基于單片機的智能滅火小車設(shè)計與實現(xiàn) 自動化工程專業(yè)

摘要：該設(shè)計應(yīng)用AT89C51，可以與數(shù)碼顯示管、電路等相結(jié)合的元件作為小車的控制核心，可以與數(shù)碼顯示管、電路等相結(jié)合。基于單片機設(shè)計，AT89C51作為報警裝置的控制器，可以充分運用AT89C51的數(shù)據(jù)處理和實時控制功能，讓小車處于最好的狀態(tài)。當電機信號產(chǎn)生驅(qū)動滅火小車行進時，根據(jù)尋跡模塊的紅外對管能否尋到黑線產(chǎn)生的高低電平信號再傳送到單片機，單片機根據(jù)程序設(shè)計要求做出相應(yīng)的判斷送給電機驅(qū)動模塊.讓小車在黑線上實現(xiàn)運行及轉(zhuǎn)向的功能。通過超聲波傳感器接受到障礙物信號，實現(xiàn)超聲波避障功能。通過紅外傳感感知溫度，實現(xiàn)小車的滅火功能。關(guān)鍵詞：單片機路況檢測報警超聲波滅火SpeechControlRobotbasedonSTM32Abstract：ThisdesignUSESAT89C51asthecontrolcoreofthecar,anddigitaldisplaytube,circuit,etc.BasedonMCUdesign,AT89C51asthecontrollerofthealarmdevice,canfullyAT89C51dataprocessingandreal-timecontrolfunctions.Keepthecarintopcondition.Whenthemotorsignalisgeneratedtodrivethefirefightingcart,thehigh-lowlevelsignalgeneratedbytheblacklinecanbedetectedbytheinfraredpairtubeofthetracingmoduleandthentransmittedtotheMCU,whichmakesthecorrespondingjudgmentaccordingtotheprogramdesignrequirementsandsendsittothemotordrivemoduletorealizethefunctionofrunningandturningontheblackline.Ultrasonicobstacleavoidancefunctionisrealizedbyreceivingtheobstaclesignalthroughultrasonicsensor.Thefireextinguishingfunctionofthecarisrealizedbysensingthetemperaturewiththeinfraredsensor.Keywords：Singlechipmicrocomputertrackingalarmultrasonic目錄9467_WPSOffice_Level1前言 215103_WPSOffice_Level11方案設(shè)計 410893_WPSOffice_Level21.1方案論證 42048_WPSOffice_Level31.1.1控制器的選擇與論證 426752_WPSOffice_Level31.1.2電機驅(qū)動芯片的選擇與論證 49448_WPSOffice_Level31.1.3顯示器件的選擇與論證 515523_WPSOffice_Level31.1.4路況檢測模塊 56795_WPSOffice_Level12系統(tǒng)硬件電路與實現(xiàn) 511703_WPSOffice_Level22.1紅外遙控及解碼模塊 522777_WPSOffice_Level22.2紅外遙控模塊及解碼模塊 69879_WPSOffice_Level32.2.1二進制信號的調(diào)制 65757_WPSOffice_Level32.2.2二進制信號的解調(diào) 710167_WPSOffice_Level32.2.3二進制信號的解碼 720402_WPSOffice_Level22.3單片機紅外硬件電路的實現(xiàn) 82421_WPSOffice_Level22.4電機驅(qū)動智能滅火模塊 814594_WPSOffice_Level22.5路況檢測模塊 1132269_WPSOffice_Level22.6智能防撞報警模塊 1213638_WPSOffice_Level13系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn) 1414395_WPSOffice_Level23.1紅外整體程序 1417007_WPSOffice_Level23.2紅外遙控的解碼和實現(xiàn) 15967_WPSOffice_Level23.3電機驅(qū)動滅火 165206_WPSOffice_Level23.4小車防撞報警 1718318_WPSOffice_Level14系統(tǒng)調(diào)試 185927_WPSOffice_Level24.1遙控發(fā)送接收調(diào)試 1925804_WPSOffice_Level24.2滅火驅(qū)動調(diào)試 207680_WPSOffice_Level15總結(jié) 22前言在現(xiàn)代社會，單片機技術(shù)發(fā)展迅速，機械電子技術(shù)逐步融合，自動控制技術(shù)在工業(yè)中的地位已經(jīng)變得非常重要。迄今為止，中國的自動控制和傳感器技術(shù)在世界上處于領(lǐng)先地位，譬如，玉兔二號今年一月在背面著陸。作為第二次工業(yè)革命的產(chǎn)物，汽車也與更準確的電子信息相結(jié)合，特別是現(xiàn)在的熱門的自行巡航系統(tǒng),表明了電子信息技術(shù)對汽車影響巨大，汽車上加裝的各種智能系統(tǒng)使汽車的功能更加多樣,集代步,娛樂,甚至辦公等多種功能于一體。隨著時代發(fā)展,單片機的應(yīng)用會越來越多,越來越深入。目前中國的信息技術(shù)雖然達到了世界頂尖水準,但在很多方面和發(fā)達國家仍然有很大的差距,這需要我們繼續(xù)努力,奮起直追。為了適應(yīng)今后智能汽車的發(fā)展,現(xiàn)特開始研究小型智能滅火小車。探索今后智能汽車的發(fā)展模式,掌握多種控制技術(shù)和實時傳感器的配合方法。促進智能汽車的發(fā)展。此項設(shè)計的核心應(yīng)用了51單片機為控制核心,實現(xiàn)小車尋跡,藍牙控制,滅火等多種智能功能。1方案設(shè)計1.1方案論證在對系統(tǒng)進行設(shè)計時，對傳感器的選擇以及芯片的選擇，電機的功率選擇都進行了一一論證，盡可能選擇出適合系統(tǒng)的傳感器及芯片，以及功率適合的電機。1.1.1控制器的選擇與論證方案一：STM32F103RBT6。32位單片機主頻為72M，而51單片機的最高主頻為24M，所以STM32的運行速度比51單片機快很多。集成大部分工控當中的功能模塊如USB，管腳多且外設(shè)豐富，該單片機的程序模塊化，代碼效率高，函數(shù)接口簡單，開發(fā)簡易且周期短，主要在工業(yè)控制、智能設(shè)備等上面使用。方案二：AT89C51系列。傳統(tǒng)的8051內(nèi)核單片機升級后的單片機。有抗干擾強、工作頻率廣、內(nèi)部高可靠進行復(fù)位、功耗低的優(yōu)點，這種系列單片機采用的是AT89C第八代的加密技術(shù)，以現(xiàn)在技術(shù)水平來說暫時是沒辦法解的，完全兼容傳統(tǒng)語句代碼，抗干擾能力強，具有防外部時鐘的功能。綜合考慮，系統(tǒng)最終選擇的是方案二，主控芯片采用價格低廉，保密性能強，開發(fā)簡易的8位單片機。1.1.2電機驅(qū)動芯片的選擇與論證方案一：采用L298NL298N，內(nèi)部包含4信道邏輯驅(qū)動電路，二相和四相步進電機的專用驅(qū)動器，可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進電機，內(nèi)含二個H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器，可驅(qū)動46V、2A以下的步進電機，接收標準TTL邏輯準位信號，可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；此芯片可直接由單片機的IO端口來提供模擬時序信號，但在智能小車電路中單片機IO端口的使用匱乏。該設(shè)計也不用于速度控制，相對來講LG9110成本較低。方案二：采用LG9110LG9110是為控制驅(qū)動電機設(shè)計的，單片IC之中集成了分立電路，使整機可靠性提高，外圍器件成本降低。該芯片具有良好的抗干擾性，有兩個TTL/CMOS兼容電平的輸入；兩個輸出端能直接驅(qū)動電機的正反轉(zhuǎn)運動，每通道能通過750-800mA的持續(xù)電流，峰值電流能力可達1.5-2.0A；同時它具有較低的輸出飽和壓降；鉗位二極管可以釋放感性負載的反向沖擊電流，使它在驅(qū)動繼電器、直流電機、步進電機或開關(guān)功率管的使用安全可靠。LG9110被廣泛應(yīng)用于各種電路上，如玩具汽車電機驅(qū)動、步進電機驅(qū)動、和開關(guān)功率管等。方案三：使用分立原件搭建電機驅(qū)動電路

使用分立原件搭建電機驅(qū)動電路造價低廉，在大規(guī)模生產(chǎn)中使用廣泛。但分立原件H橋電路工作性能不夠穩(wěn)定，較易出現(xiàn)硬件上的故障，故我們放棄了這一方案。比較以上方案，在本系統(tǒng)中電機驅(qū)動芯片選用第二個方案，使用LG9110作為驅(qū)動電路。因為該LG9110驅(qū)動能力強，成本低廉，操作起來方便，因此本設(shè)計控制器選用此方案。1.1.3顯示器件的選擇與論證方案一：TFT屏。TFT液晶為每個像素提供了半導(dǎo)體開關(guān)，每個像素能由點脈沖直接進行控制，因此每個節(jié)點彼此獨立，并且可以持續(xù)控制，這不僅使顯示屏的響應(yīng)速度提高了很多，同時也可以使顯示色階得到精確的控制，因此TFT液晶的顏色更真實。TFT液晶顯示屏具有以下特點：顏色鮮艷、層次感強、亮度好。方案二：7段數(shù)碼管是數(shù)碼管是一類價格便宜使用簡單，通過對其不同的管腳輸入相對的電流，使其發(fā)亮，從而顯示出數(shù)字能夠顯示時間、日期、溫度等所有可用數(shù)字表示的參數(shù)的器件，每個數(shù)碼管的每一個段碼都由一個單片機的I/O端口，或者使用如BCD碼二-十進制譯碼器譯碼進行驅(qū)動。綜合考慮，系統(tǒng)采用亮度高、編程簡單、價格低廉、應(yīng)用廣泛的數(shù)碼管，即方案二。1.1.4路況檢測模塊采用紅外傳感器發(fā)送接收探頭來檢測實時路況信息，并傳回單片機處理。紅外發(fā)射探頭發(fā)射紅外信號，遇地面或障礙物反射回紅外接收探頭，紅外接收探頭接收到從地面或障礙物反射回的紅外信號之后給單片給一個電平信號，來判斷整體路況信息?？芍苯舆x擇程序簡單，性能可靠，價格低廉的紅外傳感器就可實現(xiàn)。2系統(tǒng)硬件電路與實現(xiàn)2.1紅外遙控及解碼模塊本設(shè)計采用了AT89C51單片機作為主控芯片來處理各模塊運營工作，圖1表示出系統(tǒng)硬件總框圖。圖1系統(tǒng)硬件總體框圖2.2紅外遙控模塊及解碼模塊紅外遙控是一種無線，不需要接觸的新技術(shù)，信息傳輸更加準確，抗干擾能力強，功耗和成本低，便于攜帶等諸多優(yōu)點。應(yīng)用在現(xiàn)代諸多的商業(yè)產(chǎn)品中，如電視，空調(diào)等。并且被電子計算機系統(tǒng)所應(yīng)用。發(fā)送和接收兩個模塊組成了紅外遙控模塊。發(fā)送模塊由主芯片的二進制信號編碼調(diào)試的脈沖信號，通過發(fā)射管發(fā)射信號。接收管一般采用便宜耐用的接收頭，接收信號后，經(jīng)過放大，檢測再傳輸給單片機處理，如圖2所示。圖2紅外遙控解碼框圖2.2.1二進制信號的調(diào)制信號的調(diào)制根據(jù)遙控器的芯片來完成，把編碼后的二進制信號調(diào)為頻率38KHz的間斷脈沖串，差不多等于用二進制信號的編碼乘以頻率為38KHz的脈沖信號得出來的間斷脈沖串，即調(diào)制后用于紅外發(fā)射二極管發(fā)送的信號。如圖3所示，A是二進制信號的編碼波形，B是頻率為38KHz(周期為26us)的連續(xù)脈沖串，C是經(jīng)調(diào)制后的間斷脈沖（C=A×B），用于紅外發(fā)射二極管發(fā)送的波形。圖3中，待發(fā)送的二進制數(shù)據(jù)為101。如圖3所示。圖3二進制信號的調(diào)制2.2.2二進制信號的解調(diào)一體化紅外接收頭HS0038完成二進制信號的解調(diào)，內(nèi)部處理并解調(diào)復(fù)原收到的紅外信號，輸出圖4中波形E（正好是對圖3中波形A的取反），HS0038的解調(diào)可理解為：在輸入有脈沖串時，輸出端輸出低電平，否則輸出高電平。一體化紅外接收頭HS0038的1腳GND接電源地，2腳VCC接+5V，3腳OUT為數(shù)據(jù)輸出（TTL電平，反相輸出），能夠與單片機相聯(lián)。圖4HS0038解調(diào)出的波形2.2.3二進制信號的解碼接收單片機完成二進制信號的解碼，它通過解碼紅外接收頭送來的二進制編碼波形，還原出發(fā)送端發(fā)送的數(shù)據(jù)。如圖5所示圖5紅外信號的編碼格式2.3單片機紅外硬件電路的實現(xiàn)圖6中，一體化紅外接收頭IR的圓形面為紅外接收面，它與SE303紅外發(fā)射管的有效收發(fā)直射距離為35m。圖6紅外接收電路2.4電機驅(qū)動智能滅火模塊通常情況下大多數(shù)的智能遙控小車都使用直流電動機控制小車的運動，直流電機有兩個控制端，通過改變輸入電平的不同來改變電機的不同的運轉(zhuǎn)。圖7為電機驅(qū)動模塊圖7電機驅(qū)動電路在圖7中，單片機通過控制P0.0~P0.3引腳高低電平來控制直流電機M1、M2的正反轉(zhuǎn)。當P0.0~P0.3輸入為1010時，兩電機均處于正轉(zhuǎn)狀態(tài)，當前小車體現(xiàn)為前進；當P0.0~P0.30輸入為0101時，兩電機均處于反轉(zhuǎn)模式，小車整體表現(xiàn)為后退。當P0.0~P0.3輸入為1001以及0110時，一電機正轉(zhuǎn)，另一電機反轉(zhuǎn)，便實現(xiàn)了左右轉(zhuǎn)向功能。小車的智能滅火模塊通過紅外傳感器感受到附近溫度變化。當附近溫度過高時，紅外傳感器將感受到的信號傳給單片機處理，單片機再把處理的信息反饋給滅火模塊，從而打開風扇，實現(xiàn)風滅火，智能化的小車能減少損失，保護居民的人身財產(chǎn)安全。顯而易見，如果只靠單片機來驅(qū)動小車的行進智能滅火是不現(xiàn)實的，畢竟單片機自身管腳輸出的高電平的電壓是微弱的，這種微弱電壓直接控制電機會導(dǎo)致電機的馬力不足，不能夠帶動整個小車運行，因此在這種情況之下，最適合的方式就是運用電機的驅(qū)動芯片來實現(xiàn)小車的運動，所以采用了一款便宜的電機驅(qū)動芯片L9110來完成，實際上L298N芯片可以更好的驅(qū)動電機，能實現(xiàn)電機調(diào)速的功能，但是因為小車自身的重量和電壓問題我們就采用L9110芯片。下面是關(guān)于L9110的相關(guān)數(shù)據(jù)手冊。圖8LG9110的實物圖特點有工作電流低，靜態(tài)；電源電壓范圍2.5V-12V，干電池即可實現(xiàn)；各個通道具有連續(xù)輸出電流的能力；飽和壓降低；輸出電平兼容，可直接連接CPU；有高壓保護功能。圖9器件管腳圖圖10LG9110管腳定義序號符號功能1OAA路輸出管腳2VCC電源電壓3VCC電源電壓4OBB路輸出管腳5GND地線6IAA路輸入管腳7IBB路輸入管腳8GND地線LG9110電機驅(qū)動芯片有8個管腳，里面有兩個電源管腳和兩個接地管腳，還有兩個輸入（IA/IB）、和兩個輸出管腳(OA/OB),兩個輸出管腳接，電機的兩極，而兩輸入管腳和單片機連接，從而控制電機的狀態(tài)。小車感受到溫度信號時，通過輸入管腳IA和IB與單片機的連接處理信號，再通過電路提供動力，使風扇旋轉(zhuǎn)，從而達到滅火效果。圖11LG9110電動機硬件連接效果2.5路況檢測模塊檢測模塊采用了紅外發(fā)射和接收探頭來探測路況消息。紅外發(fā)射管發(fā)射出紅外信號，經(jīng)過路面的信號的反射到紅外接收管進行判斷，因為白紙與黑紙對于光線反射的效果不同，可根據(jù)光線反射的強弱來判斷前方是否存在障礙物和道路情況。該模塊使用的是簡單的紅外探頭。圖12路況檢測模塊硬件連接圖通電之后紅外發(fā)射管V1、V6、V3導(dǎo)通，向地面和前方實時發(fā)射紅外信號，如果遇到白色墻或路面時，紅外信號經(jīng)白色路面會出現(xiàn)較強發(fā)射，這個時候紅外接收探頭V2、V5、V4就可以接收到紅外信號，讓這些探頭導(dǎo)通，把低電平送給P3.5、P3.6、P3.7讓單片機通過判斷處理。路面檢測模塊有兩部分，分別為小車尋黑線的檢測和前方是否有障礙物的檢測。2.6智能防撞報警模塊防撞就是在遇到障礙物的時候，自動轉(zhuǎn)向避開障礙物，它能夠預(yù)警前方的危險。通過把小車放置在空曠的路面上，小車的前端兩探頭通過感應(yīng)前面是否有障礙物，此時，朝下的四個探頭也會接收來自地面的信息，當小車運行遇到障礙物時，小車上面主控芯片單片機就會接收到此時路況的具體信息，進而去改變小車的運行路徑，同時發(fā)出報警信號。圖13防撞探頭連接圖當前面遇到障礙物時，單片機經(jīng)過分析得到信息之后送給P0.6一個高電平信號，可以使得三極管V1導(dǎo)通，引起SB1蜂鳴器導(dǎo)通，發(fā)出報警信號。當前方無障礙物時，另一個紅外接收探頭則接收不到發(fā)射出來的紅外信號，當前方遇到障礙物時，發(fā)射頭發(fā)出去的紅外信號被前方的障礙物反射回來，此時被接受探頭接收，探頭接收到信號時，將會使其中一個管腳成為低電平，再傳送給單片機。3系統(tǒng)軟件設(shè)計及實現(xiàn)在系統(tǒng)軟件設(shè)計時，我們將所有的模塊程序嵌入到遙控器中，這種嵌入式主要是為了便于控制，且不占CPU，因為遙控模塊、尋跡模塊、以及避障模塊等都同時用到了實時檢測掃描，這樣不僅占用CPU，而且多個程序一塊運行還會產(chǎn)生沖突。圖14程序模塊連接3.1紅外整體程序在紅外系統(tǒng)系統(tǒng)設(shè)計中，首先需要一個靈敏的傳感器，當傳感器檢測到紅外信號的時候來接受信號。如果信號接受失敗，則重復(fù)接收，直到信號接收成功。如果一直接收不成功，則可能是紅外傳感器硬件出現(xiàn)問題。信號接收后，單片機會分析紅外信號，對紅外信號進行解碼，然后執(zhí)行相關(guān)的功能。圖15紅外整體程序框圖3.2紅外遙控的解碼和實現(xiàn)整個控制程序都嵌入到了遙控模塊這一單元里邊，所以紅外遙控的解碼是貫穿整個設(shè)計的主線，起到了整個系統(tǒng)入口的作用。當遙控器上按下按鍵時，1腳收到遙控器發(fā)送的紅外脈沖信號并解碼出脈寬波形，同時使單片機產(chǎn)生中斷，并開啟定時器、脈沖個數(shù)計數(shù)。記錄出每來一個脈沖的時間和脈沖總個數(shù)，等到一幀的數(shù)據(jù)發(fā)送完成之后，單片機結(jié)束計數(shù)，并關(guān)閉定時器。之后進入判斷階段，首先判斷這一幀數(shù)據(jù)中的脈沖個數(shù)，如果脈沖個數(shù)大于31個則將數(shù)據(jù)丟棄，如果剛好則判斷接收的脈沖是0還是1，接收完之后將這些數(shù)據(jù)保存起來，再來比對數(shù)據(jù)的對錯，首先比對前導(dǎo)碼是否正確，也就是看一下當前遙控器是不是與小車匹配的遙控器，如果都正確之后再來將碼值存起來。主程序用一個swich函數(shù)來對相應(yīng)碼值進行對應(yīng)函數(shù)的調(diào)用就可以了，比如按下了上鍵，則調(diào)用前進函數(shù)來完成小車前進動作。圖15解碼程序框圖3.3電機驅(qū)動滅火從宏觀上講，電機驅(qū)動在小車運行中占據(jù)主導(dǎo)，也是小車接收到命令之后的最終輸出，任何一個模塊所執(zhí)行命令的外在表現(xiàn)。電機驅(qū)動包括驅(qū)動電機前進、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、暫停及風扇的旋轉(zhuǎn)的功能，這些功能不僅僅只是遙控器按下上下左右之后才執(zhí)行，而是每一個模塊都會有執(zhí)行電機驅(qū)動模塊的操作，所以在設(shè)計程序時，最優(yōu)設(shè)計應(yīng)該是將這些前進、后退、左右轉(zhuǎn)向單獨編譯成一個函數(shù)塊，每一個子模塊的運行就只需調(diào)用這些函數(shù)就可完成。這樣做就節(jié)省了很大的程序空間。圖16小車滅火程序框圖3.4小車防撞報警主人命令開啟防撞功能時，小車主程序調(diào)用防撞報警函數(shù)，在防撞報警函數(shù)打開時進入實時檢測P3.7腳，當前方遇到懸崖或障礙物時，小車內(nèi)部防撞函數(shù)調(diào)用電機驅(qū)動函數(shù)來調(diào)節(jié)小車行經(jīng)來避免掉入懸崖或撞擊障礙物，并觸發(fā)報警信號引起報警。圖17防撞報警程序圖4系統(tǒng)調(diào)試把原理圖畫、最終PCB畫好之后再根據(jù)實驗室現(xiàn)有的實驗條件進行制版，并一并把所有元器件焊接上，在焊接時應(yīng)注意以下幾點：電解電容有正負極之分，長正短負。；二極管有正負極之分，長正短負；話筒有正負之分，負極與外殼相連；蜂鳴器有正負之分，長正短負；三極管按照電路板封裝焊接；集成電路即芯片，安裝時要注意缺口對應(yīng)數(shù)碼管焊接時注意數(shù)碼管上的小數(shù)點要與電路板封裝上的小數(shù)點對應(yīng)；焊接完之后，還需對小車各個模塊進行調(diào)試，以確保硬件的完好。4.1遙控發(fā)送接收調(diào)試由于是廠家直接提供的遙控器，為了確保遙控器能夠正常發(fā)送紅外信號，必須提前進行測試，但遙控器是集成的，而紅外線發(fā)射燈又是透明的，當發(fā)送的時候人眼觀察不到任何現(xiàn)象，那么怎樣知道遙控器是否正常呢？這里教你一小招，將遙控器裝上電池，然后將你自己的手機的照相功能打開，將手機上的攝像頭對準你遙控器前面的發(fā)射燈，然后按遙控器上的隨便哪個按鍵