车辆工程毕业设计38消防智能电动车

1 杨济民 马仁富 朱智林教授点评 : 系统以 AT89S52 单片机为控制核心，加以直流电机、舵机、光电传感器、火焰传感器和电源电路以及其他电路构成，设计报告完整，元器件选择比较恰当，制作的小车能完成题 目的所有要求，语音报警比较有特色，功能齐全。但行进路线固定。 消防智能电动车设计与制作 山东大学 梅高青 孙庆轩 台宏达 目录 摘要： . 3 关键词： . 3 Abstract: . 3 Keywords: . 3 1系统设计 . 4 1.1 设计要求 . 4 1.1.1 设计任务 . 4 1.1.2 设计要求 . 4 1. 2 模块方案比较与论证 . 5 1.2.1 车体设计 . 6 1.2.2 控制器模块 . 7 1.2.3 电源模块 . 8 1.2.4 寻迹传感器模块 . 8 1.2.5 火焰传感器模块 . 9 1.2.6 避障模块 . 9 1.2.7 测速计程模块 . 10 1.2.8 电机模块 . 10 1.2.9 电机驱动模块 . 10 1.2.10 车载语音模块和控制台语音模块 . 11 1.2.11 无线收发模块 . 11 1.2.12 显示台显示模块 . 11 1.2.13 车载显示模块 . 11 1.3 最终方案 . 12 1.4 系统整体方案设计 . 13 2 2硬件实现及单元电路设计 . 18 2.1 微控制器模块的设计 . 18 2.2 光电对管电路的设计 . 18 2.3 寻迹光电对管的安装 . 20 2.4 火焰传感器及其调理电路的设计 . 21 2.5 火焰传感器的安装 . 21 2.6 电机驱动电路的设计 . 22 2.7 灭火风扇驱动电路 . 23 2.8 灭火风扇的安装 . 23 2.9 测速计程模块的安装 . 24 2.10 语音识别电路的设计 . 25 2.11 无线收发模块的实现 . 25 3软件实现 . 26 3.1 主程序流程图 . 26 3.2 灭火子程序流程图 . 28 3.3 传感器数据处理及寻迹程序流程 . 30 4系统功能测试 . 31 4.1 测试仪器及设备 . 31 4.2 功能测试 . 31 4.2.1 基本功能测试 . 32 4.2.2 发挥功能及其他功能测试 . 35 5.结论 . 36 6.结束语 . 36 7.参考文献 . 36 3 摘要： 本智能车是以铝合金为车架， AT89S52 单片机为控制核心，加以直流电机、舵机、光电传感器、火焰传感器和电源电路以及其他电路构成。系统由 89S52 通过 IO 口控制小车的前进后退以及转向。舵机带动灭火风扇左右转向摆动进行灭火。寻迹由 RPR220 型光电对管完成，远红外火焰传感器进行火焰扫描。同时本系统用凌阳单 片机进行语音的播报，以提示当前状态。本系统同时通过 DF 无线数据收发模块进行无线数据传输，将该车当前的状态远程传送给显示台。显示台由 OCMJ4X8C 液晶屏和 2 个按键进行实时状态显示和启动控制。 关键词： AT89S52 直流电机 舵机 光电传感器 火焰传感器 消防智能电动车 DF 无线收发 Abstract: The smart car is aluminum alloy for the chassis, AT89S52 MCU as its core, including motor and servo, plus photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power circuit. MCU controls the car turning back forward or running on the white line. RPR220 reflective photo sensor seeks the trace. Far infrared flame sensor tracks the flame. In addition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current status. The system transmits information through DF module. The cars status will be transmitted to the Remote Console. OCMJ4X8C LCD display and 2 keys for start control. Keywords: AT89S52 Motor Servo Photo sensor Flame sensor Electrical fire engines DF wireless transmission 4 1系统设计 1.1 设计要求 1.1.1 设计任务 设计制作一个消防智能小车模型，能到制定区域进行抢险灭火工作。以蜡烛模拟火源，随机分布在场地中，场地如图 1 所示： 图 1 场地示意图 1.1.2 设计要求 1）基本要求 （ 1）智能小车从安全区域启动，自动寻找到火源并显示。 （ 2）除安全区外，场地随机出现 2 个火源，要求智能小车能够发现其中一个火焰并将其完全扑灭。 （ 3）能够发现并扑灭第二个火焰。 （ 4）扑灭二个火焰的总时间不超过 5 分钟。 （ 5）能够自动计算和显示扑灭的火源数。 5 2）发挥部分 （ 1）抢险完毕后智能小车能够返回到安全区域（原位）。 （ 2）能够自动计算和显示路程。 （ 3）能够用不同声音对不同的状态进行报警。 （ 4）其他 3）说明 （ 1）小车尺寸小于 30cm 30cm，所用电源电压小于等于 24V。 （ 2）控制电机类型不限，其安装位置及安装方式自定。 （ 3）灭火方式不限，但不 允许碰倒蜡烛。 （ 4）小车不能完全离开场地。 （ 5）允许一次重启动机会。 （ 6）蜡烛高度： 15 20 厘米。蜡烛置于方框的中间位置。 （ 7）障碍物尺寸 15cm 15cm 15cm，且位置固定。 （ 8）试验场地可采用黑胶皮，网格线可采用宽度为 2.5 3.0cm 的白色单面胶纸，测试时可自带。 1. 2 模块方案比较与论证 根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、寻迹传感器模块、火焰传感器、直流电机及其驱动模块、灭火风扇及其驱动模块、舵机模块、语音模块、车载显示模块、无线收发模块以及液晶显示模块等模块构成。本 系统的方框图如图 2 所示： 6 图 2 系统方框图 为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。 1.2.1 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，不能适应该题目的方格地图，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：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，前后万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，前后装两个万向轮。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。 在安装时我们并不把两个万向轮装在一个平面上。当小车前进时，左右两驱动轮与前万电源模块 控制器模块 寻迹传感器模块 火焰传感器模块 电机驱动前进转向模块 灭火风扇及其驱动模块 语音模块 无线发射模块 无线接收模块 语音模块 显示台显示模块 避障模块 车载显示模块 测速计程模块 7 向轮 形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现前后两轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑作用。 对于车架材料的选择，我们经过比较选择了铝合金。用铝合金做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。 综上考虑，我们选择了方案 2。实物图如图 3 所示： 图 3 车体底盘实物图 1.2.2 控制器模块 方案 1：采用可编程逻辑期间 CPLD 作为控制器。 CPLD 可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、 IO 资源丰富、易于进行功能扩展。采用 并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我们放弃了此方案。 方案 2：采用凌阳公司的 16 位单片机，它是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的 CPU 资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。 本系统主要是进行寻迹 和火焰传感器的检测以及电机的控制，兼有语音的播报。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我们放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。 方案 3：采用 Atmel 公司的 AT89S52 单片机作为主控制器而用凌阳单片机作为辅助控制器。 AT89S52 是一个低功耗，高性能的 51 内核的 CMOS 8 位单片机，片内含 8k 空间的可反复擦些 1000 次的 Flash 只读存储器，具有 256 bytes 的随机存取数据存储器（ RAM）， 32个 IO 口， 2 个 16 位可编程定时 计数器。且该系列的 51 单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。 我们自己制作 51 最小系统板，体积很小，下载程序方便，放在车上不会占用太多的空间。 为了同时方便使用语音的播报和识别，我们选择了凌阳公司的 SPCE061A 精简开发板 8 61B 板。 61B 板上配有喇叭插座、麦克风等。用户只需使用在线调试器，不用再外接任何器件即可以完成语音录放等功能。 该精简系统板体积小，功能齐全，资源丰富。能够满足系统的要求。 从方便使用的角度考虑，我们选择了方案 3。 1.2.3 电源模块 由于本系统需要电池供电， 我们考虑了如下集中方案为系统供电。 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 3 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 12.6V 给直流电机供电，经过 7805 的电压变换后为单片机，传感器和舵机供电。经过实验验证，当电池为直流电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。因此我们放弃了此方案。 方案 3：采用 3 节 4.2V 可充电式锂电池为直流电机供电，用 2 节锂电池经过 7805 的电压变换为单片机和传感器供电。再用 2 节锂电池经另一套 7805 电压变换电路为舵机供电。采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，舵机直流电机工作互不影响，且电池的体积较小，能够满足系统的要求。 综上考虑，我们选择了方案 3。 1.2.4 寻迹传感器模块 方案 1：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。 但是这种 方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。 方案 2：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。 方案 3：用 RPR220 型光电对管。 RPR220 是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓 红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。 RPR220 采用 DIP4 封装，其具有如下特点： （ 1） 塑料透镜可以提高灵敏度。 （ 2） 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 （ 3） 体积小，结构紧凑。 当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。 因此我们选择了方案 3。 9 1.2.5 火焰传感器模块 火焰检测有温度传感器、烟雾传感器、红外传感器、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：用远红外传感器。经试验验证，远红外火焰传感器检测距离远，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，我们在车体的前头的两侧离地大约 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，为了避免错误检测远处火焰的情况的出现，我们把每一侧的较低的传感器用黑色塑料纸包住。经实验验证，这样处理过的火焰传感器只能检测到一个方格距离的火焰，而对远距离的火焰没有反应。 我们把用黑塑料包住的传感器称为“近视”传感器，把没有处理过的称为“远视”传感器。“近视”传感器和“远视”传感器配合交替使用，可以更好的完成计划任务。 1.2.6 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 E3F-DS10C4 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。 10 1.2.7 测速计程模块 方案 1：用霍耳传感器进行测速。当载流导体或半导体出于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差。这一现象称为霍耳效应。霍耳式传感器利用的就是霍耳效应。 如果在车轮的内侧装上一条细磁铁，把霍耳传感器同样装在车轮的内侧，测量火焰传感器的输出就可以知道车轮转过的圈数。 霍耳 传感器是非接触式测量，而且对灰尘、湿度、振动等环境条件不敏感。特性也不随时间而变化。 虽然霍耳传感器具有众多优点。但是由于我们的电动车较小，比较细小的磁铁不易寻找。因此我们尝试着寻找其它的方案。 方案 2：用 RPR220 型光电对管进行测速。在车轮的内侧贴上一个光电码盘，用光电对管对码盘进行检测。光电对管照射到黑色和白色的边界时输出信号会有跳变。将跳变的输出信号送给单片机进行检测就可以得到轮子的转速。 由于我们电动车的寻迹都是用的 RPR220 型光电对管，所以用该型号光电对管进行测速时可以使用同样的调理电路。从使 用的方便和灵活性考虑，我们选择了方案 2。 1.2.8 电机模块 本系统为智能电动车，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。由于本题要实现对路径的准确定位和精确测量，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： 采用直流减速电机。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。 我们所选用的直流电机减速比为 1： 74，减速后电机的转速为 100r/min。我们的车轮直径为 6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到 V=2rv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s 能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。 1.2.9 电机驱动模块 方案 1：采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片。 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。 方案 2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。 因此我们选用了方案 1。 11 1.2.10 车载语音模块和控制台语音模块 方案 1：选择专门的语音存储芯片 ISD1420，通过单片机进行录放音的控制。用这种方法虽然比较简介方便，但是在地址模式所占 IO 口较多 ,在操作模式下进行随机 播放又需快进 ,较适合于顺序播放。且存储空间较小，只能存储总计 20s 的语音，无法进行语音识别。为了能更好的使用语音播放和语音辨识，我们放弃了此方案。 方案 2：选择 DSP 进行语音识别， DSP 具有很强的信息处理能力，能够进行语音的存储录放和语音的辨识，但是考虑到系统的成本和使用的灵活和方便，我们放弃了此方案。 方案 3：使用凌阳精简板开发板 61B 板，该精简开发板体积小，使用方便，且具有凌阳系列的很强的语音处理功能，且具有语音播报和辨识的模块。凌阳 61 单片机是 16 位单片机，具有 DSP 功能，有很强的信息处理能力，最高时 钟频率可达 49MHz，具有运算速度高等优势。这些都为语音处理和辨识准备了很好的条件。 因此我们选用了方案 3。 1.2.11 无线收发模块 无线数据传输被广泛应用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线数据通信、机器人控制、数字音频、数字图像的传输等领域中。 方案 1：用 DF 无线数据收发模块。 DF 无线发射模块通讯方式为调频 AM，工作频率为315MHz，为 ISM 频段，发射频率 0 0 判断 判断 右 轮 一级加速 右 轮 二级加速 左 轮 一级加速 左 轮 二级加速 0 32 4.2.1 基本功能测试 （ 1）在场地上没有放置蜡烛，小车从启动区启动。走到第一列后竖直到底，然后返回场地中间的横向白 线处，按照横向白线走到场地的尽头后转弯 180 度，返回启动区。所用时间总计 28.666 秒。返回启动区后，远程显示台的液晶屏显示并同时语音播报：没有发现火源。小车路线示意图如图 26 所示： 图 26 小车路线示意图（测试 1） 启动区 33 （ 2）在场地中随机放置一根蜡烛。 小车从启动区启动后能够找到蜡烛，此时，远程显示台的液晶屏显示并语音报警：找到火源 1。小车语音播报：发现火源 1。小车按照预定路线将蜡烛熄灭后，远程显示台液晶屏显示并语音播报：已熄灭火源。小车语音播报： 熄灭火源 1。完成此过程所用时间为 37.514秒。 小车完成此过程的示意图如图 27 所示： 图 27 小车路线示意图（测试 2） 启动区 灭火 34 （ 3）在场地中随机放置两根蜡烛，小车能够依次找到蜡烛并将火焰熄灭。 找到第一根蜡烛时，远程液晶显示并语音报警：找到火源 1。同时小车语音播报：发现火源 1。将第一根蜡烛熄灭后，远程显示台能够显示并语音播报：已熄灭火源 1。同时小车语音播报：熄灭火源 1。完成这些动作所用时间为 34.953 秒。 找到第二根蜡烛时，远程液晶显示并语音报警 ：找到火源 2。同时小车语音播报：发现火源 2。将第二根蜡烛熄灭后，远程显示台嫩构显示并语音播报：已熄灭火源 2。同时小车语音播报：熄灭火源 2。完成这些动作所用时间为 75.764 秒。 小车完成此过程的路线示意图如图 28 所示： 图 28 小车路线示意图（测试 3） 启动区 灭火 灭火 35 4.2.2 发挥功能及其他功能测试 我们在场地上随即放置两个蜡烛，蜡烛摆放位置及场地示意图如图 29 所示： 图 29 小车发挥功能及其它功能 测试 测试步骤如下： （ 1）远程复位启动电动车。将车放置在启动区内，在远程控制台按下启动按钮，小车从启动区正常启动