智能循跡避障小車設(shè)計(jì)

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1、畢業(yè)設(shè)計(jì)(論文) 摘要 自從首個(gè)工業(yè)智能設(shè)施誕生以來(lái)，智能設(shè)施的發(fā)展已經(jīng)擴(kuò)展到了包括機(jī)器、刻板、電子、冶金、交通、宇航、國(guó)防等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域。近年來(lái)智能設(shè)施水平迅速上升，大大的改變了大多數(shù)人類的生活方式。在人類的智能化技術(shù)不斷飛速進(jìn)步的過(guò)程中，能夠取代手動(dòng)的機(jī)器人在更加人性化的同時(shí)也越來(lái)越智能化。 本文主要討論了基于單片機(jī)的智能循跡避障小車的設(shè)計(jì)。智能自動(dòng)循跡制導(dǎo)系統(tǒng)在驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤汽車導(dǎo)線，而智能避障是使用紅外傳感器測(cè)距系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)功能來(lái)規(guī)避障礙。智能尋光避障小車是一種采用了多種傳感器，以單片機(jī)為核心，電力馬達(dá)驅(qū)動(dòng)和自動(dòng)控制為技術(shù)，根據(jù)程序預(yù)先確定的模式，而不是人工管理來(lái)實(shí)現(xiàn)避

2、障導(dǎo)航的自動(dòng)跟蹤高新技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于智能無(wú)人駕駛、智能機(jī)器人、全自動(dòng)工廠等許多領(lǐng)域。 這個(gè)設(shè)計(jì)使用STC89C52單片機(jī)[1]作為小車的智能核心，使用紅外傳感器對(duì)智能小車跟蹤模塊識(shí)別引導(dǎo)線跟蹤，收集模擬信號(hào)并將信號(hào)轉(zhuǎn)換成為數(shù)字信號(hào)，使用C語(yǔ)言編寫程序，設(shè)計(jì)的電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，時(shí)效性高。 關(guān)鍵詞：智能化；單片機(jī)最小系統(tǒng)；傳感器；驅(qū)動(dòng)電路 ABSTRACT From the first level of industrial intelligent facilities since birth, the development of intelligent faciliti

3、es has been broadened to include machinery, electronics, metallurgy, transportation, aerospace, defense and other fields. Intelligent facilities level rising in recent years, and rapidly, significantly changed the way people live. People in the process of thinking, improvement, learning and intellig

4、ence of replace the manual machine is more and more. This paper mainly discusses the intelligent tracking based on single chip microcomputer control process of the obstacle avoidance car. Intelligent automatic tracking is based on the driving circuit of the guidance system, to achieve automatic tra

5、cking car line; obstacle avoidance is the use of infrared sensor ranging system to realize the function to evade obstacles. Intelligent tracking obstacle avoidance car is a use different sensor , motor drive for power and automatic control technology to realize according to the procedures predetermi

6、ned mode, not by artificial management can realize the automatic tracking of obstacle avoidance navigation of high and new technology. The technology has been widely used in unmanned intelligent unmanned line, intelligent robot and so on many fields. Using infrared sensors for car tracking module t

7、o identify the guide line tracking, collecting analog signal and converts the signal into digital signal; Using C language to write the program, the design of the circuit structure is simple, easy to implement,timeliness is high. Keywords: Intelligent; Single chip microcomputer minimum system; The

8、Sensor; Driver circuit 目錄 第1章緒論1 1.1智能小車的發(fā)展近況與趨勢(shì)1 1.2課題研究的目的及意義1 1.3課題研究的主要內(nèi)容2 第2章方案設(shè)計(jì)3 2.1系統(tǒng)概述3 2.2硬件模塊方案3 2.3軟件模塊方案5 第3章硬件設(shè)計(jì)6 3.1電源模塊6 3.2核心控制模塊6 3.3循跡模塊7 3.4避障模塊8 3.5無(wú)線遙控模塊9 3.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊10 3.7拓展模塊13 第4章軟件模塊15 4.1循跡程序模塊15 4.2避障程序模塊16 4.3無(wú)線遙控程序模塊17 4.4尋光拓展程序模塊18 4.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)程序模塊19 第

9、5章系統(tǒng)測(cè)試與分析20 5.1硬件調(diào)試20 5.2軟件調(diào)試21 總結(jié)22 參考文獻(xiàn)：23 附錄24 致謝25 第1章 緒論 1.1智能小車的發(fā)展近況與趨勢(shì) 1.1.1智能小車的發(fā)展近況 現(xiàn)階段智能汽車的發(fā)展十分的迅速，從智能玩具到其他各行各業(yè)都有實(shí)質(zhì)性的結(jié)果[1]?；究梢詫?shí)現(xiàn)跟蹤和避障測(cè)試、光學(xué)信息存儲(chǔ)等日常生活中基本能夠涵蓋到的功能，智能汽車的電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽中的聲音控制系統(tǒng)開發(fā)以及人工智能化是近幾年中一個(gè)非常大的側(cè)重點(diǎn)。 1.1.2智能小車的發(fā)展趨勢(shì) 現(xiàn)今的智能小車的科技含量已經(jīng)非常的高了，目前在研究和發(fā)展階段的中，各種外部的傳感器構(gòu)成，使得小車能夠通過(guò)感官系統(tǒng)外

10、部環(huán)境的信息采集來(lái)進(jìn)行精密的描繪外部環(huán)境的變化[2]。智能循跡小車能根據(jù)環(huán)境的轉(zhuǎn)變，依靠其本身內(nèi)置的程序模塊知識(shí)庫(kù)，在很多十分復(fù)雜多變的場(chǎng)景中依舊能夠完成所制定的功能模塊，并具有一定的決策和適應(yīng)能力、自我學(xué)習(xí)能力和自我組織的能力[3]。為了讓智能小車能更加完善的完成預(yù)訂的功能模塊，在應(yīng)該所具有較高的智能化和普遍的應(yīng)用化技術(shù)研究，另一方面也應(yīng)該探討多類傳感器信息融合技術(shù)的發(fā)展，以獲得小車途徑中周圍環(huán)境更準(zhǔn)確，更全面的信息。 1.2課題研究的目的及意義 1.2.1課題研究目的 智能化機(jī)器人的不斷涌現(xiàn)和此技術(shù)的迅速發(fā)展，使得傳統(tǒng)的生產(chǎn)發(fā)生了根本的改變，讓人類的生產(chǎn)方式從繁重且機(jī)械式勞動(dòng)進(jìn)入到了

11、機(jī)械與自動(dòng)化智能的新時(shí)代。機(jī)器人技術(shù)是科學(xué)研究領(lǐng)域的一個(gè)極重要的焦點(diǎn)[4]。機(jī)器人研究集物理力學(xué)、電子、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)科學(xué)和自動(dòng)控制為一個(gè)有機(jī)整體，是一個(gè)綜合性十分強(qiáng)的全面化學(xué)科。 1.2.2課題研究意義 伴隨著社會(huì)的飛速發(fā)展，科學(xué)技術(shù)水平的提高，人們都希望創(chuàng)造一種能夠代替人類來(lái)完成部分的危險(xiǎn)或者其他的要求且擁有高等精度的工具，于是便誕生出了智能化學(xué)科?，F(xiàn)在所涌現(xiàn)出來(lái)的智能小車都發(fā)展的非常迅速，從智能化玩具到其他的各行各業(yè)都有了很大且實(shí)質(zhì)性的效果?？梢詫?shí)現(xiàn)基本的跟蹤循跡、避障、尋光進(jìn)庫(kù)、規(guī)避懸崖等功能，部分電子設(shè)計(jì)大賽的智能汽車的重點(diǎn)都在在語(yǔ)音控制系統(tǒng)開發(fā)上有了非常大的偏移。 1.3課

12、題研究的主要內(nèi)容 包括距離感應(yīng)器在內(nèi)的機(jī)器人傳感器，使得自動(dòng)化行駛成為一個(gè)機(jī)器人的重要組成部分。視覺傳感器的典型應(yīng)用領(lǐng)域就是自主智能導(dǎo)航系統(tǒng)，因?yàn)楦鞣N不同的視覺圖像處理技術(shù)的發(fā)展，機(jī)器視覺技術(shù)和基于圖像理解技術(shù)，需要通過(guò)大量的作業(yè)就可以知道一些簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)化的環(huán)境目標(biāo)[6]。核心的設(shè)備是一個(gè)自動(dòng)化場(chǎng)效應(yīng)管或視覺感光傳感器，視覺感光傳感器已經(jīng)能夠基本的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化對(duì)焦。但是視覺感光傳感器的價(jià)格昂貴，使用得其在某些方面的優(yōu)勢(shì)是非常微弱的，所以在不需要一個(gè)非常清晰的圖像而只需要粗略感覺下，自動(dòng)化場(chǎng)效應(yīng)管傳感器的使用系統(tǒng)被認(rèn)為是一個(gè)最為實(shí)用和有效的選擇方法。 機(jī)器人要達(dá)成獨(dú)立導(dǎo)向引導(dǎo)效果以及避障的功能

13、模塊，就必須要規(guī)范和感知障礙，這就需要給予智能化設(shè)備一個(gè)十分精準(zhǔn)的視覺引導(dǎo)線性函數(shù)。智能避障控制系統(tǒng)是基于自動(dòng)化智能引導(dǎo)車輛系統(tǒng)(AVG -自動(dòng)引導(dǎo)車輛)，在此系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)識(shí)別的基礎(chǔ)上，讓我們的智能汽車能夠自動(dòng)避開障礙，并且選擇正確的行駛道路[5]。使用一個(gè)優(yōu)秀可行的傳感器以及一個(gè)接近完美無(wú)重大問(wèn)題的函數(shù)算法是小車能夠作出正確的判斷和相應(yīng)的步驟的一個(gè)至關(guān)重要的點(diǎn)。 智能汽車已經(jīng)可以說(shuō)成為了智能機(jī)器人的一個(gè)十分典型的重要代表。它可以在結(jié)構(gòu)上大致的分為三個(gè)部分：傳感器檢測(cè)部分、執(zhí)行部分和中央智能處理器。機(jī)器人如果基本達(dá)成了自動(dòng)避讓障礙物的效果模塊，還能夠?qū)⒋斯δ軕?yīng)用到感知軌道、遠(yuǎn)離干擾物等其他方

14、面。 第2章 方案設(shè)計(jì) 2.1系統(tǒng)概述 根據(jù)實(shí)際的所需要求，所以使用以下解決方案：基于現(xiàn)有的電動(dòng)智能化玩具汽車，配備基礎(chǔ)并精準(zhǔn)的光電傳感器，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)智能小汽車的運(yùn)行速度、位置都能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中進(jìn)行處理，然后根據(jù)所檢測(cè)到的不同的測(cè)試數(shù)據(jù)，反饋到單片機(jī)以實(shí)現(xiàn)智能控制此智能化電動(dòng)小汽車。這個(gè)方案可以實(shí)現(xiàn)在進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)的過(guò)程中同時(shí)使得電氣控制具有靈活、可靠、精度高的特點(diǎn)[6]。 由單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的控制核心來(lái)控制的汽車性能指標(biāo)。一個(gè)完整的分析系統(tǒng)，關(guān)鍵是要意識(shí)到汽車的自動(dòng)控制，在這一點(diǎn)上，單片機(jī)將顯示其優(yōu)勢(shì)，其控制方便簡(jiǎn)單，迅速快捷。因此，可以充分利用其豐富的資源和更加

15、強(qiáng)大的控制功能，可以解決其他控制核心出現(xiàn)的操作功能，價(jià)格等缺點(diǎn)。 2.2硬件模塊方案 2.2.1硬件模塊系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 使用簡(jiǎn)潔明了的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。在智能循跡模塊中，使用紅外感應(yīng)以及高精度光電二極管來(lái)判斷所設(shè)置路徑，并進(jìn)行跟蹤功能的工作；在智能避障模塊中，使用超聲波測(cè)距模塊檢測(cè)前方障礙。在獲得傳感器數(shù)據(jù)后，然后再由單片機(jī)通過(guò)IO口控制驅(qū)動(dòng)模塊改變兩個(gè)直流電機(jī)的工作狀態(tài),最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)跟蹤。 如圖2.1所示： 圖2.1智能循跡小車控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 2.2.2各模塊功能概述 整體模塊可以分為以下幾個(gè)部分： 核心控制模塊：使用STC89C52單片機(jī)芯片作為主要控制單元。此單片機(jī)優(yōu)點(diǎn)十分的多，

16、也是我們?cè)诖髮W(xué)時(shí)使用頻率最高的一款單片機(jī)型號(hào)，因?yàn)槠渌哂械牟僮骱?jiǎn)便，成本低廉，抗干擾能力十分強(qiáng)的特點(diǎn)而受到廣大電子技術(shù)者的喜愛。 循跡模塊：使用了紅外傳感器，因?yàn)槠涞男盘?hào)穩(wěn)定性以及波形制式等原因，可以有效的減少外界的干擾因素所帶來(lái)的影響。信號(hào)采集部分相當(dāng)于是智能循跡避障小車的眼睛，黑色引導(dǎo)線的識(shí)別和執(zhí)行的高電平和低信號(hào)傳送到控制單元中，控制驅(qū)動(dòng)模塊和單片機(jī)指令生成控制兩個(gè)直流電機(jī)的工作狀態(tài),完成自動(dòng)跟蹤。 避障模塊：采用反射式超聲波測(cè)距換能器，只要有物體反射超聲波時(shí)就能有信號(hào)輸入，再將接受信號(hào)的計(jì)時(shí)器值減去發(fā)送信號(hào)時(shí)計(jì)數(shù)器的值，就可以得出小車至所測(cè)量到的干擾物的距離。將此距離信息發(fā)送給核

17、心控制模塊，單片機(jī)將會(huì)根據(jù)程序設(shè)定使小車的行駛發(fā)生偏移，從而達(dá)到規(guī)避干擾物的目的。 紅外遙控模塊：采紅外模塊分為一個(gè)紅外接受元器件與一個(gè)紅外發(fā)射元器件（即紅外遙控器），通過(guò)紅外發(fā)射元器件發(fā)射對(duì)應(yīng)頻率的紅外接受元器件中。使得紅外接受元器件的信號(hào)發(fā)生改變，再將這個(gè)信號(hào)傳送到單片機(jī)中，單片機(jī)開始輸出控制指令，從而實(shí)現(xiàn)紅外控制。 驅(qū)動(dòng)模塊：采取電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D作為智能循跡避障小車的驅(qū)動(dòng)。這是一款具備有穩(wěn)定的H橋電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的智能化芯片。L293D能夠同時(shí)對(duì)兩個(gè)直流電機(jī)進(jìn)行控制。L293D可以使用外部核心進(jìn)行控制，也可以使用單片機(jī)控制軟件,滿足各種復(fù)雜的電路。此外，L293D驅(qū)動(dòng)的功率較大，可

18、以根據(jù)不同的輸入電壓和輸出電壓的大小和功率選擇不同的負(fù)載能力[7]。 直流電機(jī)：分為左右兩個(gè)直流電機(jī)。相比異步電動(dòng)機(jī)，直流電機(jī)的控制方法更為簡(jiǎn)單，只需要添加適當(dāng)?shù)碾妷弘娋涂梢允闺姍C(jī)旋轉(zhuǎn)，在正常工作電壓范圍內(nèi)，電壓越高直流電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度越快。 電源模塊：由四節(jié)的1.5V的干電池作為電源。 2.3軟件模塊方案 現(xiàn)今，52系列單片機(jī)編程所使用的主要語(yǔ)言有兩種即匯編語(yǔ)言和C語(yǔ)言。 匯編語(yǔ)言是最接近機(jī)器語(yǔ)言，也是真正的面向?qū)ο蟮囊环N機(jī)器語(yǔ)言。它廣泛的應(yīng)用于程序相關(guān)的系統(tǒng)硬件，如訪問(wèn)I / O端口，中斷處理程序等等，是最快速和最具有效力的語(yǔ)言之一，在有一定的空間和時(shí)間需求的情況下使用匯編語(yǔ)言程序

19、是最好的選擇，但匯編語(yǔ)言也有其自身的缺點(diǎn)與局限性，如項(xiàng)目開發(fā)周期長(zhǎng)，浮點(diǎn)運(yùn)算處理緩慢，復(fù)雜的和糟糕的應(yīng)用程序的可移植性等等。 在程序設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)C語(yǔ)言的思想是：模塊化編程思想。在很多時(shí)候?yàn)榱擞行У赝瓿扇蝿?wù)，該語(yǔ)言將任務(wù)分為幾個(gè)相互獨(dú)立但仍然有著一定連接的一些個(gè)模塊。這些模塊中，每一個(gè)模塊的任務(wù)相對(duì)簡(jiǎn)單，其模塊對(duì)外部數(shù)據(jù)交換也相對(duì)輕松，易于編寫，容易檢測(cè)，易于閱讀和維護(hù)。而且C語(yǔ)音編程的可移植性強(qiáng)，便于更多的人來(lái)進(jìn)行修改和編寫。具體流程圖如下圖2.2所示： 圖2.2系統(tǒng)主程序流程圖 第3章硬件設(shè)計(jì) 3.1電源模塊 電源模塊只需所有器件采用統(tǒng)一的一種單一電源（即4節(jié)AA電池）。這樣供

20、電簡(jiǎn)單快捷、電壓穩(wěn)定，成本低廉。 3.2核心控制模塊 本次設(shè)計(jì)中所采用的控制中心為STC89C52RC。該模塊主要分為供電部分、晶振電路部分、復(fù)位電路部分、下載接口部分、控制部分五大塊。其中供電部分給予單片機(jī)電源能量動(dòng)力；晶振電路部分相當(dāng)于是單片機(jī)的心臟，給予單片機(jī)一個(gè)穩(wěn)定的時(shí)鐘，讓單片機(jī)能夠在此時(shí)鐘的基礎(chǔ)上制造一定的時(shí)序；復(fù)位電路部分是將單片機(jī)進(jìn)行初始化的過(guò)程中所需要的，在本次設(shè)計(jì)中并未使用；下載接口是用來(lái)給單片機(jī)進(jìn)行程序下載的；控制核心即單片機(jī)，相當(dāng)于是人類的大腦，整個(gè)設(shè)計(jì)的控制中心。 具體輸入輸出口配置如圖3.1所示： 圖3.1單片機(jī)系統(tǒng)簡(jiǎn)單原理圖 3.3循跡模塊 紅外感應(yīng)器

21、的傳輸方式因?yàn)槠淇垢蓴_能力強(qiáng)、發(fā)射功率十分的巨大，已普遍應(yīng)用于智能化生產(chǎn)[8]。紅外感應(yīng)器根據(jù)其工作形式的不同大體上可以分為主動(dòng)紅外探測(cè)器和被動(dòng)紅外探測(cè)器，這兩種工作模式都是通過(guò)光的陰影以及光學(xué)方法如反射、折射來(lái)檢測(cè)對(duì)象至目標(biāo)的位置。被動(dòng)紅外探測(cè)器本身是不發(fā)射光源的，它只能被動(dòng)的利用其他光源，通過(guò)接受目標(biāo)其所被發(fā)現(xiàn)的特殊性特征光譜輻射來(lái)測(cè)量并探測(cè)物體本身至目標(biāo)的位置、溫度或紅外成像。此工作模式下電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)十分的方便迅速，不過(guò)同時(shí)其功能精準(zhǔn)性以及模塊抗干擾能力也相對(duì)來(lái)說(shuō)比較差，主動(dòng)紅外探測(cè)器由于其調(diào)制模式的連接通信問(wèn)題，可以解決了交換耦合直流放大器漂移問(wèn)題，這樣就可以大大的提高探測(cè)精度。與此同

22、時(shí)，大部分的時(shí)間信號(hào)干擾由于環(huán)境光直流或低頻分量可以用所預(yù)先設(shè)計(jì)的過(guò)濾器加以隔離開來(lái)，所以抗干擾能力十分的強(qiáng)大，缺點(diǎn)是具有相對(duì)被動(dòng)紅外探測(cè)器來(lái)說(shuō)更為復(fù)雜的系統(tǒng)。具體原理圖如圖3.2所示。 圖3.2循跡模塊設(shè)計(jì)原理圖 根據(jù)方案選擇采用了被動(dòng)式紅外循跡檢測(cè)方法，這種方法根據(jù)使用所發(fā)射信號(hào)的在具有差異的對(duì)象的不同光譜中有不同的曲射特性，智能小汽車在地面中駕駛的連續(xù)過(guò)程中不斷的發(fā)射一定的特征紅外感光光線，特征紅外感光光線漫反射在地板上的白光再轉(zhuǎn)換為反射光，被安裝在小車底部的紅外自動(dòng)接收管；而我們預(yù)先設(shè)置好的黑色引導(dǎo)線會(huì)將特征紅外感光光線吸收，不可能會(huì)讓一個(gè)自動(dòng)紅外接收管所接收到。根據(jù)核心控制模塊所

23、接收到的信號(hào)反饋來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)引導(dǎo)線的距離以及小車的前進(jìn)方向進(jìn)行調(diào)整。紅外探測(cè)器探測(cè)范圍也是有一定局限性的，一般來(lái)說(shuō)是不會(huì)超過(guò)3厘米的。但由于我們是將紅外探測(cè)器安裝在小車底部，從地面近距離的漫反射到傳感器的距離十分的近，所以在此設(shè)計(jì)中紅外探測(cè)器的使用是足以實(shí)現(xiàn)跟蹤功能的。 3.4避障模塊 本次設(shè)計(jì)中采用的是反射式超聲波測(cè)距換能器，相比紅外傳感器，反射式超聲波測(cè)距換能器的設(shè)計(jì)模塊系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單方便，同時(shí)因?yàn)槠涑暡ǖ奶匦?，在不同的介質(zhì)中傳輸速度更為穩(wěn)定，而紅外避障模塊的整體設(shè)計(jì)更為復(fù)雜，抗干擾能力也相對(duì)反射式超聲波測(cè)距換能器來(lái)說(shuō)更差，所以使用反射式超聲波測(cè)距換能器更為合適。原理圖如圖3.3所示。

24、超聲波測(cè)距的原理是利用單片機(jī)持續(xù)的輸出一個(gè)頻率為40KHZ的輸出觸發(fā)電平信號(hào)，將之前所發(fā)出的輸出觸發(fā)電平信號(hào)通過(guò)三角針輸入至超聲波測(cè)距模塊，再通過(guò)發(fā)射器的一個(gè)方向發(fā)射超聲波，超聲波測(cè)距模塊在單片機(jī)軟件定時(shí)器時(shí)鐘電路的開始時(shí)刻開始進(jìn)行計(jì)數(shù)計(jì)時(shí)。超聲波在空氣中進(jìn)行傳播，遇到障礙物之后將會(huì)在進(jìn)行返回[9]。超聲波測(cè)距模塊接收到遇到障礙之后返回的反射波之后，接收到回波信號(hào)之后生成的響應(yīng)將會(huì)反饋到單片機(jī)，在這個(gè)時(shí)候單片機(jī)就會(huì)立即停止計(jì)時(shí)。如下圖是超聲波模塊的電路原理圖，由于超聲波的傳播速度為已知，故可以根據(jù)計(jì)時(shí)器開始記錄的時(shí)間，以及遇到一個(gè)障礙物之后返回時(shí)單片機(jī)收到的反饋時(shí)間就可以計(jì)算的距離。為使得超聲

25、波模塊能夠更加的精確，故將其獨(dú)立設(shè)置一個(gè)電源模塊，下圖3.4為超聲波模塊電源原理圖。 圖3.3超聲波模塊原理圖 圖3.4超聲波模塊電源原理圖 3.5無(wú)線遙控模塊 無(wú)線遙控模塊根據(jù)方案論證是使用紅外遙控來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 一般來(lái)說(shuō)常用的紅外遙控系統(tǒng)通常是由一個(gè)紅外發(fā)射器件（即紅外電子遙控器）以及紅外接受兩個(gè)模塊構(gòu)成的，使用已經(jīng)高度集成的專業(yè)編碼芯片運(yùn)行程序所需的指令。放射模塊一般都包括有：外設(shè)鍵盤矩陣、編碼調(diào)制解讀器、紅外發(fā)送器件等，而接受部分包括光電數(shù)模放大穩(wěn)壓器件、解碼電路、解調(diào)電路等部分構(gòu)成的。具體流程圖如圖3.5所示。 圖3.5紅外無(wú)線遙控系統(tǒng)示意圖 在紅外發(fā)射器（即遙控器）發(fā)射紅

26、外信號(hào)時(shí)，首先得根據(jù)信號(hào)的不同選擇相應(yīng)的矩陣按鍵，根據(jù)命令的不同，所需的按鍵遙控編碼也是不相同的。其具體的波形圖如圖3.6所示。 圖3.6紅外遙控解碼波形圖 紅外接受器件可以選擇使用集成了光電放大器一級(jí)紅外接收器于一體的紅外接受器件，不在需要外加任何的外部器件。十分的簡(jiǎn)潔方便。且能夠正常的完成由接受到的紅外信號(hào)到轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)的過(guò)程中的所有工作，同時(shí)體型相當(dāng)?shù)男∏?，相?yīng)的電路也更加簡(jiǎn)單。 3.6電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 3.6.1直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)的原理 直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)是根據(jù)一個(gè)穩(wěn)定的直流穩(wěn)壓電源的能量輸入，再根據(jù)輸入的電壓以及所設(shè)置的電路來(lái)輸出不同機(jī)械能的機(jī)械。如下圖所示為常用的驅(qū)動(dòng)電機(jī)原理內(nèi)部設(shè)計(jì)圖

27、。一般來(lái)說(shuō)我們稱呼這個(gè)電路為“H橋驅(qū)動(dòng)電路”，因?yàn)榇穗娐返恼w外形像是英文中的大寫字母的“H”[10]。一共有四個(gè)穩(wěn)壓電源的三極管環(huán)繞在驅(qū)動(dòng)電機(jī)的四周。要使得驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能夠正常的工作,必須要讓所處與對(duì)角線上的兩對(duì)穩(wěn)壓三極管同時(shí)導(dǎo)通。根據(jù)所需要求的不同，在不同的條件下穩(wěn)壓三極管的傳導(dǎo)電流的方向可變，可以是從左到右穿過(guò)電動(dòng)機(jī)，也可以是從右到左穿過(guò)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)。根據(jù)傳導(dǎo)電流方向的不同從而控制驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)向。如下圖3.7所示。 圖3.7“H”橋驅(qū)動(dòng)電路原理圖 如上所述，要使得驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)能夠正常的工作，必須要讓所處與對(duì)角線上的兩對(duì)穩(wěn)壓三極管同時(shí)導(dǎo)通。舉個(gè)例子：當(dāng)左上角的穩(wěn)壓三極管與處于其對(duì)角線的右下角

28、穩(wěn)壓三極管同時(shí)進(jìn)行工作，這個(gè)時(shí)候電機(jī)的電流就會(huì)從電源的正極經(jīng)過(guò)左上角穩(wěn)壓三極管從左至右穿過(guò)我們的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，之后再經(jīng)過(guò)右下角穩(wěn)壓三極管回到驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源的負(fù)極，此時(shí)電機(jī)將會(huì)向右偏移。這種狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。同理當(dāng)左下角穩(wěn)壓三極管與處于其對(duì)角線的右上角穩(wěn)壓三極管同時(shí)導(dǎo)通，這個(gè)時(shí)候電機(jī)的電流就會(huì)從電源的負(fù)極經(jīng)過(guò)左下角穩(wěn)壓三極管從右至左穿過(guò)我們的驅(qū)動(dòng)電機(jī)，之后再經(jīng)過(guò)右上角穩(wěn)壓三極管回到驅(qū)動(dòng)電機(jī)電源的正極。這種狀態(tài)下，驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)。 3.6.2直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 在本次設(shè)計(jì)中，直接使用封裝好的電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路，即使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L293D。 如下圖3.8為L(zhǎng)293D的電路圖： 圖3

29、.8L293D 電路圖 可以看出此芯片其內(nèi)部電路就是H橋驅(qū)動(dòng)電路。下圖3.9為L(zhǎng)293D的引腳圖： 圖3.9L293D引腳圖 相比于普通的直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)電路，使用L293D芯片是通過(guò)控制脈沖負(fù)載比算法來(lái)實(shí)現(xiàn)速度控制。這種方式具有更加良好的調(diào)速特性、平和調(diào)整速度、可調(diào)速度更大、裝載能力也更加強(qiáng)大。 由于在本次設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)電機(jī)是靠單片機(jī)來(lái)控制的。所以說(shuō)我們最終是靠單片機(jī)的I/O的脈沖來(lái)控制H橋中穩(wěn)壓三極管的導(dǎo)通與短路，從而控制直流驅(qū)動(dòng)電機(jī)封裝L293D進(jìn)行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、前進(jìn)或后退等不同的指令。 下表為L(zhǎng)293D芯片的四個(gè)輸出口在不同的導(dǎo)通情況下所執(zhí)行的狀態(tài)指令。 其中“1”指此I/O口輸出

30、高電平，“0”指此I/O口輸出低電平。 out1 out2 out3 out4 狀態(tài) 1 0 0 1 前行 0 1 1 0 后退 1 0 1 0 左轉(zhuǎn) 0 1 0 1 右轉(zhuǎn) 根據(jù)如上所示的原理即設(shè)計(jì)，便可得出如圖3.10所示的電路原理圖。 圖3.10電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊原理圖 3.7拓展模塊 在本次設(shè)計(jì)中，除了必要的循跡功能模塊以及避障功能模塊外，還加入了一些可拓展模塊。此類模塊功能更為復(fù)雜，所以完成難度更高。 3.7.1智能尋光模塊 智能尋光模塊中，尋光性的收集信息來(lái)源是使用光敏電阻的電氣特性，將電壓比較器的原始信號(hào)和處理信號(hào)輸入到單片機(jī)

31、中，利用此信號(hào)就能夠?qū)饩€的強(qiáng)弱進(jìn)行比較，從而得出光強(qiáng)的多少來(lái)完成相應(yīng)的模塊功能。利用軟件程序來(lái)代替冗長(zhǎng)的硬件原理模塊，這樣還可以使系統(tǒng)更加的靈活，使系統(tǒng)硬件更加的簡(jiǎn)潔，更容易實(shí)現(xiàn)各種各樣的功能[11]。 使用光敏電阻的電氣特性尋光有兩種方法：采用光敏二極管的感光特性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光源的檢測(cè)，在這種方法下，二極管響應(yīng)快，制作十分簡(jiǎn)潔，同時(shí)用到的材料還環(huán)保，但是一般靈敏度比光敏電阻低，而且穩(wěn)定性差；而利用光敏電阻的高靈敏感光特性，除了所得到的信號(hào)具有光譜特性一致性等優(yōu)點(diǎn)以外，在外部環(huán)境十分惡劣的情況下，也能夠十分穩(wěn)定的保持其功能模塊的可靠性；即使是在完全黑暗的環(huán)境里，它的電阻值依舊很高，而當(dāng)其受到光

32、線照射時(shí)，其電阻成線性函數(shù)關(guān)系改變。 下圖3.11為智能尋光拓展模塊原理圖。 圖3.11智能尋光拓展模塊原理圖 在此模塊中使用的電壓比較器是否適合是尋光模塊是否能夠運(yùn)行，運(yùn)行結(jié)果是否精準(zhǔn)的重點(diǎn)，在本次設(shè)計(jì)中我使用的是電壓比較器LM393。 如下圖3.12為L(zhǎng)M393電壓比較器內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。 圖3.12LM393內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 它可與光敏二極管的輸入端相連，接收由電阻值變化產(chǎn)生的光，將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為輸入電壓比較器的輸入電壓，該電壓信號(hào)的變化與電壓比較器的反相輸入端的基準(zhǔn)電壓相比，電壓比較器的輸出電壓高于電壓比較器的輸出電壓，這個(gè)時(shí)候同相電壓將會(huì)大于反向側(cè)電壓，當(dāng)相同的相電壓小于反向電壓時(shí)，

33、電壓比較器的輸出端將輸出一個(gè)低電平電壓，并且將電壓信號(hào)發(fā)送給單片機(jī)。從而能夠?qū)崿F(xiàn)尋光的目的[12]。 下圖3.13中為電壓比較器的引腳圖。 圖3.13LM393電壓比較器引腳圖 第4章 軟件模塊 4.1循跡程序模塊 智能循跡模塊流程圖如下圖4.1所示： 圖4.1 智能循跡模塊流程圖 當(dāng)單片機(jī)進(jìn)行初始化之后，智能循跡避障小車將會(huì)先前進(jìn)一小段，之后將會(huì)讓左前燈指示左前紅外探測(cè)狀態(tài)，即如果左側(cè)紅外探頭檢測(cè)到黑色引導(dǎo)線，探頭正常工作，則智能循跡避障小車前方左側(cè)指示燈就會(huì)發(fā)光。同理右前燈指示右前紅外探測(cè)狀態(tài)。同時(shí)，蜂鳴器根據(jù)紅外探頭的狀態(tài)開始發(fā)出聲音。 在初始化之后，單片機(jī)根據(jù)紅外探頭的

34、狀態(tài)檢測(cè)，與其對(duì)應(yīng)的I/O進(jìn)行掃描。再根據(jù)所得到的掃描結(jié)果檢測(cè)紅外探頭是否檢測(cè)到黑色引導(dǎo)線。假設(shè)右側(cè)紅外探頭沒有信號(hào)但左側(cè)紅外探頭有信號(hào)時(shí)，即黑色引導(dǎo)線在向左側(cè)偏移，此時(shí)開始電機(jī)開始左轉(zhuǎn)，在經(jīng)過(guò)十分短暫的延時(shí)之后，再次判斷是否還需繼續(xù)左轉(zhuǎn)，直至角度正確為止。同理，假設(shè)左側(cè)紅外探頭沒有信號(hào)但右側(cè)紅外探頭有信號(hào)時(shí)，即黑色引導(dǎo)線在向右側(cè)偏移，此時(shí)開始電機(jī)開始右轉(zhuǎn)，在經(jīng)過(guò)十分短暫的延時(shí)之后，再次判斷是否還需繼續(xù)左轉(zhuǎn)，直至角度正確為止。 4.2避障程序模塊 智能避障程序流程圖如下圖4.2所示： 圖4.2智能避障程序流程圖 智能避障程序主要是根據(jù)小車前方的避障模塊是否有接收到所發(fā)出的信號(hào)來(lái)決定的。

35、當(dāng)小車前方檢測(cè)到前方出現(xiàn)不明干擾物的時(shí)候，蜂鳴器將會(huì)開始鳴叫發(fā)聲，提示小車開始準(zhǔn)備避開障礙物。在這個(gè)時(shí)候小車開始停止運(yùn)行，為了防止穩(wěn)壓電機(jī)的反向沖擊電壓進(jìn)入單片機(jī)中，導(dǎo)致單片機(jī)系統(tǒng)開始初始化復(fù)位，從而使得程序壞死，故在此設(shè)置一個(gè)短暫的延時(shí)程序。在小車停止之后，為避開障礙物，小車將會(huì)開始向后行駛短暫的距離，使得障礙物與小車保持一定的空間。在成功避開障礙物后，驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始左向偏轉(zhuǎn)，小車左轉(zhuǎn)。待調(diào)整到一個(gè)合適的角度，小車?yán)^續(xù)向前行駛，直至其再次遇到其他障礙物。 4.3無(wú)線遙控程序模塊 無(wú)線紅外遙控程序模塊流程示意圖如下圖4.3所示： 圖4.3無(wú)線紅外遙控解碼程序流程圖 首先需要開始并且初始化

36、定時(shí)器，關(guān)閉外部中斷，防止再有信號(hào)到達(dá)紅外接收器中導(dǎo)致程序出現(xiàn)運(yùn)行死掉的情況，之后需要設(shè)置一個(gè)短暫的延時(shí)程序，用以進(jìn)行紅外發(fā)射器的按鍵消除抖動(dòng)。接著判斷紅外發(fā)射器的發(fā)射信號(hào)是否消失，如果消失則可能只是按鍵的抖動(dòng)，則程序不需要進(jìn)行執(zhí)行，這個(gè)時(shí)候可以再次打開外部中斷，并返回到程序開始。 在能夠檢測(cè)到紅外發(fā)射器的發(fā)射信號(hào)依舊持續(xù)存在的情況下，將會(huì)對(duì)接受到的紅外信號(hào)進(jìn)行一個(gè)相應(yīng)的采集，如上圖流程圖中，其實(shí)都只是按照相應(yīng)的編碼進(jìn)行一定的采集，從而確定紅外發(fā)射器所發(fā)出的指令信號(hào)具體是哪一個(gè)。原理圖如下圖4.4所示。 圖4.4無(wú)線紅外遙控原理圖 程序所設(shè)置的管腳以及無(wú)線紅外遙控整體原理圖如上圖所示，可

37、以看出紅外接受器件十分的簡(jiǎn)潔。在單片機(jī)接受到紅外發(fā)射器所發(fā)出的紅外信號(hào)，經(jīng)過(guò)紅外接收器件的信號(hào)接受之后，根據(jù)之前所述的程序解碼流程圖，單片機(jī)將會(huì)得到一個(gè)清晰明確的由紅外發(fā)射端所發(fā)射出的命令。根據(jù)這個(gè)命令，單片機(jī)將進(jìn)行相應(yīng)的指令。 目前由于驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇，故單片機(jī)能夠接受到的指令為驅(qū)動(dòng)電機(jī)的五種狀態(tài)，即：前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止。在單片機(jī)接受到這五個(gè)指令中的其中一種之后，將會(huì)開始調(diào)用驅(qū)動(dòng)電機(jī)程序模塊的子程序，來(lái)使小車進(jìn)行相應(yīng)的狀態(tài)改變。 4.4尋光拓展程序模塊 尋光拓展模塊是根據(jù)安裝在小車兩側(cè)的光敏電阻的阻值，經(jīng)過(guò)電壓比較器之后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由單片機(jī)根據(jù)此數(shù)字信號(hào)來(lái)進(jìn)行相應(yīng)處理的。

38、所以單片機(jī)將會(huì)一直讀取兩邊光敏電阻的輸出電壓是多少。在兩側(cè)的光敏電阻同時(shí)檢測(cè)到光源時(shí)，即小車整體都處于光線的照射下，這個(gè)時(shí)候驅(qū)動(dòng)電機(jī)將會(huì)保持直線前進(jìn)。然而，當(dāng)左側(cè)光敏電阻檢測(cè)到光線時(shí)且右側(cè)光敏電阻未檢測(cè)到光線時(shí)，單片機(jī)將會(huì)使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始停止前進(jìn)，并向左側(cè)方向偏轉(zhuǎn)，此時(shí)小車將會(huì)左轉(zhuǎn)；當(dāng)左側(cè)光敏電阻未檢測(cè)到光線時(shí)且右側(cè)光敏電阻檢測(cè)到光線時(shí)，單片機(jī)將會(huì)使得驅(qū)動(dòng)電機(jī)開始停止前進(jìn)，并向右側(cè)方向偏轉(zhuǎn)，此時(shí)小車將會(huì)右轉(zhuǎn)。當(dāng)左右兩側(cè)的光敏電阻都沒有檢測(cè)到光線時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)停止運(yùn)行，小車將會(huì)停下。 尋光拓展程序流程如圖4.5所示。 圖4.5尋光拓展模塊程序流程圖 4.5驅(qū)動(dòng)電機(jī)程序模塊 驅(qū)動(dòng)電機(jī)程序模塊

39、主要是根據(jù)下表來(lái)進(jìn)行配置單片機(jī)對(duì)應(yīng)的輸入輸出端口： M1A M1B M2A M2B 狀態(tài) 0 0 0 0 停止 1 0 1 0 前進(jìn) 0 1 0 1 后退 0 1 1 0 左轉(zhuǎn) 1 0 0 1 右轉(zhuǎn) 其程序輸入輸出端口的輸出電平情況是由單片機(jī)控制執(zhí)行的，當(dāng)電機(jī)M1的A、B兩個(gè)端口以及電機(jī)M2的A、B兩個(gè)端口輸出都為0時(shí)，電機(jī)停止運(yùn)行，小車禁止不動(dòng)；當(dāng)電機(jī)M1和電機(jī)M2的A端為1，且電機(jī)M1和電機(jī)M2的B端為0時(shí)，小車向前行駛；當(dāng)電機(jī)M1和電機(jī)M2的A端為0，且電機(jī)M1和電機(jī)M2的B端為1時(shí)，小車后退，向后行駛。當(dāng)電機(jī)M1的B端和電機(jī)

40、M2的A端為1，且電機(jī)M2的B端和電機(jī)M1的A端為0時(shí)，小車向左行駛；當(dāng)電機(jī)M1的B端和電機(jī)M2的A端為0，且電機(jī)M2的B端和電機(jī)M1的A端為1時(shí)，小車向右行駛。 第5章 系統(tǒng)測(cè)試與分析 依照本次論文的計(jì)劃選擇，總體體系調(diào)試分析大體上可分為硬件測(cè)試分析和軟件測(cè)試分析兩大類。由于硬件設(shè)計(jì)所使用的元器件種類及個(gè)數(shù)較為繁雜，故需先將元器件的原理圖脈絡(luò)整理清晰。 5.1硬件調(diào)試 在整體方案及模塊原理確定下來(lái)之后，還需對(duì)整體的原理圖以及單片機(jī)的各個(gè)輸入輸出端口進(jìn)行合理的分配。還要完整全面的對(duì)整體設(shè)計(jì)進(jìn)行思考，是否有哪些地方存在不足，有哪些地方還能有所改進(jìn)。 最終確定了如下圖5.1所示的原理圖：

41、 圖5.1智能循跡避障小車原理圖 在原理圖設(shè)計(jì)好之后開始整理元器件，根據(jù)所設(shè)計(jì)的原理圖對(duì)小車進(jìn)行相應(yīng)的焊接工作。焊接時(shí)要細(xì)致、仔細(xì)同是要對(duì)照原理圖檢查清楚，盡量的避免出現(xiàn)斷線、虛焊、假焊等問(wèn)題。 待焊接完成之后還需再次對(duì)電路板進(jìn)行一次檢查，在檢查無(wú)誤之后可以使用萬(wàn)用表進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)。首先使用用萬(wàn)用表測(cè)量主觀意識(shí)上認(rèn)為容易出現(xiàn)問(wèn)題的地方，之后對(duì)電路圖整體進(jìn)行測(cè)量檢測(cè)，要特別值得注意的是電源和地是否存在短路的問(wèn)題，一旦短路將會(huì)導(dǎo)致整個(gè)電路無(wú)法工作，嚴(yán)重的還會(huì)燒毀電路中的元器件。 在用萬(wàn)用表檢查清楚確認(rèn)無(wú)誤之后才能對(duì)電路板上電進(jìn)行檢查，當(dāng)給電路板加電時(shí)，要事先查看電子元器件的電源耐壓值是不是

42、處在元器件的額定合理值，上電后再用萬(wàn)用表的電壓檔查看關(guān)鍵點(diǎn)電壓是不是處在所需范圍內(nèi)。 上電之后開始測(cè)試各個(gè)模塊的功能是否正常。如出現(xiàn)問(wèn)題則對(duì)出現(xiàn)問(wèn)題的模塊進(jìn)行隔離，排查出現(xiàn)的問(wèn)題可能是由哪些原因?qū)е碌?，查找出原因后開始解決問(wèn)題。 在測(cè)試各個(gè)模塊的功能都正常時(shí)，還需要經(jīng)過(guò)調(diào)整循跡模塊功能板上的滑動(dòng)變阻器的阻值來(lái)調(diào)節(jié)紅外探測(cè)器的靈敏程度。靈敏度太大的話，會(huì)導(dǎo)致小車在環(huán)境不穩(wěn)定的情況下容易受到干擾，靈敏度太小的話可能導(dǎo)致小車無(wú)法正常的工作使用。需要多次實(shí)驗(yàn)調(diào)整到一個(gè)合適的值。 在小車各個(gè)模塊的功能能夠完美實(shí)現(xiàn)的情況下，對(duì)小車的器件以及連接的螺母，焊點(diǎn)等進(jìn)行加固，防止小車在行駛的過(guò)程中部件模塊掉

43、落等情況的出現(xiàn)。 5.2軟件調(diào)試 系統(tǒng)軟件模塊部分的調(diào)試的流程為：首先編寫各個(gè)模塊的獨(dú)立子程序，要注意的是不能夠出現(xiàn)全局變量導(dǎo)致模塊與模塊之間的變量沖突，編寫各個(gè)模塊的獨(dú)立子程序完成之后還需檢查清楚，程序是否每一步都是按照程序流程圖所繪制的走向，程序是否出現(xiàn)錯(cuò)誤，出現(xiàn)了錯(cuò)誤的問(wèn)題能否解決。 等各個(gè)模塊的獨(dú)立子程序編寫完成之后還需對(duì)整體程序進(jìn)行整合匯總。在匯總的過(guò)程中需要注意的是整體程序的流程指向，在調(diào)用子程序時(shí)是否合理，有沒有考慮不周全的地方，各個(gè)輸入輸出管腳的分配是否合理。這些問(wèn)題都解決之后開始運(yùn)行程序，對(duì)整個(gè)程序進(jìn)行測(cè)試調(diào)通。 程序確定沒有出現(xiàn)問(wèn)題之后開始匯編，并用Keil軟件生成

44、HEX文件燒寫至單片機(jī)中。觀察小車工作運(yùn)行是否正常。 通過(guò)軟件調(diào)試檢查出編寫的程序中出現(xiàn)過(guò)了許許多多各式各樣的問(wèn)題。經(jīng)過(guò)不知多少次的各個(gè)模塊的獨(dú)立子程序的修改，一步一步的慢慢的完善整體程序，來(lái)解決出現(xiàn)的問(wèn)題。 最終編寫出了一套可以穩(wěn)定使用的程序。 總結(jié) 參考文獻(xiàn)： [1] 謝自美·電子線路設(shè)計(jì).試驗(yàn).測(cè)試 [M] ·華中科技大學(xué)出版社，2004 [2] 宗光華·機(jī)器人的創(chuàng)意設(shè)計(jì)與實(shí)踐 [M] ·北京航空航天大學(xué)出版社，2004 [3] 肖景和·紅外線熱釋電與超聲波遙控電路[M] ·人民郵電出版社，2003 [4] 靳 桅·單片機(jī)原理及應(yīng)用[M] ·西南交通大學(xué)出版社，

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