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单片机灭火避障小车设计

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文档分类: 单片机

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关于本文

  • 本文标题:单片机灭火避障小车设计.doc
  • 链接地址:https://wk.sbvv.cn/view/16289.html
  • 内容摘要:目录 目录 II 摘要 III 1智能车概述 5 1。1国内外研究动态 5 5 2系统设计 6 2。1系统设计要求 6 7 2。1硬件设计 7 2。1。1车体设计 7 2。1。2主控制器模块 8 2。1。3电源模块 8 2。1。4电机驱动模块 9 2。2火源检测模块 10 2。3避障模块 11 2。4显示模块 11 2。5电机选取 11 2。6最终方案 12 3硬件实现及单元电路设计 13 3。1主控制模块 13 3。2单片机的时钟电路与复位电路设计 13 3。3单片机的引脚功能描述 13 3。4电源模块 16 3。5显示模块 17 3。5。11602LCD的基本参数及引脚功能 17 3。5。2显示模块采用1602液晶显示接口电路 18 3。6火源检测模块 18 3。6。1火焰检测传感器的安装 19 3。7避障模块 19 3。7。1避障模块的安装 21 3。8灭火驱动电路 22 3。8。1灭火风扇的安装 22 4系统软件设计方案 23 4。1避障的实现 24 。2寻找火源的实现 26 30 5。1调试的步骤 30 5。2遇到的问题 30 7总结 31 致谢 31 参考文献 32 附件一,总体原理图设计 33 摘要 ABSTRACT Thenewsmartasamodeinventionisthefuturedevelopmentdirectionhecanbepresetaccordingtothemodelinanenvironmentwhereautomaticoperationwithouthumanmanagementapplicationofscientificexplorationandsoon。IntelligentvehicleisashowthatthedesignofthemultifunctionalintelligentfireextinguishingobstacleavoidanceMCUSTC89C52asthemicrocontrollerdesignakindofcanfindthefire(firewithcandlessimulation)andautomaticallyavoidobstaclescar。Thephototraistorseortodetectthesignalfirewhenthedetectiontothefirethecarautomaticallyadjustattitudeatthefire。Fireextinguishingmotorstartblowoutthecandlestosimulatefire。Throughtheinfraredphotoelectricswitchinductioncontrolcarobstacleavoidanceoperation。ThestateofrealtimedisplayontheLCDin1602。ThetrolleyisdrivenbythedrivecircuitofL298N。 Keywords:STC89C52microcontrollerphotoseitivetraistorinfraredphotoelectricswitch1602LCDmoduleL298N 1智能车概述 1。1国内外研究动态一方面机器人在制造业应用的范围越来越广阔,其标准化模块化网络化和智能化的程度越来越高,功能越来越强,并向着技术和装备的方向发展,另一方面,机器人向着非制造业应用以及微小型方向发展,于人类活动的各个领域。 工业机器人现在的总装机量约为12000台,其中国产机器人占有量约为13,即400多台。与世界机器人总装机台数75万台相比,中国总装机量仅占万分之十六。对中国这样一个13亿人口的大国来说,很明显的差距。系统设计2。1系统设计要求 图1系统总体方框图 2。1硬件设计 2。1。1车体设计 方案1, 购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮电机及其驱动电路。但是一般的说来,玩具电动车具有如下缺点,首先,这种玩具电动车由于装配紧凑,使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次,这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动,不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。再次,玩具电动车的电机多为玩具直流电机,力矩小,空载转速快,负载性能差,不易调速。而且这种电动车一般都价格不扉。因此我们放弃了此方案。 方案2, 买现成的车模。经过反复考虑论证,我们制定了买左右两轮分别驱动,后万向轮转向的车模方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动,后装一个万向轮。这样,当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转,由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。 综上考虑,我们选择了方案2。 2。1。2主控制器模块 方案1, 选用一片CPLD,如EPM7128LC8415,作为系统的核心部件,实现控制与处理的功能。CPLD具有速度快编程容易资源丰富开发周期短等优点,可利用VHDL语言进行编写开发。但CPLD在控制上较单片机有较大的劣势。同时,CPLD的处理速度非常快,而小车的行进速度不可能太高,那么对系统处理信息的要求也就不会太高,在这一点上,MCU就已经可以胜任了。若采用该方案,必将在控制上遇到许许多多不必要增加的难题。为此,我们不采用该种方案,进而提出了第二种设想。 方案2, 采用单片机作为整个系统的核心,用其控制行进中的小车,以实现其既定的性能指标。充分分析我们的系统,其关键在于实现小车的自动控制,而在这一点上,单片机就显现出来它的优势控制简单方便快捷。这样一来,单片机就可以充分发挥其资源丰富有较为强大的控制功能及可位寻址操作功能价格低廉等优点。因此,这种方案是一种较为理想的方案。 针对本设计特点多开关量输入的复杂程序控制系统,需要擅长处理多开关量的标准单片机,而不能用精简IO口和程序存储器的小体积单片机,DAAD功能也不必选用。根据这些分析我选定了STC89C52单片机作为本设计的主控装置,51单片机具有功能强大的位操作指令,IO口均可按位寻址,程序空间多达8K,对于本设计也绰绰有余,更可贵的是51单片机价格非常低廉。 在综合考虑了传感器两部电机的驱动等诸多因素后,我们决定采用一片单片机,充分利用STC89C52单片机的资源。 综上所述,我们选择了方案2。 2。1。3电源模块 由于本系统采用电池供电,我们考虑了如下几种方案为系统供电。 方案1, 采用12V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大,在小型电动车上使用极为不方便。因此我们放弃了此方案。 方案2, 采用6节1。5V干电池共9V做电源,经过7805的电压变换后为单片机,传感器供电。经过实验验证小车工作时,单片机传感器的工作电压稳定能够满足系统的要求,而且电池更换方便。 综上所述采用方案2 2。1。4电机驱动模块 方案1, 采用SM6135W电机遥控驱动模块控制直流电机,SW6135W是专为遥控车设计的大规模集成电路,能实现前进后退向右向左加速五个功能,但是其采用的是编码输入控制,而不是电平控制,这样在程序中实现比较麻烦,而且该电机模块价格比较高。 方案2, 采用电阻网络或数字电位器调节电动机的分压,从而达到分压的目的。但电阻网络只能实现有级调速,而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般的电动机电阻很小,但电流很大,分压不仅会降低效率,而且实现很困难。 方案3, 采用功率三极管作为功率放大器的输出控制直流电机。线性型驱动的电路结构和原理简单,加速能力强,采用由达林顿管组成的H型桥式电路(如图2)。用单片机控制达林顿管使之工作在占空比可调的开关状态下,精确调整电动机转速。这种电路由于工作在管子的饱和截止模式下,效率非常高,H型桥式电路保证了简单的实现转速和方向的控制,电子管的开关速度很快,稳定性也极强,是一种广泛采用的PWM调速技术。现市面上有很多此种芯片,我选用了L298N(如图3),L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片,它相应频率高,一片L298N可以分别控制两个直流电机,而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动,操作方便,稳定性好,性能优良。 因此我们选用了方案3。 图2H桥式电路 图3L298N 2。2火源检测模块 火源检测有温度传感器烟雾传感器光敏晶体管传感器紫外传感器以及CCD图像传感器。我们综合论证了这几种传感器,制定了如下几种方案。 方案1, 用温度传感器如热电偶,热电偶在工业应用上十分广泛。但是热电偶感应的范围太广,而且由于火焰只是周围温度稍高且范围较窄。试验验证用热电偶检测火焰精度不高,因此我们放弃了此方案。 方案2, 用烟雾传感器。烟雾传感器广泛应用与火警检测。但是由于此题目的火源是用蜡烛模拟的,没有太大的烟雾,因此用烟雾传感器作为此小型电动车的火焰传感器也不够实用,因此我们放弃了此方案。 方案3, 用紫外传感器检测火焰。紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统,尤其是一些易燃易爆场所,用来监测火焰的产生。紫外线火焰传感器的灵敏度高,相应速度快,抗干扰能力强,对明火特别敏感,能对火灾立即作出反应。但是紫外传感器检测的范围太大,不适用于本系统。 方案4, 用CCD图像传感器。用CCD图像传感器可以检测各种被检测量,适用于各种量的检测。但是用CCD图像传感器需要处理的信号量太大,且体积较大,不使用与本系统。 方案5, 用光敏晶体管传感器。经试验验证,光敏晶体管传感器检测距离远,线性度好,检测准确,且体积较小。很适用于本题目的要求。 因此我们选择了方案5。 在火焰传感器模块的设计中,我们在车体的前头离地大约15,20cm,相当于火焰高度,处安装远红外火焰传感器,且每一侧装有两个。由于火焰传感器的检测距离很远,为了避免小车判断不了火焰的远近的情况出现,我们设计了一路近距离火焰传感器。只有当这路检测到灭火电机才启动。经实验验证,系统工作稳定。 2。3避障模块 方案1, 用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是,超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后,遇到障碍物便反射回来,再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作,因为超声波传感器对工作频率要求较高,偏差在1,内,所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。 因此我们考虑其他的方案。 方案2, 用红外光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束,被物体阻断或部分反射,受光器最终据此作出判断反应,是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射,由同步回路选通而检测物体的有无,其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均能检测。光电开关E3FDS10C4操作简单,使用方便。当有光线反射回来时,输出低电平。当没有光线反射回来时,输出高电平。 考虑到本系统只需要检测简单障碍物,没有十分复杂的环境。为了使用方便,便于操作和调试,我们最终选择了方案2。 2。4显示模块 方案1, 用数码管进行显示。数码管显示速度快,使用简单,显示效果简洁明了,但是显示单一,不能表达出很好的人机界面,因此我们放弃用数码管显示。 方案2, 用LCD1602液晶进行显示。LCD1602由于其显示清晰,显示内容丰富清晰,显示信息量大,使用方便,显示快速而得到了广泛的应用。因此我们选择了此方案。 综上所述我们选择方案2 2。5电机选取 本系统为智能自动循迹小车,对于电动车来说,其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。我们综合考虑了一下两种方案。 方案1, 采用步进电机作为该系统的驱动电机。由于其转过的角度可以精确的定位,可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点,步进电机的输出力矩较低,随转速的升高而下降,且在较高转速时会急剧下降,其转速较低,不适用于小车等有一定速度要求的系统。经综合比较考虑,我们放弃了此方案。 方案2, 采用直流电机作为该系统的驱动电机直流电机的控制方法比较简单,只需要电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来。电压越高则电机转速越快。对于直流电机的速度调节,可以采用改变电压的方法,也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式,通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。直流减速电机转动力矩大,体积小,重量轻,装配简单,使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力,带动变速,减速,齿轮组,可以产生大扭力。能够较好的满足系统的要求,因此我们选择了此方案。 2。6最终方案 经过反复论证,我们最终确定了如下方案, 车模用购买的两驱车模 2主控芯片采用STC89C52单片机作为主控制器。 3用6节干电池供电。 4用红外光电开关进行避障。 5采用L298N作为直流电机的驱动芯片。 6采用光敏晶体管检测火源。 3硬件实现及单元电路设计 3。1主控制模块 主控制最小系统电路如图3所示。 图4 3。2单片机的时钟电路与复位电路设计 本系统采用STC系统列单片机,相比其他系列单片机具有很多优点。一般STC单片机资源比其他单片机要多,而且执行速度快,STC系列单片机使用串口对单片机进行烧写,下载程序较为方便,STC51单片机内部集成了看门狗电路,且具有很强抗干扰能力。 本系统采用内部方式的时钟电路和加电自复位的复位电路,如下图5图6所示, 图5时钟电路 图6复位电路 由于单片机P0口内部不含上拉电阻,为高阻态,不能正常地输出高低电平,因而该组IO口在使用时必须外接上拉电阻。 3。3单片机的引脚功能描述 下面对STC89C52各引脚的功能进行较为详细的介绍, 1)电源引脚Vcc和Vss Vcc(40脚),电源端为+5VVss(20脚),接地端。 2)时钟电路引脚XTAL1和XTAL2 XTAL2(18脚),接外部晶体和微调电容的一端。在单片机内部它是振荡电路反向放大器的输出端,振荡电路的频率就是晶体固有频率。若需采用外部时针电路时,该引脚输入外时钟脉冲。要检查89C52的振荡电路是否正常工作,可用示波器查看XTAL2端是否有脉冲信号输出。 XTAL1(19脚),接外部晶体和微调电容的另一端。在片内,它是振荡电路反向放大器的输入端。在采用外部时钟时,该引脚必须接地。 3)控制信号脚TALEPSEN和EA。 T(9脚),T是复位信号输入端,高电平有效。在此输入端保持两个机器周期(24个时钟振荡周期)的高电平时,就可以完成复位操作。 ALEPROG,30引脚,,地址锁存允许信号端。当STC89C52上电正常工作后,ALE引脚不断向外输出正脉冲信号。此频率为振荡器频率fosc的16,当CPU访问片外存储器时,ALE输出信号作为锁存低8位地址的控制信号。在CPU访问片外数据存储时,每取值一次,一个机器周期,会丢失一个脉冲。平时不访问片外存储时,ALE端也以16的振荡频率固定输出正脉冲,因而ALE信号可以用作对外输出时钟或定时信号。如果你想看一下STC89C52芯片的好坏,可用示波器查看ALE端是否有脉冲信号输出,如有脉冲信号输出,则STC89C52基本上是好的。ALE的负载驱动能力为8个LS型TTL,低功耗高速TTL,。 PSEN,29脚,,程序存储允许输出信号引脚,在访问片外程序存储器时,此端定时输出负脉冲作为读片外存储器的选通信号。此引脚接ERROM的OE端。PSEN端有效,即允许读出ERROMOM中的指令码。CPU在从外部ERROMOM取指令期间,每个周期PSEN两次有效。不过,在访问片外RAM时,要少产生两次PSEN负脉冲信号。要检查一个STC89C52小系统上电后CPU能否正常到ERROMOM中读取指令码,也可用于示波器看PSEN端有无脉冲输出。如有,说明基本上工作正常。 EAVPP,31脚,,外部程序存储器地址允许输入端固化编程电压输入端。当EA引脚接高电平时,CPU只访问片内ERROMOM并执行内部程序存储器中的指令。但在PC,程序计数器,的值超过OFFFH,对87518051为4k,时,将自动转向执行片外存储器的程序。当出入信号EA引脚接低电平,接地,时,CPU只访问外部ERROMOM并执行外部程序存储器中的指令,而不管是否有片内程序存储器。对于无芯片内的ROM的8031或8032,须外扩ERROM,此时必须将EA引脚接地。如果使用有片内ROM的STC89C52,外扩ERROM也是可以的,但也要使EA接地。 4)IO,输入输出端口,P0,P1,P2,P3, P0口,P0口是一个漏极开路的8位准双向IO端口。 P1口,8位准双向IO端口。 P2口,即可以做地址总线输出地址高8位,也可以做普通IO用,,此时为准双向口,。 P3口,双功能口,即可以做普通IO口用,此时为准向口,也可以按每位定义实现第二功能操作,。见表1。 表1P3口的第二功能表 引脚 第二功能 P3。0 RXD,串行输入口, P3。1 TXD,串行输出口, P3。2 INT0,外部中断0, P3。3 INT1,外部中断1, P3。4 T0,定时器0外部中断, P3。5 T1,定时器1外部中断, P3。6 WR,外部存储器写选通, P3。7 RD,外部存储器读写通, 3。3驱动...
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