張芳，張震強
(陜西科技大學 電氣與信息工程學院，陜西 西安 710021）
摘要：電腦鼠競賽自動計時系統(tǒng)由傳感器、延時電路、電平轉換電路、串口通信電路和PC組成，包括了系統(tǒng)的硬件設計、軟件界面和控制程序的設計。通過將軟硬件系統(tǒng)相結合，本系統(tǒng)能夠滿足競賽對高精度時間統(tǒng)計的要求，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，能夠準確地測量和計算電腦鼠的運行時間，在比賽過程中自動地對成績進行大屏幕顯示和計算機存儲。本系統(tǒng)電路簡單，測量精度和靈敏度高，調試方便，能夠充分發(fā)揮自動計時系統(tǒng)在比賽中的實時觀測、現(xiàn)場監(jiān)督的作用。本系統(tǒng)已通過迷宮現(xiàn)場測試，期望應用于正式比賽。
關鍵詞：電腦鼠競賽；自動；計時
0引言
“電腦鼠”，英文名叫做 MicroMouse，是使用嵌入式微控制器、傳感器和機電運動部件構成的一種智能行走裝置，可以在復雜迷宮中精確定位，自動記憶和選擇路徑，規(guī)避障礙，尋找出口，采用相應的算法，最終快速地達到所設定的目的地［1］。
首場電腦鼠迷宮競賽于1979年在紐約舉行。 2009年由中國計算機學會嵌入式系統(tǒng)專業(yè)委員會主辦了首屆全國電腦鼠走迷宮競賽，拉開了中國電腦鼠競賽的大幕。
競賽的得分用“時間”來衡量，時間越短，所獲得的成績也越高。因此，設計一個非接觸式的比賽自動計時系統(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，準確地測量和計算電腦鼠的比賽時間。此外，該系統(tǒng)還具有遠程傳送和大屏幕顯示的能力，便于實時觀測，現(xiàn)場監(jiān)督。
1電腦鼠走迷宮競賽主要規(guī)則
本系統(tǒng)以IEEE電腦鼠走迷宮競賽規(guī)則為設計依據［2］。主要規(guī)則如下：
電腦鼠的基本功能是從起點開始走到終點，比賽中，每一次的成績都由運行時間、迷宮時間和碰觸獎懲三部分組成。競賽使用這3個參數，從速度﹑求解迷宮的效率和電腦鼠的可靠性三方面進行評分。
?。?）運行時間。電腦鼠每次從迷宮起點走到終點所用時間稱為“運行時間”。競賽中，電腦鼠在迷宮中的總時間不可超過15 min。
（2）迷宮時間。從電腦鼠的第一次激活到每次運行開始所用時間稱為“迷宮時間”。
（3）碰觸獎懲。電腦鼠啟動運行后出現(xiàn)故障，允許操作員手動電腦鼠使其繼續(xù)行走或將電腦鼠從迷宮取出，放到起點重新啟動運行，該動作稱為“碰觸”，但不能超過3次。
（4）成績的計算。得分通過計算每次“排障時間”來衡量：排障時間=迷宮時間/30+運行時間+碰觸獎懲。
電腦鼠在規(guī)定時間內允許運行多次，取最短排障時間作為最好成績。
2系統(tǒng)設計原理
本系統(tǒng)根據競賽規(guī)則要求，選用PC代替單片機作為控制器，PC既是顯示器件同時也是控制器件，對PC的利用率大大提高，將上位機的控制作為主導，整個系統(tǒng)盡可能少地使用元器件，簡化硬件電路。
系統(tǒng)采用激光管及其接收電路采集計時信號，經過信號處理部分，將輸出的電平信號直接輸入PC串口的特定引腳，PC采用Visual Basic編程語言構建計時系統(tǒng)界面，同時利用軟件編寫串行口通訊程序，通過對串行口引腳狀態(tài)的判斷，執(zhí)行相應的計時控制程序。利用鼠標對上位機系統(tǒng)界面進行操作，并在大屏幕上顯示當前內容和數據，實現(xiàn)對參賽電腦鼠的運行時間、迷宮時間、碰觸次數、本次成績、最好成績的實時顯示、控制及存儲。
系統(tǒng)的整體設計框圖如圖1所示。
3硬件設計
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，在迷宮起點單元，一面墻壁內部嵌入激光管，該激光管使用+3 V紐扣電池驅動發(fā)光。發(fā)出的激光照射到迷宮單元格的對面墻壁上，在該墻壁上激光所照的點處嵌入光敏電阻，該光敏電阻連入比較器電路中。
當沒有電腦鼠經過迷宮起點單元，即有激光照射到光敏電阻上時，光敏電阻阻值很小，比較器輸出+10 V電壓；當電腦鼠經過起點單元，即激光被阻斷，沒有激光照射到光敏電阻上時，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現(xiàn)對起點單元信號的檢測。
迷宮終點的傳感器安裝方式及其工作電路同理。
3.2信號處理電路
由于傳感器響應周期很短，若參加比賽的電腦鼠車體形狀不規(guī)則，小車經過計時區(qū)時，很可能觸發(fā)傳感器對信號進行多次采集。本系統(tǒng)采用555定時器連接而成的單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器實現(xiàn)延時消抖，將傳感器輸出的信號進行一定的延時處理，從而保證車體每經過一次，傳感器僅采集一次開關量信號。
3.3串口電路
串口電路的設計是本系統(tǒng)的難點，同時也是本設計的一項創(chuàng)新點。
不同于一般的單片機與PC的串行通訊［3-4］，由于本系統(tǒng)為PC控制，采集到的開關量信號直接從PC串口的某一針腳輸入，通過檢測串口針腳的狀態(tài)來得到計時脈沖信號。
RS-232C總線標準規(guī)定，RTS、CTS、DSR、DTR和DCD等控制線上信號有效（接通，ON狀態(tài)，正電壓）為+3 V～+15 V ，信號無效（斷開，OFF狀態(tài)，負電壓)為-3 V～-15 V。本系統(tǒng)傳感器電路的輸出無車經過時為高電平+10 V，有車經過時為低電平0 V，而該電平是串口針腳所不能識別的。
因此，利用了OP07作為比較器構成電平轉換電路，將輸出的脈沖信號轉換為串口可識別的±12 V電壓，再從RS232C輸入計算機。DB9的CTS腳接起點信號的輸出端，DCD腳接終點信號的輸出端，GND腳接地。具體連線方法如圖3所示。
當小車經過起點傳感器時，起點信號輸出為+12 V，CTS有效，獲得起點的計時脈沖信號，同理，當小車經過終點傳感器時，終點信號輸出為+12 V，DCD有效，獲得終點的計時脈沖信號，從而控制系統(tǒng)進行計時。
4軟件設計
軟件是控制電路的靈魂，上位機程序的編寫是本設計研究的核心，也是本計時系統(tǒng)功能實現(xiàn)的關鍵所在。本系統(tǒng)使用可視化編程語言Visual Basic進行操作界面和控制程序的設計［5］。
4.1流程圖
軟件設計的主程序流程圖如圖4所示。
4.2界面模塊
界面模塊由標題欄、計時顯示、按鍵控制、參賽組提示4個主要部分組成，如圖5所示。
其中，計時顯示部分包括本次運行時間、本次迷宮時間、總時間、本次成績、碰觸次數和最好成績共六部分；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，激活比賽計時系統(tǒng)。
控制程序以查詢方式每隔一段時間檢測起點信號狀態(tài)，當CTS線為高電平時，表示電腦鼠進入迷宮起點，計時程序開始執(zhí)行，同時，在界面模塊上實時顯示本次運行時間、迷宮時間和總時間，并將該時間值存入相應數組中。
電腦鼠繼續(xù)在迷宮中運行，控制程序檢測終點信號的狀態(tài)，當DCD線為高電平時，表示電腦鼠進入迷宮終點，獲取當前時間，計算并顯示本次成績。
電腦鼠允許在規(guī)定的15 min內運行任意次，因此，電腦鼠回到起點再次進入迷宮后，本次運行時間、本次迷宮時間和本次成績由電腦鼠新一次的情況給出，選擇各次成績中最短用時作為最好成績。
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，顯示碰觸次數加1，相應地碰觸獎懲時間改變，當碰觸次數達到4次時，顯示“停賽！”。
當前組比賽停止后，裁判員單擊“清零”按鍵，清除本輪比賽記錄，當前組號和將要參賽的組號各加1，為進行下一組比賽做準備。
5現(xiàn)場測試及結論
同時使用人工秒表和自動計時系統(tǒng)兩種方案進行迷宮現(xiàn)場計時。迷宮現(xiàn)場測試數據如表1所示。
由測試結果可以看出，電腦鼠競賽自動計時系統(tǒng)，克服了人工秒表計時人力資源浪費大、計時誤差大、不能實時顯示等缺點，對資源的利用更為合理。按照比賽規(guī)則，可準確測量和計算電腦鼠的運行時間，在比賽過程中自動對成績進行測定、顯示與存儲，具有遠距離傳送和大屏幕顯示的能力，并且滿足電路簡單、測量精度和靈敏度高、調試方便的要求，能夠充分發(fā)揮非接觸式自動計時系統(tǒng)在比賽中的實時觀測、現(xiàn)場監(jiān)督的作用。本系統(tǒng)已經用于校內的電腦鼠比賽中，工作穩(wěn)定。
參考文獻
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