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本科生毕业论文设计类 本科生毕业设计 全国大学生智能车竞赛赛道光电计时系统 The national college students' intelligent car race track photoelectric timing system 学生姓名周昭桂 所在专业电子科学与技术 所在班级1101班 申请学位学士学位 指导教师黄存友职称副教授 副指导教师王淑青职称讲师 答辩时间2022年 06月 08日 目录 摘要. . I INTRODUCTION . II 第1章绪论 . (1) 1.1课题的背景 (1) 1.2发展现状 (1) 1.3系统研究内容及其组成 (1) 第2章系统设计原理 (2) 2.1 STC89C51RC单片机介绍 (2) 2.1.1STC89C51RC单片机基本结构 (2) 2.1.2主要功能 (2) 2.1.3Pin脚结构 (3) 2.2光电式传感器概述 (4) 2.2.1光电效应 (4) 2.2.2光电式传感器的应用与发展 (4) 第3章光电计时系统设计原理 (5) 第4章光电计时系统设计 (5) 4.1 系统硬件设计 (5) 4.1.1 方案选择 (5) 4.1.2单片机处理电路设计 (6) 4.1.3蜂鸣器提示音： (6) 4.1.4光电输出： (7) 4.1.5单片机时钟电路： (7) 4.1.6单片机复位电路： (7) 4.1.7数码管显示： (8) 4.2 系统软件设计 (9) 4.2.1 软件应用环境 (9) 4.2.2 软件设计流程 (10) 第5章系统的仿真调试 (11) 5.1仿真软件介绍 (11) 5.2仿真测试和结果 (11) 第6章实物安装及调试 (12) 6.1安装与调试步骤 (12) 6.2实物连接图 (13) 结束语 (14) 鸣谢 (15) 参考文献 (16) 附录一 (17) 附录二 (22) 附录三 (23) 摘要 在一些场合，有很多工作是不能靠人亲自去完成的，如果借助一些设备仪器会让我们的工作变得更加轻松惬意，更加能提高工作的效率，比如一些高温环境的工作、精确度较高的测量工作等，所以我们要依靠传感器去实现一些人们不能身体力行的工作，既能保证工作的完成，也能保证工作的效率。本设计针对全国大学生智能车比赛的赛道计时系统，通过应用光电式传感器来获取小车起始和终点信息，并进行小车比赛赛道计时，来达到比赛计时准确和公平的效果。更进一步能测出车辆的速度，随着汽车数量的急剧增加,交通安全成为人们日益关心和关注的话题。基于安全考虑,设计出一种简易而有效的测速装置显得尤为重要。对车辆的状态进行实时监测，有利于我们更好的把握人生安全，促进社会和谐。 关键词：智能车；光电传感器；计时 INTRODUCTION In some situations, there are a lot of work is not completed by people go to, if with the help of some equipment instrument will make our work easier, more can improve the efficiency of work, such as some work environment of high temperature and high accuracy of measurement, etc., so we need to rely on sensors to achieve some people who can't physically work, can not only ensure the completion of work, also can ensure the efficiency of work. This design for the national college students' intelligent car race track timing system, by applying photoelectric sensor to get the car start and end point information, time, and make the car race track to achieve the result of game timing accuracy and fairness. Further measure the speed of vehicles, with the rapid increase of cars, traffic safety become the subject of growing concern and attention. Based on security considerations, design a simple and effective speed measuring device is particularly important. For real-time monitoring of the state of the vehicle, be helpful for our better grasp life security, promote social harmony. KEYWORDS: intelligent car；Photoelectric sensor；timing 全国大学生智能车竞赛赛道光电计时系统 （电子科学与技术，202211911136，周昭桂） 指导教师：（黄存友） 毕业设计说明书 第1章绪论 1.1课题的背景 随着社会的发展和变革，现在人们的生活无论从衣食住行方面都有很大的改善，现在车辆的普及率越来越高，在方便大家出行和提高生活质量的同时，也有一些或大或小的隐患。随着时代的变迁，我们已经从人力到机器再到智能化一步一步的跃迁，也随着车辆的增多，我们对于车辆的监控也有越来越高的要求，这样既保证了驾驶者的安全更加能保证路人的安全，用光电传感器来测量出车辆的时间从而知道车辆的车速，在更多的方面可以做到监控车辆超速违章。在中国，由于车辆的普及率越来越高，对于车辆的监控也变得越来越严峻。 1.2发展现状 全国大学生智能车竞赛是以汽车为研究对象的创意性科技竞赛，面向全国大学生的一种具有探索性工程实践活动，是教育部倡导的大学生科技竞赛之一。通过竞赛能让大学生更好地培养动手能力，更好的参与，积极探索，促进高校的素质教育，培养women 的综合知识运用和基本工程实践能力，更能让我们理论联系实际、求真务实的学风和团队协作的人文精神。 因为全国大学生智能车竞赛，光电计时也就应运而生，通过这个光电计时系统，能让我们更加清晰的看到竞赛的结果，保证竞赛的公正公平公开。同时该系统也有其操作简单，应用广泛，较强的抗干扰能力等特点。 1.3系统研究内容及其组成 本文针对智能车通过赛道所用的时间进行测量，以单片机为核心对光电传感器产生的数字信号进行运算，从而可测出智能车的速度，然后用四位数码管显示把智能车通过那段赛道所用的时间显示出来。当智能车第一次经过起点时开始计时，到智能车再通过终点时停止计时，通过光电传感器把光信号转化为电信号进行计算，就可获得智能车所用的时间，从而能算出智能车的速度。 第2章系统设计原理 2.1 STC89C51RC单片机介绍 2.1.1STC89C51RC单片机基本结构 单片机主要有运算器、控制器、寄存器三大部分组成。 控制器： 控制器是由程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序发生器、操作控制器组成，作用是指挥和操作整个危机系统。主要功能： 1）从内存中取出一条指令，然后指出下一条的指令在内存中的位置。 2）对所指令进行译码，产生相应的控制信号。 3）控制CPU和存储器与输出输入设备间的数据传输方向。 主要寄存器： 1）累加器A 累加器A是单片机中使用频率最高的寄存器，具有逻辑运算和运算数据存储双重功能：逻辑运算前，它用于保存操作数；逻辑运算后用于保存运算结果。 2）数据寄存器DR 数据寄存器是DATA总线向存储器和输入输出设备进行读或写的数据暂存单元。它可以保存正在译码的指令或正向存储器传输的数据。 3）指令寄存IR和译码器ID 指令寄存器用来保存正在执行的指令。译码器就是对要执行的指令进行编译。指令寄存器的输出就是译码器的输入。 4）程序计数器PC 程序计数器用于确定下一条指令地址，通长也称为指令地址计数器。 2.1.2主要功能 增强型8051单片机，指令及代码都完全兼容传统的8051 工作电压：3.3V-5.5V 工作频率范围：040MHz，实际工作频率能达到48MHz。 使用者应用程序的空间：4K/8K/13K/16K/32K/64K字节。 片上有集成1280字节或者512字节的RAM。 通用I/O口有35个，复位后P1/P2/P3/P4是准双向口；P0口为开漏输出，总线扩展不用加拉电阻，为I/O口要加拉电阻。 系统上可编程的ISP，无需专用的编程器和仿真器可通过串口直接下载程序，用时很少。 有EEPROM功能 看门狗 共3个16位定时器（0可当成2个8位定时器使用） 外部中断4路，下降沿中断或者低电平触发中断，Power Down模式可由外部中断低电平触发中断方式唤醒。 通用异步串口行口（UART），还可用定时器软件实现多个UART 工作温度范围：工业级-40+85摄氏度，商业级0+75摄氏度 2.1.3Pin脚结构 1. 电源: （1） VCC - 芯片电源，接+5V；（2） VSS - 接地端； 2. 时钟: XTAL1、XTAL2 - 晶体振荡电路反相输入端和输出端。 3. 控制线: 控制线共有4根， ALE/PROG:地址锁存允许/片内EPROM编程脉冲 ALE功能：用来锁存P0口送出的低8位地址 PROG功能：片内有EPROM的芯片，在EPROM编程期间，此引脚输入编程脉冲。 PSEN:外ROM读选通信号。 RST/VPD:复位/备用电源。 RST（Reset）功能：复位信号输入端。 VPD功能：在Vcc掉电情况下，接备用电源。 EA/Vpp:内外ROM选择/片内EPROM编程电源。 EA功能：内外ROM选择端。 Vpp 功能：片内有EPROM 的芯片，在EPROM 编程期间，施加编程电源Vpp 。 4. I/O 线 80C51共有4个8位并行I/O 端口：P0、P1、P2、P3口，共32个引脚。P3口还具有第二功能，用于特殊信号输入输出和控制信号（属控制总线）。 2.2光电式传感器概述 光电式传感器，又称光敏传感器，是利用光电器件把光信号转换成电信号（电压、电阻、电流等）的装置。光电式传感器工作时，先将被测量转换为光量的变化，然后通过光电器件把光量的变化转换为相应的电量变化，从而实现对非电量的测量。 光电式传感器结构简单、响应速度快、精度高、分辨率高、可靠性高、抗干扰能力强，而且可实现非接触式测量，可以直接检测光信号，还可以间接检测温度、压力、位移、速度、加速度等，虽然它是发展较晚的一类传感器，但其发展速度快、应用范围广，具有很大的应用潜力。 2.2.1光电效应 光子具有能量的粒子，每个光子的能量可以表示为0h E = 式中 h 为普朗克常数，0为光的频率。 根据爱因斯坦假设：一个光子的能量只给一个电子。因此，如果一个电子要从物 体张逸出，必须使光子能量E 大于表面逸出功0A 。这时，逸出表面的电子具有的动能可用光电效应方程表示为0 02 k 21E A h mv -= 式中m 为电子的质量，v 为电子逸出初始速度。 根据光电效应方程，当光照射在某些物体上时，光能量作用于被测物体而释放电子，这就是光电效应。光电效应中所放出的电子叫光电子，能产生光电效应的敏感材料称作光电材料。根据光电效应可以制作出相应的光电转换元件，简称光电器件或光敏器件，它是构成光电式传感器的主要部件。 2.2.2光电式传感器的应用与发展 光电传感器是采用光电元件作为检测元件，首先把被测量的变化转变为信号 的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号。光电传感器由光源，光学通路，光电元件3部分组成。这些年来，随着光电技术的发展，光电传感器有很多系列产品，其品种及产量每日剧增，使用者可根据需要选用适合自己的产品，在各种轻工自动 机上应用特别广泛。 第3章光电计时系统设计原理 本设计为全国大学生智能车竞赛赛道光电计时系统，通过光电传感器获取起跑线处的信息。当车子经过起跑线的时候，光电传感器会获得一个脉冲（或者电平变化），该脉冲标示着有车子经过起跑线，同时通过单片机识别这一脉冲（或者电平变化），并执行计时任务，将时间变化通过数码管显示出来。当车子再次经过起跑线的时候，单片机识别到这一脉冲（或者电平变化）后，执行停止计时任务，数码管上显示的是车子跑一圈所需要的时间。 第4章光电计时系统设计 4.1 系统硬件设计 4.1.1 方案选择 由于单片机具有处理、计算的能力，可以嵌入在各种各样的设备中应用，能提供一种自动、高效、方便、安全的环境。 本光电计计时系统选用STC推出的新一代高速低功耗超强抗干扰的单片机的STC89C51RC芯片，该系统的整体结构框图和整体硬件电路图见下： 整体结构框图 4.1.2单片机处理电路设计 整体硬件电路图 4.1.3蜂鸣器提示音： 如下图示，三极管基极通过电阻接到51单片机的P3.5口，当P3.5口输出低电平时，三极管集电极和发射极导通，致使蜂鸣器正极有电流通过，蜂鸣器发响。