【文章內(nèi)容簡介】 圖 21 系統(tǒng)方框圖為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我分別設(shè)計了幾種方案并分別進行了論證。 硬件實現(xiàn)方案 微控制器的選擇近年來，ARM 微控制器應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，為智能裝置的開發(fā)設(shè)計帶來了很大的便利。但在開發(fā)設(shè)計中選擇合適的 MCU 帶來了很大的困難。方案 1：采用單片機作為主控制器。P89V51RC2 是一個低功耗，高性能的 51 內(nèi)核的 CMOS 8 位單片機，片內(nèi)含 8k 空間的可反復(fù)擦多次的 Flash 只讀存儲器，具有 256 bytes 的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，32 個 IO 口，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器。且該系列的 51 單片機可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機中下載程序。但是考慮到本系統(tǒng)要進行避障和火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測以及電機的控制、聲音報警，若使用P89V51RC2 可能在數(shù)據(jù)處理方面有一些不足。因此我們不選擇此方案。方案 2：采用周立功公司的 ARM2103 作為主控制器。LPC2103 是一個基于支持實時仿真的 16/32 位 ARM7 TDMIS CPU 的微控制器，并帶有 32kB 的嵌入高速 Flash 存儲器，128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能 夠在最大時鐘速率下運行。 較小的封裝和極低的功耗使 LPC2103 適用于訪問控制器和 POS 機等小型應(yīng)用系統(tǒng)中； 由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口（2 個 UART、SPI、SSP 和 2 個 I2C）和 8KB 的片內(nèi) SRAM，LPC2103 也適合用在通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器中。32/16 位定時器、增強型 10 位 ADC、定時 器輸出匹配 PWM 特性、多達 13 個邊沿、電平觸發(fā)的外部中斷、32 條高速 GPIO，使得 LPC2103 微控制器特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)中。 16/32 位 ARM7 TDMIS 微控制器，超小 LQFP48 封裝；8KB 的片內(nèi)靜態(tài) RAM 和 32KB 的片內(nèi) Flash 程序存儲器。 128 位寬度接口/加速器 可實現(xiàn)高達 70 MHz 工作頻率； 通過片內(nèi) boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)/在應(yīng)用編程（ISP/IAP） 。單個 Flash 扇區(qū)或整 片擦除時間為 100ms， 256 字節(jié)編程時間為 1ms； 嵌入式 ICE RT 通過片內(nèi)RealMonitor 軟件提供實時調(diào)試； 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器提供 8 路模擬輸入（每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至 ） ，以及特 定的結(jié)果寄存器來最大限度地減少中斷開銷；2 個32 位定時器/外部事件計數(shù)器（帶 7 路捕獲和 7 路比較通道） ；2 個 16 位定時器/外部事件計數(shù)器（帶 3 路捕獲和 7 路比較通道） ；低功耗實時時鐘（RTC）具有獨立的電源和特定的 32KHz 時鐘輸入；多個串行接口，包括 2 個 UART（16C550 協(xié)議標準） 、2 個高速 I2C 總線（400 Kbit/s） 、 SPI 和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的 SSP；向量中斷控制器（VIC ） ，可配置優(yōu)先級和向量地址；多達 32 個通用 I/O 口（可承受 5V 電壓） ；多達 13 個邊沿、電平觸發(fā)的外部中斷管腳；通過一個可編程的片內(nèi)PLL （100us 的設(shè)置時間）可實現(xiàn)最大為 70MHz 的 CPU 操作頻率，其具有 10MHz～25MHz 的輸入頻率；片內(nèi)集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為 1～25MHz；低功耗模式包括空閑模式、帶 RTC 的睡眠模式和掉電模式；可通過個別使能/禁止外圍功能和外圍時鐘分頻來優(yōu)化額外功耗；通過外部中斷或 RTC 將處理器從掉電模式中喚醒。 。從方便使用和經(jīng)濟的角度考慮，我們選擇了方案 2。 電機選擇本系統(tǒng)為智能電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要。下面我們分析了幾種常見電機。步進電機由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。直流減速電機轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。本課題選用的是直流電機。 傳感器的選擇 火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x擇火焰檢測有紫外傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器以及 CCD 圖像傳感器。我綜合論證了這幾種傳感器，制定了如下幾種方案。方案 1：用煙霧傳感器。煙霧傳感器廣泛應(yīng)用與火警檢測。但是由于此題目的火源是用蠟燭模擬的，沒有太大的煙霧，因此用煙霧傳感器作為此小型電動車的火焰?zhèn)鞲衅饕膊粔驅(qū)嵱?，因此我放棄了此方案方?2：用紫外傳感器檢測火焰。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所，用來監(jiān)測火焰的產(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，對明火特別敏感，能對火災(zāi)立即做出反應(yīng)。但是紫外傳感器檢測的范圍太大，不適用于本系統(tǒng)。方案 3：用光敏電阻作為傳感器。所謂光敏，就是對光反應(yīng)敏感。光敏電阻在光照條件下電阻值隨外界光照強弱（明暗）變化而變化的組件，光越強阻值越小，光越弱阻值越大。CDS 光敏電阻，靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及 γ 值一致性好等特點外，在高溫、多濕的惡劣環(huán)境下，仍能保持其高度的穩(wěn)定性和可靠性，廣泛應(yīng)用于光探測和光自控領(lǐng)域中。從經(jīng)濟和方便的角度考慮，本課題選擇了方案 3。 尋跡傳感器方案 1：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(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，因此我放棄了這個方案。方案 2：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過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。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。方案 3：用 TCRT5000 型光電對管。TCRT5000 為反射取樣式紅外線對管作為核心傳感器件。它采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，以非接觸檢測方式，檢測距離可調(diào)整范圍大，410mm 可用。所示。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。因此本課題選擇了方案 3。 避障傳感器的選擇方案 1：用超聲波傳感器進行避障。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，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機。超聲波傳感器在避障的設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。但是超聲波傳感器需要 40KHz 的方波信號來工作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在 1％內(nèi)，所以用模擬電路來做方波發(fā)生器比較難以實現(xiàn)。而用單片機作為方波發(fā)生器未免有些浪費資源。因此我考慮其他的方案。方案 2：用紅外光電開關(guān) TL1838A2 進行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此做出判斷反應(yīng)，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，當檢測到有障礙物的時候，光電對管就能夠接收到物體反射的紅外光，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。光電對管TL1838A2 操作簡單，使用方便。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平?？紤]到本系統(tǒng)只需要檢測簡單障礙物，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，我最終選擇了方案 2。 硬件總體設(shè)計方案經(jīng)過反復(fù)比較論證，我最終確定了如下方案：手工制作車體。采用 ARM2103 作為主控制器。用 TL1838A2 型光電對管進行避障。光敏電阻傳感器作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅?。L298 作為直流電機的驅(qū)動芯片。使用蜂鳴器進行滅火報警。圖 24 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 軟件總體設(shè)計方案 傳感器組把測得溫度分別通過 AD 轉(zhuǎn)換傳給單片機，單片機通過一定的處理，比較得出溫度最高的三個傳感器，根據(jù)能量在自由空間的衰減規(guī)律可知，火源與傳感器的距離與傳感器測得溫度的大小呈負相關(guān)，溫度越高，距離火源越近，所以，火源即在這三個傳感器所對的那個方向上，調(diào)整小車方向并通過避障傳感器避障前進到火源位置驅(qū)動滅火風扇進行滅火。TL1838A2 光電對管尋跡 滅火風扇火焰?zhèn)鞲衅?聲音報警模塊L298 驅(qū)動直流電機ARM2103控制芯片光電開關(guān)避障模塊第 3 章 硬件單元電路設(shè)計本章主要講述了以 ARM2103 為主控制器，設(shè)計相關(guān)的硬件電路。主要硬件電路有：尋線與控制電路、電機驅(qū)動模塊、火焰檢測電路、滅火風扇驅(qū)動電路以及聲音報警電路。 電源電路ARM2103 需要 直流電壓、150mA 的峰值電流，在考慮到其它外圍芯片的供電電壓和功耗，最終選擇 L7805ACV 這種專為大功率供電使用的芯片提供 5V 供電，電源電路如圖 31。 （31） 微控制器模塊的設(shè)計 ARM2103 微控制器介紹周 立 功 公 司 的 基 于 支 持 實 時 仿 真 的 16/32 位 ARM7 TDMIS CPU 的 較 高 配 置 的一 款 微 控