消防智能小車

1、 電動(dòng)消防車 題 目： 電動(dòng)消防車 學(xué) 院：計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院專 業(yè)：電子信息工程班 級(jí)：09（1）班成 員：指導(dǎo)老師：2011/7/27摘要本次設(shè)計(jì)CPU采用51系列單片機(jī)中的STC89C52RC完成的是學(xué)校組織的滅火機(jī)器人大賽。完成的作品基本功能要求在規(guī)定的場(chǎng)地中盡快尋找到火源，然后在盡可能短的時(shí)間內(nèi)作出滅火動(dòng)作。本作品使用51單片機(jī)產(chǎn)生PWM波,控制小車的直流電動(dòng)機(jī)，利用紅處開關(guān)管探測(cè)障礙物，使得小車能夠避開障礙，找到火源，從而做出滅火動(dòng)作。同時(shí)使用液晶顯示各個(gè)階段小車的任務(wù)，使得我們對(duì)小車的運(yùn)行有一個(gè)很好的了解。關(guān)鍵詞:51單片機(jī) 智能小車 光電開關(guān) PWM 液晶顯示一、 設(shè)計(jì)目的設(shè)

2、計(jì)制作一個(gè)電動(dòng)消防車，能到消防場(chǎng)地任意地點(diǎn)進(jìn)行滅火作業(yè)。以蠟燭模擬火源，火源隨機(jī)分布在場(chǎng)地中，消防場(chǎng)地如圖所示。障礙物黑色線條蠟燭車庫出口180cm120cm30cm30cm車庫車庫二、要求（1） 消防場(chǎng)地為白色背景，尺寸為180cm×120cm。按圖中位置配置黑色線條，線條寬度為1.7cm±30%。但場(chǎng)地邊界不允許配置線條。場(chǎng)地內(nèi)外均不允許再設(shè)置任何其他的引導(dǎo)措施。（2） 障礙物為白色，尺寸為：長×寬×高=56cm×15cm×15cm，障礙物必須按圖對(duì)稱牢固固定在場(chǎng)地上，位置如圖所示。（3） 車庫地面為紅色，車庫尺寸為30cm

3、15;30cm。出發(fā)前，要求車的整體在車庫內(nèi)；返庫時(shí)，車頭向里或向外自定，車的整體應(yīng)在車庫內(nèi)。（4） 車的長寬高分別不大于25cm、25cm、25cm，電池供電，在一次測(cè)試中不允許更換電池。（6） 蠟燭直徑不小于12mm，高度520cm，滅火時(shí)每次只允許撲滅一個(gè)蠟燭。 （7）在場(chǎng)地中隨機(jī)放置一只蠟燭。消防車從車庫啟動(dòng)，計(jì)時(shí)開始，消防車同時(shí)發(fā)出出庫聲音提示。消防車從車庫出口駛出車庫，自動(dòng)行走到距離火源10cm以內(nèi)區(qū)域，發(fā)出火警聲音提示，停車3秒鐘。（8）消防車執(zhí)行滅火工作，滅火完畢后，發(fā)出火滅聲音提示。（9）消防車經(jīng)由車庫出口自動(dòng)返回到車庫，停穩(wěn)后，發(fā)出返庫聲音提示，計(jì)時(shí)結(jié)束。（10）上述過程用

4、時(shí)盡可能少。三、 方案設(shè)計(jì)與論證根據(jù)設(shè)計(jì)的目的與要求，經(jīng)過討論我們一致選定左手法則，即小車一直延左墻走，當(dāng)遇到障礙物就右轉(zhuǎn)，直到進(jìn)入火災(zāi)區(qū)時(shí)檢測(cè)到白線改為右手走法，再利用蠟燭前面的白線檢測(cè)火源。因此設(shè)計(jì)的小車要求能夠及時(shí)調(diào)節(jié)前進(jìn)的方向，以避開障礙物，順利找到火源。1 直流調(diào)速系統(tǒng)鑒于價(jià)格和功能的考慮，我們選擇了直流電機(jī)，通過PWM控制小車的速度以及方向。電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分由以下兩種方案：方案一:使用MOSFET構(gòu)成H橋式驅(qū)動(dòng)電路，利用PWM波形來控制小車的速度，再用單片機(jī)兩個(gè)I/O口控制電機(jī)旋轉(zhuǎn)方向，此電路驅(qū)動(dòng)功率比較大，小車的轉(zhuǎn)速比較快。方案二：采用直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片L298N來驅(qū)動(dòng)小車的電機(jī)。L2

5、98N作為集成芯片，一塊芯片能夠輸出兩路PWM波形，控制兩個(gè)電機(jī)，相對(duì)于由MOSFET構(gòu)成的H橋式驅(qū)動(dòng)電路來說具有電路焊接簡單，焊接完成后不易出差錯(cuò)的優(yōu)點(diǎn)。二者價(jià)格上差別不大，所以我們優(yōu)先選擇了方案二。2 避障電路的設(shè)計(jì) 為了能夠使小車快速地找到火源所在的房間，就要求避障系統(tǒng)比較靈敏，遇到障礙物迅速躲避，對(duì)于避障電路有以下三種方案：方案一：使用紅外開關(guān)管ST168來避障方案二：使用光電開關(guān)E3F3-DS5ON1方案三：使用超聲波避障電路由于ST168的探測(cè)距離太近，而小車的速度不能太慢，ST168那一系列的紅外開關(guān)管不能夠滿足要求。方案二中的光電開關(guān)，探測(cè)距離能夠達(dá)到1m，而且抗干擾能力也比較

6、強(qiáng)，但是透鏡容易受到粉塵和油污的污染，透鏡一旦弄臟，不僅使光束散亂，又會(huì)擋住了一部分光，所以不選方案二。對(duì)于超聲波測(cè)距電路，能檢測(cè)范圍在0.1-2.00m,測(cè)量精度1cm，測(cè)量時(shí)與被測(cè)物無直接接觸，能夠清晰地顯示結(jié)果。LM567可應(yīng)用于超聲波遙控測(cè)距電路，因此我們采用了LM567芯片，用LM567發(fā)出一定頻率的脈沖來抗干擾，測(cè)到障礙物輸出低電平給單片機(jī)，單片機(jī)通過識(shí)別高低電平來判斷是否遇到障礙物，通過程序設(shè)計(jì)控制四個(gè)減速電機(jī)的快慢，后退,左轉(zhuǎn)，直走，右轉(zhuǎn)來繞過障礙物。3. 尋跡電路模塊設(shè)計(jì)這里的循跡是指小車在白色地板上旬黑線行走，通常采取的辦法是下兩種方案:方案一：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作

7、光電對(duì)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(cè)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(cè)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，因此我放棄了這個(gè)方案。方案二：用RPR220型光電對(duì)管。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，而接收器是一個(gè)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(diǎn)：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。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的

8、光反射回來時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。因此我選擇了方案二。紅外探測(cè)法，即利用紅外線在不同顏色的物體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，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板是發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接受；如果遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接受不到紅外光。單片機(jī)就是否接受到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線，系統(tǒng)方案方框圖如圖所示。4. 尋光的原理設(shè)計(jì)模塊尋找火源部分,我們?cè)O(shè)計(jì)了三種方案:方案一：用煙霧傳感器。煙霧傳感器廣泛應(yīng)用與火警檢測(cè)。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

9、霧傳感器作為此小型電動(dòng)車的火焰?zhèn)鞲衅饕膊粔驅(qū)嵱?，因此我們放棄了此方案。方案二：用紫外傳感器檢測(cè)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(chǎng)所，用來監(jiān)測(cè)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(qiáng)，對(duì)明火特別敏感，能對(duì)火災(zāi)立即作出反應(yīng)。但是紫外傳感器檢測(cè)的范圍太大，不適用于本系統(tǒng)。方案三：用遠(yuǎn)紅外傳感器。火焰?zhèn)鞲衅魇菣C(jī)器人專門用來搜尋火源的傳感器，當(dāng)然火焰?zhèn)鞲衅饕部梢杂脕頇z測(cè)光線的亮度，只是本傳感器對(duì)火焰特別靈敏?；鹧?zhèn)鞲衅骼眉t外線對(duì)對(duì)火焰非常敏感的特點(diǎn)，使用特制的紅外線接受管來檢測(cè)火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號(hào)，輸入到中央處理器中，中央

10、處理器根據(jù)信號(hào)的變化做出相應(yīng)的程序處理。本設(shè)計(jì)中我們采用火焰?zhèn)鞲衅鱽韺ふ一鹪?。通過比較器LM324進(jìn)行電壓比較和LM358運(yùn)放器，當(dāng)測(cè)到光則輸出高電平，沒測(cè)到則輸出低電平。用五個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鱽韺?shí)現(xiàn)尋找光源，左右各兩個(gè)，中間一個(gè)，左邊測(cè)到則向左轉(zhuǎn)，中間測(cè)到就直走，右邊測(cè)到就小車向右走。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，遠(yuǎn)紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)距離遠(yuǎn)，線性度好，檢測(cè)準(zhǔn)確，且體積較小，很適用于本題目的要求。5. 滅火模塊設(shè)計(jì)滅火部分我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種方案：方案一：氣球滅火,雖然方法簡單、方便，不用占用CPU，但是考慮到在氣球爆炸后，碎片掉落到跑道上，影響跑道環(huán)境。方案二：風(fēng)扇滅火。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍不能超過180

11、度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)當(dāng)中，因此試驗(yàn)過程中我們選用了舵機(jī)來控制風(fēng)扇的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，以達(dá)到滅火的效果。 6. 電源部分設(shè)計(jì)電源部分，采用擴(kuò)音器 鋰電池 7.4V 2200mAh 18650，為電機(jī)和風(fēng)扇供電，再利用LM7805集成穩(wěn)壓器產(chǎn)生5V的電壓，為電路中的各個(gè)芯片提供工作電壓。四、 硬件電路設(shè)計(jì)1電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路使用L298N驅(qū)動(dòng)小車的電機(jī)，電路圖如下： 圖中二極管IN5817用于吸收電機(jī)反轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生的電流，L298N的ENA和ENB兩端口接單片機(jī)輸出的PWM波，而IN1、IN2控制電機(jī)1（對(duì)應(yīng)著OUT1、OUT2）的旋轉(zhuǎn)方向，IN3、IN4對(duì)應(yīng)著另一個(gè)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向。單片機(jī)

12、通過控制PWM的占空比，來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速，通過IN1IN4控制電機(jī)的轉(zhuǎn)向進(jìn)而控制小車的前進(jìn)方向。小車轉(zhuǎn)彎時(shí)，可以用差動(dòng)轉(zhuǎn)彎，即一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速增加，而加一個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速減小，這樣是弧度轉(zhuǎn)彎，另一種方法是讓一個(gè)電機(jī)正轉(zhuǎn)，另一個(gè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，這樣轉(zhuǎn)彎速度比較快，但是小車行走不如前一種方式平穩(wěn)。經(jīng)過調(diào)試之后我們選擇前面的方法。2避障電路為了能夠使小車快速地找到火源所在的房間，就要求避障系統(tǒng)比較靈敏，遇到障礙物迅速躲避，對(duì)于避障電路使用超聲波避障電路，其接受和發(fā)射電路圖如下圖所示： 3. 尋跡電路模塊在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，當(dāng)紅外光遇到白色紙質(zhì)地板是發(fā)生漫反射，反射光被裝在小車上的接收管接受；如果

13、遇到黑線則紅外光被吸收，小車上的接收管接受不到紅外光。單片機(jī)就是否接受到反射回來的紅外光為依據(jù)來確定黑線的位置和小車的行走路線。本設(shè)計(jì)的尋跡原理圖如下所示 4. 尋光的原理設(shè)計(jì)火焰?zhèn)鞲衅鞯暮脡膶?duì)于該系統(tǒng)的功能能否實(shí)現(xiàn)十分重要。我們?cè)O(shè)計(jì)制作的火焰?zhèn)鞲衅骷捌湔{(diào)理電路如下圖所示。本模塊安裝在側(cè)面的傳感器加上黑色塑封管，使它只接受一條直線上的光，另在車頂安裝一個(gè)火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)環(huán)境光，通過LM358運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)電壓比較器功能，兩側(cè)檢測(cè)火源的傳感器與環(huán)境光傳感器做電壓比較，檢測(cè)到火源后輸出高電平觸發(fā)單片機(jī)中斷，執(zhí)行滅火程序。觸發(fā)中斷后小車前方的火焰?zhèn)鞲衅鏖_啟，小車向檢測(cè)到火源的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度就

14、進(jìn)行一次A/D轉(zhuǎn)換，將每次的轉(zhuǎn)換的值記錄并取平均值，即為環(huán)境光的值，當(dāng)檢測(cè)到光線突增時(shí)，即正對(duì)火源。這種累加取平均值的方法可有效去除外由陽光強(qiáng)弱變化而導(dǎo)致的外界光線不穩(wěn)定或者周圍物體反光造成的系統(tǒng)誤判，使用價(jià)格低廉的紅外傳感器就可以達(dá)到題目要求的精度。然后前進(jìn)通過車頭的一遠(yuǎn)一近兩個(gè)傳感器實(shí)現(xiàn)火源的精確定位，當(dāng)?shù)竭_(dá)火源10cm以內(nèi)處開啟風(fēng)扇。5. 滅火模塊 最后小車找到火源,用什么方法來滅火,最直接的方法是用風(fēng)扇,而這也是最有可能實(shí)現(xiàn)的辦法。此模塊中我們采用了能夠轉(zhuǎn)舵并保持舵位的舵機(jī)板塊。舵機(jī)工作原理是由接收機(jī)發(fā)出訊號(hào)給舵機(jī)，經(jīng)由電路板上的 IC判斷轉(zhuǎn)動(dòng)方向，再驅(qū)動(dòng)無核心馬達(dá)開始轉(zhuǎn)動(dòng)，透過減速齒

15、輪將動(dòng)力傳至擺臂，同時(shí)由位置檢測(cè)器送回訊號(hào)進(jìn)行反饋，然后內(nèi)部控制電路根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向和速度。舵機(jī)的內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)如下圖所示： 舵機(jī)的輸入線共有三條，中間紅色的是電源線，一邊黑色的是地線。電源線和地線用于提供舵機(jī)內(nèi)部的直流電機(jī)和控制線路所需的能源電壓通常介于46V，一般取5V?？刂凭€的輸入是一個(gè)寬度可調(diào)的周期性方波脈沖信號(hào)，方波脈沖信號(hào)的周期為20 ms(即頻率為50 Hz)。當(dāng)方波的脈沖寬度改變時(shí)，舵機(jī)轉(zhuǎn)軸的角度發(fā)生改變，角度變化與脈沖寬度的變化成正比。某型舵機(jī)的輸出軸轉(zhuǎn)角與輸入信號(hào)的脈沖寬度之間的關(guān)系可用下圖來表示。6. 電源部分在小車控制系統(tǒng)中，不同電路模塊需要的工作電壓和電流

16、容量各不相同。芯片需要提供5V的工作電壓，而電機(jī)所需的電壓為9V，本設(shè)計(jì)中用到的是9V的電源供電，然后通過三端穩(wěn)壓器LM7805將電壓變換為5V電壓供給電路系統(tǒng)。電源系統(tǒng)的電路圖如下圖所示。五、 軟件設(shè)計(jì)用左手法則搜索整個(gè)房間，可以容易地檢測(cè)到房間各個(gè)角落，避免出現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)。在小車行進(jìn)過程中檢測(cè)火焰，一旦發(fā)現(xiàn)火焰則切換到趨光程序，計(jì)算火焰位置，準(zhǔn)確定位并啟動(dòng)風(fēng)扇滅火，滅火后檢測(cè)火焰是否被撲滅，確定火焰被撲滅后計(jì)數(shù)并回到發(fā)現(xiàn)火焰的位置繼續(xù)搜索房間，直至撲滅所有火焰后啟動(dòng)回家程序，回到原始位置。主程序流程圖如下圖所示：六、 調(diào)試與結(jié)果分析我們嘗試著用STC89C52RC來控制小車的跑馬燈,結(jié)果實(shí)驗(yàn)

17、成功,證明單片機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)正常。然后嘗試循跡,通過多次調(diào)試程序，小車終于能正常跑動(dòng)起來，這是為了檢測(cè)小車的機(jī)械性能，以達(dá)到我們的預(yù)期目的。主板通電前的檢查：電路安裝完畢，我們首先檢查電路各部分接線是否正確，檢查電源、地線、信號(hào)線、元器件引腳之間有無短路，器件是否接錯(cuò)。主板安裝調(diào)試：在調(diào)試過程中，我們找到了幾個(gè)錯(cuò)誤之處，這些錯(cuò)誤導(dǎo)致小車的穩(wěn)壓芯片過熱，也直接導(dǎo)致單片機(jī)STC89C52RC的燒壞。經(jīng)過改動(dòng)之后，小車能實(shí)現(xiàn)基本的功能。七、 總結(jié)此次實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)選擇的器件比較簡單,部分是采用集成電路板,經(jīng)過多次的調(diào)試,小車在實(shí)際的操作中也很容易地實(shí)現(xiàn)了基本功能，能夠沿著黑線循跡前進(jìn)，達(dá)到了我們預(yù)期的目的。不足之處是由于小車采用的是直流電源，器控制不夠穩(wěn)定，不能實(shí)現(xiàn)小車的急轉(zhuǎn)彎和大弧度的拐彎。在設(shè)計(jì)的過程中，我們查閱了大量的資料，學(xué)習(xí)了單片機(jī)等相應(yīng)的知識(shí)，這使我們的設(shè)計(jì)得以順利進(jìn)行。通過這次智能小車的制作，我們將51系列單片機(jī)的資源以及一些基本功能掌握地比較牢固，另外在模塊化編程方面也有了上些心得體會(huì)，有了一定的收獲。參 考 文 獻(xiàn)1蔣新松. 智能技術(shù)與工業(yè)自動(dòng)化M . 石家莊: 河北教育出版社,2003.2許大中等. 電機(jī)控制M . 杭州:浙江大學(xué)出版社,2002.3胡漢才 單片機(jī)原理及其接口技術(shù)（第3版） 清華大學(xué)出版社 4康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ)模擬部分