毕业设计--全自动消防小车

1、毕业设计一全自动消防小车 吒 目录 133冃 i34 H 1.3.5 I 13 6 9, 1.3.7 | 1.3.8 绳Wlfei芨餡蹣能 122233334555677889 9 9 海南软件职业技术学院综合实训报告 31 附录A： 外姝磁铮火 盤 111 展种而小飾 战討火动 戦犧饗自 绪rtk述 系的模传了通控比紅传直地 蠢SF欝f 车制动匕计部车盼詛用朗 讒i 邂iil 瞬矗 襯乐禽wall黯iil 欝攝fe2歓蠱講嚼il 曇I囂r蠶Ipwi 翳 |1轟谴铸11鶉1 鶴爨fiis 8 自完 核在智在设 制仅;是本 控不诵其以 为统缄尤所0 机系车L,co収 MJ掛祀价前实 524谢，用

2、展现 。C5O-P值实发的 w:89制价的的要 雷PU芻第量很B 海南软件职业技术学院综合实训报告 1系统方案选择 1.1任务要求 1.1.1设计任务 设计制作一个智能灭火小车模型，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，模拟灭火场地如图所示。 图1-1模拟火场示意图 2 设计要求 (1)智能灭火小车手动启动后，自动寻找到火 源的屁置。 (2) 智能灭火小车必须按照固定的路线行进 (黑白线j。 (3) 孑卜灭火源后自动检测周围环境是否还有 其他火源。 (4) 若有则继续灭火，若无则停止工作。 1.2总体设计方案 总体方案为：整个电路分为驱动电机模块、 寻迹传感器模块

3、、避障模块、单片机控制模块、 火源传感器模块、风扇模块、电源模块七个模块。 首先利用红外对路面信号进行探测，利用火 源传感器检测火源信号，两种信号经过处理之 =1 后，送给单片机控制模块进行实时运算，输出相 应的信号给驱动电机模块驱动电机转动，从而控 制整个小车的运动。系统方案框图如图12所示。 13.1控制器分析与比较 fi 方案一：釆用凌阳公司的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

4、得凌阳单片机同时处理其它任务的速 度和能力降低。 方案二:采用STC89C52单片机作为主控制 器。STC89C52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 复擦写1000次以上的Flash只读存储器，具有 256 bytes的随机存取数据存储器（RAM） , 32 个ion, 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 OiilwXIffSk考虑,选择了 方案二 1.3.2电动车车体的选择 方案一：购买玩具电动车。购买的玩具电动 般都价格不扉。因此放弃了此方案。 对于车架材料的选择，经过比较选择了硬塑 板。用硬塑板

5、做的车架比塑料车架更加牢固，比 铁制小车更轻便，美观。故选择了方案二。 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。而且这种电动车一 方案二：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，后方万向轮 转向的方案。即左右轮分别用两个直流电机进行 驱动，后面装一个万向轮。这样，当两个电机转 向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原 地旋

6、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。 1.33电机的选择与分析 方案一：釆用直流电机 蠶轄度，驱动电路简单，调速范围广，调速 in 1 = 方案二：釆用步进电机 步进电机是一种能将电脉冲转化为角位移 直流电机速度快，价格便宜，通过调节电流 的机构，通过控制脉冲个数来控制角位移量，通 过控制脉冲频率来控制电机转动的速度和加速 度，其精确度高，但控制相对较繁琐。 方案1。 由于本系统对电机速度控制要求不高，采用 1.3.4电机驱动电路方案选择 Ui 电路简单，使用比较方便。 方案一：釆用专用芯片L298N作为电机驱 动芯片oL298N是一个具有高电压大电流的全桥 驱动芯片

7、，它相应频率高，L298N芯片可以驱动 两个二相电机，也可以驱动一个四相电机，输出 电压最高可达50V,可以直接通过电源来调节输 出电压；可以直接用单片机的IO 口提供信号； 方案二：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。 釆用方案一。 通过比较，使用L298N芯片充分发挥了它 的功能，能稳定地驱动步进电机，且价格不高， 135轨迹探测模块设计与比较 电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变 方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏 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

8、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 氐电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够 滝定的工作。因此要考虑其他更加稳定的方案。 方案二：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 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，所以也放弃了 这个方案。 个神化傢红外发光二极管，而接收器是一个高灵 敏度，硅平面光电三极管。RPR220釆用DIP4 方案三：用RPR220型光电对管

9、。RPR220 是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一 封装，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。 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 能稳克。 13.6火源检测设计与比较 因此本设计釆用了方案三。 136火源检测设计与比较 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。综 合论证了这几种传感器，制定了如下几种方案。 Ill 方案一：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。实验验证

10、用热电偶检测火焰精度不高，故放 弃了此方案。 用与麓丽輕離算蠶普裁蠶肯蠶 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 放弃了此方案。 方案三：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。 方案四：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

11、系统。 方案五：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。 因此本设计釆用了方案五。 13.7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。 方案一：釆用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。 方案二釆用6节1.5V锂电池分别3节串联, 分别供单片机和电机驱动使用，单片机和传感器 工作稳定，电机工作互不影响，且电池体积较小, 能够满足系统要求。 综上考虑，采用了方案二。 13.8避障模块设计与分析 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

12、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。因此考虑其他的方案。 方案二：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

13、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，输出嵩电年。 考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有 |=: |?1 十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调 试，最终选择了方案二。 1.3.9灭火模块 用。 方案一：用风扇将蜡烛吹灭，检测并确定 火源在课吹灭的范围内后由单片机控制风扇开 启，吹灭蜡烛。经实验确定当釆用5V电源给风 扇电机供电时，火源在20cm以内都可被吹灭。 能达到要求，并且简单方便各方面的实现都比 较简单，工作也比较稳定，调试快捷。适合应 方案二：用水管喷灭，由于整个系统是电 子系统，如用水则

14、有可能发生断路或出现危 险，并且小车还要承载水的重量，对小车电机 翌动要求比较高，故排除这种方案，选择方案 1.4最终方案 电。 经过反复论证，最终确定了如下方案： (1) 手工制作车体。 (2) 采用STC89C52单片机作为主控制器。 (3) 用直流电机实现小车行驶与灭火。 (4) 用6节锂电池分别给单片机和电机供 35 (5) 用RPR220型光电对管进行寻迹。 (6) 远红外火焰传感器作为本系统的火焰 传感器。 (7) L298N作为直流电机的驱动芯片。 (7)用红外光电开关进行避障。 2硬件实现及单元电路设计 2.1 STC89C52单片机系统概述及其引脚功能介绍 2.1.1 STC

15、89C52单片机系统概述 STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位 KW,爲伽他遵 统可编程Flash,使得STC89C52为众多嵌入式 RAM, 32位I/O 口线，看门狗定时器，内置 4KB EEPROM, MAX810复位电路，三个16位 定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全 双工串行口。另外STC89X52可降至OHz静态 逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲 模式下，CPU停止工作，允许RAM、定时器/ 计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下, RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切 工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最 高运作频率35MHz, 6T

16、/12T可选。 参薮： (1) 增强型8051单片机，6时钟/机器周期和 12时钟/机器周期可以任意选择，指令代码完 全兼容传统8051.1 (2) 工作电压：55V33V(5V单片机)/38V 1= 2.0V (3V单片机) (3)工作频率范围：040MHz,相当于普通 8051的080MHz,实际工作 频率可达48MHz (4)用户应用程序空间为8K字节 (5) 片上集成512字节RAM (6) 通用I/O 口(32个)，复位后为： P0/P1/P2/P3是准双向口/弱上拉，P0 口是漏极 开路输出，作为总线扩展用时，不用加上拉电阻, 作为I/O 口用时，需加上拉电阻。 (7) ISP(在

17、系统可编程)/IAP(在应用可编程), 无需专用编程器，无 需专用仿真器，可通过串 口(RxD/P3.0，TxD/P3l)直接下载用户程 序， 数秒即可完成一片 (8) 具有EEPROM功能 (9) 具有看门狗功能 (10) 共3个16位定时器/计数器。即定时器 TO、Tl、T2 (11) 外部中断4路，下降沿中断或低电平触发 电路，Power Down模式旬 由外飯中断低电年 触发中断方式唤醒 (12) 通用异步串行口(UART),还可用定时 器软件实现多个UART (13) 工作温度范围：-40+85 C (工业级)/0 75 C (商业级) (14) PDIP 封装 2.1.2单片机引脚

18、功能 STC89C52是一个有40个引脚的芯片，弓|脚 配置如图2-1所示： T2/PL. 0 T2EX/P1. 1 PL. 2 P1. 3 P1.4 P1.5 P1.6 P1. 7 RST RXD/P3.0 TXD/P3. 1 TYT0/P3. 2 IXT1/P3. 3 T0/P3. 4 Tl_/P3. 5 WR/P3. 6 RD/P3. 7 XTAL2 XTAL1 VSS 0 12 3 4 5 6 7 8 9?0 1234 5 6 7 8911111 11111 2 098 7 6 5 1321098 7 65432 1 4 3 3 3 3 3 33333222 2222 2 2 VCC

19、PO.O/ADO PO.1/AD1 P0.2/AD2 PO.3/AD3 PO. 1/AD1 PO.5/AD5 PO. 6/AD6 P0.7/AD7 百 ALE/PROG PSEN P2.7/A15 P2.6/A14 P2.5/A13 P2.1/A12 P2. 3/A11 P2.2/A1O P2.1/A9 P2.O/A8 图2-1 STC89C52引脚配置 一 STC89C52单片机各个引脚功能如表2-2所 不。 表2-2 STC89C51RC/RD+引脚示意图 管脚 管脚編号 说明 LQFP44 PDIP40 PLCC44 PO.O- P0.7 37-30 39-32 43-36 PO：PO口

20、既可作为输入r输出口.也可作为地址/数据复用总找使 用。当P0口作为输入/输岀口时.P0是一个8位准双向口.上电复 位后处于幵瀑模K. POU内部无上拉电阻所以作I/O口宓後外接 10M.7K的上拉电阻.肖P0作为地址/數1?复用总住使川N； 低8位地址线AOf 7h散据线MID0-D7J.此时无M：外接匕拉电 阻 P1.WT2 40 1 PI.0 标准 1/0口 PORTHOJ 1 2 T2 定时as/计敦器2的外部输入 Pl/T2EX 2 3 P1 标准0口 P0RT1I1I 41 T2EX 定时？V计数器2捕矽車装方式的触发控树 P1.2 42 3 4 标准0 口 PORT12 P1.3

21、 43 4 5 标准 1/0口 FORT1(3 P1.4 44 5 6 标准 1/0口 P0RT1I4 P1.5 1 6 7 标准呛口 P0RTU51 P1.6 7 8 标准0 口 PORT16 P1.7 3 8 9 惊准”0口 PORT1|7| P2-Q PX7 IK 2, 21少 34-31 Pstl. P2 :内丄拴电R1圧诃厲如人k世町H勺 UC：M垃燃 22光电对管电路的设计 实验中设计并论证了两种光电对管检测及 週理电路，电路原理图分别如图23和图24所 Zj O 图2-3采用三极管检测电路原理图 图23所示电路中，R1起限流电阻的作用, 当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通,

22、 R2的上端变为高电平，此时VT1饱和导通，三 极管集电极输出低电平。 当没有光反射回来时，光电对管中的三极管 不导通，VT1截至，其集电极输出高电平。 VT1在该电路中起到滤波整形的作用。 经实验和示波器验证，该电路工作性能一 般，输出还有杂散干扰波的成分。如果输出加加 密囉勰沁瞭骼传感器 调理电路供电的电池压降较快。究其原因，是因 为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流 兹大。 因此考虑用比较器的方案。 Is 加电報餾册巖器 的门限电压，经示波器观察,输岀波形相当规则, 可以直接够单片机查询使用。 而且经实验验证给此电路供电的电池的压 降较小。因此我们选择此电路作为我们的传感器 检测与

23、调理电路。 在寻迹传感器的设计中，我们在车体底盘的 前端装有四个传感器，用来起到寻迹的作用。 U1 VDC VCE VCC R6 5 火焰传感器能够探测到波长在700纳米 安装在前端的四个传感器直接将信号送给 单片机，当中间两个传感器中一个传回低电平， 则为踩线，既调整车头方向，当四个传感器均为 高点平时认定为一个交点，并且2个交点间距离 约为25cmo 因为地图为方格，所当小车转向时会出现四 个传感器中不定时离开黑线，为保证能准确转 弯。再因RPR220检测到黑线返回高电平，否则 为低电平，利用这一原理。当小车右转时，位于 小车最右端传感器会由黑线转到白色区域，这时 会产生一个下降沿，将下降

24、沿接至单片机外部中 断用于判断是否已经完成转向，左转原理同上。 经实验证实此方法能使小车稳定转向。 23火焰传感器及应用 火焰传感器的好坏对于该系统的功能能否实 现十分瞽，火焰传感器及其调理电路如图 2-3-1 所 TH。 MX R3 C= VCC：t 1- C1 103 U1BJ- c.m O CCUT LM3U R1 01 LTD 图2-5火焰传感器原理图 到最大。远红外火焰探头将外界红外光的强弱变 图25中，可调电阻RV1可以调节比较器的 门限电压，本电路还能输出模拟和数字两种信 号，非常适合本次系统的条件。 化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为 0255范围内数值的变化。外界红外

25、光越强， 数值越小；反之则越大。 利用四个火焰传感器，调节其中两个传感器门 限电压，使得传感器能检测到整张地图距离的火 焰，再调节另两个传感器使得只能检测一人方格 距离的火焰。这四个传感器分别两两置于小车两 侧距离地面约10cm （相当于火焰的高度）,一 远一证配合使用。 我们将能检测整张地图的传感器称为“远视”， 只能检测一格的称为 问石偏则左 转回归黑线 图3-1程序流程图 4测试结果 1-测试仪器 模拟跑道、计算机、开关电源、示波器、数 字万用表等。 2测试方法 完全按照要求模拟实验环境，用地板革 丄晋锻瞪1烈酣制焦翹迓地，在地板革上 做成阿旃黛胶带宽1.5cm,跑道长度 蠶均期粼小车在

26、模拟环境中进行 盒应卿据及测试结果分析 叶是位于方格中间 时，仑壬不輕稳定的实现转向。 小回题分析：由于转向的血爰必须是在小车在 曼鹽號剪雲窮嵯吆巒由于传感器矗書莘 盒碧乙鶴小车郢黑色交点的时候不能准确的检 测到火焰，而不能稳定的发出转向信号。 问题解决：调整火焰传感器的位置。 结束语 小车的特点能实现自动寻路找到火源,但由于 火焰传感器的检测角度为60度，并不能在安全 区检测到整张地图，所以对于火源的位置有一定 的局限。解决这一问题可以使用多个远红外火焰 传感器排列成一定角度，实现对全地图的检测。 灭火全程均为自动，不需要人员干扰、遥控。 出现的一些问题，由于寻迹模块安装位置不是 很合理，所

27、以偶尔会出现在黑线交点处越出轨道 的现象，后经过对模块的调整和程序上配合这一 现象有所好转。这一问题给了我一个深刻的教 训，在设计系统前就应考虑到可能会出现的问 题，而不能只一味的追求美观。 1= != 通过这几天的设计，我们不但增强了实践能力 和协作精神，而且懂得了联系实际的重要性，这 对我们以后的学习和工作不无裨益。当然，我们 的设计还存在着一些缺陷，有待于在将来的设计 中进一步提高，在此恳请各位老师批评指正。 致谢 榜样，必将对我今后的学习和工作产生深远的影 响，老师传授给我的知识也必然会在我人生的学 习阶段乃至各个阶段发挥重要的作用O 在此，我首先要衷心地感谢我的指导老师，在 这次设计

28、中遇到的每人问题都是老师给予解答, 详细设计等整个过程中都给予了我悉心的指导， 给我提出了许多极具价值的建议。在生活上两位 老师同样给予了我极大的支持和关心，在为人处 世上也对我进行谆谆的教导，这些都将对我今后 的学习和工作产生深刻的影响，使我获益匪浅。 除了敬佩老师的专业水平和综合素养外，严谨的 治学态度和科学的研究精神也是我永远学习的 参考文献 l=J 1 何玲蔡莉莎曾维鹏单片机最小系统的设计 与制作北京:电子工业出版社,2012.1 2 谭浩强C程序设计北京:清华大学初版 社，2005. 京:中国电力出版社,2005.256-257. 4张景元基于单片机的多用途定时器的设计与 实现J电子

29、工程师，2000年第8期22-31. 张专成赵怀勋单片机测控系统中的监视定时 器J 武警技术学院学报，Mar 1997. 鱷鑼饗瞬離轟密清 3 翟玉文梁伟艾学忠电子设计与实践M北 海南软件职业技术学院综合实训报告 附录A：程序清单 #include #define uchar unsigned char #define uint unsigned int void DC_LEFT(void); void DC_RIGHT(void); void DC_CLOSE_LEFT(void); void DC_CLOSE_RIGHT(void); void DC_LEFT_BACK(void); vo

30、id DC_RIGHT_BACK(void); void EXOinit(void); void RUN_DC(void); void IR_Rev (void); sbit DC1_1 = P1A4; sbit DC1_2 = P1A5; sbit DC2_1 = P1A6; sbit DC2_2 = P1A7; sbit IR = P1A2; sbit first = P2A3; sbit left = P2A2; sbit right = P2A1; sbit last = P2A0; sbit PASS = P3A2; sbit IR_RIGHT = P1A1; sbit IR_LEF

31、T = P1AO; sbit NEAR_LEFT = P3A0; sbit NEAR_RIGHT = P3A1; sbit IR_S = P1A3; sbit DClS = P0A0; bit NEAR_LEFT_F = 0; bit NEAR_RIGHT_F = 0; bit BACK = 0; bit CORNER_RIGHT = 0; bit CORNER_LEFT = 0; bit STOP = 0; bit Back_Flag; void main(void) EX0init(); while(l) IR_Rev(); RUN_DC(); /* 左轮前进驱动 V void DC_LEFT(void) DC1_1 = 1; DC1_2 = 0; 37 若藏建驱疝 勺 void DC_RIGHT(void) XT 1 o - - 二二 L 1- 2 2 2 r】r】 c c BBL 左轮停止 V void DC_CLOSE_LEFT(void) DC1_1 = DC1_2 = 0; /* 歳育匸 V void DC_CLOSE_RIGHT(void) DC2_1 = DC2_2 = 0; /* 歳后融芥 V void DC_LEFT_BACK(void) DC1_1 = 0; DC1_2 = 1; /* 若鶴