【正文】 ....... 22 第 2 頁 致 謝 .................................................................................................................................. 23 參 考 文 獻(xiàn) .......................................................................................................................... 24 附 錄 .................................................................................................................................. 25 智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)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(duì)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(jī)作為本控制系統(tǒng)的主控芯片，硬件包括以下幾個(gè)模塊：驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、尋跡傳感器模塊、單片機(jī)控制模塊、火源傳感器模塊、風(fēng)扇模 塊、電源模塊。小車由主控制板、傳感系統(tǒng)、風(fēng)扇系統(tǒng)和車身四部分組成。 本設(shè)計(jì) 通過 采用 STC89C51單片機(jī)為 控制核心 ， 實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的智能控制 。所以本設(shè)計(jì)與實(shí)際相聯(lián)系，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。以蠟燭模擬火源，隨機(jī)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(jìn)（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(shí)際情況，自行設(shè)計(jì)傳感器，不僅花費(fèi)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(jì)，以 L298為核心的電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，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(jì)方案 總體方案為：整個(gè)電路分為驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊、尋跡傳感器模塊、單片機(jī)控制模塊、火源傳感器模塊、風(fēng)扇模塊、電源模塊六個(gè)模塊。系統(tǒng)方案框圖如 圖 示。但自己制作的小車，車體會(huì)比較粗糙，車身重量、平衡，小車的電路設(shè)計(jì)，這些都比較難良好地實(shí)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(yùn)動(dòng)。而且，用專用電動(dòng)車具有完整的電機(jī)裝配和電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這用就省去了對(duì)電機(jī)傳動(dòng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)和 實(shí)現(xiàn)。 驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊的選定 方案 1：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī) 利用步進(jìn)電機(jī)的準(zhǔn)確定長步進(jìn)性能方便的實(shí)現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準(zhǔn)確的測量速度、路程以及時(shí)間，簡化編程和硬件連接的工作量。 方案 2：采用直流電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電機(jī) 直流電機(jī)的控制方法比較簡單，只需給電機(jī)的兩根控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)起來，電壓越高則電機(jī)轉(zhuǎn) 速越高。對(duì)于直流電機(jī)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(diǎn)： 1. PWM從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)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(jì)采用了方案 2。而且外界的可見光對(duì)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(diǎn)是檢測距離短，優(yōu)點(diǎn)是成本低，易于操作。 智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 5 頁 共 30頁 單片機(jī)控制模塊的選定 考慮到整個(gè)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(chǔ)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(gè)計(jì)數(shù)器中斷，對(duì)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(gè)模塊控制芯片，能夠準(zhǔn)確的計(jì)算出時(shí)間，有很好的實(shí)時(shí)性。所有我們直接采用 STC89C51作為主控芯片。 方案 2：采用 兩個(gè)光敏電阻 作 為核心的傳感器，利用光敏電阻對(duì)不同距離及不同強(qiáng)度的光照均有較好的光敏特性來將外界光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，提供給單片機(jī)進(jìn)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(hào)反映為 0~1023 范圍內(nèi)的數(shù)字信號(hào)。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(dá) 60度，其中紅外光波長在 940納米附近時(shí)，其靈敏度達(dá)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(gè)子方案 。因此采用這種方案有點(diǎn)麻煩，而且還會(huì)浪費(fèi)時(shí)間和精力。將電機(jī)放在三極管的射極，然后在基極加上一個(gè)限流電阻即可驅(qū)動(dòng)電機(jī)正常工作，這種方案不僅電路簡單、易實(shí)現(xiàn)，會(huì)減少很多電路上不必要的麻煩，而且驅(qū)動(dòng)效率也大大提高，不僅如此其維修性也很強(qiáng)，出現(xiàn)故障能及時(shí)快速維修。 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 6 頁 共 30頁 綜合考慮，本設(shè)計(jì)采用了方案 2。所以需要對(duì)電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。優(yōu)點(diǎn)：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(jī)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(dòng)風(fēng)扇模塊 。 圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 智能小車引導(dǎo)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 第 7 頁 共 30頁 第 2 章 硬 件 設(shè) 計(jì) 系統(tǒng)工作原理及功能簡介 本系統(tǒng)利用單片機(jī) STC89C51單片機(jī)作為本系統(tǒng)的主控模塊，我們采用反射式紅外傳感器識(shí)別黑線軌跡，用遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火源，由單片機(jī)對(duì)傳感器識(shí)別到的信號(hào)加以分析和判斷，并通過對(duì)直流電機(jī)的控制來實(shí)現(xiàn) 自動(dòng)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(jī)和單片機(jī)需要的電壓。 單片機(jī)和電動(dòng)機(jī)能否正常工作，電源供電情況是一個(gè)重要方面。 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 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(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。 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(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)。 RPR220是一 種一體化反射型光電探測器，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。 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(shí)，檢測效果最好，因?yàn)?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(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)器重新檢測到黑線再恢復(fù)正向行駛。 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 共 30頁 采用 PWM 調(diào)速的直流電機(jī) 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(fù)載回路中、燈具調(diào)光或直流電動(dòng)機(jī)調(diào) 速 。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。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。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進(jìn)行編碼。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。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 。 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 共 30 頁 圖 的是 一個(gè)簡單的直流電機(jī)控制電路。要使電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，必須導(dǎo)通對(duì)角線上的一對(duì)場效應(yīng)管。 如圖 ，當(dāng) ， ，此時(shí) Q Q4導(dǎo)通， 3截止，電動(dòng)機(jī)正常工作。 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。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)。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 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?shí)測結(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。因此越靠近熱源，機(jī)器人顯示讀數(shù)越小。此外，遠(yuǎn)紅外火焰探頭探測角度為 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。 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 共 30 頁 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。 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 。 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。 小車的整體設(shè)計(jì)圖如圖 。 火焰?zhèn)鞲衅饔?4個(gè)，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(jìn)；如果右邊的傳感器檢測到火源，則小車向右轉(zhuǎn)向前進(jìn)，如果前邊的傳感器檢測到火源，則小 車向前行進(jìn)；如果后邊的傳感器檢測到火源，則小車向后轉(zhuǎn)動(dòng) 180176。 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 共 30 頁 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)語言 C語言對(duì)單片機(jī)進(jìn)行編程實(shí)現(xiàn)各項(xiàng)功能。 智能滅火小車系統(tǒng)總體流程