張芳,，張震強(qiáng)

　　(陜西科技大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

       摘要：電腦鼠競(jìng)賽自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)由傳感器,、延時(shí)電路,、電平轉(zhuǎn)換電路、串口通信電路和PC組成,，包括了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì),、軟件界面和控制程序的設(shè)計(jì)。通過將軟硬件系統(tǒng)相結(jié)合,，本系統(tǒng)能夠滿足競(jìng)賽對(duì)高精度時(shí)間統(tǒng)計(jì)的要求,，并且能夠克服環(huán)境、人為等因素的影響,。按照IEEE的比賽規(guī)則,，能夠準(zhǔn)確地測(cè)量和計(jì)算電腦鼠的運(yùn)行時(shí)間，在比賽過程中自動(dòng)地對(duì)成績(jī)進(jìn)行大屏幕顯示和計(jì)算機(jī)存儲(chǔ),。本系統(tǒng)電路簡(jiǎn)單，測(cè)量精度和靈敏度高,，調(diào)試方便,，能夠充分發(fā)揮自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)在比賽中的實(shí)時(shí)觀測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督的作用。本系統(tǒng)已通過迷宮現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,，期望應(yīng)用于正式比賽,。

　　關(guān)鍵詞：電腦鼠競(jìng)賽；自動(dòng),；計(jì)時(shí)

0引言

　　“電腦鼠”,，英文名叫做 MicroMouse，是使用嵌入式微控制器,、傳感器和機(jī)電運(yùn)動(dòng)部件構(gòu)成的一種智能行走裝置,，可以在復(fù)雜迷宮中精確定位，自動(dòng)記憶和選擇路徑,，規(guī)避障礙,，尋找出口，采用相應(yīng)的算法,，最終快速地達(dá)到所設(shè)定的目的地［1］,。

　　首場(chǎng)電腦鼠迷宮競(jìng)賽于1979年在紐約舉行。 2009年由中國(guó)計(jì)算機(jī)學(xué)會(huì)嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會(huì)主辦了首屆全國(guó)電腦鼠走迷宮競(jìng)賽,，拉開了中國(guó)電腦鼠競(jìng)賽的大幕,。

　　競(jìng)賽的得分用“時(shí)間”來衡量，時(shí)間越短,，所獲得的成績(jī)也越高,。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)非接觸式的比賽自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)就顯得尤為重要,。本系統(tǒng)能夠克服環(huán)境,、人為等因素的影響，按照IEEE的比賽規(guī)則要求,，準(zhǔn)確地測(cè)量和計(jì)算電腦鼠的比賽時(shí)間,。此外，該系統(tǒng)還具有遠(yuǎn)程傳送和大屏幕顯示的能力,，便于實(shí)時(shí)觀測(cè),，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督。

1電腦鼠走迷宮競(jìng)賽主要規(guī)則

　　本系統(tǒng)以IEEE電腦鼠走迷宮競(jìng)賽規(guī)則為設(shè)計(jì)依據(jù)［2］,。主要規(guī)則如下：

　　電腦鼠的基本功能是從起點(diǎn)開始走到終點(diǎn),，比賽中，每一次的成績(jī)都由運(yùn)行時(shí)間,、迷宮時(shí)間和碰觸獎(jiǎng)懲三部分組成,。競(jìng)賽使用這3個(gè)參數(shù)，從速度﹑求解迷宮的效率和電腦鼠的可靠性三方面進(jìn)行評(píng)分,。

　?。?）運(yùn)行時(shí)間,。電腦鼠每次從迷宮起點(diǎn)走到終點(diǎn)所用時(shí)間稱為“運(yùn)行時(shí)間”。競(jìng)賽中,，電腦鼠在迷宮中的總時(shí)間不可超過15 min,。

　　（2）迷宮時(shí)間,。從電腦鼠的第一次激活到每次運(yùn)行開始所用時(shí)間稱為“迷宮時(shí)間”,。

　　（3）碰觸獎(jiǎng)懲,。電腦鼠啟動(dòng)運(yùn)行后出現(xiàn)故障,，允許操作員手動(dòng)電腦鼠使其繼續(xù)行走或?qū)㈦娔X鼠從迷宮取出，放到起點(diǎn)重新啟動(dòng)運(yùn)行,，該動(dòng)作稱為“碰觸”,，但不能超過3次。

　?。?）成績(jī)的計(jì)算,。得分通過計(jì)算每次“排障時(shí)間”來衡量：排障時(shí)間=迷宮時(shí)間/30+運(yùn)行時(shí)間+碰觸獎(jiǎng)懲。

　　電腦鼠在規(guī)定時(shí)間內(nèi)允許運(yùn)行多次,，取最短排障時(shí)間作為最好成績(jī),。

2系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

　　本系統(tǒng)根據(jù)競(jìng)賽規(guī)則要求，選用PC代替單片機(jī)作為控制器,，PC既是顯示器件同時(shí)也是控制器件,，對(duì)PC的利用率大大提高，將上位機(jī)的控制作為主導(dǎo),，整個(gè)系統(tǒng)盡可能少地使用元器件,，簡(jiǎn)化硬件電路。

　　系統(tǒng)采用激光管及其接收電路采集計(jì)時(shí)信號(hào),，經(jīng)過信號(hào)處理部分,，將輸出的電平信號(hào)直接輸入PC串口的特定引腳，PC采用Visual Basic編程語言構(gòu)建計(jì)時(shí)系統(tǒng)界面,，同時(shí)利用軟件編寫串行口通訊程序,，通過對(duì)串行口引腳狀態(tài)的判斷，執(zhí)行相應(yīng)的計(jì)時(shí)控制程序,。利用鼠標(biāo)對(duì)上位機(jī)系統(tǒng)界面進(jìn)行操作,，并在大屏幕上顯示當(dāng)前內(nèi)容和數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)參賽電腦鼠的運(yùn)行時(shí)間,、迷宮時(shí)間,、碰觸次數(shù)、本次成績(jī),、最好成績(jī)的實(shí)時(shí)顯示,、控制及存儲(chǔ),。

　　系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

3硬件設(shè)計(jì)

　　本系統(tǒng)硬件部分的整體框圖如圖2所示,。

       3.1傳感器的安裝及其工作電路

　　由圖2所示，在迷宮起點(diǎn)單元,，一面墻壁內(nèi)部嵌入激光管,，該激光管使用+3 V紐扣電池驅(qū)動(dòng)發(fā)光。發(fā)出的激光照射到迷宮單元格的對(duì)面墻壁上,，在該墻壁上激光所照的點(diǎn)處嵌入光敏電阻,，該光敏電阻連入比較器電路中。

　　當(dāng)沒有電腦鼠經(jīng)過迷宮起點(diǎn)單元,，即有激光照射到光敏電阻上時(shí),，光敏電阻阻值很小，比較器輸出+10 V電壓,；當(dāng)電腦鼠經(jīng)過起點(diǎn)單元,，即激光被阻斷，沒有激光照射到光敏電阻上時(shí),，光敏電阻阻值很大,，比較器輸出0 V電壓。通過高低電平的變換實(shí)現(xiàn)對(duì)起點(diǎn)單元信號(hào)的檢測(cè),。

　　迷宮終點(diǎn)的傳感器安裝方式及其工作電路同理,。

　　3.2信號(hào)處理電路

　　由于傳感器響應(yīng)周期很短，若參加比賽的電腦鼠車體形狀不規(guī)則,，小車經(jīng)過計(jì)時(shí)區(qū)時(shí),，很可能觸發(fā)傳感器對(duì)信號(hào)進(jìn)行多次采集。本系統(tǒng)采用555定時(shí)器連接而成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實(shí)現(xiàn)延時(shí)消抖,，將傳感器輸出的信號(hào)進(jìn)行一定的延時(shí)處理,，從而保證車體每經(jīng)過一次，傳感器僅采集一次開關(guān)量信號(hào),。

　　3.3串口電路

　　串口電路的設(shè)計(jì)是本系統(tǒng)的難點(diǎn),，同時(shí)也是本設(shè)計(jì)的一項(xiàng)創(chuàng)新點(diǎn)。

　　不同于一般的單片機(jī)與PC的串行通訊［3-4］,，由于本系統(tǒng)為PC控制,，采集到的開關(guān)量信號(hào)直接從PC串口的某一針腳輸入，通過檢測(cè)串口針腳的狀態(tài)來得到計(jì)時(shí)脈沖信號(hào),。

　　RS-232C總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,，RTS、CTS,、DSR,、DTR和DCD等控制線上信號(hào)有效（接通,，ON狀態(tài)，正電壓）為+3 V～+15 V ,，信號(hào)無效（斷開,，OFF狀態(tài)，負(fù)電壓)為-3 V～-15 V,。本系統(tǒng)傳感器電路的輸出無車經(jīng)過時(shí)為高電平+10 V,，有車經(jīng)過時(shí)為低電平0 V，而該電平是串口針腳所不能識(shí)別的,。

　　因此,，利用了OP07作為比較器構(gòu)成電平轉(zhuǎn)換電路，將輸出的脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為串口可識(shí)別的±12 V電壓,，再從RS232C輸入計(jì)算機(jī),。DB9的CTS腳接起點(diǎn)信號(hào)的輸出端，DCD腳接終點(diǎn)信號(hào)的輸出端,，GND腳接地,。具體連線方法如圖3所示。

　　當(dāng)小車經(jīng)過起點(diǎn)傳感器時(shí),，起點(diǎn)信號(hào)輸出為+12 V,，CTS有效，獲得起點(diǎn)的計(jì)時(shí)脈沖信號(hào),，同理,，當(dāng)小車經(jīng)過終點(diǎn)傳感器時(shí)，終點(diǎn)信號(hào)輸出為+12 V,，DCD有效,，獲得終點(diǎn)的計(jì)時(shí)脈沖信號(hào)，從而控制系統(tǒng)進(jìn)行計(jì)時(shí),。

4軟件設(shè)計(jì)

　　軟件是控制電路的靈魂,，上位機(jī)程序的編寫是本設(shè)計(jì)研究的核心，也是本計(jì)時(shí)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵所在,。本系統(tǒng)使用可視化編程語言Visual Basic進(jìn)行操作界面和控制程序的設(shè)計(jì)［5］,。

　　4.1流程圖

　　軟件設(shè)計(jì)的主程序流程圖如圖4所示。

　　4.2界面模塊

　　界面模塊由標(biāo)題欄,、計(jì)時(shí)顯示,、按鍵控制、參賽組提示4個(gè)主要部分組成,，如圖5所示,。

　　其中，計(jì)時(shí)顯示部分包括本次運(yùn)行時(shí)間、本次迷宮時(shí)間,、總時(shí)間,、本次成績(jī)、碰觸次數(shù)和最好成績(jī)共六部分,；按鍵控制部分包括開始,、碰觸和清零共三部分。

　　4.3工作過程

　　裁判員單擊“開始”按鍵,，激活比賽計(jì)時(shí)系統(tǒng),。

　　控制程序以查詢方式每隔一段時(shí)間檢測(cè)起點(diǎn)信號(hào)狀態(tài)，當(dāng)CTS線為高電平時(shí),，表示電腦鼠進(jìn)入迷宮起點(diǎn)，計(jì)時(shí)程序開始執(zhí)行,，同時(shí),，在界面模塊上實(shí)時(shí)顯示本次運(yùn)行時(shí)間、迷宮時(shí)間和總時(shí)間,，并將該時(shí)間值存入相應(yīng)數(shù)組中,。

　　電腦鼠繼續(xù)在迷宮中運(yùn)行，控制程序檢測(cè)終點(diǎn)信號(hào)的狀態(tài),，當(dāng)DCD線為高電平時(shí),，表示電腦鼠進(jìn)入迷宮終點(diǎn)，獲取當(dāng)前時(shí)間,，計(jì)算并顯示本次成績(jī),。

　　電腦鼠允許在規(guī)定的15 min內(nèi)運(yùn)行任意次，因此,，電腦鼠回到起點(diǎn)再次進(jìn)入迷宮后,，本次運(yùn)行時(shí)間、本次迷宮時(shí)間和本次成績(jī)由電腦鼠新一次的情況給出,，選擇各次成績(jī)中最短用時(shí)作為最好成績(jī),。

　　比賽過程中，電腦鼠每發(fā)生一次碰觸事件,，裁判員單擊“碰觸”按鍵,，顯示碰觸次數(shù)加1，相應(yīng)地碰觸獎(jiǎng)懲時(shí)間改變,，當(dāng)碰觸次數(shù)達(dá)到4次時(shí),，顯示“停賽！”,。

　　當(dāng)前組比賽停止后,，裁判員單擊“清零”按鍵，清除本輪比賽記錄,，當(dāng)前組號(hào)和將要參賽的組號(hào)各加1,，為進(jìn)行下一組比賽做準(zhǔn)備,。

5現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及結(jié)論

　　同時(shí)使用人工秒表和自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)兩種方案進(jìn)行迷宮現(xiàn)場(chǎng)計(jì)時(shí)。迷宮現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示,。

　　由測(cè)試結(jié)果可以看出,，電腦鼠競(jìng)賽自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)，克服了人工秒表計(jì)時(shí)人力資源浪費(fèi)大,、計(jì)時(shí)誤差大,、不能實(shí)時(shí)顯示等缺點(diǎn)，對(duì)資源的利用更為合理,。按照比賽規(guī)則,，可準(zhǔn)確測(cè)量和計(jì)算電腦鼠的運(yùn)行時(shí)間，在比賽過程中自動(dòng)對(duì)成績(jī)進(jìn)行測(cè)定,、顯示與存儲(chǔ),，具有遠(yuǎn)距離傳送和大屏幕顯示的能力，并且滿足電路簡(jiǎn)單,、測(cè)量精度和靈敏度高,、調(diào)試方便的要求，能夠充分發(fā)揮非接觸式自動(dòng)計(jì)時(shí)系統(tǒng)在比賽中的實(shí)時(shí)觀測(cè),、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督的作用,。本系統(tǒng)已經(jīng)用于校內(nèi)的電腦鼠比賽中，工作穩(wěn)定,。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 周立功．IEEE電腦鼠開發(fā)指南［M］．廣州：廣州致遠(yuǎn)電子有限公司，2008．

　?。?］ 2009全國(guó)“電腦鼠走迷宮”競(jìng)賽組委會(huì)．2009全國(guó)“電腦鼠走迷宮”競(jìng)賽 ［EB/OL］．（2009-11-01）［2016-06-20］. http://www.micromouse.com.cn．2009 11 01/2010 01  12．

　?。?］ 顧星辰，胡仁杰,，馬智勇． AVR單片機(jī)和Matlab串口通信的計(jì)時(shí)器系統(tǒng)［J］．單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,，2013，13(3)：25-27．

　?。?］ 梁振濤,，樊澤明，任永亮,，等．基于單片機(jī)的移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)［J］．微型機(jī)與應(yīng)用,，2014,33(2)：25-27．

　　［5］ 邵昊舒． 基于VB的英國(guó)議會(huì)制辯論賽計(jì)時(shí)器的設(shè)計(jì)開發(fā)［J］．電子測(cè)試,，2015(4)：1-3．