【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 試，故采用六節(jié)充電電池為整個(gè)系統(tǒng)供電。 運(yùn)城學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系畢業(yè)論文 第 8 頁(yè) 共 30頁(yè) 紅外尋跡傳感器 該智能滅火小車在畫有黑線的路面上行駛，由于黑線和路面對(duì)光線的反射系數(shù)不同，可 根據(jù)接收到反射紅外線的強(qiáng)弱來判斷 “ 道路 ” —— 黑線。在該模塊中利用了簡(jiǎn)單、應(yīng)用也比較普遍的檢測(cè)方法 —— 紅外探測(cè)法。 紅外探測(cè)法：利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質(zhì)的特點(diǎn)，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，如果紅外光遇到地面時(shí)則發(fā)生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的紅外接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的紅外接收管接收不到紅外信號(hào)。 傳感器的選擇：市場(chǎng)上用于紅外探測(cè)法的器件較多，可以利用反射式傳感器外接簡(jiǎn)單電路自制探頭，也可以使用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作性能可靠的集成式紅外探頭。 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，接收器是一個(gè)高靈敏度硅平面光電三極管。 RPR220價(jià)格便宜、體積小、使用方便、性能可靠、用途廣泛，所以該系統(tǒng)中最終選擇了 RPR220紅外反射傳感器作為紅外光的發(fā)射和接收器件。 經(jīng)過多次測(cè)試、比較，發(fā)現(xiàn)把 RPR220傳感器安裝在距離檢測(cè)物表面 6～ 8毫米時(shí)，檢測(cè)效果最好，因?yàn)?5毫米以下是它的檢測(cè)盲區(qū)，而大于 10毫米則很容易受另外的光電管的干擾。紅外尋跡傳感器原理圖如圖 。 圖 紅外尋跡傳感器原理圖 圖中可調(diào)電阻 R3可以調(diào)節(jié)比較器的 門限電壓，可方便的調(diào)節(jié)傳感器的靈敏度。用此電路作為傳感器檢測(cè)與調(diào)理電路。 路徑識(shí)別方案：小車脫離軌道時(shí)，根據(jù)紅外感應(yīng)器的狀態(tài)，做出相應(yīng)的轉(zhuǎn)向的調(diào)整，直到中間的紅外感應(yīng)器重新檢測(cè)到黑線再恢復(fù)正向行駛。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)表明，雖然小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺，但只要控制好行駛的速度就可保證車身基本上接近于沿軌道行駛。 智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 9 頁(yè) 共 30頁(yè) 采用 PWM 調(diào)速的直流電機(jī) PWM 的簡(jiǎn)介 脈寬調(diào)制的全稱為： Pulse WidthModulator， 簡(jiǎn)稱 PWM， 由于它的特殊性能 ，常被用于直流負(fù)載回路中、燈具調(diào)光或直流電動(dòng)機(jī)調(diào) 速 。 脈沖寬度調(diào)制（ PWM）是一種對(duì)模擬信號(hào)電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計(jì)數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對(duì)一個(gè)具體模擬信號(hào)的電平進(jìn)行編碼。 PWM信號(hào)仍然是數(shù)字的，因?yàn)樵诮o定的任何時(shí)刻，滿幅值的直流供電要么完全有 (1)，要么完全無 (0)。電壓或電流源是以一種通 (1)或斷 (0)的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時(shí)候即是直流供電被加到負(fù)載上的時(shí)候，斷的時(shí)候即是供電被斷開的時(shí)候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進(jìn)行編碼。 脈寬調(diào)制（ PWM） ， 控制方式就是 采用脈沖寬度調(diào)制技術(shù)，其工作原理是：通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機(jī)電樞上的電壓的“占空比”改變，從而改變電樞電壓的平均值，控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。因此，我們可以通過單片機(jī)，生成固定頻率的脈沖信號(hào)，通過改變脈沖信號(hào)中的“占空比”來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 PWM控制 可分為 單極性調(diào)制和雙極性調(diào)制兩種方式 ， 為了實(shí)現(xiàn)直流伺服系統(tǒng)的 H型單極模式同頻 PWM可逆控制，一般需要產(chǎn)生四路驅(qū)動(dòng)信號(hào)來實(shí)現(xiàn)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)切換控制。當(dāng) PWM控制電路工作時(shí)，其中 H橋一側(cè)的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)的占空比相同但相位相反，同時(shí)隨控制信號(hào)改變并具有互鎖功能 ； 而另一側(cè)上臂為低電平，下臂為高電平。 H 型電機(jī)驅(qū)動(dòng) 直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電路采用 H型 PWM電路，用單片機(jī)控制驅(qū)動(dòng)電路，使之工作在占空比可調(diào)的開關(guān)狀態(tài)，精確調(diào)整電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速。 H型電路可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，采用 PWM進(jìn)行直流電機(jī)調(diào)速，其實(shí)就是把波形作用于電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的使用端，因此下面對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行介紹 。 驅(qū)動(dòng)電路如圖 。 圖 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路 運(yùn)城學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系畢業(yè)論文 第 10 頁(yè) 共 30 頁(yè) 圖 的是 一個(gè)簡(jiǎn)單的直流電機(jī)控制電路。電路中， H橋式電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路包括 4個(gè)三極管和一個(gè)電機(jī)。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)場(chǎng)效應(yīng)管。根據(jù)不同場(chǎng)效應(yīng)管對(duì)的導(dǎo)通情況，電流可能會(huì) 從左至右或從右至左流過電機(jī)，從而控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向。 如圖 ，當(dāng) ， ，此時(shí) Q Q4導(dǎo)通， QQ3截止，電動(dòng)機(jī)正常工作。改變 ，即改變 PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。 小車原理圖 小車原理圖如圖 ，電機(jī)通過 L293F芯片控制轉(zhuǎn)動(dòng)的方向與速度。其中， SPEED1和 SPEED2兩個(gè)端口通過 PWM調(diào)節(jié)控制兩個(gè)電機(jī)的轉(zhuǎn)速， IN1和 IN2控制左側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向， IN3和 IN4控制右側(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的方向。通過對(duì)這 6個(gè)端口的控制，使小車能 夠按照預(yù)定的軌跡行進(jìn)。 圖 小車原理圖 紅外火焰?zhèn)鞲衅? 遠(yuǎn)紅外火焰?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)，其靈敏度達(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)換器反映為智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 11 頁(yè) 共 30 頁(yè) 0～ 255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越??；紅外光越弱，數(shù)值越大。 紅外火焰?zhèn)鞲衅髟韴D如圖 。 圖 紅外火焰電路原理圖 下面為火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)測(cè)數(shù)據(jù)，一根蠟燭為火源，室內(nèi)正常日光燈環(huán)境實(shí)測(cè)結(jié)果如 表 。 表 火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)測(cè)結(jié)果 無火源時(shí)，對(duì)著日光燈 10cm 20cm 30cm 40cm 50cm 60cm 70cm 80cm 90cm 100cm 紅外火焰探頭將外界紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過 A/D轉(zhuǎn)換器反映為 0~1023 范圍內(nèi)的數(shù)值。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越小。因此越靠近熱源，機(jī)器人顯示讀數(shù)越小。根據(jù)函數(shù)返 回值的變化能判斷紅外光線的強(qiáng)弱 ,從而能大致判別出火源的遠(yuǎn)近。此外，遠(yuǎn)紅外火焰探頭探測(cè)角度為 60176。 。 風(fēng)扇模塊 滅火風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電壓為 +5V，為了增強(qiáng)驅(qū)動(dòng)能力，我們用三極管 8550做驅(qū)動(dòng)電路以加大驅(qū)動(dòng)電流。滅火風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路如圖 。 運(yùn)城學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系畢業(yè)論文 第 12 頁(yè) 共 30 頁(yè) 圖 滅火風(fēng)扇電路原理圖 在 Uin處接單片機(jī)的 IO口，通過 IO口輸出高低電平來控制滅火風(fēng)扇的啟動(dòng)和停止。 智能小車整體設(shè)計(jì) CPU 引腳 的 設(shè)定 如圖所示， CPU的 、 ， 、 右側(cè)電 機(jī)； PWM信號(hào)，控制小車電機(jī)的轉(zhuǎn)速； — 輸入信號(hào)，分別為前、后、左、右側(cè)的火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)， — 傳感器輸入信號(hào)。 下面是各引腳在含義： 1. 循跡傳感器：左 — 中 — 右 — 2. 火焰?zhèn)鞲衅鳎呵?— 后 — 左 — 右 — 3. 電機(jī)控制： 左 — — 4. 風(fēng)扇控制： 引腳設(shè)定圖如圖 。 圖 引腳設(shè)定圖 智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 13 頁(yè) 共 30 頁(yè) 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)由電機(jī)控制端口 P1控制，其中， ，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)表如表 。 表 電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)表 左電機(jī) 右電機(jī) 含義 HEX 含義 HEX 0 0 0 0 0 0 0 1 前轉(zhuǎn) 1 0 1 前轉(zhuǎn) 1 1 0 后轉(zhuǎn) 2 1 0 后轉(zhuǎn) 2 1 1 停止 3 1 1 停止 3 整體設(shè)計(jì) 小車左右兩輪為驅(qū)動(dòng)輪，后萬向輪為支撐輪。即左右輪分別用兩個(gè)轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流減速電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，車體后部裝一個(gè)萬向輪。 小車的整體設(shè)計(jì)圖如圖 。 圖 小車整體設(shè)計(jì)圖 運(yùn)城學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系畢業(yè)論文 第 14 頁(yè) 共 30 頁(yè) 小車由三個(gè)尋跡傳感器組成尋跡模塊，用于檢測(cè)黑白線，當(dāng)中間的尋跡傳感器壓線時(shí)表示小車沒有偏航，左右輪轉(zhuǎn)速相同向前行進(jìn)；當(dāng)左邊的尋跡傳感器壓線時(shí)表示小車向右偏航，這時(shí)要調(diào)節(jié)左輪的轉(zhuǎn)速，使小車向左轉(zhuǎn)；當(dāng)右邊的尋跡傳感器壓線時(shí)表示小車向左偏航，這時(shí)要調(diào)節(jié)右輪的轉(zhuǎn)速，使小車向右轉(zhuǎn)。 火焰?zhèn)鞲衅饔?4個(gè)，分別檢測(cè)前后左右方向上的火源，如果左邊的傳感器檢測(cè)到火源，則小車向左轉(zhuǎn)向前進(jìn)；如果右邊的傳感器檢測(cè)到火源，則小車向右轉(zhuǎn)向前進(jìn)，如果前邊的傳感器檢測(cè)到火源，則小 車向前行進(jìn)；如果后邊的傳感器檢測(cè)到火源，則小車向后轉(zhuǎn)動(dòng) 180176。 通過檢測(cè)兩套傳感器的信號(hào)，單片機(jī)根據(jù)程序輸出相應(yīng)的反應(yīng)信號(hào)，控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，以使小車相互協(xié)調(diào)工作，完成滅火的任務(wù)。 智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 15 頁(yè) 共 30 頁(yè) 第 3 章 軟 件 設(shè) 計(jì) 在進(jìn)行微機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，我們根據(jù)單片機(jī)的具體情況使用 Keil C51軟件，采用主流設(shè)計(jì)語(yǔ)言 C語(yǔ)言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。 C語(yǔ)言功能豐富，表達(dá)能力強(qiáng)，目標(biāo)程序效率高，可移植性好，既具有高級(jí)語(yǔ)言的優(yōu)點(diǎn)，又具有低級(jí)語(yǔ)言的許多特點(diǎn)，應(yīng)用十分廣泛。 智能滅火小車系統(tǒng)總體流程 此部分是小車 運(yùn)行的核心部分，起著控制小車所有運(yùn)行狀態(tài)的作用，具有導(dǎo)向和決策的功能。程序控制流程圖如圖 。 圖 控制流程圖 系統(tǒng)總體流程是：小車進(jìn)入驅(qū)動(dòng)后，即先判斷是否有火源存在，一旦檢測(cè)到有火源，著從出發(fā)點(diǎn)沿著黑白線前進(jìn)接近火源。程序不停的判斷火源位置和行進(jìn)的線路，把相應(yīng)的信號(hào)發(fā)送給電動(dòng)機(jī)從而糾正小車的狀態(tài)，使小車按照規(guī)定的線路尋找到火源，并將火滅掉。 運(yùn)城學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系畢業(yè)論文 第 16 頁(yè) 共 30 頁(yè) 程序流程圖 1. 小車滅火的主程序軟件流程圖 如圖 ，首先加點(diǎn)后對(duì)小車進(jìn)行初始化，在這個(gè)階段讓小車檢測(cè)火源，確定自己的位置，同 時(shí)尋找線路。接著單片機(jī)判斷是否有火源，如果有火源存在，啟動(dòng)小車循跡模塊程序，讓小車前進(jìn)，當(dāng)小車找到火源時(shí)，停止前進(jìn)，這時(shí)開啟滅火風(fēng)扇，進(jìn)行滅火的操作，這時(shí)再判斷是否將火滅掉，如果火已經(jīng)熄滅，則小車?yán)^續(xù)尋找下一個(gè)火源，如果沒有熄滅則風(fēng)扇繼續(xù)開啟。 主程序流程圖如圖 。 圖 程序流程圖 2. 小車循跡模塊、火源模塊程序軟件流程圖 尋跡模塊程序首先采集尋跡傳感器傳回的信號(hào)，判斷當(dāng)前小車所在的位置，如果小車正好在線上，則小車?yán)^續(xù)前進(jìn)；如果小車左側(cè)壓線，說明小車偏左，則小車右拐前進(jìn)；如果小車右側(cè)壓線 ，說明小車偏右，則小車左拐前進(jìn)；如果智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 17 頁(yè) 共 30 頁(yè) 小車沒有檢測(cè)到黑線，說明前面沒有路，則小車后轉(zhuǎn) 180度，返回；如果小車三個(gè)傳感器都檢測(cè)到黑線，說明小車走到十字路口，則再判斷火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)。 如果火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào)顯示火焰在小車的前方，則小車?yán)^續(xù)前進(jìn)；如果檢測(cè)到火焰在小車的左方，則小車左轉(zhuǎn) 90度，沿黑白線繼續(xù)前進(jìn)；如果小車檢測(cè)到火焰在小車的右方，則小車右轉(zhuǎn) 90度，沿黑白線繼續(xù)前進(jìn)；如果小車檢測(cè)到火焰在小車的后方，則小車后轉(zhuǎn) 180度，沿黑白線繼續(xù)前進(jìn)。 尋跡模塊程序流程圖如圖 ，火焰?zhèn)鞲衅髂K程序流程圖如圖 示。 圖 尋跡模塊 圖 判斷火源位置模塊 部分功能代碼 1．小車轉(zhuǎn)向代碼