【文章內(nèi)容簡介】 車體設(shè)計 方案 1：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機及其驅(qū)動電路。但是一般的說來，玩具電動車具有如下缺點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動車一般都是前輪轉(zhuǎn)向后輪驅(qū)動，不能適應(yīng)該題目的方格地圖，不能方便迅速的實現(xiàn)原地保持坐標(biāo)轉(zhuǎn) 90 度甚至 180 度的彎角。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電機，力矩小，空載轉(zhuǎn)速快，負(fù)載性能差，不易調(diào)速。而且這種電動車一般都價格不扉。因此我們放棄了此方案。 方案 2：自己制作電動車。經(jīng)過反復(fù)考慮論證， 我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動，前后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。即左右輪分別用兩個轉(zhuǎn)速和力矩基本完全相同的直流電機進行驅(qū)動，前后裝兩個萬向輪。這樣，當(dāng)兩個直流電機轉(zhuǎn)向相反同時轉(zhuǎn)速相同時就可以實現(xiàn)電動車的原地旋轉(zhuǎn)，由此可以輕松的實現(xiàn)小車坐標(biāo)不變的 90度和 180度的轉(zhuǎn)彎。 電源模塊 控制器模塊 尋跡傳感器模塊 火焰?zhèn)鞲衅髂K 電機驅(qū)動前進轉(zhuǎn)向模塊 滅火風(fēng)扇及其驅(qū)動模塊 語音模塊 無線發(fā)射模塊 無線接收 模塊 語音模塊 顯示臺顯示模塊 避障模塊 車載顯示模塊 測速計程模塊 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 7 在安裝時我們并不把兩個萬向輪裝在一個平面上。當(dāng)小車前進時，左右兩驅(qū)動輪與前萬向輪形成了三點結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)使得小車在前進時比較平穩(wěn)，可以避免出現(xiàn)前后兩輪過低而使左右兩驅(qū)動輪驅(qū)動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用。 對于車架材料的選擇，我 們經(jīng)過比較選擇了鋁合金。用鋁合金做的車架比塑料車架更加牢固，比鐵制小車更輕便，美觀。 綜上考慮，我們選擇了方案 2。實物圖如圖 23 所示： 圖 23 車體底盤實物圖 控制器模塊 方案 1：采用可編程邏輯期間 CPLD 作為控制器。 CPLD 可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、 IO資源豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，適合作為大規(guī)?？刂葡到y(tǒng)的控制核心。但本系統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。且從使用及經(jīng)濟的角度考慮我 們放棄了此方案。 方案 2：采用凌陽公司的 16位單片機，它是 16位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽單片機應(yīng)用語音處理和辨識時，由于其占用的 CPU 資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務(wù)的速度和能力降低。 本系統(tǒng)主要是進行尋跡和火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測以及電機的控制，兼有語音的播報。如果單純的使用凌陽單片機，在語音播報的同時小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情 況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性和編程的簡潔性考慮，我們放棄了 單純使用凌陽單片機而考慮其它的方案。 方案 3：采用 ATMEL 公司的 AT89S52 單片機作為主控制器而用凌陽單片機作為輔助控制器。 AT89S52 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)擦些 1000 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常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 8 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。 我們自己制作 51 最小系統(tǒng)板，體積很小，下載程序方便，放在車上不會占用太多的空間。 為了同時方便使用語音的播報和識別，我們選擇了凌陽公司的 SPCE061A 精簡開發(fā)板 61B 板。 61B 板上配有喇叭插座、麥克風(fēng)等。用戶只需使用在線調(diào)試器，不用再外接任何器件即可以完成語音錄放等功能。該精簡系統(tǒng)板體積小，功能齊全，資源豐富。能夠滿足系統(tǒng)的要求。 從方便使用的角度考慮，我們選擇了方案 3。 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 1：采用 12V 蓄電池為系統(tǒng)供電。蓄電池具有較強的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極 為不方便。因此我們放棄了此方案。 方案 2：采用 3 節(jié) 可充電式鋰電池串聯(lián)共 給直流電機供電，經(jīng)過7805 的電壓變換后為單片機，傳感器和舵機供電。經(jīng)過實驗驗證，當(dāng)電池為直流電機供電時，單片機、傳感器的工作電壓不夠，性能不穩(wěn)定。因此我們放棄了此方案。 方案 3：采用 3 節(jié) 可充電式鋰電池為直流電機供電，用 2 節(jié)鋰電池經(jīng)過7805 的電壓變換為單片機和傳感器供電。再用 2 節(jié)鋰電池經(jīng)另一套 7805 電壓變換電路為舵機供電。采用此種供電方式后，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，舵機直流電機工作互不影響，且電池的體積較小， 能夠滿足系統(tǒng)的要求。 綜上考慮，我們選擇了方案 3。 尋跡傳感器模塊 方案 1：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(dāng)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 2：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(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，因此我們放棄了這個方案。 方案 3：用 RPR220 型光電對管。 RPR220 是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā)光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。 RPR220 采用 DIP4 封裝，其具有如下特點： （ 1） 塑料透鏡可以提高靈敏度。 （ 2） 內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響。 （ 3） 體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。 常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 9 當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，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。 因此我們選擇了方案 3。 火焰?zhèn)鞲衅髂K 火焰檢測有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器以及 CCD 圖像傳感器。我們綜合論證了這幾種傳感器，制定了如下幾種方案。 方案 1：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。試驗驗證用熱電偶檢測火焰精度不高，因此我們放棄了此方案。 方案 2：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?，因此我們放棄了此方案? 方案 3：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)立即作出反應(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 4：用 CCD 圖像傳感器。用 CCD 圖像傳感器可以檢測各種被檢測量，適用于各種量的檢測。但是用 CCD 圖像傳感器 需要處理的信號量太大，且體積較大，不使用與本系統(tǒng)。 方案 5：用遠紅外傳感器。經(jīng)試驗驗證，遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測距離遠，線性度好，檢測準(zhǔn)確 ，且體積較小。很適用于本題目的要求。 因此我們選擇了方案 5。 在火焰?zhèn)鞲衅髂K的設(shè)計中，我們在車體的前頭的兩側(cè)離地大約 15－ 20cm（相當(dāng)于火焰高度）處安裝遠紅外火焰?zhèn)鞲衅?，且每一?cè)裝有兩個。由于火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測距離很遠，為了避免錯誤檢測遠處火焰的情況的出現(xiàn)，我們把每一側(cè)的較低的傳感器用黑色塑料紙包住。經(jīng)實驗驗證，這樣處理過的火焰?zhèn)鞲衅髦荒軝z測到一個方格距離的火焰，而對遠距離 的火焰沒有反應(yīng)。 我們把用黑塑料包住的傳感器稱為“近視”傳感器，把沒有處理過的稱為“遠視”傳感器?！敖暋眰鞲衅骱汀斑h視”傳感器配合交替使用，可以更好的完成計劃任務(wù)。 避障模塊 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)。而用單片機來作方波發(fā)生器未免有些浪費資源。 因此我們考慮其他的方案。 方案 2：用紅外光電開關(guān)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)此作出判斷反應(yīng)，是利用被檢測物體對紅外 光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 10 金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。光電開關(guān) E3FDS10C4 操作簡單，使用方便。當(dāng)有光線反射回來時，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時，輸出高電平。 考慮到本系統(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，我們最終選擇了方案 2。 測速計程模塊 方案 1：用霍耳傳感器進行測速。當(dāng)載流導(dǎo)體或半導(dǎo)體出于與電流相垂直的磁場中時，在其兩端將產(chǎn)生電位差。這一現(xiàn)象稱為霍耳效應(yīng)?；舳絺鞲衅骼玫木褪腔舳?yīng)。 如果在車輪的內(nèi)側(cè)裝上一條細(xì)磁鐵，把霍耳傳感器同樣裝在車輪的內(nèi)側(cè)，測量火焰?zhèn)鞲衅鞯妮敵鼍涂梢灾儡囕嗈D(zhuǎn)過的圈數(shù)。 霍耳傳感器是非接觸式測量，而且對灰塵、濕度、振動等環(huán)境條件不敏感。特性也不隨時間而變化。 雖然霍耳傳感器具有眾多優(yōu)點。但是由于我們的電動車較小，比較細(xì)小的磁鐵不易尋找。因此我 們嘗試著尋找其它的方案。 方案 2：用 RPR220 型光電對管進行測速。在車輪的內(nèi)側(cè)貼上一個光電碼盤，用光電對管對碼盤進行檢測。光電對管照射到黑色和白色的邊界時輸出信號會有跳變。將 跳變的輸出信號送給單片機進行檢測就可以得到輪子的轉(zhuǎn)速。 由于我們電動車的尋跡都是用的 RPR220 型光電對管，所以用該型號光電對管進行測速時可以使用同樣的調(diào)理電路。從使用的方便和靈活性考慮，我們選擇了方案 2。 電機模塊 本系統(tǒng)為智能電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動輪的驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要。由于本題要實現(xiàn)對路徑的準(zhǔn)確定位和 精確測量，我們綜合考慮了一下兩種方案。 方案 1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機。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)。經(jīng)綜合比較考慮，我們放棄了此方案。 方案 2：采用直流減速電機。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。 我們所選用的直 流電機減速比為 1： 74，減速后電機的轉(zhuǎn)速為 100r/min。我們的車輪直徑為 6cm，因此我們的小車的最大速度可以達到 V=2π r 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。 電機驅(qū)動模塊 方案 1：采用專用芯片 L298N 作為電機驅(qū)動芯片。 L298N 是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高，一片 L298N 可以分別控制兩個直流電機，常州信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計（論文）報告 11 而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良。 方案 2：對于直流電機用 分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路。由分立元件構(gòu)成電機驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。 因此我們選用了方案 1。 車載語音模塊和控制臺語音模塊 方案 1：選擇專門的語音存儲芯片 ISD1420，通過單片機進行錄放音的控制。用這種方法雖然比較簡介方便，但是在地址模式所占 IO 口較多 ,在操作模式下進行隨機播放又需快進 ,較適合于順序播放。且存儲空間較小，只能存儲總計 20s 的語音，無法進行語音識別。為了能更好的使用語音播放和語音辨識，我們放棄了此方案。 方案 2：選擇 DSP 進行 語音識別， DSP具有很強的信息處理能力，能夠進行語音的存儲錄放和語音的辨識，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。 方案 3：使用凌陽精簡板開發(fā)板 61B 板，該精簡開發(fā)板體積小，使用方便，且具有凌陽系列的很強的語音處理功能，且具有語音播報和辨識的模塊。凌陽 61單片機是 16 位單片機，具有 DSP 功能，有很強的信息處理能力，最高時鐘頻率可達49MHz，具有運算速度高等優(yōu)勢。這些都為語音處理和辨識準(zhǔn)備了很好的條件。 因此我們選用了方案 3。 無線收發(fā)模塊 無線數(shù)據(jù)傳輸被廣泛應(yīng)