智能救援車 - 副本

1、2008年山東省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競(jìng)賽G題智能救援車設(shè)計(jì)者:李建克盛況楊國龍參賽學(xué)校:哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海指導(dǎo)教師:蔡春偉參賽隊(duì)伍編號(hào):G甲3811目錄摘要 (3關(guān)鍵詞 (31.系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)確定 (41.1 設(shè)計(jì)題目 (41.2 模塊方案比較與論證 (52. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) (112.1 電源部分 (112.2紅外避障電路 (112.3 紅外尋跡電路 (122.4 金屬探測(cè)電路 (132.5 顯示電路 (132.6 聲光報(bào)警電路 (143 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn) (143.1 主程序流程圖 (144 系統(tǒng)功能測(cè)試 (164.1測(cè)試儀器與設(shè)備 (164.2 功能測(cè)試 (165 結(jié)論 (176 參考文獻(xiàn) (

2、17摘要:本智能救援小車是經(jīng)玩具車的改裝,使用89C52單片機(jī)作為控制核心,加以避障、尋跡、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、聲光報(bào)警、電磁鐵驅(qū)動(dòng)等模塊組成。系統(tǒng)由AT89C52通過IO口控制小車的前進(jìn)后退以及轉(zhuǎn)向。避障使用紅外驅(qū)動(dòng)電路,探測(cè)距離為15cm,尋跡由光電對(duì)管完成,金屬接近開關(guān)用來檢測(cè)鐵片,同時(shí)小車具有聲光報(bào)警和LCD顯示功能。關(guān)鍵詞:AT89C52 智能電動(dòng)車直流電機(jī)光電傳感器金屬接近開關(guān)紅外避障PWM調(diào)速Abstract:The Smart rescue car is modified from a toy car,with AT89C52 MCU as its core, including the

3、 Modules of avoiding obstacles, looking for tracks, motor-driving and sound light alarm, magnet driving. This car is controlled by AT89C52 to go forward backward or turn. Obstacle avoidance module use DC infrared modulation to drive circuit, with a detection distance of 15cm track finding relies on

4、infrared. Metal sensor is used for finding metal plates. The car also has the function ofsound-light-alarm and LCD display.Keywords:AT89C52 Smart rescue car DC Motor Photoelectric sensor Infrared obstacle avoidance Metal sensor PWM speed regulation1.系統(tǒng)總體方案的設(shè)計(jì)確定1.1 設(shè)計(jì)題目設(shè)計(jì)制作一個(gè)智能小車,該小車能按照要求自動(dòng)運(yùn)行,通過一個(gè)建筑物

5、中曲折的道路,并完成規(guī)定的動(dòng)作。設(shè)矩形建筑物有兩個(gè)門A、B,門寬24厘米,建筑物的墻壁是10厘米高(或與小車高度相同、2厘米厚的矮墻,建筑物內(nèi)無引導(dǎo)軌跡(見圖示。 墻壁 圖示1 基本要求(1要求智能小車從A門進(jìn)入并開始自動(dòng)計(jì)時(shí),從B門出來,在行進(jìn)過程中,能自動(dòng)選擇適當(dāng)?shù)穆窂?避開墻壁,找到通路,三分鐘之內(nèi)到達(dá)B門;(2到達(dá)B門,停5秒,小車自動(dòng)計(jì)時(shí)并數(shù)字顯示AB段所用的時(shí)間,并聲光報(bào)警;2 發(fā)揮部分:(1自B門外,循弧形引導(dǎo)軌跡BC前進(jìn)(引導(dǎo)軌跡為2厘米寬;(2途中檢測(cè)到鐵片D(鐵片D放置在軌跡BC前二分之一段上的任意位置時(shí)停車3秒,并聲光報(bào)警;(3要求小車拾起鐵片D,繼續(xù)沿引導(dǎo)軌跡前進(jìn);(4

6、到達(dá)C點(diǎn);(5在C點(diǎn)處,放下鐵片D并停止前進(jìn)。聲光顯示救援結(jié)束,并停止計(jì)時(shí),分別顯示BD、DC段所用的時(shí)間。鐵片為直徑2厘米的圓形薄片。1.2 模塊方案比較與論證根據(jù)題目要求,本系統(tǒng)主要有單片機(jī)控制器模塊、紅外避障模塊、尋跡模塊、金屬探測(cè)器、電磁繼電器、液晶顯示電路模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、電源模塊、聲光報(bào)警等主要部分構(gòu)成。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及說明如下圖: 系統(tǒng)方框圖在AB段時(shí),通過避障模塊檢測(cè)障礙物,并把信號(hào)傳送給單片機(jī),單片機(jī)控制小車避開障礙物,走出建筑物,液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示所用時(shí)間,單片機(jī)控制停車并開始倒計(jì)時(shí)。小車駛出B門后開始尋跡功能,尋跡模塊把檢測(cè)到的導(dǎo)軌信號(hào)傳送給單片機(jī),單片機(jī)根

7、據(jù)接收的導(dǎo)軌信號(hào)改變小車行駛方向,使小車準(zhǔn)確沿引導(dǎo)軌跡前進(jìn)。小車前進(jìn)過程中,當(dāng)金屬傳感器檢測(cè)到鐵片D,單片機(jī)控制停車開始倒計(jì)時(shí)并且啟動(dòng)聲光模塊作用。進(jìn)而單片機(jī)發(fā)出指令,使電磁繼電器上電吸起鐵片,繼續(xù)沿引導(dǎo)軌跡前進(jìn),到達(dá)C點(diǎn),顯示BD、DC段所用時(shí)間同時(shí)聲光報(bào)警,救援結(jié)束。為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能和彼此之間的配合銜接,我們對(duì)智能救援車的各個(gè)部分做了幾種方案并分別進(jìn)行設(shè)計(jì)論證如下:方案一:采用美國ATMEL公司生產(chǎn)的低電壓,高性能的AT89C52單片機(jī)。片內(nèi)含8k bytes的可反復(fù)檫除的只讀存儲(chǔ)器(PEROM可以反復(fù)擦除100次,和256bytes的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器(RAM,片內(nèi)置通用8位CP

8、U和Flash存儲(chǔ)單元,32個(gè)I/O口線,3個(gè)位定時(shí)器計(jì)數(shù)器,一個(gè)向量?jī)杉?jí)中斷結(jié)構(gòu),片內(nèi)振蕩器及時(shí)鐘電路。適用于許多較為復(fù)雜的控制應(yīng)用場(chǎng)合。最重要的是該系列的單片機(jī)在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)和控制中應(yīng)用十分廣泛。熟練使用該系列的單片機(jī)可以更加貼近實(shí)際,增加學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力,對(duì)學(xué)生來說是大有裨益的。方案二:采用凌陽單片機(jī)SPCE061A精簡(jiǎn)開發(fā)板。它具有在線調(diào)試功能。集成開發(fā)環(huán)境,不需外界任何仿真、調(diào)試器即可以完成在線編程、仿真、調(diào)試功能。它具有 64Kbyte的 16bit Flash和4KByte的16bit SRAM、32位I/O口、8路10位ADC 和2路10位DAC,以及麥克風(fēng)(1路MIC音

9、頻輸入、喇叭接口(開發(fā)板配備喇叭。特別適合于設(shè)計(jì)和開發(fā)。我們綜合比較了以上兩種方案,認(rèn)為凌陽單片機(jī)的SPCE061A精簡(jiǎn)開發(fā)板雖然功能十分強(qiáng)大特別適合于搞電子設(shè)計(jì),但價(jià)格偏貴,且實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用較少。AT89C52單片機(jī)價(jià)格便宜,最小板系統(tǒng)也十分容易做出來,使用更加方便。綜合比較,我們最終選用方案一。對(duì)于小車的控制來說,電機(jī)的選擇顯得十分重要。按照題目的要求我們綜合考慮了以下幾種方案:方案一:采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)電機(jī)。由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位,可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。但是步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩比較低,并且隨著轉(zhuǎn)速的升高而下降,因此車身上所帶的元器件重量就有嚴(yán)格的限制,加之其控制比較

10、復(fù)雜,經(jīng)綜合比較考慮,我們放棄了此方案。方案二:采用12V的直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩比較大,體積小,重量輕,裝配簡(jiǎn)單,使用很方便。由高速電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力,帶動(dòng)變速(減速齒輪組,產(chǎn)生大扭力。但是在使用過程中我們發(fā)現(xiàn),電機(jī)的驅(qū)動(dòng)電壓12V對(duì)小車來說太高,只能用直流穩(wěn)壓源驅(qū)動(dòng),普通干電池很難驅(qū)動(dòng)。因此我們放棄了此方案。方案三:采用6V的直流減速電機(jī)。6V的直流減速電機(jī),通過齒輪減速,產(chǎn)生大力矩帶動(dòng)車輪。改變電機(jī)繞組兩端的電壓方向就可以改變電機(jī)的轉(zhuǎn)向,控制容易方便。且由于供電電壓較小,可以用普通干電池驅(qū)動(dòng),實(shí)際使用的效果很好。經(jīng)過比較,我們選用了方案三。我們使用的小車的機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式為:左右

11、兩個(gè)電機(jī)依靠齒輪分別帶動(dòng)車體兩邊的車輪轉(zhuǎn)動(dòng)。車輪無法轉(zhuǎn)向,但電機(jī)可Array以正反轉(zhuǎn),以實(shí)現(xiàn)小車的前進(jìn)和后退。當(dāng)需要左轉(zhuǎn)時(shí),左電機(jī)反向帶動(dòng)左邊車輪向后轉(zhuǎn),右電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)右邊車輪向前轉(zhuǎn),這樣小車就可以實(shí)現(xiàn)左拐控制,通過PWM方法調(diào)節(jié)兩個(gè)電機(jī)轉(zhuǎn)速,可以很好的實(shí)現(xiàn)小車拐彎的幅度,包括坐標(biāo)不變的90度和 180度轉(zhuǎn)彎。同理,當(dāng)需要右轉(zhuǎn)時(shí),右電機(jī)反向帶動(dòng)右邊車輪向后轉(zhuǎn),左電機(jī)正轉(zhuǎn)帶動(dòng)左邊車輪向前轉(zhuǎn),同樣通過PWM調(diào)速輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的右拐控制。根據(jù)小車的機(jī)械驅(qū)動(dòng)方式,我們提出的電機(jī)控制方案如下:方案一:利用分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。 如下圖所示:9012是PNP型三極管,最大工作電流可達(dá)到500mA,最大耐

12、壓為 50V,放大倍數(shù)超過150倍,作為電流放大器件可滿足工作。8050要求最大集存器電流為0.5A,直流電增益:10 to 60,功耗:625 mW。工作原理為:當(dāng)單片機(jī)89C52控制口P2.0輸出高電平時(shí),9012截止,CS8050截止,電機(jī)停止運(yùn)轉(zhuǎn);當(dāng)單片機(jī)89C52控制口P2.0輸出低電平時(shí),9012導(dǎo)通,2SC8050導(dǎo)通,圖2 電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。該電路的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單,輸出功率足夠大,足以推動(dòng)電機(jī)工作,并且電機(jī)工作時(shí)三極管性能非常穩(wěn)定。但該方案中電機(jī)電樞電壓方向無法改變,不能實(shí)現(xiàn)電機(jī)反轉(zhuǎn)。而且單片機(jī)輸出信號(hào)部分和電機(jī)供電部分沒有完全隔離,電機(jī)在斷電時(shí)會(huì)產(chǎn)生巨大的反電動(dòng)勢(shì),經(jīng)常導(dǎo)致單片機(jī)死

13、機(jī)或燒壞。方案二:利用L298N構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路。L298N是SGS公司的產(chǎn)品,內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路,是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器,即內(nèi)含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器,接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號(hào),可驅(qū)動(dòng)46V、2A以下的電機(jī)。其引腳排列如下圖所示。 OUT1、OUT2和OUT3、O UT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)機(jī)。IN1、IN2、IN3、IN4引腳從單片機(jī)接輸入控制電平,控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn),ENA,ENB接控制使能端,控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。L298的邏輯功能表如下所示: 對(duì)于電機(jī)的調(diào)速,我們采用PWM調(diào)速的方法。其原理就是開關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為t,周期為T,則電機(jī)兩端的平均電壓U

14、=Vcc*(t/T=Vcc。其中,=t/T(占空比,Vcc是電源電壓。電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成比例,而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比,因此電機(jī)的速度與占空比成比例,占空比越大,電機(jī)轉(zhuǎn)得越快。在硬件電路的連接上,我們將單片機(jī)的P2.0P2.3口分別連接到298的IN1IN4上,通過改變P2.0P2.3口上的高低電平變化以控制小車的前進(jìn)方向,通過改變P2.0P2.3口上的高低電平的占空比以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。PWM配合橋式驅(qū)動(dòng)電路L298N,實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速,非常簡(jiǎn)單,且調(diào)速范圍大。因此我們選用方案二。另外我們特別在直流電機(jī)的電樞兩端并聯(lián)一個(gè)磁片電容104,以穩(wěn)定電機(jī)的電壓不致對(duì)單片機(jī)造成

15、干擾。實(shí)際的使用效果也不錯(cuò),省掉了通過光耦隔離TPL521實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離的環(huán)節(jié),節(jié)約了成本。為了完成拾起鐵片的功能,我們采用電磁鐵還吸起鐵片。電磁鐵通過繼電器改裝來獲得。電磁式繼電器常見的工作電壓有+6、+12V及+24V,限于小車所帶電源,所以我們選用+6V的電磁式繼電器。且試驗(yàn)中可以輕松吸住鐵片,效果良好。方案一:單片機(jī)引腳輸出高電平使三級(jí)管9013導(dǎo)通,繼電器吸合工作,以吸起鐵片。(9013的最大工作電流可達(dá)到 500mA,最大耐壓為 50V,放大倍數(shù)超過150倍,可滿足工作要求。上拉電阻的作用是通過增大基極電流,以增加驅(qū)動(dòng)電磁鐵的電流。這種方案電路設(shè)計(jì)非常簡(jiǎn)單,但

16、是它的缺點(diǎn)也是明顯的:1.電磁鐵斷電瞬間會(huì)產(chǎn)生很高的反電動(dòng)勢(shì),擊穿驅(qū)動(dòng)電磁鐵工作的晶體管,并干擾其他電路的正常工作。2. 無法直觀顯示出電磁鐵的吸合釋放狀態(tài)。3.單片機(jī)的輸出信號(hào)與驅(qū)動(dòng)信號(hào)缺乏必要的隔離,電磁鐵上電時(shí)三極管基極電流過大,容易導(dǎo)致單片機(jī)死機(jī)?；谝陨先秉c(diǎn)我們改進(jìn)方案如下:方案二: 1. 我們?cè)陔姶盆F兩端并聯(lián)一個(gè)分流二極管來減少斷電后產(chǎn)生的反向電壓峰值,起續(xù)流作用。2. 將發(fā)光二極管通過電阻與電磁鐵并聯(lián)使用,以指示電磁鐵的帶電情況。3. 使用光耦合器件 TLP521。它的光接受端是光敏三極管,輸入端流經(jīng)發(fā)光二極管的電流為1015mA,輸出端光敏三極管可提供約20mA的驅(qū)動(dòng)電流。當(dāng)輸

17、入為低電平時(shí),輸入端的發(fā)光二極管不發(fā)光,輸出光敏三極管截止,輸出為低電平,9013無法導(dǎo)通。反之,輸入為高電平時(shí),輸入端的發(fā)光二極管發(fā)光,輸出光敏三極管導(dǎo)通,輸出為高電平,9013導(dǎo)通使電磁鐵上電閉合。這種方式輸出電平由VCC 決定,易于實(shí)現(xiàn)電平的轉(zhuǎn)換;輸入/輸出端高度絕緣,抗干擾能力強(qiáng)。2. 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)2.1 電源部分系統(tǒng)電源的設(shè)計(jì)在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中顯得十分重要,它對(duì)單片機(jī)系統(tǒng)是否正常工作起著至關(guān)重要的作用。由于電機(jī)驅(qū)動(dòng)和繼電器需要6V電壓供電,而單片機(jī)和其他模塊需要5V電壓供電,所以我們采用四節(jié)干電池串聯(lián)產(chǎn)生6V電壓供給直流電機(jī)和電磁繼電器。選擇7805穩(wěn)壓管將直流6V電壓轉(zhuǎn)成5V輸出,供給單

18、片機(jī)和金屬接近開關(guān)、顯示電路、避障和尋跡等模塊使用。7805直流穩(wěn)壓電路圖: 2.2紅外避障電路 LM567及其外圍芯片構(gòu)成音頻檢頻器,其檢頻頻率f0由R4、C5決定。其中f0為檢頻頻率,當(dāng)R4=10k,C5=222時(shí),f0=41kHz。這一震蕩信號(hào)經(jīng)V3擴(kuò)流后驅(qū)動(dòng)發(fā)光管,這樣處理后可以保證發(fā)光頻率與檢頻頻率嚴(yán)格一致使LM567的輸出僅與光強(qiáng)有關(guān)。為進(jìn)一步探測(cè)距離,我們還設(shè)立了一級(jí)交流放大器,其增益約為240倍,雖然這大的放大倍數(shù)放大器的線性和穩(wěn)定性會(huì)較差,但對(duì)于頻率檢測(cè)不會(huì)有太大影響。避障電路的輸出為TTL電平,探測(cè)距離為10cm,當(dāng)探測(cè)到有障礙物時(shí),輸出為低,并把這個(gè)信號(hào)給單片機(jī),由單片機(jī)根據(jù)檢測(cè)到的信號(hào)控制小車的方向。2.3 紅外尋跡電路當(dāng)小車駛出B門后,進(jìn)入BC段有引導(dǎo)軌跡的區(qū)域,這時(shí)候?qū)ほE模塊起引導(dǎo)作用。我們使用紅 外對(duì)管電路(見圖中方框,來檢測(cè)引導(dǎo)軌跡。當(dāng)尋跡到有黑線時(shí)通過比較器LM339向單片機(jī)輸出一個(gè)低電平。反之,向單片機(jī)輸出高電平。我們?cè)谛≤嚽胺窖b有六個(gè)紅外對(duì)管,每個(gè)紅外對(duì)管的電路如圖所示。這樣單片機(jī)根據(jù)接收到的信號(hào)控制小車的前進(jìn)方向。2.4 金屬探測(cè)電路金屬探測(cè)模塊主要用于行駛軌跡中金屬片的探測(cè)?？紤]到金屬一般都是導(dǎo)體,根據(jù)電磁場(chǎng)理論可知,在受到變化的電磁場(chǎng)作用的任何導(dǎo)體,都會(huì)產(chǎn)生電渦流。因此,在本系統(tǒng)中采用電感式接近開關(guān)