【正文】 楊濟(jì)民 馬仁富 朱智林教授點(diǎn)評(píng) : 系統(tǒng)以 AT89S52 單片機(jī)為控制核心，加以直流電機(jī)、舵機(jī)、光電傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱碗娫措娐芬约捌渌娐窐?gòu)成，設(shè)計(jì)報(bào)告完整，元器件選擇比較恰當(dāng)，制作的小車能完成題 目的所有要求，語(yǔ)音報(bào)警比較有特色，功能齊全。 系統(tǒng)由 89S52 通過(guò) IO 口控制小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向。本系統(tǒng)同時(shí)通過(guò) DF 無(wú)線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸，將該車當(dāng)前的狀態(tài)遠(yuǎn)程傳送給顯示臺(tái)。 （ 2）除安全區(qū)外，場(chǎng)地隨機(jī)出現(xiàn) 2 個(gè)火源，要求智能小車能夠發(fā)現(xiàn)其中一個(gè)火焰并將其完全撲滅。 5 2）發(fā)揮部分 （ 1）搶險(xiǎn)完畢后智能小車能夠返回到安全區(qū)域（原位）。 （ 2）控制電機(jī)類型不限，其安裝位置及安裝方式自定。 （ 6）蠟燭高度： 15— 20 厘米。 1. 2 模塊方案比較與論證 根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、火焰?zhèn)鞲衅?、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、滅火風(fēng)扇及其驅(qū)動(dòng)模塊、舵機(jī)模塊、語(yǔ)音模塊、車載顯示模塊、 無(wú)線收發(fā)模塊 以及液晶顯示模塊等模塊構(gòu)成。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。因此我們放棄了此方案。這樣，當(dāng)兩個(gè)直流電機(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。為了防止小車重心的偏移，后萬(wàn)向輪起支撐作用。實(shí)物圖如圖 3 所示： 圖 3 車體底盤實(shí)物圖 控制器模塊 方案 1：采用可編程邏輯期間 CPLD 作為控制器。且從使用及經(jīng)濟(jì)的角度考慮我們放棄了此方案。 本系統(tǒng)主要是進(jìn)行尋跡 和火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測(cè)以及電機(jī)的控制，兼有語(yǔ)音的播報(bào)。 AT89S52 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)擦些 1000 次的 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。 61B 板上配有喇叭插座、麥克風(fēng)等。 從方便使用的角度考慮，我們選擇了方案 3。但是蓄電池的體積過(guò)于龐大，在小型電動(dòng)車上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。 綜上考慮，我們選擇了方案 3。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。 方案 2：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。 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。 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。我們綜合論證了這幾種傳感器，制定了如下幾種方案。 方案 2：用煙霧傳感器。 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。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)。很適用于本題目的要求。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這樣處理過(guò)的火焰?zhèn)鞲衅髦荒軝z測(cè)到一個(gè)方格距離的火焰，而對(duì)遠(yuǎn)距離的火焰沒有反應(yīng)。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。而用單片機(jī)來(lái)作方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)資源。光電開 關(guān) E3FDS10C4 操作簡(jiǎn)單，使用方便。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，我們最終選擇了方案 2?；舳絺鞲衅骼玫木褪腔舳?yīng)。 雖然霍耳傳感器具有眾多優(yōu)點(diǎn)。在車輪的內(nèi)側(cè)貼上一個(gè)光電碼盤，用光電對(duì)管對(duì)碼盤進(jìn)行檢測(cè)。從使 用的方便和靈活性考慮，我們選擇了方案 2。由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。v=2***100/60=能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。 方案 2：對(duì)于直流電機(jī)用分立元件構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。 11 車載語(yǔ)音模塊和控制臺(tái)語(yǔ)音模塊 方案 1：選擇專門的語(yǔ)音存儲(chǔ)芯片 ISD1420，通過(guò)單片機(jī)進(jìn)行錄放音的控制。 方案 2：選擇 DSP 進(jìn)行語(yǔ)音識(shí)別， DSP 具有很強(qiáng)的信息處理能力，能夠進(jìn)行語(yǔ)音的存儲(chǔ)錄放和語(yǔ)音的辨識(shí)，但是考慮到系統(tǒng)的成本和使用的靈活和方便，我們放棄了此方案。 因此我們選用了方案 3。 DF 超再生式接收模塊通訊方式為調(diào)頻 AM， 接收靈敏度高，用示波器觀察輸出波形干凈，抗干擾能力強(qiáng)。 顯示臺(tái)顯示模塊 方案 1：用數(shù)碼管進(jìn)行顯示。 方案 2：用 LCD 液晶進(jìn)行顯示。因此需要在車上顯示這些數(shù)據(jù)。如果用串行傳輸 數(shù)據(jù)的方式，使用的數(shù)據(jù)線也較小。用 8X8 的 LED 點(diǎn)陣顯示當(dāng)前的滅火狀態(tài)。我們用 LED 點(diǎn)陣來(lái)動(dòng)態(tài)圖形的顯示當(dāng)前的滅火狀態(tài)。 CH451 可以通過(guò)級(jí)聯(lián)的串行接口與單片機(jī)交換數(shù)據(jù)，因此占用單片機(jī)的 IO 口較少。 （ 2） 采用 AT89S52 單片機(jī)作為主控制器。 （ 6） L298N 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖 4 所示： 13 圖 4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) 對(duì)于本系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，要實(shí)現(xiàn)的目的是能夠滅掉兩個(gè)或更多的火源，并且能夠返回 啟動(dòng)區(qū)。 方案 1：小車由啟動(dòng)區(qū)啟動(dòng)，先沿第一列走到中間，同時(shí)檢測(cè)第一列啟動(dòng)區(qū)到中間的 6個(gè)黑方格中的火焰。一旦檢測(cè)到火焰小車即停下將火吹滅。當(dāng)小車在列上進(jìn)行掃描時(shí)，容易檢測(cè)到比較遠(yuǎn)的距離的火焰而產(chǎn)生錯(cuò)誤的判斷。這種尋找火焰的方式可以克服火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)距離較遠(yuǎn)的問(wèn)題。 （ 2） 該方案最不容易克服的缺點(diǎn)就是即使知道了火焰的坐標(biāo)，從小車的當(dāng)前位置走到火焰的位置的路線不易確定。如果不讓小車避障的話，又要把每一條路徑的信息都編進(jìn)程序里去，這么多的信息處理量是不容易實(shí)現(xiàn)的。即將火焰?zhèn)鞲衅餮b在舵機(jī)的舵盤上，在啟動(dòng)區(qū)旋轉(zhuǎn)舵盤掃描場(chǎng)地，當(dāng)掃描到火焰時(shí)記下火焰的坐標(biāo)。 （ 2） 當(dāng)火焰的坐標(biāo)確定后，小車前進(jìn)的路線有很多條，而且有的路線上設(shè)有障礙物。 小車在啟動(dòng)區(qū)掃描場(chǎng)地 17 方案 4：小車出來(lái)啟動(dòng)區(qū)后首先沿豎直方向走到場(chǎng)地的邊界，在這個(gè)過(guò)程中檢測(cè)第一列6 個(gè)黑方格中是否存在著火焰，一旦檢測(cè)到火焰便停下將火吹滅。這樣在小車的每一側(cè)就都有了一個(gè)“遠(yuǎn)視”傳感器和一個(gè)“近視”傳感器。當(dāng)檢測(cè)到奇數(shù)列上有火焰時(shí)，小車需要前進(jìn)半個(gè)黑格的距離再拐彎去滅火。 啟動(dòng)區(qū) 18 2．硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì) 微控制器模塊的設(shè)計(jì) Atmel 公司的 AT89S52 是 51 內(nèi)核的單片機(jī)。這樣可以非常方便的實(shí)現(xiàn)通過(guò) PC 機(jī)的并口往單片機(jī)中下載程序。 光電對(duì)管電路的設(shè)計(jì) 我們?cè)O(shè)計(jì)并論證了兩種光電對(duì)管檢測(cè)及調(diào)理電路，電路原理圖分別如 10 和圖 11 所示： 19 圖 10 光電對(duì)管檢測(cè)電路 1 圖 10 所示電路中， R1 起限流電阻的作用，當(dāng)有光反射回來(lái)時(shí)，光電對(duì)管中的三極 管導(dǎo)通， R2 的上端變?yōu)楦唠娖?，此時(shí) VT1 飽和導(dǎo)通，三極管集電極輸出低電平。如果輸出加施密特觸發(fā)器就可以實(shí)現(xiàn)良好的輸出波形。 圖 11 光電對(duì)管檢測(cè)電路 2 20 在圖 11 中，可調(diào)電阻 R3 可以調(diào)節(jié)比較器的門限電壓，經(jīng)示波器觀察，輸出波形相當(dāng)規(guī)則，可以直接夠單片機(jī)查詢使用。后端裝有三個(gè)傳感器，在場(chǎng)地邊界檢測(cè)，這樣可以防止小車沖出場(chǎng)地。 車體中間傳感器安裝在直流電機(jī)下面，離地距離適中。 當(dāng)檢測(cè)到火焰時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅鲗?dǎo)通，比較器輸出低電平。這樣“遠(yuǎn)視”傳感器和“近視”傳感器的配合使用可以防止小車錯(cuò)誤檢測(cè)到火焰的情況的出現(xiàn)。經(jīng)過(guò)這樣的改裝，“近視”傳感器可以只檢測(cè)到一個(gè)方格而遠(yuǎn)視傳感器可以檢測(cè)到 3 個(gè)以上的方格。 滅火風(fēng)扇的安裝 滅火風(fēng)扇固定在舵機(jī)的舵盤上，這樣可以通過(guò)控制舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)而實(shí)現(xiàn)風(fēng)扇的左右 90 度擺動(dòng)。在鋁合金車架上打一個(gè)圓孔， RPR220 型光電對(duì)管通過(guò)圓孔對(duì)光電碼盤進(jìn)行檢測(cè)就可以得到車輪轉(zhuǎn)過(guò)的圈數(shù)。 AV SS 2VD D HDACVS SC32 24R11K C51 04C11 0412J2S pe a ke r132R21KC41 04+54612837U1S P Y 0 0 3 0+C21 00 u1 2 3J1單片機(jī)音頻接口 圖 21 語(yǔ)音播放與辨識(shí)電路 PT2262/2272 是一對(duì)帶地址、數(shù)據(jù)編碼功能的無(wú)線遙控發(fā)射 /接收芯片。這樣的無(wú)線收發(fā)模塊具有發(fā)射距離遠(yuǎn)，抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。試驗(yàn)驗(yàn)證，本系統(tǒng)滅火效果良好。 我們給每一個(gè)光電傳感器賦予不同的權(quán)值。 當(dāng)權(quán)值的均值等于 0 時(shí)，就可以知道小車在白線得正上方。二級(jí)加速比一級(jí)加速的時(shí)間稍長(zhǎng)，因?yàn)闄?quán)值為 2 時(shí)小車偏離白線的距離較遠(yuǎn)。 該檢測(cè)傳感器子程序的流程圖如圖 25 所示： 檢測(cè)是否滅掉火 返回 X＝ 3 處 31 圖 25 傳感器信息處理子程序流程圖 4．系統(tǒng)功能測(cè)試 測(cè)試儀器及設(shè)備 表 1 測(cè)試儀器設(shè)備清單 儀器名稱 型號(hào) 用途 數(shù)量 PC 機(jī) 聯(lián)想 調(diào)試及下載程序 1 數(shù)字萬(wàn)用表 MASTECH my－ 65 測(cè)量各電路工作情況 1 秒表 記錄時(shí)間 1 功能測(cè)試 打開尋跡驅(qū)動(dòng) 獲得傳感器信息 計(jì)算總權(quán)值 判斷權(quán)值均值 左右輪同速 與傳感器數(shù)目相平均 0 0 判斷 判斷 右輪一級(jí)加速 右輪二級(jí)加速 左輪一級(jí)加速 左輪二級(jí)加速 ＝ 0 32 基本功能測(cè)試 （ 1）在場(chǎng)地上沒有放置蠟燭，小車從啟動(dòng)區(qū)啟動(dòng)。小車路線示意圖如圖 26 所示： 圖 26 小車路線示意圖（測(cè)試 1） 啟動(dòng)區(qū) 33 （ 2）在場(chǎng)地中隨機(jī)放置一根蠟燭。小車語(yǔ)音播報(bào)： 熄滅火源 1。同時(shí)小車語(yǔ)音播報(bào)：發(fā)現(xiàn)火源 1。 找到第二根蠟燭時(shí)，遠(yuǎn)程液晶顯示并語(yǔ)音報(bào)警 ：找到火源 2。完成這些動(dòng)作所用時(shí)間為 秒。 （ 2）發(fā)現(xiàn)第一個(gè)火源時(shí)，遠(yuǎn)程顯示臺(tái)語(yǔ)音播報(bào)：發(fā)現(xiàn)火源 1。 （ 3）發(fā)現(xiàn)第二個(gè)火源時(shí)，遠(yuǎn)程顯示臺(tái)語(yǔ)音播報(bào)：發(fā)現(xiàn)火源 2。 （ 4）小車熄滅兩個(gè)火焰后，返回啟動(dòng)區(qū)并停止。同時(shí)作為我們的特色的遠(yuǎn)程顯示臺(tái)的工作正常，繪圖顯示清楚，語(yǔ)音播報(bào)清晰，遠(yuǎn)程顯示效果良好。當(dāng)機(jī)器人在無(wú)法靠近的火場(chǎng)工作時(shí)，人可以遠(yuǎn)程看到機(jī)器人所處位置及完成任務(wù)的情況。北京：機(jī)械工業(yè)出版社， 2020 2. Ramon PallasAreny， John G. Webster（美）。機(jī)器人控制電子學(xué)。北京：北京航空航天大學(xué)出版社， 2020 5. 童詩(shī)白，華成英。北京：高等教育出版社， 1983 7. 高峰編。