【正文】 地點(diǎn)并快速獲取環(huán)境狀況。 這些都充分表明，智能小車雖然是在不斷發(fā)展，但是都難以在真實(shí)的災(zāi)難現(xiàn)場發(fā)揮作用。相比之下，國內(nèi)對移動(dòng)機(jī)器人的研究要晚于國 外，因此我國的智能探測小車還有很大的發(fā)展空間。 第 節(jié) 研究目的與研究方法 本小車可應(yīng)用于科學(xué)勘探，災(zāi)難現(xiàn)場的探測和協(xié)助救援。 （ 1）科學(xué)勘探：本小車可以很大程度上代替工作人員進(jìn)行實(shí)地勘探，從而在節(jié)省人力資源，保障人身安全，提高工程落實(shí)的效率等眾多方面大有裨益。 （ 2）災(zāi)難現(xiàn)場的探測和協(xié)助救援：對于近年自然災(zāi)害頻發(fā)，諸如地震、火災(zāi)等北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 3 給人類造成巨大損失，為盡可能減少損害，高效準(zhǔn)確的組織災(zāi)后救援等相關(guān)工作已十分重要，本小車可以到達(dá)危險(xiǎn)或者人員不易到達(dá)的環(huán)境，可以探測環(huán)境信息以實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)、 有針對性的后續(xù)救援；可以運(yùn)送物品協(xié)助救援。 （ 1） 文獻(xiàn)法。本研究涉及 單片機(jī)編程 、 無線數(shù)據(jù)傳輸 、 多模塊結(jié)合等技術(shù) ， 需要對涉及的知識精通才能實(shí)現(xiàn)方案的成功設(shè)計(jì)，只有通過對大量相關(guān)書籍期刊進(jìn)行閱讀、 整理 、 分析，才能得到有價(jià)值的研究資料。因此，本研究把文獻(xiàn)法作為最重要的研究方法。 （ 2） 觀察 法。 科學(xué)的觀察具有目的性和計(jì)劃性、系統(tǒng)性和可重復(fù)性。在科學(xué)實(shí)驗(yàn)和調(diào)查研究中，觀察法具有擴(kuò)大人們的感性認(rèn)識 、 啟發(fā)人們的思維 、 導(dǎo)致新的發(fā)現(xiàn)等 幾個(gè)方面的作用。 因此對于本研究有很大幫助。 第 節(jié) 設(shè)計(jì)任務(wù) 本 次 設(shè)計(jì) 制作的 這款 小車 以單片機(jī)為控制核心，搭配溫度傳感器、 LCD 顯示 模塊 、無線數(shù)傳模塊、以及 GPS 模塊，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙控、溫度采集及上限報(bào)警、 GPS 定位、無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ? 。 當(dāng)小車開關(guān)打開之后，小車上的單片機(jī)等待上位機(jī)的指令，操作人員通過 上位 機(jī)端的終端發(fā)送指令，通過無線數(shù)傳模塊傳送至小車端的單片機(jī)，小車端的單片機(jī)判斷指令前往預(yù)定的目基地，到達(dá)指定地點(diǎn)之后，采集周邊的數(shù)據(jù)（溫濕度、經(jīng)緯度、海拔等）通過 數(shù)傳模塊 傳送至 上位機(jī)，以便 操作人員 能夠 及時(shí) 掌握 準(zhǔn)確的監(jiān)控目基地周邊的情況。本車以采集溫度和經(jīng)緯度為例， 豐富了小車作為 一個(gè)多功能移動(dòng)平臺的擴(kuò)展功能， 對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行無線傳輸 ，打破了傳統(tǒng)操作中距離受限的問題 。 本 設(shè)計(jì)的理論方案、分析方法及特色與創(chuàng)新點(diǎn)等對于國內(nèi)運(yùn)輸機(jī)器人、勘探機(jī)器人等自動(dòng)半自動(dòng)機(jī)器人的設(shè)計(jì)與普及有一定的參考意義。 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 4 第 2 章 總體 設(shè)計(jì) 從 小車底盤到電機(jī)驅(qū)動(dòng) ，最小系統(tǒng)到無線遙控， GPS 定位 再到 LCD 顯示 ， 必須完成各模塊的分別設(shè)計(jì)調(diào)試， 最后 再 將各個(gè)調(diào)試成功的模塊結(jié)合到小車的車體上，結(jié)合程序，通過單片機(jī)的控制，將各模塊有效整合在一起， 才能 達(dá)到所預(yù)期的目標(biāo)，完成最終設(shè)計(jì)與制作 。因此模塊的選擇極為重要和關(guān)鍵。 第 節(jié) 各模塊分析選擇 方案一：采用 CPLD 可編程邏輯器件 利用 CPLD 可編程邏輯器件作為主控制器。 CPLD 可實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能，規(guī)模大、密度高、穩(wěn)定性高、 IO 資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展，并可應(yīng)用 EDA 軟件仿真、調(diào)試，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心，但 小車系統(tǒng)并沒有復(fù)雜的邏輯運(yùn)算，且數(shù)據(jù)處理速度的要求也不高，不能完全發(fā)揮 CPLD 的優(yōu)勢，同時(shí)，由于其集成度較高，硬件成本偏高，同時(shí)由于芯片引腳較多，實(shí)物硬件電路布線復(fù)雜，加重了電路設(shè)計(jì)和焊接的工作。 方案二：采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)來作為控制單元。 STC12C5A60S2 是增強(qiáng)型 51單片機(jī)的一種，單片機(jī)（ singlechip microputer）是一塊集成芯片，但不是一塊實(shí)現(xiàn)某一個(gè)邏輯功能的芯片，而是在這塊芯片當(dāng)中，集成了一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。如中央處理器（ CPU）、存儲(chǔ)器（ ROM,RAM）、 I/O 接口、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、中斷系統(tǒng)等。中央處理器是單片機(jī)的核心單元 ，他由運(yùn)算器和控制器組成，他的主要功能是實(shí)現(xiàn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算 和控制。 其特點(diǎn)為：有 優(yōu)異的性價(jià)比 ，集成度高、體積小、有很高的可靠性 ， 控制功能強(qiáng) ， 擴(kuò) 展性能好，非常容易構(gòu)成各種應(yīng)用系統(tǒng) [3]。 采用 51系列單片機(jī)來作為整機(jī)的控制單元。 GPS 模塊與測溫模塊采集數(shù)據(jù) ，經(jīng)過調(diào)制處理后由控制系統(tǒng)發(fā)送至上位機(jī) 。 通過集成模塊收發(fā)的無線遙控信號 面信號， 也北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 5 送 至 單片機(jī)系統(tǒng)處理 ，以完成相應(yīng)動(dòng)作 。此系統(tǒng)比較靈活，采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實(shí)現(xiàn)，能很好地滿足題目的要求。 比較以上兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，方案二簡潔、靈活、可擴(kuò)展性好，更能達(dá)到題目的設(shè)計(jì)要求，因此采用方案二來實(shí)現(xiàn)。 與電機(jī) 方案比較與選擇 （ 1）電機(jī) 方案一： 采用舵機(jī)和直流電機(jī)分別控制小車轉(zhuǎn)向和驅(qū)動(dòng)。舵機(jī)控制兩個(gè)輪的轉(zhuǎn)向，沒法控制小車的前進(jìn)，若想保證既能轉(zhuǎn)彎又能前進(jìn)，需要更大的功率，對電源要求高。另外，舵機(jī)轉(zhuǎn)向方式平緩且靈活，但是轉(zhuǎn)向弧度較大不能實(shí)現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向，而且費(fèi)用高[4]。 方案二：小車采用雙直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)和轉(zhuǎn)向，動(dòng)力強(qiáng)勁。利用電機(jī)差速原理控制小車轉(zhuǎn)向，極易 實(shí)現(xiàn)原地任意角度的轉(zhuǎn)向。在小車的后方安裝兩個(gè)從動(dòng)輪，可任意轉(zhuǎn)向。 綜合以上， 選取方案二。 （ 2）驅(qū)動(dòng)芯片 方案一：用 NPN 三極管連接成雙極式 H 型控制電動(dòng)機(jī)。 用雙極式 H型控制可以控制電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)以及 電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速控制。由于小車需要驅(qū)動(dòng)力比較大，所以需要加載的電壓相對比較高；三極管的基極由于外界干擾，導(dǎo)致誤通；功率大的從而使得產(chǎn)生的溫度就比較高，使得三極管燒壞或靈敏度降低?？紤]到其驅(qū)動(dòng)能力、靈敏度以及散熱問題，方案一放棄 [5]。 方案二： 用 L298N 驅(qū)動(dòng)兩臺電動(dòng)機(jī)。 L298N 是內(nèi)含二個(gè) H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器可驅(qū)動(dòng) 46v,2A 以下電機(jī)?？紤]到其驅(qū)動(dòng)能力高，抗干擾強(qiáng)，并且還專門配有散熱片，同時(shí)在價(jià)格方面也比較低。 綜合考慮以上條件，選擇方案二。 電機(jī)采用普通的直流電機(jī)。直流電機(jī)具有優(yōu)良的調(diào)速特性， 調(diào)速平滑、方便。調(diào)整范圍廣，過載能力強(qiáng)，能承受頻繁的沖擊負(fù)載，可實(shí)現(xiàn)頻繁的無極快速啟動(dòng)、制動(dòng)和反轉(zhuǎn) ，能滿足各種不同的特殊運(yùn)行要求 [6]。 驅(qū)動(dòng)部分因?yàn)樾≤囯姍C(jī)裝有減速齒輪組，考慮不需調(diào)速功能，所以采用市面易購的電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N，該芯片是利用 TTL 電平進(jìn)行控制，對電機(jī)的操作方便，通過改變芯片控制端的輸入電平，即可以對電機(jī)進(jìn)北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 6 行正反轉(zhuǎn)操作，很方便單片機(jī)的操作，亦能滿足直流減速電機(jī)的要求 [7]。 無線遙控 單元方案比較與選擇 方案一：由發(fā)射和接收兩大部分組成紅外遙控系統(tǒng)，應(yīng)用編 /解碼專用集成電路芯片來 進(jìn)行控制操作，發(fā)射部分包括鍵盤矩陣、編碼調(diào)制、 LED 紅外發(fā)送器；接收部分包括光、電轉(zhuǎn)換放大器、解調(diào)、解碼電路等。相對結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且使用的時(shí)候必須將遙控器前的紅外發(fā)射孔對準(zhǔn)接收管才可以 [8]。 方案二：無線電遙控也由發(fā)射和接收兩大部分組成，由于無線電遙控模塊在市場上非常普及，加上無線電遙控有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾能力強(qiáng)、無方向性等優(yōu)點(diǎn)，對于小車的控制是一個(gè)不錯(cuò)的選擇 。 方案三：超聲波遙控是利用超聲波來傳送指令的遙控，可以應(yīng)用于需要遙控、遙測的場合。采用 由 AX5326 與 AX5327 等 構(gòu)成的遙控系統(tǒng)具有體積小、 功耗低、功能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn) [9]。但由于超聲波遙控價(jià)格相對上面兩種價(jià)格較貴，而且對于小車的遙控也太過于夸大化。 結(jié)合三種方案，最終選擇用電量、發(fā)射、接受功率都不大，一般的小障礙也可以穿越，而且遙控?zé)o方向性的無線電遙控。 NRF24L01 是 NORDIC 公司 生產(chǎn)的一款無線通信芯片，采用 FSK 調(diào)制，內(nèi)部集成 NORDIC 自己的 Enhanced Short Burst 協(xié)議?？梢詫?shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)或是 1對 6的無線通信。無線通信速度可以達(dá)到 2M（ bps）。 NORDIC 公司提供通信模塊的 GERBER 文件，可以直接加工生產(chǎn)。嵌入式工程師或是單片機(jī)愛好者只需要為單片機(jī)系統(tǒng)預(yù)留 5 個(gè)GPIO， 1 個(gè)中斷輸入引腳，就可以很容易實(shí)現(xiàn)無線通信的功能，非常適合用來為 單片機(jī) 系統(tǒng)構(gòu)建無線通信功能 [6]。 小車供電系統(tǒng) 方案一：采用普通電池。 選用干電池給直流電機(jī)供電，經(jīng) 7805 穩(wěn)壓管對單片機(jī)、紅外傳感器、 LM339 等供電，但對直流電機(jī)影響很大，電機(jī)轉(zhuǎn)速變化大，對任務(wù)的完成極為不利。 方案二： 采用鋰電池。 采用二節(jié)鋰電池串聯(lián)供電，經(jīng)過穩(wěn)壓對單片機(jī)、紅外傳感器、 LM339 等額定電壓為 5V 器件供電，單片機(jī)和傳感 器工作正常，直流電機(jī)轉(zhuǎn)速變化不大且平穩(wěn)行進(jìn)，且電池體積較小，重量較輕，能夠滿足系統(tǒng)要求 [10]。實(shí)驗(yàn)證明，電池組可保持系統(tǒng)穩(wěn)定，北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 7 所以選取方案二。 第 節(jié) 總體設(shè)計(jì)框圖 此系統(tǒng) 由小車端與上位機(jī)端兩部分構(gòu)成。 小車部分 是以單片機(jī)為控制核心，處理執(zhí)行各個(gè)外部傳感器檢測到的電平信號，其中外部信號由四部分得到： GPS 模塊，遙控模塊和溫感報(bào)警 模塊。最后把處理結(jié)果傳遞給單片機(jī)，并作出相應(yīng)動(dòng)作。 上位機(jī)部分主要負(fù)責(zé)小車與上位機(jī)的通訊，因此主要有單片機(jī)與遙控模塊組成。 設(shè)計(jì)框圖如圖 、 所示 圖 小車部分系統(tǒng)框圖 單片機(jī)控制核心 遙控模塊 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 顯示模塊 GPS 模 塊 溫感報(bào)警模塊 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 8 圖 上位機(jī)部分系統(tǒng)框圖 單片機(jī)核心 遙控模塊 上位機(jī) 北京化工大學(xué)北方學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 第 3 章 硬件設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)硬件主要有六大模塊組成：單片機(jī)控制模塊、電機(jī) 驅(qū)動(dòng) 模塊、 LCD 顯示 模塊、 GPS 模塊 、測溫 模塊和 遙控模塊 。 第 節(jié) 單片機(jī)控制 核心 STC12C5A60S2概述 本模塊采用 STC12C5A60S2 單片機(jī)作為核心處理器。單片機(jī)控制系統(tǒng)基本由最小系統(tǒng)和外圍信號 I/O口組成，其中最小系統(tǒng)包括電源（地）， CPU 時(shí)序電路（一般使用 或者 12MF 和 30PF 電容組成），復(fù)位電路。有了以上三塊，單片機(jī)就能夠正常工作 [11]。 STC12C5A60S2 單片機(jī)是宏晶科技生產(chǎn)的單時(shí)鐘 /機(jī)器周期 (1T)的單片機(jī)，是高速 /低功耗 /超強(qiáng)抗干擾的新一代 8051 單片機(jī)，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051,但速度快812倍。內(nèi)部集成 MAX810 專用復(fù)位電路 ,2 路 PWM,8 路高速 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換 (250K/S),針對電機(jī)控制，強(qiáng)干擾場合。 STC12C5A60S2特點(diǎn) 8051 CPU， 1T，單時(shí)鐘 /機(jī)器周期，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051 ： STC12C5A60S2 系列工作電壓 ； （