第七届(2005年)全国大学生电子设计竞赛作品.doc

第七届（2005年）全国大学生电子设计竞赛作品 二

2008-01-16 17:04

第4章 系统硬件设计

4.1 系统电路连接及硬件资源分配

本系统电路连接及硬件资源分配见图4.1所示。采用AT89S51单片机作为核心器件，多圈电位器为悬挂物体位置采集器件，通过ADC0832转换位数字信号送入单片机处理，L298作为直流电机的驱动模块，以MAX7219驱动的LED显示和4×4键盘作为人机接口。

4.2 寻轨迹控制策略

根据题目的要求，悬挂物沿曲线运动的轨迹分为两段，连续段和间断段。可采用4个光电一体化传感器TCRT5000作为检测元件，其放置方式如图4.2所示。

寻找黑线策略，采用模糊寻找的方式，首先物体从坐标（0，8）运行到坐标（80，8），检测这之间有无黑线，如无，则从坐标（80，16）运行到坐标（0，

16），再检测这之间有无黑线，如有，则从坐标（0，12）运行到（80，12），检测，如果没有检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，14）运行到（80，14）；如果检测到黑线，再进一步缩小范围从（80，10）运行到（80，10），当检测到黑线时就停下，此处将是黑线起点；如果没有检测到黑线则返回从（80，12）运行到（0，12）检测到的黑线即为黑线起点。以同样的运行检测方式即可寻找出黑线的起点。

在连续段寻迹时，通过判断四个传感器的16种组合状态，使电机作出相应的伸缩动作。当轨迹为间断线时，电机拉动传感器在大角度方向内位移，直到在某一方向检测到新的黑线为止。然后再调用连续段的寻迹程序。

4.3 系统各模块单元电路设计

4.3.1 电源部分电路设计

本系统中使用了直流12V电机，其额定工作电压为12V，而单片机额定工作电压为5V，所以电路中采用了7805和7812作为稳压模块，其最大输出电流为1.5A，满足系统电机驱动电流的要求，其电路如图4.3.1所示。

4.3.2 电机控制模块设计

物体运动的轨迹由电机的转速和转向决定，电机的转速和转向的控制是通过多圈电位器对滑轮所转的圈速进行检测，同时通过另一个计数器对时间进行测量，结合两个计数器的值，由单片机计算出电机的速度，而物体运动的轨迹的里程由滑轮的周长和所转的圈数来计算。

本系统由单片机直接产生PWM信号，当单片机接受到相应的检测信号时，单片机转到中断口处理信息，PWM信号处于停发状态。将单片机产生的PWM信号经光电隔离器耦合后，控制L298驱动芯片来控制电动机的正反转、启动、制动。原理图如4.3.2所示。

单片机将P1.2、P1.5作为输出控制使能端,,P1.2、P1.6作为电机一的控制端,P1.3、P1.5作为电机二的控制端。L298的两个控制端（C、D）的工作情况由表4.3.1列

出（Ven为使能端）。

表4.3.1 L298控制表

4.3.3 电机速度采集设计

上面在方案论证中已经提出电机速度的数据采集是通过检测滑轮上的转速来得到电机的速度。如图4.3.3所示，速度采集系统中使用多圈电位器即图中W1、W2进行检测，然后通过ADC0832进行转换。ADC0832是一个8位双通道A/D

转换器件。选用的多圈电位器为10圈、

47KΩ，动滑轮直径为5cm，则旋转一圈的线长为：

L=5π

由ADC0832的分辨率得出，采集到最小线位移为：

l=L/28

当电机开始运行时，拖动滑轮转动，多圈电位器和滑轮同步转动，从而改变多圈电位器的输出电压，A/D转换器将多圈电位器的输出电压转换成数字信号送给单片机处理，从而实现对滑轮运转情况精确采集。

4.3.4 寻迹部分电路设计

根据设计任务，悬挂物体要沿着黑线运行，采用反射式光电传感器进行探测。光电传感器的硬件设计如图4.3.4所示。电压比较器LM393的同相输入Ⅴin拉低，输出为低电平。当检测到黑线时，接收管截止，同相输入Ⅴin为高，比较器输出为高电平。本系统中四个传感器的OUT分别连接P1.0～P1.3。

4.3.5 显示模块设计

显示部分电路由MAX7219、数码管组成。采用6个LED管进行X轴坐标显示、Y轴坐标显示。其电路图如4.3.5所示。

4.3.6 键盘模块电路设计

图4.3.6 4×4键盘电路原理图

根据设计需求，本系统中使用了标准的4×4键盘，其电路原理图如图4.3.6所示。图中C1～C4为4×4键盘的列信号，L1～L4为4×4键盘的行信号。在本系统中，用P0.0～P0.3连接键盘的列信号C4～C1；用P0.4～P0.7连接键盘的行信号L4～L1。

在本系统中，S1～S3、S5～S7、S9～S11、S13为数字键，如图2.8，S4、S8、S12、S14～S16为功能键，S2、S5、S7、S10为双功能键。主要功能如图4.3.7所示。

图4.3.7 4×4键盘功能图

设置键：手动对位或任意设定坐标点参数键，按下后用上、下、左、右键可进行手动对位控制，然后按确认键确认，图4.3.8所示。

图4.3.8 设置键操作图

方式键：首先按下方式键，然后按数字键选择方式再确认，方式有以下几种：

方式1：归位，让物体自行回到原点。

方式2：作自行设定的运动。

方式3：画圆，首先利用数字键设置圆半径进行确认后，再按启动键运行。

方式4：定点运动，首先利用数字键设置一个坐标点的X、Y值进行确认后，再按启动键运行。

方式5：寻迹，首先让物体运行在轨迹起点，按下启动键开始寻迹。 图4.3.9所示，表示了几种方式的操作。

图4.3.9 方式键操作图

启动键：用于所选运行方式的开始运行控制键。

确认键：用于设置、X 、Y、方式输入值的确定。

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