【毕业学位论文】（Word原稿）智能救援小车-计算机技术

莱芜职业技术学院 鲁战磊 吴丛善 魏玉良 目 录 摘要： . 2 关键词： . 3 一、设计任务概述 . 3 计任务概述 . 3 本任务 . 3 挥部分 . 3 二、系统方案论证与选择 . 4 体方案论证与选择 . 5 制模块论证与选择 . 5 源模块论证与选择 . 6 机模块选择与论证 . 6 机驱动模块 选 择与论证 . 6 障模块的选择与论证 . 7 迹模块选择与论证 . 7 . 7 片转移模块论证与选择 . 8 警和语音提示模块选择与论证 . 8 示模块论证与选择 . 8 能救援小车最终方案 . 8 三、硬件系统的设计与功能实现 . 9 援小车主线路板制作 . 9 控制器电路的设计与原理 . 9 源电路原理与设计 . 10 . 10 障电路的原理与设计 . 10 电开关的安装 . 11 迹电路的原理与设计 . 11 属检测电路的原理与设计 . 11 片转移电路原理与设计 ， . 12 音提示电路的原理与设计 . 12 统其它功能的扩展 . 12 四、软件设计的实现与说明 . 13 程序流程图 . 13 面循迹子程序流程图 . 14 能救援小车系统的部分程序清单 . 15 五、系统功能测试 . 17 用仪器及设备清单的说明 . 17 统功能测试 . 17 本要求部分的功能测试 . 17 挥部分的功能测试 . 17 六、结论 . 19 七、结束语 . 19 八、参考文献： . 19 摘要 本小组设计制作的一款智能救援小车，能够实现 2008 年山东省电子设计竞赛 G 题的基本部分和发挥部分的所有功能要求。另外具有以下扩展功能功能：测温、无线遥控、测速及里程、测量路面坡度。 本作品以两个直流减速电机为驱动，通过各类传感器件来采集信息，送入主控单元 9片机，处理数据后完成相应的操作，以 实现相应的功能。直流减速电机采用 电机专用驱动芯片 中避障 采光电开关来完成； 用 光电对管完成系统循迹功能 ；铁片检测部分通过电感式接近开关铁片进行信号的采集，接近开关反馈的信号送入单片机处理，由控制单元处理信号并控制相应的线圈，利用线圈用电产生磁场的效应捡起铁片并转移到题目中所指定的区域，由语音提示电路提示小车操作完成。 实现了智能救援小车在无人控制状态下实现智能避障、路面循迹、检测并转移金属铁片的智能控制，语音提示，液晶显示电路显示运行的时间。其所实现的功能相当于简易机器人。 关键词： 基本部分和发挥部分、测温、无线遥控、测速及里程、测量路面坡度 目录 一、设计任务概述 设计制作一个智能小车，该小车能按照要求自动运行，通过一个建筑物中曲折的道路，并完成规定的动作。 设矩形建筑物有两个门 A、 B，门宽 24厘米，建筑物的墙壁是 10厘米高（或与小车高度相同）、 2厘米厚的矮墙，建筑物内无引导轨迹（见图示）。 本任务 1、要求智能小车从 行进过程中，能自动选择适当的路径，避开墙壁，找到通路，三分钟之内到达 2、到达 5秒，小车自动计时并数字显示 声光报警； 挥部分 1、自 B 门外，循弧形引导轨迹 进（引导轨迹为 2 厘米宽）； 2、途中检测到铁片 D（铁片 D 放置在轨迹 二分之一段上的任意位置）时停车 3 秒，并声光报警； 3、要求小车拾起铁片 D，继续沿引导轨迹前进； 4、到达 C 点； 5、在 C 点处，放下铁片 D 并停止前进。声光显示救援结束，并停止计时，分别显示 所用的时间。铁片为直径 2 厘米的圆形薄片。 注 :智能救援小车场地图片的相关说明 智能救援小车场地图 二、系统方案论证与选择 根据题目中的设计要求，本系统主要由微控制器模块、电源模块、避障模块、循迹传感器模块、直流电机及其驱动模块 、金属检测模块、角度测量模块，语音提示模块以及液晶显示模块等构成。本系统的方框图如图 1 所示： 系统总框图 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。 体方案论证与选择 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。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菲。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，在校车后面加万向轮转向的方案。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，车体尾部装一个万向轮。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。当小车前进时，左右两驱动轮与后万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。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑稳定的作用。对于车架材料的选择，我们经过比较选择了实验室常用的敷铜电路板。用敷铜电路板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。制作的小车实物如下图所示： 小车实物 制模块论证与选择 方案一：采用凌阳公司的 16 位单片机，它是 16 位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理 器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。 方案二：采用 9片机作为主控制器。 9一个超低功耗，和标准 51 系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持 线编程，片内含 8k 空间的可反复擦写 1000 次的 读存储器，具有 256 32 个 I/O 口， 2 个 16 位可编程定时计数器。其指令系统和传统的 8051 系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度， 电 路设计简单、价格低廉， 在后来的实验中我们发现， 9确度和运算速度也都完全符合我们系统的要求。 综合以上方案我们选择比较普通的更为熟悉的方案二使用 片机为我们整个系统的控制核心。 源模块论证与选择 由于本系统需要给救援小车系统供电，我们考虑如下几种方案 : 方案一：采用 力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要 求。 方案二：采用 12V 蓄电池为直流电机供电，将 12压后给单片机系统和其它芯片供电。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，由于我们的车体在设计时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。 综上考虑，我们选择了方案一来完成智能救援小车系统供电的任务。 机模块选择与论证 方案一：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，小车电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过 单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作， 方案二：采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。经综合比较分析我们决定放弃此方案。 综合以上考虑我们选择方案一的直流减速电机作为整个救援小车的驱动电机。 机驱动模块 选择与论证 方案一：采用分立组件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对 其进行操作，但由于分立组件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想 ,我们决定放弃此方案。 方案二：因为小车电机内部装有减速齿轮组，考虑不需调速功能，采用市面易购的电机驱动芯片 芯片是利用 过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作，亦能满足直流减速电机的要求，用该芯片作为电机驱动具有的操作方便、稳定性好等优点。 综合以上分析与论证我们选择方案二的驱动芯片 障模块的选择与论证 方案一：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。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 40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。因此我们考虑其它的方案。 方案二：用漫反射式光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外光由同步回路选 通而检测物体的有无。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二。光电开关的实物如下图： 迹模块选择与论证 方案一：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。因此光敏电阻在白色轨迹上方和黑色轨迹上方时，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。单片机据此来判断小车是否偏离轨道，并根据反馈来不同的电平信号，发出相应的控制操作命令来校验小车的位置。来完成小车的循迹任 务。但是这种方案的缺点是受环境中光线的影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其它更加稳定的方案。 方案二：用 光电对管完成系统循迹。 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。 点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。 经测试方案二不论是在黑暗或者是强光照射下，小车系统均可以很稳定的工作，对环境的适应能力较强。因此我们选择方案 一。 方案一：采用 像传感器 利用 像传感器可适用于各种量的检测。具有检测的图像清晰、准确，图像界面友好，但是用 像传感器需要处理的信号量太大，价格昂贵，硬件电路设计困难，软件编程复杂，其体积较大对于空间有限的小车上使用存在诸多的不便，故 使用与本系统。 方案二：采用电感式接近开关 电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由 用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用 于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。 其体积较小适合在空间有限的智能救援小车上使用其实物图如下图所示： 通过以上分析我们选择方案二，采用电容式接近开关来完成题目中的寻找铁片的任务。 片转移模块论证与选择 铁片转移模块主要实现金属传感器在探测到金属后，把金属转移到指定区域。 方案一：采用高强度磁铁实现铁片的移动。高强度磁铁具有使用简单，无需外围电路，直接将磁铁放置在救援小车底盘的某一固定位置，当救援小车靠近铁片时，将铁片吸附在磁铁表面，以达到转移铁片的目的。但是不能按要求把铁片放下，由于此方案不能很好的 完成要求，我们决定放弃此方案。 方案二：利用电磁继电器在通电时可产生磁场的原理，利用电磁继电器通电的瞬间所产生的磁场来完成金属铁片的转移任务，停电无磁场放下铁片。电磁继电器电流小，磁力强，易于单片机 I/O 口的控制。 综合以上方案论述我们选择方案二，实现小车转移铁片。 警和语音提示模块选择与论证 方案一：采用 输出信号通过功率放大电路放大后输出。 优点是能够给人以直观的提示，采用直接模拟量存储技术，语音质量较好，可读性较好，功耗低，这些条件都为救援小车的语音提示准备了很好的条件。 方案二：采用单片机产生不同的频率信号通过蜂鸣器来完成声音提示功能，其硬件电路和较容易实现，但其缺点是给人以提示的可懂性比较差，给人的感觉不够直观，考虑的本题目的具体要求，我们决定不采用此方案。 通过以上方案论述我们选择方案一，完成救援小车系统的语音提示功能。 示模块论证与选择 方案一：采用 码管显示。 件电路结构简单、调试方便、软件实现相对容易等优点，但是由于我们计划要显示小车运行时间， 此我们放弃此方案。 方案二：采用 晶显示。 示内容丰富、清晰，显示信息量大，显示速度较快，界面友好等而得到广泛应用，因此我们选择此方案。 通过以上方案论述我们选择方案二，显示小车运行时间的任务。 能救援小车最终方案 经过反复的探讨和论证我们最终确定智能救援小车的如下最终方案： 片机作为整个 电路的控制核心。 293 7. 用 光电对管完成系统的寻迹任务。 8. 采用接近开关完成金属检测任务。 9. 利用线圈通电可以产生磁场的原理完成贴片的转移。 10. 采用 放音模块完成救援小车的语音提示功能。 压。 三、硬件系统的设计与功能实现 援小车主线路板制作 在线 路板制作设备的选择上，我们使用的是德国专业电路板设备 路板刻板机。 精确度较高， 分辨率 高达 米。 可快速制作各种复杂对精度要求较高的线路板，该线路板雕刻机 的最大优点是：制作双面线路板的速度较快，特别适合对时间有较高要求的电子设计竞赛试用，其实物图和救援小车系统线路板的实物图分别如下图所示： 雕刻机实物 线路板实物图 控制器电路的设计与原理 微控制器电路是整个智能救援小车系统的核心控制部分，它负责对各路传感信号的采集、处理、分析及对各部分硬件电路进行调整。本设计制作的智能救援小车系统以 片机最小系统电路为整个系统的控制电路，通过各种传感器电路，采集各种传感器信息，以发出各种控制信号命令 ，来完成相应的操作， 单片机控制电路原理图如所示： 单片机控制电路原理图 源电路原理与设计 电源电路为系统提供基 准电源，是整个系统工作稳定性关键所在，本系统采用 充电反复利用，动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好。其充电电路原理图如图所示： 本设计中采用的电机专用驱动芯片 欧洲著名的 单块集成电路、高电压、高电流、四通道驱动。设计用来接收 者 辑电平，驱动感性负载 (比如继电器，直流电机 )，和开关电源晶体管。内部包含 4 通道逻辑驱动电路。其额定工作电流为 1A，最大可达 压最小 大可达 36V。 输入引脚和输出引脚的逻辑关系 直接的对电机进行控制，无须隔离电路。通过单片机的 I/O 输 入改变芯片控制端的电平，即可以对电机进行正反转，停止的操作（ 表 1是其使能端、输入引脚和输出引脚的逻辑关系。 ），操作非常方便，亦能满足直流减速电机的大电流要求。调试时在依照上表，用程序输入对应的码值，即可以实现对应的操作。其驱动电路原理图如下所示： 障电路的原理与设计 用漫反射式光电开关进行避障。光电开关实际发射头与接收头于一体的检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光束，被物体反射，接收头据此做出判断是否有障碍物。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。单片机根据接收头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物。由于 接收管输出 平，有利于单片机对信号的处理。 小车采用漫反射式传感器进行避障的电路原理图如下图所示： 光电开关避障电路原理图 避障光电开关实物图 电开关的安装 在避障传感器的设计中，我们在车体底盘的前端装有四个传感器，用来起到避障的作用。四个传感器的安装位置与安装方法相一致。具体的安装位置如上图 ： 迹电路的原理与设计 采用 光电对管完成系统循迹任务，循迹电路是用以实现小车沿着场地的黑色弧形引导轨迹 行前进和位置校正的，且小车不能偏离该轨迹。本课题设计中采用自制的 光电对管完成系统循迹任务，传感器的数据线输出信号为开关量，可直接与单片机的 I/O 引脚相连接，硬件电路实现比较简单，其灵敏度可以通过调节多圈电位调。 在循迹检测传感器设计中，我们在车体底盘的前端装有两个传感器，用来检测 黑色弧形轨迹， 起到循迹前进的作用。具体的安装位置实物图如下图所示： 硬件电路 实物图 属检测电路的原理与设计 金属传感器性能的好坏对于该系统的功能是否能实现，起着十分重要的作用。我们选用的是 电路原理如下图所示， 由于其数据输出端通过 拉电阻，输出的是 输出信号为开关量，可直接与单片机的 I/O 引脚相连接，硬件电路简单，容易操作。其原理图如下所示： 电感式接近开关原理图 片转移电路原理与设计 ， 铁片转移电路主要运用了线圈通电产生磁场的原理，借助其所产生的磁场，把金属传感器检测到的铁片按题目的要求转移到指定位置的操作要求，本设计电路中采用的是将线圈的输入端直接与单片机的 I/O 相连接，通过改变单片机引脚的高低电平即可以实现线圈有磁性的变化。 音提示电路的原理与设计 本设计中的智能救援小车的语音提示系统由 模块和功率放大电路组。语音提示电路主要用来提示救援小车的工作状态。 音电路和功率放大电路的原理图如下所示： 统其它功能的扩展 温电路主要功能是用来测量环境温度并通过液晶显示，本系统测温电路采用美国 字温度传感器实现温度的测量这种传感器体积小，使用电压宽，测量温度范围为25 摄氏度，一总线的数字方式传送，大大提高了系统的考干扰能力。系统原理图如下图所示 无线遥控电路主要实现小车的无线操作，系 统由发射和接收两大部分组成，由单片机进行控制操作。 光电码盘为 32 份黑白相间的圆盘，将其紧贴在车轮的内侧 。在铝合金车架上打一个圆孔， 光电对管通过圆孔对光电码盘进行检测就可以得到车轮转过的圈数。从而计算出小车前进的路程。 车轮的直径为 6轮的周长为 L 2* *R 2*电码盘被平均分成了 36 份，每一份的弧长为 L=L/36=6=设单片机检测到黑白信号的变化为 n，则 小车走过的路程为 S n* 倾角传感器通常用于测量角度和斜坡的高度，在救援小车系统的设计中，我们用 角传感器测量斜坡的高度，它是采用高性能磁敏感元件，利用重力结构 , 可无电接触点的测量倾斜角度。具有体积小、灵敏度高、寿命长、抗振动、耐环境污染（耐水，油和各种恶劣环境） 用于运动频繁场合的水平姿态角度的测控和平面定位等工作场合。其原理图如下所示： 成的电压测量电路，并通过液晶显示救援小车系统电池组的电压。以 于 四、软件设计的实现与说明 程序流程图 我们所设计的软件的主程序流程图如下图所示： 面循迹子程序流程图 能救援小车系统的部分程序清单 # 0# 0 0# 0 0 0 # 0 34; /光电开关信号输入使能端 c=; /转向灯使能端 14; /报警控制位 31; /抓金属控制位 30; /金属探测位 =0 /液晶显示代码 ,; /时间 ,; /障碍物标志个数 /*/ /*电机控制部分 */ /*/ /向前运动 P2=000); ; /向后运动 P2= 000); ; /向前左转 P2= 500); ; /向前右转 P2=000); /* 寻迹子程序 ; ; 0&0( ; ; ; ; ; ; ; ; /*避障子程序 ， ,; ; ; 0&0 /检测障碍 /障碍物的个数判断来做相应的转向 : ; ; : ; ; : ; : ; ; : ; ; /时间显示函数 =0,=0,=0,=0; = 0=() E=0 /定时器的 /主函数 ; /定时器的初始化 ) ; /寻迹子程序 ; /避障子程序 五、系统功能测试 用仪器及设备清单的说明 本次设计中使用的相关仪器清单如下表所示 使用仪器及设备列表 统功能测试 本要求部分的功能测试 (1) 在规定的场地内智能救援小车从 动选择路径从 车行驶路线的示意图如下所示： 挥部分的功能测试 救援小车在 B 门的位置通过循迹电路沿着黑色引导线 进，在金属传感器检测到铁片 片机控制相应的电路将铁片捡起并转移到指定的位置，在这个过程中单片机同时控制相应的电路发出语音和发光提示，指示智能救援小车以完成救援任务。 智能救援小车在实现发挥部分时所行驶的路线示意图如下所示： 小车发挥部分功能及其它功能测试 测试步骤如下： （ 1）首先把小车放在场地的入口处 ，按照题目所规定的要求，智能救援小车从 A 门进入自动选择路径从 在行驶过程中，救援小车可以自动选择路径行走，其行走路线如上图所示。智能救援小车从 A 门进入后开始计时，并通过液晶显示来显示救援小车系统所消耗的时间，再从 行进过程中，救援小车可以自动避开墙壁，找到通路，可以在三分钟之内完成到达 车检测到黑色标志，小车停止运行，同时发出声光，提示基本部分测试完毕。 （ 2） 救援小车从 B 门外，通过循迹黑色弧形引导线 进（引导轨迹为2 厘米宽），在循迹黑色弧形引导线途中，通过接近开关电路检测到铁片 D 时停车 3 秒（注意：铁片 D 放置在轨迹 二分之一段 上的任意位置），并由语音电路发出语音提示，由 光电路发光提示。单片机通过金属传感器电路采集到金属信息时，通过控制相应的磁感应电路接通产生磁场，利用线圈通电时可产生磁场的原理捡起铁片，捡起铁片之后金属传感器的检测信号不再发生变化，救援小车继续沿黑色引导轨迹前进。当救援小车到达黑色弧形引导轨迹线的终点 C 之后，小车通过 光电对管电路通知单片机救援小车已完成本次救援任务，单片机通过控制相应的电机驱动电路停止电机的运行，通过改变相应的磁感应电路的电平状态放下铁片 D，液晶显示电路分别显示走过 时在此过程中，单片机控制语音电路和发光二极管发光电路同时发出语音和发光的提示，指示救援小车的救援任务结束（救援小车系统测试的具体参数见下表）。 智能救援小车系统的功能参数列表： 基本部分数据参数 测量次数 从入口端到出口端行驶时间（ s） 至