【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 考慮到本系統(tǒng)只需要檢測(cè) 簡(jiǎn)單障礙物，沒有十分復(fù)雜的環(huán)境。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，最終選擇了方案二。 滅火模塊 方案一：用風(fēng)扇將蠟燭吹滅，檢測(cè)并確定火源在課吹滅的范圍內(nèi)后由單片機(jī)控制風(fēng)扇開啟，吹滅蠟燭。經(jīng)實(shí)驗(yàn)確定當(dāng)采用 5V 電源給風(fēng)扇電機(jī)供電時(shí)，火源在 20cm 以內(nèi)都可被吹滅。能達(dá)到要求，并且簡(jiǎn)單方便各方面的實(shí)現(xiàn)都比較簡(jiǎn)單，工作也比較穩(wěn)定，調(diào)試快捷。適合應(yīng)用。 方案二：用水管噴滅，由于整個(gè)系統(tǒng)是電子系統(tǒng)，如用水則有可能發(fā)生斷路或出現(xiàn)危險(xiǎn)，并且小車還要承載水的重量，對(duì)小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)要求比較高，故排除這種方案，選擇方案一。 最終方案 經(jīng)過反復(fù)論證，最終確定了如下方案： （ 1）手工制作車體。 （ 2）采用 STC89C52 單片機(jī)作為主控制器。 （ 3）用直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車行駛與滅火。 （ 4）用 6 節(jié)鋰電池分別給單片機(jī)和電機(jī)供電。 （ 5）用 RPR220 型光電對(duì)管進(jìn)行尋跡。 （ 6）遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅髯鳛楸鞠到y(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳌? （ 7） L298N 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 （ 7） 用紅外光電開關(guān)進(jìn)行避障。 2 硬件實(shí)現(xiàn)及單元電路設(shè)計(jì) STC89C52 單片機(jī)系統(tǒng)概述及其引腳功能介紹 STC89C52 單片機(jī)系統(tǒng)概述 STC89C52 是一 種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲(chǔ)器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。 具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能： 8k字節(jié) Flash，512 字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時(shí)器，內(nèi)置 4KB EEPROM， MAX810 復(fù)位電路，三個(gè) 16 位 定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器，一個(gè) 6 向量 2 級(jí)中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。 空閑模式下， CPU 停止工作，允許 RAM、定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 7 蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。最高運(yùn)作頻率 35MHz，6T/12T 可選。 參數(shù)： (1)增強(qiáng)型 8051 單片機(jī)， 6 時(shí)鐘 /機(jī)器周期和 12 時(shí)鐘 /機(jī)器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051.[1] (2)工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)） /～ （ 3V 單片機(jī)） (3)工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作 頻率可達(dá)48MHz (4)用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) (5)片上集成 512 字節(jié) RAM (6)通用 I/O 口（ 32 個(gè)），復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時(shí)，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時(shí)，需加上拉電阻。 (7)ISP（在系統(tǒng)可編程） /IAP（在應(yīng)用可編程），無需專用編程器，無 需專用仿真器，可通過串口（ RxD/,TxD/）直接下載用戶程 序，數(shù)秒即可完成一片 (8)具有 EEPROM 功能 (9)具有看門狗功能 (10)共 3 個(gè) 16 位定時(shí)器 /計(jì)數(shù)器。即定時(shí)器 T0、 T T2 (11)外部中斷 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 (12)通用異步串行口（ UART），還可用定時(shí)器軟件實(shí)現(xiàn)多個(gè) UART (13)工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業(yè)級(jí)） /0～ 75℃ （商業(yè)級(jí)） (14) PDIP 封裝 單片機(jī)引腳功能 STC89C52 是一個(gè)有 40 個(gè)引腳的芯片，引腳配置如圖 21 所示： 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 8 圖 21 STC89C52 引腳配置 STC89C52 單片機(jī)各 個(gè)引腳功能如表 22 所示。 表 22 STC89C51RC/RD+引腳示意圖 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 9 光電對(duì)管電路的設(shè)計(jì) 實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)并論證了兩種光電對(duì)管檢測(cè)及調(diào)理電路，電路原理圖分別如圖 23 和圖 24所示。 圖 23 采用三極管檢測(cè)電路原理圖 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 10 圖 23 所示電路中， R1 起限流電阻的作用，當(dāng)有光反射回來時(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。 當(dāng)沒有光反射回來時(shí)，光電對(duì)管中的三極管不導(dǎo)通， VT1 截至，其集電極輸出高電平。 VT1 在該電路中起到濾波整形的作用。 經(jīng) 實(shí) 驗(yàn)和示波器驗(yàn)證，該電路工作性能一般，輸出還有雜散干擾波的成分。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。 但是這種電路用電量比較大，給此種傳感器調(diào)理電路供電的電池壓降較快。究其原因，是因?yàn)楣饷羧龢O管和三極管 VT1 導(dǎo)通時(shí)的導(dǎo)通電流較大。 因此考慮用比較器的方案。 圖 24 采用電壓比較器檢測(cè)電路原理圖 在圖 24 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。 而且經(jīng) 實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證給此電路供電的電池的壓降較小。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測(cè)與 調(diào)理電路。 在尋跡傳感器的設(shè)計(jì)中，我們?cè)谲圀w底盤的前端裝有四個(gè)傳感器，用來起到尋跡的作用。 安裝在前端的四個(gè)傳感器直接將信號(hào)送給單片機(jī)，當(dāng)中間兩個(gè)傳感器中一個(gè)傳回低電平，則為踩線，既調(diào)整車頭方向，當(dāng)四個(gè)傳感器均為高點(diǎn)平時(shí)認(rèn)定為一個(gè)交點(diǎn)，并且 2個(gè)交點(diǎn)間距離約為 25cm。 因?yàn)榈貓D為方格，所當(dāng)小車轉(zhuǎn)向時(shí)會(huì)出現(xiàn)四個(gè)傳感器中不定時(shí)離開黑線，為保證能準(zhǔn)確轉(zhuǎn)彎。再因 RPR220檢測(cè)到黑線返回高電平，否則為低電平，利用這一原理。當(dāng)小車右轉(zhuǎn)時(shí)，位于小車最右端傳感器會(huì)由黑線轉(zhuǎn)到白色區(qū)域，這時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)下降沿，將下降沿接至單片機(jī)外部中斷用于判斷是否已經(jīng)完成轉(zhuǎn)向，左轉(zhuǎn)原理同上。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證實(shí)此方法能使小車穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。 火焰?zhèn)鞲衅骷皯?yīng)用 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 11 火焰?zhèn)鞲衅鞯暮脡膶?duì)于該系統(tǒng)的功能能否實(shí)現(xiàn)十分重要，火焰?zhèn)鞲衅骷捌湔{(diào)理電路如圖231 所示。 圖 25 火焰?zhèn)鞲衅髟韴D 圖 25 中， 可調(diào)電阻 RV1 可以調(diào)節(jié)比較器的門限電壓，本電路還能輸出模擬和數(shù)字兩種信號(hào)，非常適合本次系統(tǒng)的條件。 火焰?zhèn)鞲衅髂軌蛱綔y(cè)到波長(zhǎng)在 700 納米～ 1000 納米范圍內(nèi)的紅外光，探測(cè)角度為 60，其中紅外光波長(zhǎng)在 880納米附近時(shí)候的靈敏度達(dá)到最大。遠(yuǎn)紅外火焰探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過 A/D 轉(zhuǎn)換器反映為 0～ 255 范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越小；反之則越大。 利用四個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鳎{(diào)節(jié)其中兩個(gè)傳感器門限電壓，使得傳感器能檢測(cè)到整張地圖距離的火焰，再調(diào)節(jié)另兩個(gè)傳感器使得只能檢測(cè)一個(gè)方格距離的火焰。這四個(gè)傳感器分別兩兩置于小車兩側(cè)距離地面約 10cm（相當(dāng)于火焰的高度），一遠(yuǎn)一近配合使用。 我 們將能檢測(cè)整張地圖的傳感器稱為 “遠(yuǎn)視 ”，只能檢測(cè)一格的稱為 “近視 ”。當(dāng)遠(yuǎn)視傳感器檢測(cè)到火焰信號(hào)，執(zhí)行滅火程序，小車向檢測(cè)到火源的方向前行。當(dāng) “近視 ”傳感器檢測(cè)到信號(hào)，說明火焰處于當(dāng)前所在方格，觸發(fā)轉(zhuǎn)向開啟風(fēng)扇。 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì) 直流電機(jī)里邊固定有環(huán)狀永磁體，電流通過轉(zhuǎn)子上的線圈產(chǎn)生安培力，當(dāng)轉(zhuǎn)子上的線圈與磁場(chǎng)平行時(shí)，再繼續(xù)轉(zhuǎn)受到的磁場(chǎng)方向?qū)⒏淖?，因此此時(shí)轉(zhuǎn)子末端的電刷跟轉(zhuǎn)換片交替接觸，從而線圈上的電流方向也改變，產(chǎn)生的洛倫茲力方向不變，所以電機(jī)能保持一個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。 采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N 作為電 機(jī)驅(qū)動(dòng) ，管腳圖如圖 26 所示，原理圖 如圖 27 所示。 L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即內(nèi)含二個(gè) H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 46V、 2A以下的電機(jī)。 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 12 圖 26 L298N 管腳 圖 27 電機(jī)驅(qū)動(dòng)原理圖 L298 有兩路電源分別為邏輯電源和動(dòng)力電源，上圖中 6V為邏輯電源， 12V為動(dòng)力電源。 J4 接入邏輯電源， J6 接入動(dòng)力電源， J1 與 J2 分別為單片機(jī)控制兩個(gè)電機(jī)的輸入端， J3與 J5 分別與兩個(gè)電極的正負(fù)極相連。 ENA與 ENB 直接接入 6V邏輯電源也就是說兩個(gè)電機(jī)時(shí)刻都工作在使能狀態(tài)，控制電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)只有通過 J1 與 J2 兩個(gè)接口。 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實(shí)訓(xùn)報(bào)告 13 由于我們使用的電機(jī)是線圈式的，在從運(yùn)行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)和從順時(shí)針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時(shí)針狀態(tài)時(shí)會(huì)形成很大的反向電流，在電路中加入二極管的作用就是在產(chǎn)生反向電流的時(shí)候進(jìn)行泄流，保護(hù)芯片的安全。 滅火模塊設(shè)計(jì) 如圖 28 所示，滅火風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)由 5v 電源供電。利用三級(jí)管的開關(guān)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)單片機(jī)控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)停。當(dāng)單片機(jī)給低電平時(shí)，風(fēng)扇開始轉(zhuǎn)動(dòng)吹滅火焰，否則不轉(zhuǎn)。 圖 28 滅火風(fēng)扇原理圖 避障功能的實(shí)現(xiàn)方法 由于火源為不確定位置，所以小車還屬于前進(jìn)并還未檢測(cè)到火焰而遇到障礙物，首先讓小車先后退，在遇到黑線交點(diǎn)時(shí)先右轉(zhuǎn)，因?yàn)榈貓D是有限的，所以如果轉(zhuǎn)的方向不是正確的火焰方向，則當(dāng)小車行駛到地圖邊緣時(shí)就 180 度轉(zhuǎn)，就能正確的判斷出火源的具體位置。 3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 編譯語言及編譯環(huán)境 匯編語言的概述 為了克服機(jī)器語言的缺點(diǎn)，用英文字條來代替機(jī)器語言，這些英文字符被稱為助記符，用助記符表示的指令稱為符號(hào)語言或匯編語言。 匯編語言是面向機(jī)器的語言