基于单片机的智能灭火小车设计与实现

1、摘 要 ：该设计应用 AT89C51，可以与数码显示管、电路等相结合的元件作为小车的控制核心，可以与数码显示管、电路等相结合。基于单片机设计，AT89C51作为报警装置的控制器，可以充分运用 AT89C51的数据处理和实时控制功能，让小车处于最好的状态。当电机信号产生驱动灭火小车 行进时，根据寻迹模块的红外对管能否寻到黑线产生的高低电平信号再传送到单片机，单片机根据 程序设计要求做出相应的判断送给电机驱动模块.让小车在黑线上实现运行及转向的功能。通过超声波传感器接受到障碍物信号，实现超声波避障功能。通过红外传感感知温度，实现小车的灭火功能。关键词： 单片机 路况检测 报警 超声波 灭火Spee

2、ch Control Robot based on STM32Author: LiuPeng:Tutor： WangChengJunMajor in Mechanical & Electronic Engineering, Graduated in 2019Abstract ：This design USES AT89C51 as the control core of the car, and digital display tube, circuit, etc. Based on MCU design, AT89C51 as the controller of the alarm devi

3、ce, can fully AT89C51 data processing and real-time control functions. Keep the car in top condition. When the motor signal is generated to drive the fire fighting cart, the high-low level signal generated by the black line can be detected by the infrared pair tube of the tracing module and then tra

4、nsmitted to the MCU, which makes the corresponding judgment according to the program design requirements and sends it to the motor drive module to realize the function of running and turning on the black line. Ultrasonic obstacle avoidance function is realized by receiving the obstacle signal throug

5、h ultrasonic sensor. The fire extinguishing function of the car is realized by sensing the temperature with the infrared sensor.Key words： Single chip microcomputer tracking alarm ultrasonic目录前言 21 方案设计 41.1 方案论证 41.1.1 控制器的选择与论证 41.1.2 电机驱动芯片的选择与论证 41.1.3 显示器件的选择与论证 51.1.4 路况检测模块 52 系统硬件电路与实现 52.1

6、红外遥控及解码模块 52.2 红外遥控模块及解码模块 62.2.1 二进制信号的调制 62.2.2 二进制信号的解调 72.2.3 二进制信号的解码 72.3 单片机红外硬件电路的实现 82.4 电机驱动智能灭火模块 82.5 路况检测模块 112.6 智能防撞报警模块 123 系统软件设计及实现 143.1 红外整体程序 143.2 红外遥控的解码和实现 153.3 电机驱动灭火 163.4 小车防撞报警 174 系统调试 184.1遥控发送接收调试 194.2 灭火驱动调试 205 总结 22前言在现代社会，单片机技术发展迅速，机械电子技术逐步融合，自动控制技术在工业 中的地位已经变得非常

7、重要。迄今为止，中国的自动控制和传感器技术在世界上处于领 先地位，譬如，玉兔二号今年一月在背面着陆。作为第二次工业革命的产物，汽车也与 更准确的电子信息相结合，特别是现在的热门的自行巡航系统 , 表明了电子信息技术对 汽车影响巨大，汽车上加装的各种智能系统使汽车的功能更加多样 , 集代步,娱乐, 甚至 办公等多种功能于一体。随着时代发展 ,单片机的应用会越来越多 ,越来越深入。 目前中国的信息技术虽然达 到了世界顶尖水准 ,但在很多方面和发达国家仍然有很大的差距 , 这需要我们继续努力 , 奋起直追。为了适应今后智能汽车的发展 , 现特开始研究小型智能灭火小车。探索今后 智能汽车的发展模式 ,

8、 掌握多种控制技术和实时传感器的配合方法。促进智能汽车的发 展。此项设计的核心应用了 51单片机为控制核心 ,实现小车寻迹 ,蓝牙控制,灭火等多种智能功能1 方案设计1.1 方案论证在对系统进行设计时，对传感器的选择以及芯片的选择，电机的功率选择都进行了 一一论证，尽可能选择出适合系统的传感器及芯片，以及功率适合的电机。1.1.1 控制器的选择与论证方案一： STM32F103RBT。6 32 位单片机主频为 72M，而 51 单片机的最高主频为 24M，所以 STM 32的运行速度比 51单片机快很多。集成大部分工控当中的功能模块如 USB，管脚多且外设丰富，该单片机的程序模块化 ，代码效率

9、高，函数接口简单，开发 简易且周期短，主要在工业控制、智能设备等上面使用。方案二： AT89C51系列。传统的 8051 内核单片机升级后的单片机。有抗干扰强、工作频率广、内部高可靠进行复位、功耗低的优点，这种系列单片机采用的是AT89C第八代的加密技术，以现在技术水平来说暂时是没办法解的，完全兼容传统语句代码，抗 干扰能力强，具有防外部时钟的功能。综合考虑，系统最终选择的是方案二，主控芯片采用价格低廉，保密性能强，开发 简易的 8 位单片机。1.1.2 电机驱动芯片的选择与论证方案一：采用 L298NL298N，内部包含 4 信道逻辑驱动电路，二相和四相步进电机的专用驱动器，可同 时驱动 2

10、 个二相或 1 个四相步进电机，内含二个 H-Bridge 的高电压、大电流双全桥式 驱动器，可驱动 46V、2A以下的步进电机，接收标准 TTL逻辑准位信号，可以直接透过电源来调节输出电压；此芯片可直接由单片机的 IO 端口来提供模拟时序信号，但在智 能小车电路中单片机 IO 端口的使用匮乏。该设计也不用于速度控制，相对来讲 LG9110 成本较低。方案二：采用 LG9110LG9110是为控制驱动电机设计的，单片 IC 之中集成了分立电路，使整机可靠性提 高，外围器件成本降低。该芯片具有良好的抗干扰性，有两个TTL/CMOS兼容电平的输入；两个输出端能直接驱动电机的正反转运动，每通道能通过

11、750-800mA 的持续电流，峰值电流能力可达 1.5-2.0A；同时它具有较低的输出饱和压降；钳位二极管可以释放感 性负载的反向冲击电流，使它在驱动继电器、直流电机、步进电机或开关功率管的使用 安全可靠。 LG9110被广泛应用于各种电路上，如玩具汽车电机驱动、步进电机驱动、 和开关功率管等。方案三：使用分立原件搭建电机驱动电路 使用分立原件搭建电机驱动电路造价低廉， 在大规模生产中使用广泛。 但分立原件 H 桥 电路工作性能不够稳定，较易出现硬件上的故障，故我们放弃了这一方案。比较以上方案，在本系统中电机驱动芯片选用第二个方案，使用LG9110作为驱动电路。因为该 LG9110驱动能力强

12、，成本低廉，操作起来方便，因此本设计控制器选用 此方案。1.1.3 显示器件的选择与论证方案一： TFT屏。TFT液晶为每个像素提供了半导体开关，每个像素能由点脉冲直 接进行控制，因此每个节点彼此独立，并且可以持续控制，这不仅使显示屏的响应速度 提高了很多， 同时也可以使显示色阶得到精确的控制， 因此 TFT液晶的颜色更真实。 TFT 液晶显示屏具有以下特点：颜色鲜艳、层次感强、亮度好。方案二：7 段数码管是数码管是一类价格便宜 使用简单，通过对其不同的管脚输入相对的电流，使其发亮，从而显示出数字能够显示时间、日期、温度等所有可用数字表 示的参数的器件 ，每个数码管的每一个段码都由一个单片机的

13、 I/O 端口，或者使用如 BCD 码二-十进制译码器译码进行驱动。综合考虑，系统采用亮度高、 编程简单、价格低廉、 应用广泛的数码管， 即方案二。1.1.4 路况检测模块 采用红外传感器发送接收探头来检测实时路况信息，并传回单片机处理。红外发射探头发射红外信号，遇地面或障碍物反射回红外接收探头，红外接收探头接收到从地面 或障碍物反射回的红外信号之后给单片给一个电平信号，来判断整体路况信息。可直接选择程序简单，性能可靠，价格低廉的红外传感器就可实现。2 系统硬件电路与实现2.1 红外遥控及解码模块本设计采用了 AT89C51单片机作为主控芯片来处理各模块运营工作， 图 1 表示出系 统硬件总框

14、图。图 1 系统硬件总体框图2.2 红外遥控模块及解码模块红外遥控是一种无线，不需要接触的新技术，信息传输更加准确，抗干扰能力强， 功耗和成本低， 便于携带等诸多优点。 应用在现代诸多的商业产品中， 如电视，空调等。 并且被电子计算机系统所应用。发送和接收两个模块组成了红外遥控模块。发送模块由 主芯片的二进制信号编码调试的脉冲信号，通过发射管发射信号。接收管一般采用便宜 耐用的接收头，接收信号后，经过放大，检测再传输给单片机处理，如图2 所示。发射 接收 解码图2 红外遥控解码框图2.2.1 二进制信号的调制信号的调制根据遥控器的芯片来完成，把编码后的二进制信号调为频率38KHz的间断脉冲串，

15、差不多等于用二进制信号的编码乘以频率为 38KHz 的脉冲信号得出来的 间断脉冲串，即调制后用于红外发射二极管发送的信号。如图 3 所示， A是二进制信号 的编码波形， B 是频率为 38KHz（周期为 26us） 的连续脉冲串， C 是经调制后的间断脉冲 （C=AB），用于红外发射二极管发送的波形。图 3 中，待发送的二进制数据为 101。如图 3 所示。表示1 表示0 表示120脉冲单个脉冲调制后的二进制信号图 3 二进制信号的调制2.2.2 二进制信号的解调表示 0一体化红外接收头 HS0038完成二进制信号的解调，内部处理并解调复原收到的红 外信号，输出图 4 中波形 E（正好是对图

16、3 中波形 A 的取反），HS0038的解调可理解为： 在输入有脉冲串时，输出端输出低电平，否则输出高电平。一体化红外接收头 HS0038 的 1脚 GND接电源地， 2脚 VCC接+5V，3脚 OUT为数据输出（ TTL电平，反相输出）， 能够与单片机相联。红外接收头接受的波形红外接收头调解后输出的波形（输入）图 4 HS0038解调出的波形2.2.3 二进制信号的解码接收单片机完成二进制信号的解码，它通过解码红外接收头送来的二进制编码波形，还原出发送端发送的数据。如图 5 所示传输开始8 位数据 传输结束20 个脉冲 高位在前，低位在后图5 红外信号的编码格式2.3 单片机红外硬件电路的实

17、现图 6 中，一体化红外接收头 IR 的圆形面为红外接收面， 它与 SE303红外发射管的有效收发直射距离为 35m。图 6 红外接收电路2.4 电机驱动智能灭火模块通常情况下大多数的智能遥控小车都使用直流电动机控制小车的运动， 直流电机有两个控制端，通过改变输入电平的不同来改变电机的不同的运转。图 7 为电机驱动模块图 7 电机驱动电路在图 7 中，单片机通过控制 P0.0P0.3引脚高低电平来控制直流电机 M1、M2 的正 反转。当 P0.0P0.3输入为 1010 时，两电机均处于正转状态，当前小车体现为前进；当 P0.0P0.30输入为 0101时，两电机均处于反转模式， 小车整体表现

18、为后退。 当 P0.0P0.3 输入为 1001以及 0110时，一电机正转，另一电机反转，便实现了左右转向功能。小车的智能灭火模块通过红外传感器感受到附近温度变化。当附近温度过高时，红 外传感器将感受到的信号传给单片机处理，单片机再把处理的信息反馈给灭火模块，从 而打开风扇，实现风灭火，智能化的小车能减少损失，保护居民的人身财产安全。显而易见，如果只靠单片机来驱动小车的行进智能灭火是不现实的，毕竟单片机自 身管脚输出的高电平的电压是微弱的， 这种微弱电压直接控制电机会导致电机的马力不 足，不能够带动整个小车运行，因此在这种情况之下，最适合的方式就是运用电机的驱动芯片来实现小车的运动，所以采用

19、了一款便宜的电机驱动芯片 L9110 来完成，实际上L298N芯片可以更好的驱动电机，能实现电机调速的功能，但是因为小车自身的重量和 电压问题我们就采用 L9110 芯片。下面是关于 L9110的相关数据手册。图 8 LG9110 的实物图特点有工作电流低，静态；电源电压范围 2.5V-12V，干电池即可实现；各个通道具有连续输出电流的能力；饱和压降低；输出电平兼容，可直接连接CPU；有高压保护功图 9 器件管脚图图 10 LG9110管脚定义序号符号功能1OAA 路输出管脚2VCC电源电压3VCC电源电压4OBB 路输出管脚5GND地线6IAA 路输入管脚7IBB 路输入管脚8GND地线LG

20、9110电机驱动芯片有 8 个管脚，里面有两个电源管脚和两个接地管脚，还有两 个输入( IA/IB)、和两个输出管脚 (OA/OB),两个输出管脚接，电机的两极，而两输入管脚和单片机连接，从而控制电机的状态。小车感受到温度信号时，通过输入管脚IA和 IB与单片机的连接处理信号，再通过电路提供动力，使风扇旋转，从而达到灭火效果。图 11 LG9110电动机硬件连接效果2.5 路况检测模块检测模块采用了红外发射和接收探头来探测路况消息。红外发射管发射出红外信号，经过路面的信号的反射到红外接收管进行判断，因为白纸与黑纸对于光线反射的效果不同，可根据光线反射的强弱来判断前方是否存在障碍物和道路情况。该

21、模块使用的 是简单的红外探头图 12 路况检测模块硬件连接图通电之后红外发射管 V1、V6、V3 导通，向地面和前方实时发射红外信号，如果遇到白色墙或路面时，红外信号经白色路面会出现较强发射，这个时候红外接收探头V2、V5、V4 就可以接收到红外信号，让这些探头导通，把低电平送给 P3.5、P3.6、P3.7让单 片机通过判断处理。路面检测模块有两部分，分别为小车寻黑线的检测和前方是否有障 碍物的检测。2.6 智能防撞报警模块防撞就是在遇到障碍物的时候，自动转向避开障碍物，它能够预警前方的危险。通过把小车放置在空旷的路面上，小车的前端两探头通过感应前面是否有障碍物，此时， 朝下的四个探头也会接

22、收来自地面的信息，当小车运行遇到障碍物时，小车上面主控芯片单片机就会接收到此时路况的具体信息，进而去改变小车的运行路径，同时发出报警 信号图 13 防撞探头连接图当前面遇到障碍物时， 单片机经过分析得到信息之后送给 P0.6一个高电平信号， 可 以使得三极管 V1 导通，引起 SB1蜂鸣器导通，发出报警信号。当前方无障碍物时，另一个红外接收探头则接收不到发射出来的红外信号，当前方 遇到障碍物时，发射头发出去的红外信号被前方的障碍物反射回来，此时被接受探头接 收，探头接收到信号时，将会使其中一个管脚成为低电平，再传送给单片机。3 系统软件设计及实现在系统软件设计时，我们将所有的模块程序嵌入到遥控

23、器中，这种嵌入式主要是为了便于控制，且不占 CPU，因为遥控模块、寻迹模块、以及避障模块等都同时用到了实时检测扫描，这样不仅占用 CPU，而且多个程序一块运行还会产生冲突。图 14 程序模块连接3.1 红外整体程序在红外系统系统设计中，首先需要一个灵敏的传感器，当传感器检测到红外信号的时候来接受信号。如果信号接受失败，则重复接收，直到信号接收成功。如果一直接收不成功，则可能是红外传感器硬件出现问题。信号接收后，单片机会分析红外信号，对 红外信号进行解码，然后执行相关的功能图 15 红外整体程序框图3.2 红外遥控的解码和实现整个控制程序都嵌入到了遥控模块这一单元里边， 所以红外遥控的解码是贯穿

24、整个 设计的主线，起到了整个系统入口的作用。当遥控器上按下按键时， 1 脚收到遥控器发 送的红外脉冲信号并解码出脉宽波形，同时使单片机产生中断，并开启定时器、脉冲个 数计数。记录出每来一个脉冲的时间和脉冲总个数，等到一帧的数据发送完成之后，单 片机结束计数，并关闭定时器。之后进入判断阶段， 首先判断这一帧数据中的脉冲个数， 如果脉冲个数大于 31 个则将数据丢弃， 如果刚好则判断接收的脉冲是 0 还是 1，接收完之后将这些数据保存起来，再来比对数据的对错，首先比对前导码是否正确，也就是看一下当前遥控器是不是与小车匹配的遥控器，如果都正确之后再来将码值存起来。主程 序用一个 swich 函数来对

25、相应码值进行对应函数的调用就可以了，比如按下了上键，则 调用前进函数来完成小车前进动作。图 15 解码程序框图3.3 电机驱动灭火从宏观上讲，电机驱动在小车运行中占据主导，也是小车接收到命令之后的最终输 出，任何一个模块所执行命令的外在表现。电机驱动包括驱动电机前进、后退、左转、右转、暂停及风扇的旋转的功能，这些 功能不仅仅只是遥控器按下上下左右之后才执行， 而是每一个模块都会有执行电机驱动 模块的操作，所以在设计程序时，最优设计应该是将这些前进、后退、左右转向单独编 译成一个函数块，每一个子模块的运行就只需调用这些函数就可完成。这样做就节省了 很大的程序空间。图 16 小车灭火程序框图3.4

26、 小车防撞报警主人命令开启防撞功能时，小车主程序调用防撞报警函数，在防撞报警函数打开时进入实时检测 P3.7 脚，当前方遇到悬崖或障碍物时， 小车内部防撞函数调用电机驱动函数来调节小车行经来避免掉入悬崖或撞击障碍物，并触发报警信号引起报警。图 17 防撞报警程序图4 系统调试并一并把把原理图画、 最终 PCB画好之后再根据实验室现有的实验条件进行制版， 所有元器件焊接上，在焊接时应注意以下几点：电解电容有正负极之分，长正短负。 ； 二极管有正负极之分，长正短负； 话筒有正负之分，负极与外壳相连； 蜂鸣器有正负之分，长正短负；三极管按照电路板封装焊接；集成电路即芯片，安装时要注意缺口对应数码管焊

27、接时注意数码管上的小数点要与电路板封装上的小数点对应；焊接完之后，还需对小车各个模块进行调试，以确保硬件的完好。4.1 遥控发送接收调试由于是厂家直接提供的遥控器，为了确保遥控器能够正常发送红外信号，必须提前 进行测试，但遥控器是集成的，而红外线发射灯又是透明的，当发送的时候人眼观察不 到任何现象，那么怎样知道遥控器是否正常呢？这里教你一小招，将遥控器装上电池， 然后将你自己的手机的照相功能打开，将手机上的摄像头对准你遥控器前面的发射灯， 然后按遥控器上的随便哪个按键，观察手机照相功能里面的遥控器发射灯是否点亮，如 果灯已被点亮，则说明遥控器能够正常发射红外信号，否则遥控不能发射红外信号。这 一招很简单，在家里也能用，平常家里面的遥控电视机遥控器不灵了就可试着采用这一 方法，进而初步判断是不是遥控器已坏或者遥控器上面电池没电了。当数码管显示为 3 时，此时小车将实现红外遥控功能。按动遥控板即可