简易智能电动车软件部分文档格式.docx
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4程序设计-23-
4.1主程序-23-
4.1.1流程图-23-
4.1.2程序-24-
4.2判断程序1-25-
4.2.1流程图-26-
4.2.2程序-26-
4.3判断程序2-27-
4.3.1流程图-28-
4.3.2程序-29-
5结束语-31-
参考文献-31-
英文部分
附录-33-
简易智能电动车（软件部分）
文摘随着电子技术的发展，自动化已不再是一个新鲜的话题，无人驾驶的小汽车也必将进入实用阶段，本系统模拟将来的智能小车。
利用黑白传感器监测黑线，沿黑线行驶。
光电检测器检测道路上的障碍物，控制电动小汽车行使状态，并显示小车的运行路程，小车的瞬时运行速度。
使用SPCE061A单片机监控传感器信号，控制小车的运行方式使小车达到题目的要求。
关键词SPCE061A单片机；
红外传感器；
黑白传感器；
光敏元件；
金属传感器
随着计算机新技术不断地涌现和VLSI设计技术的迅猛发展，计算机无论在系统体系结构还是在性能上都发生了巨大的变化。
计算机一方面向着高速、智能化的巨型机方向发展，另一方面向着嵌入式微型机的方向发展。
其中，微型计算机以其性能和容量不断提高，而价格不断下降的趋势，使其在社会各个领域乃至家庭生活中发挥着越来越大的作用。
当今微型计算机技术的发展形成两大技术分支：
一是以微处理器MPU为核心组成的通用微机系统；
另一分支是发展面向对象的用于实时测控领域的微控制器MCU，亦称单片微计算机（单片机）。
随着超大规模高速集成电路的发展，现代电子技术的设计与应用进入了单片系统SOC（SystemOnaChip）阶段，从而使单片机的设计与应用技术发生了深刻的变化。
SOC的设计要从整个系统的功能及性能出发，把微处理器（MPU）、芯片结构、数字/模拟等外围器件全部放置在一块芯片上，完成整个系统的功能，真正实现“系统单片机”。
故SOC为单片机的应用提供了更广阔的应用前景及更强的生命力。
台湾凌阳科技股份有限公司近年推出的
单片机就是基于SOC的新型的数/模混合的系统级芯片。
在一个芯片内集成了单片机数据采集或控制系统所需的模拟和数字外设及其它功能部件。
凌阳公司推出的单片机有8位、16位共50多种不同的IC芯片型号及其产品，以适用不同的应用领域，用户可根据需要选择相应的单片机系统。
凌阳单片机顺应了单片机技术的发展趋势，其系统芯片具有集成度高、数/模混合、功能全、低功耗、低电压等特点。
另外，凌阳单片机还增加了适合于DSP的某些特殊指令；
其中SPCE061A单片机还嵌入了LCD控制/驱动和双音多频发生器功能。
1系统功能要求
设计并制作一个简易智能电动车，其行驶路线示意图如下：
图1行驶路线示意图
1.1基本要求
（1）电动车从起跑线出发（车体不得超过起跑线），沿引导线到达B点。
在“直道区”铺设的白纸下沿引导线埋有1~3块宽度为15cm、长度不等的薄铁片。
电动车检测到薄铁片时需立即发出声光指示信息，并实时存储、显示在“直道区”检测到的薄铁片数目。
（2）电动车到达B点以后进入“弯道区”，沿圆弧引导线到达C点（也可脱离圆弧引导线到达C点）。
C点下埋有边长为15cm的正方形薄铁片，要求电动车到达C点检测到薄铁片后在C点处停车5秒，停车期间发出断续的声光信息。
（3）电动车在光源的引导下，通过障碍区进入停车区并到达车库。
电动车必须在两个障碍物之间通过且不得与其接触。
（4）电动车完成上述任务后应立即停车，但全程行驶时间不能大于90秒，行驶时间达到90秒时必须立即自动停车。
1.2发挥部分
（1）电动车在“直道区”行驶过程中，存储并显示每个薄铁片（中心线）至起跑线间的距离。
（2）电动车进入停车区域后，能进一步准确驶入车库中，要求电动车的车身完全进入车库。
（3）停车后，能准确显示电动车全程行驶时间。
2方案设计
2.1控制系统
根据题目设计要求该小车实际是一个自动控制系统，这样的系统采用单片机实现是比较合适。
凌阳16位单片机简装版（61板）价格低廉，开发叫为容易，界面友好，功能齐全。
我们设计采用凌阳61板作为主控制部分。
我们使用61板接收传感器信号处理，并根据传感器信号控制电机运动。
2.
2执行部件
自动车动力主要来自两个电动机即驱动电机和方向电机。
由于该系统是从玩具电动车改变而来的，其电动机和变速系统已无法更换。
故只能使用该玩具汽车自带的两个电动机。
2.3功能模块分划
根据题目要求，系统可以划分为几个基本模块，如图2所示。
：
对各模块的实现，分别有以下一些不同的设计方案：
2.3.1黑色引导线检测的方案
路面引导黑线的原理是：
光线照射到路面并反射，由于黑线和白线的反射系数不同，可根据接收到的反射光强弱来判断是否偏离引导黑线。
方案一：
发光二极管与光敏二极管组成的发射—接收电路。
此方案电路简单，制作容易，但光敏二极管易受其他环境光源的干扰，当外界光亮条件改变，容易造成误判。
方案二：
不调制的反射式红外发射—接收器。
由于采用红外管代替普通可见光管，可以降低环境光源干扰；
但如果直接用直流电压对管子进行供电，限于管子的平均功率要求，工作电流只能在10mA左右，仍然容易受到干扰。
方案三：
采用市面上卖的黑白检测器，它采用光发光二级管与光敏二级管组成的收发电路。
通过三种方案的比较，我们认为方案三能更快的解决传感器检测问题，并减少了制作过程。
故采用方案三。
2.3.2薄铁板检测的方案
薄铁板检测采用专用的金属检测传感器。
它由振荡器，放大器和输出三部分组成，其工作原理是当有金属物体接近高频振荡器的线圈时，使振荡回路参数变化。
振荡减弱直至终止而输出控制信
2.3.3障碍物检测模块的论证与选择
用超声波传感器。
超声波检测是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差t,然后求出距离S=Ct/2，从而可知障碍物的位置，小车就可以避开障碍物，顺利地到达目的地。
采用红外线探测器。
红外线探测器主要对物体发出的红外线探测，该设备采用光电转换功能，将接受到的红外线信号转换成为电信号输出。
其工作电压为5V，输出电流为300mA,符合电路要求.
以上两种都是比较可行的路程测量方案，基于超声波传感电路难于制作，调试困难，并且性能不稳定；
而红外线探测器则能准确检测，外界干扰小，输出电平良好，并且安装方便，因此我们拟采用方案二。
2.3.4路程检测模块的论证与选择
采用光发射—接收器。
利用红外接收管对发射管发出的红外光，产生脉冲电压，通过脉冲的计数对速度进行测量。
安装时，先将钻有多孔的圆盘卡在后轴上，然后将两管头对头固定在一支架上，再横放在圆盘上部，并对齐通孔中心位置。
采用霍尔传感器。
该器件内部由一组霍尔金属板组成，当磁铁正对金属板时，由于霍尔效应，金属板发生横向导通，便产生一个脉冲送至单片机累加计数，通过一系列的计算便可测出小车的车速和所行驶的路程。
此方案简单易行，安装方便。
测速准确可靠，性能良好。
上述两种方案均能满足电路要求，方案二小车内部空间小，无法放置霍尔传感器，方案一光发射—接收器需要空间小。
我们拟采用方案一。
2.3.5导航部分检测方案
导航部分采用外光效应器件,当遇强光照射时光传感器输出高电压..
2.4硬件部分设计概述
根据系统要求，硬件部分设计如下；
1）金属片的计数并显示，声光报警。
2）检测直道上每片金属片中心到起点的距离，并记录显示每片的距离。
3）路程，速度的显示。
4）小车运行时间的显示。
2.5软件部分设计概述
根据传感器信号，改变小车的运动状态完成小车的运行要求。
3硬件设置
硬件以SPCE061A单片机为核心，完成对信号的收集处理工作，达到对小车的运动控制。
外围采用TTL门电路74系列芯片和LED完成对金属片计数显示，时间计时显示，实际路程显示，速度显示等
3.1输入
3.1.1输入端口设置
我定A口为输入接口，A口主要接收传感器信号，脉冲信号，停机信号等。
见表1
表1A端口对应输入端表格
IOA00
IOA01
IOA02
IOA03
IOA04
IOA05
IOA06
IOA07
IOA08
IOA09
黑白传感器
红外传感器
光传感器
0.1秒脉冲
90秒停机信号
第4片金属信号输入
h00
h02
h03
w01
w02
g01
g02
A端口a00-a09全部为带下拉电阻的输入
Set_IOA_Dir（0x0000）;
Set_IOA_Attrib（0x0000）;
Set_IOA_Data（0x0000）;
3.1.2金属传感器监测电路
为了检测小车下方的金属片，加入对铁片探测的金属传感器，所使用的金属探测器是市面上卖的普通金属探测器，在没有金属的情况下是
输出为低电平，在检测到金属时
将与传感器内部断开，因而加上一个上拉电阻，如图3所示，此时将输出高电平。
图3金属传感器简图
3.1.3金属片计数
金属片计数电路，主要用金属传感器高电平有效，低电平无效的特性。
与74161计数器配合使用，金属传感器的感应信号输入74161的CP端，CP端为上升沿有效，当通过金属片时，计数器+1并通过7448译码器显示出计数结果。
图4为金属计数电路的电路图。
图4金属片计数电路
当计数器到达4的时候，对IOA9输入高电平。
3.1.4红外线传感器电路检测电路
红外线传感器是检测小车前方是否有障碍物。
我所使用的红外传感器为市面上卖得普通传感器，有效距离为
。
在无障碍物的情况下
为低电平输出。
若有障碍物出现在传感器前方
为高电平输出。
图5红外线传感器简图
红外传感器为路障传感器，在小车行驶过程中在小车的正前方会出现两个长
路障。
分别出现在小车的正前方，和左前方。
假设红外线的监测范围为
，传感器长
，两传感器尾部接触处没有间隙。
当小车正对障碍物的中心驶去时，就能算出小车能探测出障碍物的夹角
，如图6所示。
图6红外线探测障碍物
夹角为最优夹角。
传感器w01,w02同时探测到有障碍物时，小车后退拐弯，尽力绕过障碍物。
若有任意一个传感器监测到障碍物时，小车低速转弯，到传感器无信号为止。
3.1.5红外线热释电探测器
对光谱中长波（红外）敏感的器件。
主要是利用辐射的红外光（热）照射材料时引起材料电学性质发生变化或产生热电动势（如热释电探测器）原理制成的一类器件。
红外线敏感器件按工作原理可分为量子型和热电型两大类，其量子型可直接把红外光能转换成电能，如对红外线敏感的光敏电阻和PN结型光生伏特应器件，他们能在低室温下工作，灵敏度很高，影响速度快，但红外光的波长相应范围窄，可用于要干成像等方面。
热电型吸收红外光线后变为热能，使材料的温度升高，电学性质发生变化，人们利用这个现象制成了测量光辐射的器件。
这类器件中应用最为广泛的就是红外光敏释电效应器件。
器件有较宽的红外波长相应范围，且价格便宜，广泛用于自动控制方面。
热释电效应及器件由物理光学可知，光电射到材料上后一部分被吸收，且光强随着透入材料的省督而指数衰减，距表面
处的光强表示为
（1）
式中
是吸收系数，也称为相对衰减梯度，它与材料和光的波长有关；
为照射到材料表面的强光。
一些陶瓷材料具有自发极化（如铁电晶体）的特征，且其自发极化的大小在温度有稍许变化时有很大的变化。
在温度长时间恒定时由自发极化产生的表面极化电荷数目一定，它吸附空气中的电荷达到平衡，并于吸附的存在于空气中的符号相反的电荷产生中和；
若温度因吸收红外光而升高时，极化强度会减少，使单位面积上极化电荷相应减少，释放一定量的吸附电荷；
若与一个电阻连成回路，会形成电流
，则电阻上可产生一定的压降（
），这种因温度变化引起自发极化值变化的现象称为热释电效应。
为了使光照射引起整个材料的温度易于达到热平衡，一般采用陶瓷薄片。
当连续光照达到热平衡，即吸收等于放热时温度不再变化，那么不再释放电荷，R上的压降就变为零，即无信号输出。
因此热释电效应只能探测辐射的变化。
实验证实，电阻上压降的变化表示为
（2）
为电极面积，
为自发极化矢量随时间的变化，
是热释电系数
是温度对时间的变化率，可以说是温度的变化速度。
由于
与红外线强度的变化成正比，结合
（2）式，可以得出输出信号
正比于红外线强度的变化。
作为检测用时将热释电元件粘在支座上，并用一个透红外线单晶硅窗的金属壳封装。
因为热释电元件为绝缘体，
约为
，易引入外部噪音，用场效应管进行阻抗交换和信号放大，所以一般将场效应管输入电阻一起装入管壳内。
通常为了增加热释电元件对红外线等电磁波的吸收，在元件表面被覆一层黑化膜。
图7红外线探测器等效电路图
3.1.6黑白传感器
黑白传感器为光学传感器，此传感器对黑白两种颜色敏感。
市面上有这种传感器的成品，在黑白传感器上有控制的开关，控制传感器的对那种颜色
输出高电平。
平时
输出低电平。
图8黑白传感器简介
为了使小车在沿黑色的导线行驶，同时在通过C点保证小车能在黑线以内行驶，不至于行驶出外围黑线。
所以我在车头加入三个黑白传感器。
三个黑白传感器一字排列，其中两个放在车轮前方，一个放在车头正中（从左到右设传感器为h01,h02,h03）。
车轮前方的两个黑白传感器为探测到黑线输出高电平，小车正中的传感器为探测到白线输出高电平。
在运行的前半段A—C点之间时h02为一级修正传感器，h01,h03为二级修正传感器，在直线行驶时为了保证小车的运行速度采用两级修正系统，同时保证了小车行驶的稳定性。
当小车因某种原因偏离黑线时，小车的一级修正启动，对小车进行中速转弯使小车拐入黑线上，使黑线在小车的正下方。
如果偏离过大，小车的一级修正无法使小车拐入黑线上，小车的前轮快要接触黑线时，小车的h01（或h03）传感器触发，小车运行二级修正，使用低速拐弯全力把小车拐入黑线上，使h02为低电平为止。
图9为传感器摆放事例图
图9传感器摆放事例
通过C点后，h01,h03为防止小车行驶出黑线边界，当小车h01,h03接触黑线时，小车马上进行转弯，尽量离开边线。
3.1.7光效应传感器
光效应传感器是应用光敏感材料的光电效应制作的光敏器件。
光照射到物体上使物体发射电子，或电导率发生改变，或产生光电电动势等等，这些因光照引起物体电学特性改变的现象称为光电效应，它可以分为外光电效应和内光电效应，相应的光电效应传感器分为外光效应器件（如光电二极管和光电倍增管）和内光电效应器件（如光导管和光敏电阻、光电池和光敏三极管等）。
在光照射下，某些材料中的电子逸出表面而产生光电子发射的现象称为光电效应，也称为光电发射效应。
1887年赫兹发现了光电发射现象，斯托列夫等人对金属的光电发射进行研究，爱因斯坦假设，一个电子只能吸收一个光子的能量，一部分用以克服物质对电子的束缚（即表面逸出功
），一部分转化为电子的能量，且此过程必须满足能量守恒定律，表示为式
（3）
为电子能量。
若电子得到的能量全部变为电子的动能，则光电子的最大动能为
（4）
其中
为金属逸出功，
为产生光电发射的极限频率，
为入射光线的频率，
为电子的质量，
为电子的最大速率。
（4）式表明，光电子的最大动能与入射光的频率成正比，而与入射光的强度无关。
给发射材料上放置一个电子接收板连成一个光电发射检测装置，如图10（a）阿所示，测定逸出电子随光的强度和光的频率的变化情况。
图10（b）给出的光电流随光强的变化曲线，可以看出在足够的外加电压作用下，若入射光的频率一定或频谱成分不变时，饱和光电流（
）的大小与光强成正比。
这是由于入射光强越大，光子数越多，发射的电子数越多，也即单位时间内通过单位面积的电量越大。
同时实验发现，若入射光子的能量
即
>
时，无论光强多大，都无光电子发射，光电流都为0。
由此说明光的波长必须小于
才能产生电子，即存在一个极限频率
，电子吸收
光子后能量完全用于克服表面逸出功，此时光的波长称为阈波长，表示为
（5）
检流计测光电流
光强/Lm
图10（a）光电发射检测装置图10（b）光电流随光强的变化曲线
给广电发射材料加反压，以阻止电子运动到吸收板上，测量出无电子到达时的电压，即得到逸出电子的最大能量，它与所吸收光子的频率成正比。
若光子的波长或频率不变，光强增加只有照射材料的光子数目增多，按照一个电子只能吸收一个光子的原则，逸出电子的最大能量保持不变。
3.1.8外光效应器件
外光效应器件为光敏传感器中比简单的敏感元件。
当有一定量的光线作用时，外光电效应器件短路，使
为高电平输出，平时为低电平。
外光效应器件为小车顺利通过障碍物，进入停车区时对车库光源的监测。
我准备了两个光传感器对车库光源进行校准。
当光传感器距光线源
时，同时途中没有障碍物阻挡光线的传播，光接受器为高电平。
所以我利用两个光传感器对车库定位。
如图11摆放传感器，当光源出现时，小车就能针对光源作适当的调整。
当两个接收器都为高电平时小车的正前方为车库的位置。
图11传感器位置摆放
3.1.9计时器
采用3片十进制芯片74160计数。
计数器是对时间计数，当计数到60时应该进位，同时对低位清零。
因我用的是十进制计数芯片所以个位会自动清零，主要对10进制位，进行逻辑电路设计，改十进制计数器为六进制计数。
当
时就能实现这个功能。
同时有控制信号IOB7控制脉冲的输入。
当时间计数到1分30秒时送IOA08高电平，作为停机信息。
时间计数器电路图12
图12时间计数器设计电路
3.2输出
IOB0~IOB6为SPCE061A单片机为单片机输出控制端，IOB06为秒脉冲控制口，当06口为高电平时脉冲通过。
表2IOB输出口列表
IOB00
IOB01
IOB02
IOB03
IOB04
IOB05
IOB06
电机控制部分
脉冲控制
3.2.1电机的控制设计
如图13所示行驶状态控制电路，整个小车的行驶状态由两个电机控制j2为控制左拐，右拐的电机，j1为控制前进，后退及三档速度。
小车电机由SPCE061A单片机控制。
从SPCE061A单片机的B口输出控制信号（高电平有效）。
见表3
图13电机控制
3.3SPCE061A单片机
SPCE061A是继μ’nSP™系列产品SPCE500A等之后凌阳科技推出的又一款16位结构的微控制器。
与SPCE500A不同的是，在存储器资源方面考虑到用户的较少资源的需求以及便于程序调试等功能，SPCE061A里只内嵌32K字的闪存（FLASH）。
较高的处理速度使μ’nSP™能够非常容易地、快速地处理复杂的数字信号。
因此，与SPCE500A相比，以μ’nSP™为核心的SPCE061A微控制器是适用于数字语音识别应用领域产品的一种最经济的选择。
表3行驶电路的控制状态
行驶状态
OIB0
OIB1
OIB2
OIB3
OIB4
OIB5
全速前进
1
X
中速前进
慢速前进
中速左拐
中速右拐
慢速左拐
慢速右拐
中速倒退
慢速倒退
慢速倒退左拐
慢速倒退右拐
3.3.1性能
◆16位μ’nSP™微处理器；
◆工作电压（CPU）VDD为2.4~3.6V（I/O）VDDH为2.4~5.5V
◆CPU时钟：
0.32MHz~49.152MHz；
◆内置2K字SRAM；
◆内置32KFLASH；
◆可编程音频处理；
◆晶体振荡器;
◆系统处于备用状态下（时钟处于停止状态），耗电仅为2μA@3.6V；
◆2个16位可编程定时器/计数器（可自动预置初始计数值）；
◆2个10位DAC（数-模转换）输出通道；
◆32位通用可编程输入/输出端口；
◆14个中断源可来自定时器A/B，时基，2个外部时钟源输入，键唤醒；
◆具备触键唤醒的功能；
◆使用凌阳音频编码SACM_S240方式（2.4K位/秒），能容纳210秒的语音数据；
◆锁相环PLL振荡器提供系统时钟信号；
◆32768Hz实时时钟；
◆7通道10位电压模-数转换器（ADC）和单通道声音模-数转换器；
◆声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制（AGC）功能；
◆具备串行设备接口；
◆具有低电压复位（LVR）功能和低电压监测（LVD）功能；
◆内置在线仿真电路ICE（In-CircuitEmulator）接口；
◆具有保密能力；
◆具有WatchDog功能。
3.3.2结构概述
SPCE061A的结构如图14所示：
图14SPCE061A的结构
3.3.3芯片的引脚排列和说明
SPCE061A有两种封装片，一种为84个引脚，PLCC84封装形式；
它的排列如图15所示；
另一种为80个引脚，LQFP80封装。
它的排列如0所示。
图15SPCE061ALQFP
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