赛车计时器的创作与发明_论文

1、赛车计时器的创作与发明 一 项目背景11 赛车模型计时器现状中小学开展的科普活动中最常见的是赛车类竞赛，除了常见的四驱车还有学生自己动手制作的橡筋动力车，手摇发电小车以及太阳能小车等。就目前来说，中小学生比赛通常采用人工计时的方法。从小学到现在，我们参加过很多比赛，裁判所使用的计时工具均为秒表或手机秒表。它们可以计时，但是它们存在的缺点是：（1）不能有效控制抢跑（2）比赛成绩只有裁判知道，不能完全做到比赛的公平公正。（3）对小学生来说，这种计时方法缺乏趣味性，不能很好的提高参赛小选手的积极性。12 新型计时器的特点因此，比赛中拥有一款公平、公正、高性能和趣味性高的计时器是尤为重要的。为此，我们

2、设计制作一套光电计时器，该计时器采用单片机为核心控制器，用光电传感器作为信号采集，高亮度8段数码管作为计时输出，“红、黄、绿”射灯作为操作指示灯，并用扬声器作为工作提示等等模块来实现所有功能。考虑到有些场合没有220V市电的电源，该系统自备了充电电池，可以连续放电8-10小时，便于携带。该计时器集声、光、电于一体，既做到了比赛的公平、公正性，同时也在一定程度上吸引了参赛选手，使得比赛的积极性大大提高了。二 机械结构设计21 机械装置本套计时器中，首先要做两个支架，为了方便描述，一个命名为“START”，作为赛车的起跑线，另一个命名为“END”，作为赛车的终点线。两个支架的材料有一定的要求：有一

3、定的强度、表面光滑、易于加工且经济实惠。通过与市场上相关商铺的交流，发现铝合金是比较理想的材料。最后选择了“760mm*760mm” 的铝合金方形材料，回来后由家长帮忙，加工成长为1100mm，高为300mm，底座宽为400mm的铝合金支架两套。“START”和“END”两套支架完全等大，稍有差别的就是其上开的孔的大小及位置有所不同。“START”横梁上开三个直径为30mm、间距为250mm的三个圆孔，安装“红、黄、绿”三个操作指示灯、右边还要安装一个按键，作为“开始”键，底座中还要打孔安装光电传感器和控制电路板；而“END”横梁上则安装5位八段数码管，用于工作指示和计时显示，在底座中，还要打

4、孔安装光电传感器、电源模块和扬声器，如图所示：示意图实物图考虑到太阳能小车比赛时要用到光源一般都用220V/45W的射灯作光源。为了使其在使用过程中有更高的安全性，我们在设计整个系统时由单片机控制一个继电器输出220V市电，来灵活的控制射灯（光源）的亮灭，同时也做到节能的作用。22 支架的装配和使用我们已经知道，两个看似简单的铝合金支架，其实已经承载了整个系统的各个模块，包括传感器模块、单片机模块、电源模块、通信模块及输出模块等等。那么，整套装置怎么安装使其协调工作呢？由上图我们看到，“START”和“END”之间有一根九芯的连接线，这根线起到了双重作用既通信又供电。我们可以看到，“END”底

5、座上设计了一个220V的电源插孔，并有一个带灯的电键，“END”可以从220V市电得到相应的电源。但是，为了简化供电方式、提高整个系统的安全性与可靠性，“START”并没有采用220V供电的方式，而是通过这根九芯的连接线，从“END”那边“借”来了12V直流电为其供电。所以，整个系统使用时，只要先将“START”和“END”之间的九芯的连接线接通，然后将“END”底座上的插头插入220V市电，打开电源开关即可。考虑到有些场合没有220V市电，我们已经在系统中设计了充电电池，可以连续放点8-10小时，充分满足了各种场合的需要。整个系统使用时，按照以上连接方式连接，置于平坦的地面或桌面均可。跑道长

6、度一般为3-10m均可。三 电路模块设计整个系统框架如图：传感器输入数码管输出处理器模块处理器模块电源模块通信模块通信模块传感器输入31 传感器模块311 方案一 激光器受到金山区青少年活动中心科技展教中心中“无弦琴”的激发，预采用激光器作为信号发射、光敏三极管（光敏电阻）作为信号接收器，来检测外部信号，也就是赛车是否在起跑线上或者在终点线上。但是，经过我们的实际试验发现，有几个问题是很难解决的：（1）激光器和光敏接收器要装在支架的两内侧，其间距为1000mm，而其光束直径只有3mm左右，在实际试验中发现，很难将激光对准接收管，稍有差错就会出现误动作；（2）为了方便使用和实验，我们采用红色激光

7、。实验发现，红色激光受外界光照的影响较大。因为白光里也有红色光的成分，外界光照强时，也会出现误动作。鉴于以上原因，方案一被否定。312 方案二 普通红外传感器鉴于方案一的经验，我们采用反射型的红外传感器，50-80元一只，价格便宜，而且发射管和接收管于一体，对面用一块反光板即可，解决了方案一中对准难的问题。想想，问题马上可以解决了，但是试验发现，对于强光照射仍然发射误动作。如果在室外比赛用的时候，正好遇到强光照射，整个系统马上就会瘫痪，所以方案二也失败了。313 方案三 进口光电传感器有了前两次的失败，这次再不是闭门造车，而是改为网上查阅资料。最后，我们采用了进口光电开关“E3F3”，该传感器

8、是欧姆龙系列的一款反射型的开关，抗外界干扰达到10000lx，也就是除了太阳强光直射，其它都可以正常工作的，完全符合我们的要求。如图所示32 单片机模块单片机是我们整个系统的核心。而在单片机世界里，单片机种类和型号数不胜数。通过查阅资料，我们选用速度快、低功耗、我们学习过的AVR系列单片机。对我们系统进一步的分析、系统对单片机片上资源的实际要求分析后，我们选用Mega8、和Mega16两款单片机作为控制器。其中，Mega8作为“START”的控制器，而“Mega16”作为“END”的控制器。1997年，由ATMEL公司挪威设计中心的A先生与V先生利用ATMEL公司的Flash新技术，共同研发出

9、RISC精简指令集的高速8位单片机，简称AVR。下面就Mega8和Mega16做简单介绍。Mega8LMega16LFlash/KB816EEPROM/字节512512最大I/O口数目2332中断数目1820外部中断口238位定时器2216位定时器11片内系统时钟YY系统时钟0-8MHZ0-8MHZSPI11TWI11USART1133 电源模块因为数码管、射灯、扬声器和传感器用12V电源，而单片机核心用5V电源，所以整个系统用两组电源。其中，支架里安装了一块12V/2A的开关电源，用于稳压恒流输出12V，而电路板上的三端稳压电路用于稳压恒流输出5V。整个系统采用两套供电方式220V市电和12

10、V可充电电池。在每块电路板上均设计了三端稳压电路，将12V直流电降压并稳压为5V输出。在设计整个系统时，为了使用的方便及安全性，将220V的市电插座和12V可充电电池设计在了“END”支架的底座，系统上电时，通过九芯的通信线给“START”支架供电，使用时只要将通信线连接，将220V市电插头连接，并打开电源开关即可。如果使用充电电池，直接打开电源开关即可。四 电路板的设计与制作41 电路板的设计电路板的设计涉及到很多专业知识，因此我们请活动中心老师为我们设计了整个硬件电路。老师用电路设计专用软件Protel，为我们设计了原理图及印版图，印版图如图所示：“END”印版图“START”印版图42

11、电路板的制作有了印版图，在老师的指导下，我们又用活动中心的电路制板机制作出了所需电路板。整个制版过程分为三步：第一：将设计好的电路图用激光打印机打印在转印纸上，然后将转印纸和干燥、干净的履铜胶木板紧贴在一起，放入140的热转印机中，如图所示：第二：将热转印好的履铜板拿出，放置片刻冷却后，将热转印纸掀起，即可看到线路图已经在铜皮上，将其放入三氯化铁水溶液的腐蚀剂中15-20分钟后，可以看到电路已经腐蚀好，如图所示：第三：用清水冲洗干净，用小台钻打孔，做后用砂纸将表面的油墨刷洗干净，涂一层助焊剂即可。热转印机腐蚀过程腐蚀完整的线路板43 元器件的安装通常，元器件的焊接方法都是大同小异的，只是各自的

12、安装方法略有不同，因此，就以7805三端稳压芯片为例： 焊接，自然而然是焊接其引脚，但由于与空气中的氧气发生氧化，引脚外部会覆盖一层致密的氧化膜，从而导致假焊的出现。因此首先，我们要用刀或砂纸将7805的引脚作360度全方位的打磨，直至引脚变得光亮； 随后，我们应立即将7805的引脚放入松香池中，然后用电烙铁头沾上焊锡，抵着引脚来回搪锡，直到全部搪上锡。 这样一来，一个7805才可以插入电路板上对应的孔中，随后用电烙铁焊上。有了制作好的线路板，就进行元器件的安装了。在老师的指导下，我们学会了焊装的基本技能，然后每人做一块电路板，先从电阻、电容装起，最后装好了整个线路图，如图所示安装好的电路板五

13、 程序的编写与调试51 流程图 52 程序代码本系统的起点和终点首先各自进行自检，然后通信告知就绪状态。按下绿色“Start”键，可以使终点单片机的计时器清零。在起点的单片机发出提示音，提示放入赛车，赛车应被放置在起点之后10-20cm的位置。当赛车穿过起点的瞬间，向终点单片机发出信号，使它开始计时，这样做可以避免抢跑的发生。终点的单片机收到信号后，开始计时并打开专门为太阳能小车提供的灯源。当赛车穿过终点，终点的单片机停止计时，向起点发送信号。起点发出提示音，计时结果就显示在终点的数码管上。再次按下“Start”键就可以开始新的比赛。本赛车计时器采用AVR-BASCOM编写，部分源代码如下：I

14、f Pind.3 = 0 Then Do 传感器检测到有遮挡物 Set Portc.0 红灯闪烁 Waitms 500 Reset Portc.0 Sound Portd.5 , 200 , 1500 发出“嘟”声警报 Waitms 500 Loop Until Pind.3 = 1Else传感器正常 Set Portc.0 Wait 1 Reset Portc.0 Sound Portd.5 , 200 , 280 Waitms 100 Sound Portd.5, 200, 280End IfWhile Udr &B10101010 等待终点“准备就绪”的信号 Set Portc.1 Wa

15、itms 500 Reset Portc.1 Sound Portd.5, 400, 1700 Waitms 500WendZerotimer: Set LightNlg = Gdata(1) 计时器清零Portc = &HFFMac_rstudrDo For I = 1 To 500 If Udr = Msg(go) Then Exit Do 等待起点赛车出发 Waitms 1 Next I Toggle SeparatorLoopFor I = 1 To 5 Nlgx(i) = 0Next ILoadnlg 装载显示数据Load Timer1 , 288Start Timer1六 系统特点1、开机自检，只要有遮挡物或通信失败都发出警报，直到故障排除；2、操作简便，放车计时开始，有效地控制比赛中的抢跑；3、集声、光、电于一体，具有很强的趣味性，极适于小学生的车模比赛；4、系统可以带电池工作，携带方便，不受场合的限制；5、整个系统采用单片机控制，具有很强的可靠性。七 制