【正文】 ..................... 22 第 2 頁 致 謝 ................................................................................................................... 23 參 考 文 獻 ............................................................................................................ 24 附 錄 ................................................................................................................... 25 智能小車引導控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 第 1 頁 共 30頁 引 言 現(xiàn)在， 隨著科技的快速發(fā)展 ，國內(nèi)外對小型智能系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，種類也越來越多。 根據(jù)題目的要求， 智能尋跡滅火小車控制系統(tǒng)采 用一片 STC89C51單片機作為本控制系統(tǒng)的主控芯片，硬件包括以下幾個模塊：驅(qū)動電機模塊、尋跡傳感器模塊、單片機控制模塊、火源傳感器模塊、風扇模塊、電源模塊。小車由主控制板、傳感系統(tǒng)、風扇系統(tǒng)和車身四部分組成。 本設(shè)計 通過 采用 STC89C51單片機為 控制核心 ， 實現(xiàn)對小車的智能控制 。所以本設(shè)計與實際相聯(lián)系，具有重要的現(xiàn)實意義。以蠟燭模擬火源，隨機分布在場地中， 模擬滅火比賽 場地如圖 。 2. 智能滅火小車必須按照固定的路線行進（黑白線） 。 4. 若有則繼續(xù)滅火，若無則停止工作。 2． 根據(jù)小車需要和實際情況，自行設(shè)計傳感器，不僅花費較少，而且使用效果好 。 4． 使用以 7805芯片為核心的穩(wěn)壓設(shè)計，以 L298為核心的電機驅(qū)動設(shè)計，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性 。找出光敏電阻電路輸出電壓的最小值并保存數(shù)據(jù)，然后再旋轉(zhuǎn) 360176。 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、單片機控制模塊、火源傳感器模塊、風扇模塊、電源模塊六個模塊。系統(tǒng)方案框圖如 圖 示。但自己制作的小車，車體會比較粗糙，車身重量、平衡，小車的電路設(shè)計，這些都比較難良好地實現(xiàn)。用自制探測器或購買完整探測模塊，并用開發(fā)板控制小車運動。而且，用專用電動車具有完整的電機裝配和電機驅(qū)動，這用就省去了對電機傳動和電機驅(qū)動的設(shè)計和實現(xiàn)。 驅(qū)動電機模塊的選定 方案 1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機 利用步進電機的準確定長步進性能方便的實現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準確的測量速度、路程以及時間，簡化編程和硬件連接的工作量。 方案 2：采用直流電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機 直流電機的控制方法比較簡單，只需給電機的兩根控制線加上適當?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機轉(zhuǎn)速越高。對于直流電機的速度調(diào)高，可以采用改變電壓的方法，也可采用 PWM調(diào)速方法。 與其它調(diào)速系統(tǒng)相比， PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點： 1. PWM從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行 數(shù)模轉(zhuǎn)換 。 4． 主電路簡單，所用功率元件少。 綜合考慮，本設(shè)計采用了方案 2。而且外界的可見光對設(shè)備的影響很大，而且不容易克服外界可見光的干擾。缺點是檢測距離短，優(yōu)點是成本低，易于操作。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 第 5 頁 共 30頁 單片機控制模塊的選定 考慮到整個系統(tǒng)的簡單、方便性，控制模塊采用 STC89C51作為主 控制芯片，該芯片有足夠的存儲空間，可以方便的在線 ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要，該芯片提供了兩個計數(shù)器中斷，對于本作品系統(tǒng)已經(jīng)足夠，采用該芯片可以比較靈活的選擇各個模塊控制芯片，能夠準確的計算出時間，有很好的實時性。所有我們直接采用 STC89C51作為主控芯片。 方案 2：采用 兩個光敏電阻 作 為核心的傳感器，利用光敏電阻對不同距離及不同強度的光照均有較好的光敏特性來將外界光信號轉(zhuǎn)換成電信號，提供給單片機進行相關(guān)判斷操作。 方案 3：采用紅外接收二極管，紅外接收二極管將外界紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號反映為 0~1023 范圍內(nèi)的數(shù)字信號。紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其它一些波長在 760納 米～ 1100納米范圍內(nèi)的熱源，探測角度達 60度，其中紅外光波長在 940納米附近時，其靈敏度達到最大。 鑒于以上 3種方案的比較，我們選擇方案 3。這種方案有兩個子方案 。因此采用這種方案有點麻煩，而且還會浪費時間和精力。將電機 放在三極管的射極，然后在基極加上一個限流電阻即可驅(qū)動電機正常工作，這種方案不僅電路簡單、易實現(xiàn)，會減少很多電路上不必要的麻煩，而且驅(qū)動效率也大大提高，不僅如此其維修性也很強，出現(xiàn)故障能及時快速維修。 運城 學院計算機科學與技術(shù)系畢業(yè)論文 第 6 頁 共 30頁 綜合考慮，本設(shè)計采用了方案 2。所以需要對電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。優(yōu)點：簡單方便。 基于系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，我選擇了方案 2。 2． 采用 STC89C51單片機作為控制核心。 4． 用紅外探測傳感器作為尋跡傳感器。 6． 采用三極管放大電路驅(qū)動風扇模塊 。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 智能小車引導控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 第 7 頁 共 30頁 第 2 章 硬 件 設(shè) 計 系統(tǒng)工作原理及功能簡介 本系統(tǒng)利用單片機 STC89C51單片機作為本系統(tǒng)的主控模塊，我們采用反射式紅外傳感器識別黑線軌跡，用遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火源，由單片機對傳感器識別到的信號加以分析和判斷，并通過對直流電機的控制來實現(xiàn)自動尋跡并滅火，系統(tǒng)工作原理框圖如圖 。再用三端穩(wěn)壓管轉(zhuǎn)換為電機和單片機需要的電壓。 單片機和電動機能否正常工作，電源供電情況是一個重要方面。 運城 學院計算機科學與技術(shù)系畢業(yè)論文 第 8 頁 共 30頁 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，由于黑線和路面對光線的反射系數(shù)不同，可根據(jù)接收到反射紅外線的強弱來判斷 “ 道路 ” —— 黑線。 紅外探測法：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，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。 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，接收器是一個高靈敏度硅平面光電三極管。 經(jīng)過多次測試、比較，發(fā)現(xiàn)把 RPR220傳感器安裝在距離檢測物表面 6～ 8毫米時，檢測效果最好，因為 5毫米以下是它的檢測盲區(qū)，而大于 10毫米則很容易受另外的光電管的干擾。 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。 路徑識別方案：小車脫離軌道時，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)器重新檢測到黑線再恢復正向行駛。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 第 9 頁 共 30頁 采用 PWM調(diào)速的直流電機 PWM 的簡介 脈寬調(diào)制的全稱為： Pulse WidthModulator， 簡稱 PWM， 由于它的特殊性能 ，常被用于直流負載回路中、燈具調(diào)光或直流電動機調(diào)速 。通過高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進行編碼。電壓或電流源是以一種通 (1)或斷 (0)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進行編碼。因此，我們可以通過單片機，生成固定頻率的脈沖信號，通過改變脈沖信號中的“占空比”來控制電機的轉(zhuǎn)速。當 PWM控制電路工作時，其中 H橋一側(cè)的兩路驅(qū)動信號的占空比相同但相位相反，同時隨控制信號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型電路可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)速和方向的控制，采用 PWM進行直流電機調(diào)速，其實就是把波 形作用于電機驅(qū)動電路的使用端，因此下面對電機驅(qū)動電路進行介紹 。 圖 電機驅(qū)動電路 運城 學院計算機科學與技術(shù)系畢業(yè)論文 第 10 頁 共 30頁 圖 的是 一個簡單的直流電機控制電路。要使電機運轉(zhuǎn)，必須導通對角線上的一對場效應(yīng)管。 如圖 ，當 ， ，此時 Q Q4導通， 3截止，電動機正常工作。 小車原理圖 小車原理圖如圖 ，電機通過 L293F芯片控制轉(zhuǎn)動的方向與速度。通過對這 6個端口的控制，使小車能夠按照預定的軌跡行進。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)換器反映為智能小車引導控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 第 11 頁 共 30頁 0～ 255范圍內(nèi)數(shù)值的變化。 紅外火焰?zhèn)鞲衅髟韴D如圖 。 表 火焰?zhèn)鞲衅鲗崪y結(jié)果 無火源時，對著日光燈 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。因此越靠近熱源，機器人顯示讀數(shù)越小。此外，遠紅外火焰探頭探測角度為 60176。 風扇模塊 滅火風扇的驅(qū)動電壓為 +5V，為了增強驅(qū)動能力，我們用三極管 8550做驅(qū)動電路以加大驅(qū)動電流。 運城 學院計算機科學與技術(shù)系畢業(yè)論文 第 12 頁 共 30頁 圖 滅火風扇電路原理圖 在 Uin處接單片機的 IO口，通過 IO口輸出高低電平來控制滅火風扇的啟動和停止。 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. 電機控制： 左 — — 4. 風扇控制： 引腳設(shè)定圖如圖 。 表 電機轉(zhuǎn)動表 左電機 右電機 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 小車左右兩輪為驅(qū)動輪，后萬向輪為支撐輪。 小車的整體設(shè)計圖如圖 。 火焰?zhèn)鞲衅饔?4個，分別檢測前后左右方向上的火源，如果左邊的傳感器檢測到火源，則小車向左轉(zhuǎn)向前進；如果右邊的傳感器檢測到火源，則小車向右轉(zhuǎn)向前進，如果前邊的傳感器檢測到火源，則小車向前行進；如果后邊的傳感器檢測到火源，則小車向后轉(zhuǎn)動 180176。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn) 第 15 頁 共 30頁 第 3 章 軟 件 設(shè) 計 在進行微機控制系統(tǒng)設(shè)計時，我們根據(jù)單片機的具體情況使用 Keil C51軟件，采用主流設(shè)計語言 C語言對單片機進行編程實現(xiàn)各項功能。 智能滅火小車系統(tǒng)總體流程 此部分是小車運行的核心部分，起著控制小