作者：李明彭伟林张勇
赛前辅导教师：赵亮方文稿整理辅导教师：周亦山

摘要:

本装置以AT89C52单片机为控制核心，利用安装于小车前后的两个红外光电传感器来探测跑道上的标志线，用安装于小车驱动轴上的光电编码盘来测量小车的速度和行驶距离，以脉宽调制方式控制小车的速度，以反接制动来减速。行驶过程中显示即时速度，行驶完毕后交替显示行驶时间和距离。

Abstract:

This device is controlled with the AT89C52 at the core. Using light-electricity coded disk installed on the driving stalk of the doll car to measure its speed and how far it has covered. The mark on the track is probed by the two infrared ray sensors, which installed on the front and the back of the car. The speed is controlled by the PWM. The circuit is reversed to make the car speed down. When the car stops, the driving time and distance are showed on the serial LED.

一﹑方案论证与比较

1﹑跑道标志线的检测

方案一：只使用一个红外线探头安装在小车底部的正中心。此种方式的控制原理简单，其缺点是当小车中心到达标志线后才发出检测信号，使控制滞后。
方案二：使用两个红外线探头分别安装在小车的前后。这样，在小车中心到达标志线前就能检测到标志线，提前制动，增加了快速性。

本设计采用方案二。

2﹑速度和行驶距离测量装置

方案一：红外线反射测量法。在轮胎侧面贴上一圈黑白相间的纸条，用红外线发射接收管对准纸条，小车行驶时，根据纸条的颜色使接收管输出高低电平，计下单位时间内脉冲个数，再经换算便得到小车的速度和行驶距离。
方案二：光电编码盘法。在小车车轴上安装一个带孔圆盘，小孔均匀的分布在圆盘边缘，红外线光电耦合管的发射管和接收管分别位于圆盘的两边。在小车行驶过程中，每经过一个小孔，接收管就向单片机发出一个脉冲，计数器记录一次，通过换算就可得到小车的速度和行驶距离。

方案一易受到外界的干扰，方案二抗干扰能力较强。本装置采用方案二。

3、直流电机控制

本装置通过切换继电器接点来改变直流电机的电源极性以实现电机的正反转，速度控制采用PWM脉宽调制方式。本方案原理简单，实现方便，故不作其它选择。

4、电源选择

为避免直流电机电流对单片机造成影响。系统使用两组干电池分别对单片机和直流电机供电。正反转信号由继电器隔离，脉宽调制信号由光电耦合器隔离。直流电机使用9V电压，单片机用6V电源经LM2940-5稳压得到。

二、电路设计

1、电路原理框图（如图1）

2﹑标志线检测电路

标志线检测电路如图2，采用H9842反射式光电传感器检测跑道标志线。发光管持续发射出红外线，未经过标志线时，由于白色跑道的反射使接收管饱和，输出低电平，经过黑色标志线时反射减弱使接收管截止，输出高电平。由于接收管输出不是标准的TTL电平，利用LM339电压比较器进行整形使之与单片机电平相匹配，选择适当的门限电位，就可提高传感电路的抗干扰的能力。速度和行程检测电路与此类似。

3﹑电机控制电路

电机控制电路如图3。从单片机P1.1口发出的脉宽调制信号经光电隔离器4N25控制达林顿管TIP132，从而控制直流电机的转速；由单片机P1.2口发出的高低电平控制微型双刀双掷继电器以改变电机的转向。

4﹑LED显示电路

由4片8位串行移位寄存器74LS164和4片共阳数码管LS0801组成，通过单片机的串行口输入显示数据。

三、算法实现

1﹑最优算法

为达到最好性能，小车必须以最高速度进入限速区， 8秒钟后高速离开限速区。为此，应采用如下算法：当小车高速进入限速区后立即减速至Vmin匀速行驶，并不断测量在限速区中已行驶的距离和时间，计算出限速区内剩余的距离和时间，根据小车在起跑线上的加速性能来确定加速起动时刻。

小车的加速性能如图4中曲线1所示，小车进入限速区后剩余的时间和距离的关系如曲线2所示，两曲线的交点就是最佳加速时刻，此时刻加速可保证8秒到时小车正好离开限速区。

此方案的实现需要大量的存储空间来记录小车加速性能，给硬件设计和软件实现都带来一定难度，在比赛时间内不容易实现，为此采用保守的算法，即在限速区中达到8秒后再加速离开，虽然牺牲一点时间，但简单易行。

2﹑实际算法

跑道路段如图5所示，以小车前进（从B点到G点）为例说明小车的运行方式。

B~D 段：高速区，小车很快起动并加速到最高速度Vmax，随即以此速度行驶直到小车车头红外线探头检测到D点处的标志黑线，进入限速区。
D~E段：限速区，进入限速区时，立即反接制动使小车速度降至Vmin；随后小车以Vmin做匀速行驶，8秒后，加速驶出限速区。
E~F段：高速区，小车高速行驶，当小车头部的探头探测到F 点处的标志线后，进入减速停车区。
F~G段：减速停车区，当车头进入减速停车区时，立即反接制动，小车迅速降到最小速度Vmin，然后以此速度前进。当车头传感器检测到G点标志线时，单片机开始测量行驶距离，当行驶距离为半车身长时，说明小车中心已到达终点线，此时立即将占空比减为0，小车正好停在终点线上，等待10s。
返程小车以倒车方式返回，用小车尾部的传感器测量标志线，算法同上。

3﹑软件框图如图6。

四﹑系统调试

1﹑最高速度确定

为提高性能指标，速度应该越快越好，但小车速度加快时，刹车距离也随之增长。采用100%占空比反接制动方式测试表明：为了使刹车距离小于0.5m，最大车速不应超过1.5m/s，此时对应的占空比为40%。

2﹑最小速度确定

在限速区中速度应越小越好。本装置的速度检测是以测速编码盘的两个小孔经过光电传感器的时间来计算的。由于工艺缘故，孔距较大，所以Vmin太低时，测速脉冲的时间间隔也较大，使速度调整滞后，容易造成停车。通过测试，确定最小车速为0.1m/s，此时最小占空比为10%。

3﹑撞墙处理

由于跑道又窄又长，小车行驶过程中极可能因出现偏差而撞上档板。本装置采用两种措施来防止撞墙后卡死：一是在车身四角装上滑轮以减小撞墙时的摩擦阻力；二是用软件进行补偿：在行驶过程中不断测量小车的即时速度，当小车卡住其速度小于Vmin时，立即将占空比调为100%，小车加大动力前进，当速度超过Vmin，则恢复原来的占空比。

五﹑测试结果

为测试小车性能，特制作了一条全长14m的跑道，多次实际测试表明，小车能够顺利的跑完全程，在小车撞上档板的情况下能自动加速前进，不会被卡死。行驶进程中，能正确显示即时速度，停车时定位较精确，跑完全程后能正确的显示行驶距离和时间。实测结果如下：

限速区停留时间： 9s
总时间：         52s
定位精度：       1.5cm
最高速度：       1.5m/s
最低速度：       0.1m/s

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