智能消防车设计与总结报告.doc

智能消防车设计与总结报告 学 校： 参赛学生： 学 院： 智能消防车设计与总结报告目录一、摘要2二、比赛要求3三、系统方案41.解决方案设计42.各部分设计41)车体设计42)控制器模块53)电机模块54)电机驱动模块55)循迹传感器模块56)火焰传感器模块57)电源模块58)显示模块59)报警声音模块610)灭火模块611)创新功能612)总体设计6四、系统硬件设计71.控制器模块72.电机驱动模块73.循迹传感器模块84.火焰传感器模块85.电源模块96.显示模块107.报警声音模块108.灭火模块119.语音模块1210.电池保护模块13五、系统软件设计14六、系统功能测试15测试一：小车循迹15测试二：直角处转弯15测试三：液晶屏显示15七、创新功能161.电源警报162.语音提示16八、结语17九、参考文献17一、 摘要本系统采用stc12c5a60s2单片机作为主控制芯片，以l298n作为直流电机驱动芯片，通过pwm控制智能消防车的驱动电机，本设计可实现智能消防车循迹进入场地，绕过障碍物，检测火焰，发出报警并将火焰熄灭返回仓库，以及在此过程中通过液晶屏显示提示信息等功能。整个系统在设计中注意低功耗处理，同时力求高性价比等细节，电路结构简单，可靠性能高，在结构和技术上具有一定参考价值。关键词：单片机 循迹 灭火 液晶屏本设计主要特点：1. 所用元器件简单，稳定性好2. 低功耗电源设计，有效降低系统功耗。3. 信息采用lcd汉字显示，清晰、直观二、 比赛要求注：图中a为车库，b为指定地点，c、i、j为点燃的蜡烛（模拟火源），d、e、f、g、h为5个障碍物，黑线为模拟街道。1. 在场地大面积黑色区域随机放置一只蜡烛和一个障碍物。消防车从车库a出发至该区域，绕过障碍物，自动搜索火源，执行灭火任务。灭火完成后，沿原路返回车库。2. 在场地大面积黑色区域随机放置两只蜡烛和两个障碍物（大致位置见示意图）。消防车从车库a出发至该区域，绕过障碍物，自动搜索火源，执行灭火任务。灭火完成后，沿原路返回车库。3. 显示消防车完成步骤（2）或（1）所用时间。4. 上述过程用时尽可能少。5. 其它特色与创新。三、 系统方案1. 解决方案设计根据题目要求，沿模拟街道行进的解决方法基本可以确定为循迹。在全黑区域灭火的方法大致有如下两种：方案一：小车安装避障装置，直接进入黑色区域，通过避障模块躲避障碍物，找到并熄灭蜡烛。然后仍避障返回。此方案需安装避障模块，需设计小车遇到障碍物后的避障方式，并且在熄灭全部蜡烛后，需控制小车正确躲避障碍物后找到虚拟街道的入口点并返回。要是小车准确完成这一整套任务，难度比较大。单位：cma2050402050-20=30d方案二：根据原题中蜡烛、障碍物的间距条件，可做几何分析如下：如图，将黑色区域一分为二考虑，由图中所标条件可知：a26.46（cm）d=2a=52.92（cm）可知，小车在正常宽度下，都可以从边缘垂直驶向蜡烛而不碰触障碍物。故可让小车绕边搜索火源，发现火源后垂直进入，灭火后仍垂直回到黑色区域边缘，从而比较简单地躲避障碍物。同时绕边过程不需要额外的硬件电路，只需改变循迹模块的驱动即可。综上所述，决定采取第二种方案：绕边躲避障碍物。2. 各部分设计1) 车体设计方案一：购买整体小车底盘。这种车体质量好，设计比较合理，并留有合适的传感器安装位置，且稳定可靠。成本较高。方案二：采用玩具小车改装。这种车体已安装电机等装置，外观比较好看，但是一般速度比较快，而且由于转弯方式等限制，不易用单片机控制。并不适合此次设计。方案三：自制小车底盘。能够有效降低成本，而且能够根据需要设计车体，方便电路设计和传感器安装。但精确度不高，比较粗糙，性能不太稳定。综合各方案的优缺点，同时比较方便地找到了一个小车底盘，结合实际，采用方案二、方案三结合的方法，对现有小车底盘进行一定改装，能够较好满足此次设计要求。2) 控制器模块此部分为小车的核心部件，需对传感器进行信息处理，控制小车完成各种动作，同时驱动各个模块协同工作。考虑到电机的驱动问题，至少需要两路pwm控制两个电机，同时考虑到51内核单片机具有价格低廉，简单易用，资料丰富等特点，决定采用stc公司的stc12c5a60s2单片机。3) 电机模块电机是小车一系列移动动作的基础，制定如下方案：方案一：采用步进电机。实现物体的精确定位和方向控制，但成本较高，比较适合精度要求较高的场合。方案二：采用直流电机。直流电机加上合适的减速箱后，可以实现较为合适的速度，并通过pwm信号进行控制，完成加速减速。但是无法实现较为精确的动作，可通过传感器实时反馈进行校正。考虑到成本、体积等问题，决定采用方案二。4) 电机驱动模块由于单片机不能直接驱动直流电机，需要电机驱动模块。方案一：采用分立元件焊接电机驱动模块。此方案成本较低，但是稳定性不高，一旦出现故障，分立元件电路的检测和修理会极为繁琐。方案二：采用集成驱动芯片l298n。成本较高，但芯片外围电路焊接简单，性能较好，稳定性较高。综上采用方案二。5) 循迹传感器模块虽可以采用“光敏电阻+发光二极管”的组合，但是自然光很容易对这样的组合造成干扰，影响效果。于是此模块决定采用较为常用的红外反射式光传感器tcrt5000。6) 火焰传感器模块根据火焰处的红外线强度比较高，此模块采用5mm红外接收管，通过检测红外线强度，来确定火焰位置。7) 电源模块较为通常的方法是采用三端线性稳压器，但其工作方式不可避免地增大了电路的总功耗，并且需要安装散热片，造成模块体积较大。因此此次决定采用效率更高的开关型降压稳压器。lm2576应用时比较简单且外围元件较少，内置频率补偿电路和固定频率振荡器。可以高效的取代一般的三端线性稳压器，它能够充分的减小散热片的面积，在一些应用条件下甚至可以不使用散热片。 因此主电源模块决定采用lm2576-5，稳压后5v电压除为大部分电路提供能源外，还通过ams1117-3.3输出3.3v电源，供3.3v器件使用。电机驱动采用lm2576-adj芯片，通过调整2576-adj的输出电压，对小车整体速度进行调整。8) 显示模块方案一：数码管显示。采用数码管，价格比较低，显示效果明显醒目，但是显示信息量少，驱动程序较繁琐，端口太多，功耗也太大。方案二：液晶屏显示。液晶屏驱动较为简单，显示信息量大，功耗低。综上以液晶屏为显示模块。较常用的并行1602液晶屏，12864液晶屏虽然驱动简单，应用资料丰富，但是直接驱动占用端口资源较多，本系统宜采用串行lcd模块，同时为了降低成本，采用lcd5110显示。9) 报警声音模块方案一：以录音芯片为基础组建。采用单段录音芯片录音重复播放，从而实现连续的警笛声。成本较高，外围电路较复杂。方案二：以专用语音芯片为基础组建。采用专门的语音芯片发出报警声。一般此类型芯片价格较低，外围电路也较为简单。综上，采用专用语音芯片，经筛选，以ck9561最合适，可以较为简单地发出警笛声。10) 灭火模块从简单、易控的角度出发，采用电机带动风扇的灭火方法，考虑到功耗问题，采用n20微型电机即可，由于风扇结构较为简单，可自己制作。11) 创新功能语音模块需采用多段语音芯片，考虑到性价比，易控性等因素，决定采用带spi控制模式的isd1760多段芯片录放芯片。电池保护模块能够实现电池电压监测即可，因此可采用电压比较器与基准电压比较，获得输出信号，传输到单片机，并由单片机控制采取相应措施保护电池。12) 总体设计a) 通过改装小车底盘来制作合适的车体b) 以stc12c5a60s2单片机为主控芯片c) 以l298n驱动直流电机控制小车移动d) 以tcrt5000红外反射管为基础设计循迹模块e) 用红外接收管检测红外线实现火焰探测f) 采用lcd5110显示信息g) 以ck9561实现报警声h) 基于n20微型直流电机设计灭火模块四、 系统硬件设计1. 控制器模块采用stc12c5a60s2单片机控制，其最小系统电路图如下：在实际制作中，为了充分利用空间，最小系统元件多采用贴片封装元件，且焊接在ic座内，充分利用了空间，为以后的扩展打下了良好的基础。制作完成图片如下：2. 电机驱动模块以集成驱动芯片l298n为核心的驱动模块，外围电路简单，其电路图如下：制作完成实物如下图：3. 循迹传感器模块采用红外反射管的循迹传感器模块，通过电压比较器来调节触发电压，输出端接单片机i/o口。单个传感器原理图如下：4. 火焰传感器模块通过红外接收管感应红外线强度，经过电压比较器后将输出输入单片机，其原理图如下：完成实物如下：5. 电源模块分为5.0v和3.3v及电机驱动6.0v三个模块，其原理图分别如下：5v电源：6v电源：3.3v电源模块：主电源模块体积可以有效缩小，实物如下：6. 显示模块5110为串口不带字库4884矩阵lcd，控制简单，共只需6条数据线和两条电源线，能有效节省单片机端口占用，降低硬件连接复杂程度，其实物如下：7. 报警声音模块经测试ck9561在通电情况下不能停止发声，故通过一个三极管控制ck9561的电源通断来控制声音的开关，电路图如下:焊接完成后的模块正面：8. 灭火模块用为降低功耗，采用场效应管驱动n20微型直流电机，经测试完全满足要求，其电路如下：制作完成的实物如下：9. 语音模块本模块采用isd1760语音芯片，单片机通过spi与1760芯片进行通信，其电路图如下：实物如下：10. 电池保护模块电池保护模块一lm393为核心芯片，通过检测电池电压，实现对电源的检测电路图如下：完成实物图如下：五、 系统软件设计小车在工作中，依据规定流程分为几个不同的阶段，各个阶段中分别根据不同的传感器返回信息进行移动和操作，直到回到仓库后停止。附:智能消防车完成图系统流程图如下：软件设计时，每个模块分别放在各自的头文件里，程序结构如下图：motor.h：电机驱动模块头文件，包括直行、左转、右转等基本电机动作函数。sensor.h：传感器处理头文件，包括各种传感器信息的解码函数，返回译码后的无符号char型数值指示传感器的状态。lcd5110.h：lcd5110驱动头文件，包括所需的初始化函数和显示函数等。timer.h：定时器头文件，包括定时器的初始化等操作函数。control.h：各种集成后的一系列动作的头文件，包含如循迹、绕边、灭火等单个完整动作的函数。voice.h：语音文件头文件，包括语音芯片的spi控制等功能。isd1760.h：isd命令定义头文件，包括对isd1760芯片spi控制模式下，各个命令的宏定义。另附完整代码，见附件。六、 系统功能测试测试一：小车循迹测试场地：自制胶条跑道测试结果：小车基本可以循迹，但是左右摇摆严重，且转弯处容易冲出跑道。问题分析：经仔细观察发现前动力轮，后万向轮的车体结构比较不稳定，同时高、低速差异过大，容易造成左右摇摆。解决方案及结果：改良车体结构，对调减速电机与万向轮的前后位置，同时调整pwm方案，使小车行进更加平稳。测试二：直角处转弯测试场地：自制黑色区域测试结果：小车可以及时产生转弯动作，但会冲出跑道黑色区域问题分析：由于黑色区域边角是直角，较常规转弯不能及时完成角度调整，导致冲出黑色区域解决方案及结果：不再采用常规转弯方式，而是采用两个电机以相反方向转动，进而实现原地旋转，旋转时不再前进，完全避免了冲出黑色区域的问题。测试三：液晶屏显示测试模块：lcd5110液晶模块测试结果：液晶屏可以正常显示，但整体发黑，影响效果问题分析：资料表明，3.3v供电lcd5110模块在+5v供电的情况下，屏幕会出现发黑现象，于是推断，电源电压过高会导致屏幕发黑。解决方案及结果：lcd5110模块电源处串联一个二极管，借其0.6v左右压降，降低lcd供电电压。经试验，屏幕基本不再发黑，显示效果明显改善。七、 创新功能1. 电源警报本系统采用两节3.7v 18650锂电池供电，测试中屡屡出现电池过放损坏现象，为保护电池，提高智能小车整体性能，设计本电池保护模块。本模块实时监控电池状态，当电池特征表现出过放现象时，红色警示灯亮，同时通过蜂鸣器发出警报音，停止电机运行，使整车处于低功耗状态，有效保护电池。2. 语音提示系统增加了语音提示功能，动态提示小车工作状态，使小车执行任