灭火机器人竞赛报告书.doc

. . . .案例1：竞赛用灭火机器人硬件设计摘要：本消防智能电动车是以第二代圆梦小车为底盘，以STC12XX（8051内核）系列单片机为控制核心，加以直流减速电机驱动、红外传感器、火焰传感器、显示模块和电源电路以及其他电路构成。系统总体采用分层控制结构，下层系统由STC12LE5410AD通过IO口控制和采用RPR220型光电对管实现小车的寻迹功能及返回功能，在行进过程中由上层控制板的STC12C5A60S2（8051内核）单片机通过IO口搭配SSL-01远红外火焰传感器加上E18-D80NK壁障传感器进行火源扫描，发现火源后在规定时间之内灭火排险，同时用WT588D语音单片机进行语音播报当前状态，使用LCD1604字符液晶显示小车行驶参数。使得该系统成为一个具有寻迹、壁障、灭火、显示、语音播报、秒表、里程显示、行程管理等多重功能的智能电动车。关键字：STC12XX 寻迹 壁障 消防 智能 火焰传感 语音播报 1竞赛题目 1.1 设计要求 1.1.1 设计任务和地图设计制作一个带有时间记录、显示和启动的消防智能小车模型，能到指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：180cm安全区障碍物180cm30cm30cm图 1 灭火比赛场地示意图1.1.2 任务指标要求1、基本要求和要求分析（1）要求显示秒表功能，分辨率为十分之一秒，所以系统必须采用精确的时间处理；（2）要求小车可沿着深色地板上的白色线条轨迹10秒内行走1.8米并在终点自动停止，所以系统中必须采用地面灰度检测或者是红外传感器等配合主控单片机的处理进行寻迹。（3）要求智能小车从上图中安全区域启动，自动寻找到火源（距火源距离小于40厘米）并报警，所以必须应用火焰传感器以及语音播报模块；（4）要求智能小车能够发现并扑灭第一和第二个火焰，所以要考虑风扇的使用和驱动以及单片机控制设计。2、发挥部分（1）能够自动记录和显示扑灭的火源数和启动后到灭掉第一、第二个火源所用的时间。（2）抢险完毕后智能小车能够返回到安全区域（原位）。（3）能够自动根据运行状态进行声光报警。（4）能够自动记录和显示所走过的路程。2、系统设计2. 1 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、语音模块、车载显示模块、以及液晶显示模块等模块构成。本系统的方框图如图 2所示上层STC12C5A60S2单片机控制单元下层STC12LE5410AD单片机控制单元通讯火焰传感红外壁障秒表里程显示灭火电机寻迹壁障路线寻迹前进地图记忆图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。2.2 车体设计 方案1：购买玩具电动车。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。经过考虑论证，自己制作电动车其配件非常不容易选配，而且机体改动工作量大，耗时多，因此我们放弃了此方案。方案3：采用以第二代圆梦小车为基础底盘的方案，圆梦二代底盘小巧符合题目长度要求，上面带有孔位便于重加控制板，结构简洁，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，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。综上考虑，我们选择了方案3。物图如图 3所示：图 32.3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。 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。在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。 方案3：采用宏晶公司的STC12XX系列单片机为主控制器而用凌阳单片机作为辅助控制器。STC12XX系列单片机是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统的8051，但速度快8-12倍。内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM，8路高速10路AD转换，针对电机控制，强干扰场合。完全适合题目要求。因此，从系统的稳定性及经济的角度考虑，我们选择了方案 3。2.4 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。 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 电压变换电路为控制板供电。采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，灭火风扇和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。2.5 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。 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。 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。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。2.6 火焰检测模块 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2：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。 方案3：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3。 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 1520cm（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。因此，我们选择了方案3。2.7 避障模块 方案1：用超声波传感器进行避障。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。2.8 测速计程模块 方案1：用霍耳传感器进行测速。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。 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。 2.9 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。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。2.10 电机驱动电路本系统电机驱动电路采用H桥电路，图42.11 车载语音模块和控制台语音模块 方案 1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2使用专用语音单片机WT588D模块通过单片机进行录放音的控制。用这种方法比较简洁方便，模块性能稳定，控制方法简单，音频直接存储，方便快捷，所以我们选用了方案2。2.12车载显示模块 为满足题目要求，需要在车上显示小车走过的路程，灭火时间、数目以及当前的灭火状态。因此需要在车上显示这些数据。 方案 1：用 8 位数码管进行显示小车走过的路程，灭火时间和数目。由于车载显示模块只是用来显示路程、时间和灭火数目，都为一些数字，用数码管显示容量明显不够，所以我们放弃了这种方案。方案2：用 LCD1604液晶屏。该液晶屏可以两行显示数字、汉字，也可以实现绘图功能。显示清晰。如果用串行传输数据的方式，使用的数据线也较小。因此我们使用LCD1604作为车载显示。3、 最终方案 经过反复论证，我们最终确定了如下方案： （1） 车体用圆梦第二代作为小车地盘和动力传动部分。（2） 采用STC12XX系列单片机作为主控制器。 （3） 用 3 节锂电池为直流电机供电，用两组每组两节电池分别为单片机传感器和灭火风扇供电。 （4） 用RPR220型光电对管进行寻迹。 （5） 远红外火焰传感器作为本系统的火焰传感器。 （6） 作为直流电机的驱动芯片。 （7） 显示采用LCD1604液晶屏显示系统参数。系统的结构框图如图 4所示：2个1200mA 3.7V锂电池2个1200mA 3.7V锂电池串 联16V电供给灭火风扇5V三端稳压供给系统图 54、 软件系统整体方案设计对于本系统来说，要实现的目的是能够灭掉两个或更多的火源，并且能够返回启动区。由于场地为方格型场地，而我们的光电对管可以顺利的实现寻迹，转弯与方格的计数。而不能判断小车前进的方向。基于此，我们共设想了如下几种方案，并通过实验验证而最终选中一种最终方案。 学习好帮手方案 1：小车行进路线的示意图如图示：方案 2：小车行进路线的示意图如图所示：方案 3：小车行进路线的示意图如图所示： 方案4：小车行进路线的示意图如图所示：5具体软件实现（略）单片机课程设计题目目录-课程设计题目题目1 智能电子钟（LCD显示）题目2 电子时钟（LCD显示）题目3 秒表题目4 定时闹钟题目5 音乐倒数计数器题目6 基于数字温度传感器的数字温度计题目7 基于热敏电阻的数字温度计题目8 十字路口交通灯控制题目9 波形发生器设计题目10 电容、电阻参数单片机测试系统的设计题目11 数字频率计题目12 8位竞赛抢答器的设计题目13 单词记忆测试器程序设计题目14 数字电压表设计题目15 可编程作息时间控制器设计题目16 节日彩灯控制器的设计题目17 双机之间的串行通信设计题目18 电子琴设计题目19 数字音乐盒的设计题目20 单片机控制步进电机题目21 单片机控制直流电动机题目1 智能电子钟（LCD显示）设计要求 以AT89C51单片机为核心，制作一个LCD显示的智能电子钟： (1) 计时：秒、分、时、天、周、月、年。 (2) 闰年自动判别。 (3) 五路定时输出，可任意关断（最大可到16路）。 (4) 时间、月、日交替显示。 (5) 自定任意时刻自动开/关屏。 (6) 计时精度：误差1秒/月（具有微调设置）。 (7) 键盘采用动态扫描方式查询。所有的查询、设置功能均由功能键K1、K2完成。题目2 电子时钟（LCD显示）设计要求以AT89C51单片机为核心的时钟，在LCD显示器上显示当前的时间：使用字符型LCD显示器显示当前时间。显示格式为“时时：分分：秒秒”。用4个功能键操作来设置当前时间。功能键K1K4功能如下。n K1进入设置现在的时间。n K2设置小时。n K3设置分钟。n K4确认完成设置。程序执行后工作指示灯LED闪动，表示程序开始执行，LCD显示“00：00：00”，然后开始计时。题目3 秒表设计要求用AT89C51设计一个2位的LED数码显示作为“秒表”：显示时间为0099秒，每秒自动加1，另设计一个“开始”键和一个“复位”键。题目4 定时闹钟设计要求使用AT89C51单片机结合字符型LCD显示器设计一个简易的定时闹钟LCD时钟，若LCD选择有背光显示的模块，在夜晚或黑暗的场合中也可使用。定时闹钟的基本功能如下：n 显示格式为“时时：分分”。n 由LED闪动来做秒计数表示。n 一旦时间到则发出声响，同时继电器启动，可以扩充控制家电开启和关闭。n 程序执行后工作指示灯LED闪动，表示程序开始执行，LCD显示“00：00”，按下操作键K1K4动作如下： (1) K1设置现在的时间。 (2) K2显示闹钟设置的时间。 (3) K3设置闹铃的时间。 (4) K4闹铃ON/OFF的状态设置，设置为ON时连续三次发出“哗”的一声，设置为OFF发出“哗”的一声。设置当前时间或闹铃时间如下。 (1) K1时调整。 (2) K2分调整。(3) K3设置完成。(4) K4闹铃时间到时，发出一阵声响，按下本键可以停止声响。题目5 音乐倒数计数器设计要求利用AT89C51单片机结合字符型LCD显示器设计一个简易的倒数计数器，可用来煮方便面、煮开水或小睡片刻等。做一小段时间倒计数，当倒计数为0时，则发出一段音乐声响，通知倒计数终了，该做应当做的事。定时闹钟的基本功能如下。n 字符型LCD（162）显示器。n 显示格式为“TIME 分分:秒秒”。用4个按键操作来设置当前想要倒计数的时间。一旦按下键则开始倒计数，当计数为0时，发出一阵音乐声。程序执行后工作指示灯LED闪动，表示程序开始执行，按下操作键K1K4动作如下。 K1可调整倒计数的时间160分钟。 K2设置倒计数的时间为5分钟，显示“0500”。 K3设置倒计数的时间为10分钟，显示“1000”。 K4设置倒计数的时间为20分钟，显示“2000”。复位后LCD的画面应能显示倒计时的分钟和秒数，此时按K1键，则在LCD上显示出设置画面。此时，若： a. 按操作键K2增加倒计数的时间1分钟。 b. 按操作键K3减少倒计数的时间1分钟。 c. 按操作键K4设置完成。 题目6 基于数字温度传感器的数字温度计设计要求利用数字温度传感器DS18B20与单片机结合来测量温度。利用数字温度传感器DS18B20测量温度信号，计算后在LED数码管上显示相应的温度值。其温度测量范围为55125，精确到0.5。数字温度计所测量的温度采用数字显示，控制器使用单片机AT89C51，测温传感器使用DS18B20，用3位共阳极LED数码管以串口传送数据，实现温度显示。题目7 基于热敏电阻的数字温度计设计要求使用热敏电阻类的温度传感器件利用其感温效应，将随被测温度变化的电压或电流用单片机采集下来，将被测温度在显示器上显示出来：n 测量温度范围50110。n 精度误差小于0.5。n LED数码直读显示。题目8 十字路口交通灯控制设计要求设计一个十字路口交通灯控制器。用单片机控制LED灯模拟指示。模拟东西方向的十字路口交通信号控制情况。东西向通行时间为80s，南北向通行时间为60s，缓冲时间为3s。题目9 波形发生器设计设计要求 设计一个能产生正弦波、方波、三角波、梯形波、锯齿波的波形发生器。题目10 电容、电阻参数单片机测试系统的设计1. 设计要求 设计一个能测量电容、电阻参数的测试系统。2 实验原理 对电阻的测量，可将待测电阻与一标准电阻串联后接在+5V的电源上，根据串联分压原理，利用ADC测定电阻两端电压后，即可得到其阻值。对电容的测量，可将其与已知阻值的电阻R8和R9组成基于NE555的多谐振荡器如下页图。其产生的方波信号频率为 ： 故通过测定方波信号的频率可以比较精确的测定C5的值。 题目11 数字频率计设计要求设计一个以单片机为核心的频率测量装置。使用AT89C51单片机的定时器/计数器的定时和计数功能，外部扩展6位LED数码管，要求累计每秒进入单片机的外部脉冲个数，用LED数码管显示出来。(1)被测频率fx110Hz，采用测周法，显示频率. ；fx110Hz，采用测频法，显示频率。(2)利用键盘分段测量和自动分段测量。(3)完成单脉冲测量，输入脉冲宽度范围是100ms0.1s。(4)显示脉冲宽度要求如下。 Tx1000ms，显示脉冲宽度。 Tx1000ms，显示脉冲宽度。题目12 8位竞赛抢答器的设计设计要求 以单片机为核心，设计一个8位竞赛抢答器：同时供8名选手或8个代表队比赛，分别用8个按钮S0S7表示。 设置一个系统清除和抢答控制开关S，开关由主持人控制。抢答器具有锁存与显示功能。即选手按按钮，锁存相应的编号，并在优先抢答选手的编号一直保持到主持人将系统清除为止。 抢答器具有定时抢答功能，且一次抢答的时间由主持人设定（如30秒）。当主持人启动“开始”键后，定时器进行减计时，同时扬声器发出短暂的声响，声响持续的时间为0.5s左右。 参赛选手在设定的时间内进行抢答，抢答有效，定时器停止工作，显示器上显示选手的编号和抢答的时间，并保持到主持人将系统清除为止。 如果定时时间已到，无人抢答，本次抢答无效，系统报警并禁止抢答，定时显示器上显示00。 题目13 单词记忆测试器程序设计设计要求 设计一个以单片机为核心的单词记忆测试器： 1、实现单词的录入（为使程序具有可演示性，单词不少于10个）。 2、单词用按键控制依次在屏幕上显示，按键选择认识还是不认识，也可以直接进入下一个或者上一个。 3、单词背完后给出正确率。题目14 数字电压表设计 设计要求 以单片机为核心，设计一个数字电压表。采用中断方式，对2路05V的模拟电压进行循环采集，采集的数据送LED显示，并存入内存。超过界限时指示灯闪烁。题目15 可编程作息时间控制器设计设计要求 设计一个以单片机为核心的可编程作息时间控制器：按照给定的时间模拟控制，实现广播、上下课打铃、灯光控制（屏幕显示）,同时具备日期和时钟显示。题目16 节日彩灯控制器的设计设计要求以单片机为核心，设计一个节日彩灯控制器： P1.2开始，按此键则灯开始流动（由上而下）。 P1.3停止，按此键则停止流动，所有灯为暗。 P1.4上，按此键则灯由上向下流动。 P1.5