【正文】 驅(qū)動電路等組成；傳感系統(tǒng)采用紅外傳感器檢測黑白線，火源傳感器檢測火源；行進直流電機驅(qū)動采用 PWM調(diào)制技術(shù)，可靈活方便地對車速、行進方向進行控制。該控制系統(tǒng)不僅在智能小車中有很強的實用價值，在汽車應(yīng)用、智能機器人等方面都有很強的實用價值，尤其是在機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實訓(xùn)報告 2 1 系統(tǒng)方案選擇 任務(wù)要求 設(shè)計任務(wù) 設(shè)計制作一個智能滅火小車模型，能到指定區(qū)域進行搶險滅火工作。 圖 11 模擬火場示意圖 設(shè)計要求 (1)智能滅火小車手動啟動后，自動尋找到火源的位置。 (3)撲滅火源后自動檢測周圍環(huán)境是否還有其他火源。 總體設(shè)計方案 總體方案為：整個電路 分為驅(qū)動電機模塊、尋跡傳感器模塊、避障模塊、單片機控制模塊、火源傳感器模塊、風(fēng)扇模塊、電源模塊七個模塊。系統(tǒng)方案框圖如圖 12所示。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領(lǐng)域。 方案二：采用 STC89C52單片機作為主控制器。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。 電動車車體的選擇 方案一：購買玩具電動車。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。而且這種電動車一般都價格不扉。 方案二：自己制作電動車。即左右輪分別用兩個直流電機進行驅(qū)動，后面裝一個萬向輪。 對于車架材料的選擇，經(jīng)過比較選擇了硬塑板。故選擇了方案二。 方案二：采用步 進電機 步進電機是一種能將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的機構(gòu)，通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，其精確度高，但控制相對較繁瑣。 電機驅(qū)動電路方案選擇 方案一：采用專用芯片 L298N 作為電機驅(qū)動芯片。 方案二：對于直流電機用分立元件構(gòu)成驅(qū)動電路。但是這種電路工作性能不夠穩(wěn)定。 軌跡探測模塊設(shè)計與比較 方案一：用光敏電阻組成光敏探測器。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。將阻值的變 化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。因此要考慮其他更加穩(wěn)定的方案。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。 方案三：用 RPR220 型光電對管。 RPR220 采用 DIP4 封裝，塑料透鏡可以提高靈敏度，內(nèi)置可見光過濾器能減小離散光的影響，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實訓(xùn)報告 5 火源檢測設(shè)計與比較 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。 方案一：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。 實 驗驗證用熱電偶檢測火焰精度不高，故放棄了此方案。煙霧傳感器廣泛應(yīng)用與火警檢測。 方案三：用紫外傳感器檢測火焰。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)。 方案四：用 CCD 圖像傳感器。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)。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。 因此本設(shè)計采用了方案 五 。 方案一：采用 12V蓄電池為系統(tǒng)供電。 方案二：采用 6 節(jié) 3節(jié)串聯(lián)，分別供單片機和電機驅(qū)動使用，單片機和傳感器工作穩(wěn)定，電機工作互不影響，且電池體積較小，能夠滿足系統(tǒng)要求。 避障模塊設(shè)計與分析 方案一：用超聲波傳感器進行避障。然后將這信號放大后送入單片機。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)。因此考慮其他的方案。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海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實訓(xùn)報告 6 或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。當(dāng)有光線反射回來時，輸出低電平。 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。 滅火模塊 方案一：用風(fēng)扇將蠟燭吹滅，檢測并確定火源在課吹滅的范圍內(nèi)后由單片機控制風(fēng)扇開啟，吹滅蠟燭。能達到要求，并且簡單方便各方面的實現(xiàn)都比較簡單，工作也比較穩(wěn)定，調(diào)試快捷。 方案二：用水管噴滅，由于整個系統(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，并且小車還要承載水的重量，對小車電機驅(qū)動要求比較高，故排除這種方案，選擇方案一。 （ 2）采用 STC89C52 單片機作為主控制器。 （ 4）用 6 節(jié)鋰電池分別給單片機和電機供電。 （ 6）遠紅外火焰?zhèn)鞲衅髯鳛楸鞠到y(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳌? （ 7） 用紅外光電開關(guān)進行避障。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。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。掉電保護方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實訓(xùn)報告 7 蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 參數(shù)： (1)增強型 8051 單片機， 6 時鐘 /機器周期和 12 時鐘 /機器周期可以任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051.[1] (2)工作電壓： ～ （ 5V 單片機） /～ （ 3V 單片機） (3)工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實際工作 頻率可達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），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，作為總線擴展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。即定時器 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），還可用定時器軟件實現(xiàn)多個 UART (13)工作溫度范圍： 40～ +85℃ （工業(yè)級） /0～ 75℃ （商業(yè)級） (14) PDIP 封裝 單片機引腳功能 STC89C52 是一個有 40 個引腳的芯片，引腳配置如圖 21 所示： 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實訓(xùn)報告 8 圖 21 STC89C52 引腳配置 STC89C52 單片機各 個引腳功能如表 22 所示。 圖 23 采用三極管檢測電路原理圖 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實訓(xùn)報告 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，光電對管中的三極管導(dǎo)通， R2 的上端變?yōu)楦唠娖?，此時 VT1 飽和導(dǎo)通，三極管集電極輸出低電平。 VT1 在該電路中起到濾波整形的作用。如果輸出加施密特觸發(fā)器就可以實現(xiàn)良好的輸出波形。究其原因，是因為光敏三極管和三極管 VT1 導(dǎo)通時的導(dǎo)通電流較大。 圖 24 采用電壓比較器檢測電路原理圖 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，可以直接夠單片機查詢使用。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與 調(diào)理電路。 安裝在前端的四個傳感器直接將信號送給單片機，當(dāng)中間兩個傳感器中一個傳回低電平，則為踩線，既調(diào)整車頭方向，當(dāng)四個傳感器均為高點平時認(rèn)定為一個交點，并且 2個交點間距離約為 25cm。再因 RPR220檢測到黑線返回高電平，否則為低電平，利用這一原理。經(jīng)實驗證實此方法能使小車穩(wěn)定轉(zhuǎn)向。 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，非常適合本次系統(tǒng)的條件。遠紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉(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。 利用四個火焰?zhèn)鞲衅?，調(diào)節(jié)其中兩個傳感器門限電壓，使得傳感器能檢測到整張地圖距離的火焰，再調(diào)節(jié)另兩個傳感器使得只能檢測一個方格距離的火焰。 我 們將能檢測整張地圖的傳感器稱為 “遠視 ”，只能檢測一格的稱為 “近視 ”。當(dāng) “近視 ”傳感器檢測到信號，說明火焰處于當(dāng)前所在方格，觸發(fā)轉(zhuǎn)向開啟風(fēng)扇。 采用電機驅(qū)動芯片 L298N 作為電 機驅(qū)動 ，管腳圖如圖 26 所示，原理圖 如圖 27 所示。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個 H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，可驅(qū)動 46V、 2A以下的電機。 J4 接入邏輯電源， J6 接入動力電源， J1 與 J2 分別為單片機控制兩個電機的輸入端， J3與 J5 分別與兩個電極的正負(fù)極相連。 海南軟件職業(yè)技術(shù)學(xué)院綜合實訓(xùn)報告 13 由于我們使用的電機是線圈式的，在從運行狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到停止?fàn)顟B(tài)和從順時針狀態(tài)突然轉(zhuǎn)換到逆時針狀態(tài)時會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)生反向電流的時候進行泄流，保護芯片的安全。利用三級管的開關(guān)應(yīng)用，實現(xiàn)單片機控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)停。 圖 28 滅火風(fēng)扇原理圖 避障功能的實現(xiàn)方法 由于火源為不確定位置，所以小車還屬于前進并還未檢測到火焰而遇到障礙物，首先讓小車先后退，在遇到黑線交點時先右轉(zhuǎn)，因為地圖是有限的，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就