【正文】 ............................................................................................................................. 21 參考文獻(xiàn) ......................................................................................................................................... 22 附錄 A：程序清單 ......................................................................................................................... 23 海 南 軟 件 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 綜 合 實(shí) 訓(xùn) 報(bào) 告 1 緒論 現(xiàn)在，隨著科技的快速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外對(duì)小型智能系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛， 種類也越來(lái)越多。本題目就是結(jié)合有關(guān)科研項(xiàng)目而確定的設(shè)計(jì)類課題，所設(shè)計(jì)的智能尋跡滅火小車應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)火源、自動(dòng)尋跡、自動(dòng)前進(jìn)接近火源并完成滅火任務(wù)的功能。 根據(jù)題目的要求，智能尋跡滅火小車控制系統(tǒng)采用一片 STC89C52單片機(jī)作為本控制系統(tǒng)的主控芯片，硬件包括以下幾個(gè)模塊：驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、尋跡傳感器模塊、單片機(jī)控制模塊、火源傳感器模塊、風(fēng)扇模塊、電源模塊。本設(shè)計(jì)采用了 STC89C52單片機(jī)為智能小車核心控制部分，通過(guò)查詢方式實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的智能控制。小車由主控制板、傳感系統(tǒng)、風(fēng)扇系統(tǒng)和車身四部分組成。主控制系 統(tǒng)由主控 CPU電路、傳感器接口電路、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路等組成；傳感系統(tǒng)采用紅外傳感器檢測(cè)黑白線，火源傳感器檢測(cè)火源；行進(jìn)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)采用 PWM調(diào)制技術(shù)，可靈活方便地對(duì)車速、行進(jìn)方向進(jìn)行控制。 本設(shè)計(jì)通過(guò)采用 STC89C52單片機(jī)為控制核心，實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的智能控制。該控制系統(tǒng)不僅在智能小車中有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，在汽車應(yīng)用、智能機(jī)器人等方面都有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值，尤其是在機(jī)器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相聯(lián)系，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。 海 南 軟 件 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 綜 合 實(shí) 訓(xùn) 報(bào) 告 2 1 系統(tǒng)方案選擇 任務(wù)要求 設(shè)計(jì)任務(wù) 設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能滅火小車模型，能到指定區(qū)域進(jìn)行搶險(xiǎn)滅火工作。以蠟燭模擬火源，隨機(jī)分布在場(chǎng)地中，模擬滅火場(chǎng)地如圖 11所示。 圖 11 模擬火場(chǎng)示意圖 設(shè)計(jì)要求 (1)智能滅火小車手動(dòng)啟動(dòng)后，自動(dòng)尋找到火源的位置。 (2)智能滅火小車必須按照固定的路線行進(jìn)（黑白線）。 (3)撲滅火源后自動(dòng)檢測(cè)周圍環(huán)境是否還有其他火源。 (4)若有則繼續(xù)滅火，若無(wú)則停止工作。 總體設(shè)計(jì)方案 總體方案為：整個(gè)電路分為驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、尋跡傳感器模塊、避障模塊、單片機(jī)控制模塊、火源傳感器模塊、風(fēng) 扇模塊、電源模塊七個(gè)模塊。 首先利用紅外對(duì)路面信號(hào)進(jìn)行探測(cè)，利用火源傳感器檢測(cè)火源信號(hào)，兩種信號(hào)經(jīng)過(guò)處理之后，送給單片機(jī)控制模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，輸出相應(yīng)的信號(hào)給驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊驅(qū)動(dòng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而控制整個(gè)小車的運(yùn)動(dòng)。系統(tǒng)方案框圖如圖 12所示。 海 南 軟 件 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 綜 合 實(shí) 訓(xùn) 報(bào) 告 3 圖 12 方案設(shè)計(jì)框圖 方案選擇與分析 控制器分析與比較 方案一：采用凌陽(yáng)公司的 16 位單片機(jī)，它是 16 位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高，尤其適用于語(yǔ)音處理和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng) 凌陽(yáng)單片機(jī)應(yīng)用語(yǔ)音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用的 CPU 資源較多而使得凌陽(yáng)單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降低。 方案二：采用 STC89C52 單片機(jī)作為主控制器。 STC89C52 是一個(gè)低功耗，高性能的 51內(nèi)核的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k 空間的可反復(fù)擦寫 1000 次以上的 Flash 只讀存儲(chǔ)器，具有 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器（ RAM）， 32 個(gè) IO 口， 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器。且該系列的 51 單片機(jī)可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機(jī)中下載程序。 從方便使用和綜合性能的角度考慮，選擇了方案二 。 電動(dòng)車車體的選擇 方案一：購(gòu)買玩具電動(dòng)車。購(gòu)買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。但是一般的說(shuō)來(lái)，玩具電動(dòng)車具有如下缺點(diǎn)：首先，這種玩具電動(dòng)車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動(dòng)車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動(dòng)，不能適應(yīng)該題目的方格地圖，不能方便迅速的實(shí)現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn) 90 度甚至 180 度的彎角。而且這種電動(dòng)車一般都價(jià)格不扉。因此放棄了此方案。 方案二：自己制作電動(dòng)車。經(jīng)過(guò)反復(fù)考慮論證，我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后方萬(wàn)向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個(gè)直 流電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，后面裝一個(gè)萬(wàn)向輪。這樣，當(dāng)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實(shí)現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的 90 度和 180 度的轉(zhuǎn)彎。 對(duì)于車架材料的選擇，經(jīng)過(guò)比較選擇了硬塑板。用硬塑板做的車架比塑料車架更加牢固，比鐵制小車更輕便，美觀。故選擇了方案二。 海 南 軟 件 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 綜 合 實(shí) 訓(xùn) 報(bào) 告 4 電機(jī)的選擇與分析 方案一：采用直流電機(jī) 直流電機(jī)速度快，價(jià)格便宜，通過(guò)調(diào)節(jié)電流來(lái)改變速度，驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單，調(diào)速范圍廣，調(diào)速特性平滑。 方案二：采用步進(jìn)電機(jī) 步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位 移量，通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，其精確度高，但控制相對(duì)較繁瑣。 由于本系統(tǒng)對(duì)電機(jī)速度控制要求不 高 ，采用方案一。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路方案選擇 方案一：采用專用芯片 L298N 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片。 L298N 是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，它相應(yīng)頻率高， L298N 芯片可以驅(qū)動(dòng)兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動(dòng)一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過(guò)電源來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的IO 口提供信號(hào)；電路簡(jiǎn)單，使用比較方便。 方案二：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。由分立元件構(gòu)成電機(jī) 驅(qū)動(dòng)電路，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。 通過(guò)比較，使用 L298N 芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)，且價(jià)格不高，采用方案一。 軌跡探測(cè)模塊設(shè)計(jì)與比較 方案一：用光敏電阻組成光敏探測(cè)器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時(shí)，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時(shí)，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時(shí)，阻值會(huì)發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過(guò)比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作 。因此要考慮其他更加穩(wěn)定的方案。 方案二：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對(duì)管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射 ，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平。 這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，所以也放棄了這個(gè)方案。 方案三：用 RPR220 型光電對(duì)管。 RPR220 是一種一體化反射型光電探測(cè)器，其發(fā)射器是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個(gè)高靈敏度， 硅平面光電三極管。 RPR220 采用 DIP4 封裝，塑料透鏡可以提高靈敏度，內(nèi)置可見(jiàn)光過(guò)濾器能減小離散光的影響，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。 因此本設(shè)計(jì)采用了方案三。 海 南 軟 件 職 業(yè) 技 術(shù) 學(xué) 院 綜 合 實(shí) 訓(xùn) 報(bào) 告 5 火源檢測(cè)設(shè)計(jì)與比較 火焰檢測(cè)有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器以及 CCD 圖像傳感器。綜合論證了這幾種傳感器，制定了如下幾種方案。 方案一：用溫度傳感器如熱電偶，熱電偶在工業(yè)應(yīng)用上十分廣泛。但是熱電偶感應(yīng)的范圍太廣，而且由于火焰只是周圍溫度稍高 且范圍較窄。 實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證用熱電偶檢測(cè)火焰精度不高，故放棄了此方案。 方案二：用煙霧傳感器。煙霧傳感器廣泛應(yīng)用與火警檢測(cè)。但是由于此題目的火源是用蠟燭模擬的，沒(méi)有太大的煙霧，因此用煙霧傳感器作為此小型電動(dòng)車的火焰?zhèn)鞲衅饕膊粔驅(qū)嵱茫虼朔艞壛舜朔桨浮? 方案三：用紫外傳感器檢測(cè)火焰。紫外火焰?zhèn)鞲衅髦饕獞?yīng)用于火災(zāi)消防系統(tǒng)，尤其是一些易燃易爆場(chǎng)所，用來(lái)監(jiān)測(cè)火焰的產(chǎn)生。紫外線火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度高，相應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，對(duì)明火特別敏感，能對(duì)火災(zāi)立即作出反應(yīng)。但是紫外傳感器檢測(cè)的范圍太大，不適用于本系統(tǒng)。 方案四：用 CCD 圖像傳感器。用 CCD 圖像傳感器可以檢測(cè)各種被檢測(cè)量，適用于各種量的檢測(cè)。但是用 CCD 圖像傳感器需要處理的信號(hào)量太大，且體積較大，不使用與本系統(tǒng)。 方案五：用遠(yuǎn)紅外傳感器。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)距離遠(yuǎn)，線性度好，檢測(cè)準(zhǔn)確，且體積較小。很適用于本題目的要求。 因此本設(shè)計(jì)采用了方案 五 。 電源模塊 由于本系統(tǒng)需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統(tǒng)供電。 方案一：采用 12V 蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動(dòng)能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。 方案二：采用 6 節(jié) 鋰電池分別 3 節(jié)串聯(lián)，分別供 單片機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)使用，單片機(jī)和傳感器工作穩(wěn)定，電機(jī)工作互不影響，且電池體積較小，能夠滿足系統(tǒng)要求。 綜上考慮，采用了方案二。 避障模塊設(shè)計(jì)與分析 方案一：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來(lái)，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號(hào)放大后送入單片機(jī)。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。但是超聲波傳感器需要 40KHz 的方波信號(hào)來(lái)工作，因?yàn)槌暡▊鞲衅鲗?duì)工作頻率要求較高，偏差在 1％內(nèi)，所以用模擬電路來(lái)做方波發(fā)生器比較難以實(shí)現(xiàn)。而用單片機(jī)來(lái)作 方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)資源。因此考慮其他的