文.新型实用电路制作200例M.北京：人民邮电出版社.1998年.175-288高吉祥，黄智伟，丁文霞. 数字电子技术M. 北京：电子工业出版社，2003年，第1版邹其洪 黄智伟 高嵩.电工电子实验与计算机仿真M.北京：电子工业出版社，2003年，第1版附录附录一:主要元器件清单附录二：程序1.导轨上89C52流水灯程序1 Main.c#include<reg52.h>#define SegPortP0 unsigned char code Table6 = 0xfe,0xfd,0xfb,0xf7,0xef,0xdf;unsigned char code DispIndex=0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d; /段码控制unsigned char Time=0;bit fStart = 0,fMode = 0,fSeg = 0; /默认不启动，基本模式sbit Key=P20;sbit LedGreen = P26;sbit LedRed = P27;sbit LedWhite = P16;