表2.1 控制器方案的比较 方案 使用特性 处理能力较强、功耗低、内存大，片内资源丰富 使用STC89C52作为主控制器 功耗低、性能高，可在线编程或使用编译器重复编程、提供三个计数器中断 多 成本低、结构简单、体积小 优点 电压低、能上很多操作系统，I/O口功能较缺点 与硬件联合调试时需使用仿真器，成本高 I/O口较少，片内资源较少，只能上一些较简单的实时系统 EasyARM2131作为主控制器 2.2.2 黑线检测传感器的选择 方案一：使用CCD传感器。
采用图像传感器CCD。它是由高感光度的半导体材料制作而成，能够把光学影像转化为数字信号。传送给单片机进行处理。一块CCD上包含的像素数越多，其提供的画面分辨率也就越高。具有很高的灵敏度和分辨率，抗干扰性好，但成本较高、实时性差。
方案二：使用红外对管。
采用红外发射管和红外接收管，利用光的反射特性，以及黑色不反光和白色反光的原理，实现对黑线和障碍物的检测。此传感器使用方便，外围电路简单，编程容易，价格低，满足此次设计的硬件要求。缺点为检测距离短。
综合考虑，虽然CCD有分辨率高，抗干扰性强等众多优点，但由于本自动定位抓捕器系统采用STC89C52芯片，其处理速度较慢，导致实时性本来就不好的CCD性能更差。同时，由于其成本较高，而此次经费有限，故决定采用方案二。
2.2.3 电机模块
方案一：直流减速电机。
直流电机具有优越的调速性能、较强的过载能力以及较大的热动和制动转矩，调速方便。驱动比较简单，如常用的L298N和LG9110均可以作为驱动芯片使用。
方案二：步进电机。
步进电机动作精确，在控制脉冲的控制下能迅速起动、正转、反转、停止及在很宽的范围内进行转速调节，步距角小，输出转矩大，可直接带动负载。但步进电机转速太低、不适合作为车轮的驱动电机。
由以上分析可得，采用直流减速电机作为抓捕器的执行器件，方便实用，故选择方案二。
2.2.4 电机驱动模块
方案一：使用LG9110进行驱动。
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该驱动板可驱动一路直流电机，芯片有两个 TTL/CMOS 兼容电平的输入,具有良好的抗干扰性；两个输出端能直接驱动电机的正反向运动，它具有较大的电流驱动能力控制方式简单，可靠性高。
方案二：使用L298N进行驱动。
该驱动板可驱动两台直流电机，控制方式简单，可以进行pwm 调速控制。价格便宜，且控制可靠性高。
方案三：利用继电器的打开和闭合
来控制电机的转速和方向，电路规模小，但是由于内部采用机械动触点，故可靠性较低。
综合考虑，小车的左右两个驱动轮需要调节速度，故采用L298N来驱动，提升机不需要调节速度，采用LG9110来驱动，使得每个驱动模块得到充分利用。
2.2.5 显示模块
方案一：使用LED数码管进行显示。
LED数码管分为共阴极数码管和共阳极数码管，显示较清晰，成本低，使用简单。但显示较单一，只能显示数字和一些简单的字符，显示汉字比较困难，功耗大，实际电路较复杂。
方案二：使用1602液晶显示屏显示信息。
LCD1602能显示2行共32个字符，是一种专门用来显示数字、字母和符号等的点阵型液晶模块。其体积小、功耗低、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。但是，LCD1602不能用来显示汉字或图像等。
方案三：使用LCD12864液晶显示屏显示。
带字库的LCD12864液晶为中文汉字图形点阵液晶显示模块，可显示字符、汉字及图形，内置8192个中文汉字，128个字符及64×256点阵显示RAM，功耗低、字迹清晰、美观、显示信息量大、显示质量高、画面效果好。
本次设计中，需要显示的抓捕器的实时状态和一些相关基本信息，所以对此部分的显示选择方案三；而对于小车运行状态的显示，我们选择方案二。
2.2.6 测距模块
选用HC-SR04超声波传感器，采用IO触发测距，感应角度小于等于15度，测试距离2cm到450cm，精度可达到3mm，且成本低，本设计要求测距范围在100cm以内，完全满足要求，故选用HC-SR04超声波传感器。
2.2.7 抓手模块
选用全金属机械抓手，配用MG946R舵机，扭力大，反应速度快，0.17sec/60degree(4.8v) 0.14sec/60degree(6v)，满足抓手要求，故选用此机械抓手和舵机。
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2.2.8 电源模块
方案一：采用2节3.7V电池供电。 采用2节3.7V电池给小车电机，同时通过7805稳压芯片给单片机、LCD12864液晶、超声波传感器、红外循迹模块供电。这样比较节约资源。
方案二：采用电源箱供电。
实验室的电源箱可提供双电源，分别给显示模块和小车驱动模块供电，其优点是可提36V以内的任意值稳定输出，电流也可根据需要输出，但是占用资源过大，并且需要使用长导线连接220V电源，不便于小车自由行驶。
方案三：使用6节3.7V电池供电。
使用2节3.7V电池为小车电机、另用2节3.7V电池为LCD12864、超声波传感器以及红外循迹模块供电。还有两节电池为控制抓手的舵机稳定供电
综合考虑，方案一由于负载太多，导致电机不转并且显示屏较暗。方案二由于需要使用长导线会影响小车行驶。故选择方案三。
2.2.9 车体的选择
方案一：购买车体。
购买组装完整的车体，包括电机、车轮和车架，装配紧凑、安装较方便、外形美观，但是成本较高、不易于改造。
方案二：自己制作车体。
自己制作车体，用锯将绝缘板锯出所需大小，再使用螺丝和螺丝帽将电机和万向轮与绝缘板即车体组装在一起。缺点是车体较粗糙、不美观；优点是车身的大小可根据实际需要进行确定，易于改造，价格低廉。
综合考虑，我们选择方案二作为我们的初步方案。
2.2.10 路线布局图
方案：自己绘制布局图。
购买一张合适大小的白纸，使用铅笔和尺子勾勒景点分布路线，然后用毛笔和碳素墨汁将道路涂黑，而景点处粘贴可代表此处景点的图片，并在旁边写出景点名字。此方案的缺点是实现起来较复杂；优点是景点和布局图的大小可自行修改，成本低。
2.3 本章小结
经过反复论证，本设计最终确定了“基于微处理器自动定位抓捕器系统”的方案，具体如下：
1.采用单片机STC89C52RC作为主控制器。
2.在小车前方安装4对红外对管进行寻迹过程中的纠偏控制。
3.选用一个L298N和一个LG9110电机驱动芯片分别驱动两个和一个直流电机，从而控制小车运动和提升机动作。
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4.使用LCD12864液晶显示小车状态以及一些作品相关信息。
5.采用2节电池给电机供电，另用2节为LCD12864、超声波传感器以及红外循迹模块供电。还有两节电池为舵机供电
6.轮式自动定位抓捕器的车体和路线布局图均自己制作。
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3.2路面循迹电路设计
3.1最小系统模块设计
量将会大量地减少。因此，利用不同物质对光的反射能力的差异可进行黑白的判断。
本设计采用4对红外对管进行配合循迹。将4对红外对管垂直安装在车的前下方并靠近路面，用来检测地面的信号。当道路为白色时，红外接收管接收到信号，红外对管与单片机的连接端为低电平，从而送给单片机低电平信号；当道路为黑色时，单片机接收到高电平信号。单对红外对管的硬件电路图如图3.2所示。
本设计的功能要求主要为循迹功能。循迹功能的实现主要是利用光的反射特性，以及红外对管的工作原理。光具有反射特性，对不同物质的反射特性不同：白色物体对光的反射性比较强，因而红外光线的反射量将会多一点；而黑色不反光的物体，红外反射
本章主要介绍与系统方案相关的硬件电路模块及其连接方法的设计，包括51单片机核心模块、路面检测模块、电机驱动模块、显示模块、DS1302实时时钟电路、DS18B20温度传感器、测速模块及小车车身壳体设计和制作过程；另外经过大量考察设计并制作基于微处理器的轮式自动定位抓捕器系统的游览布局图。
第3章 系统硬件设计
图3.1 单片机最小系统图
本设计使用STC89C52RC作为主控芯片。单片机最小系统电路图如图3.1所示。 10