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1、學學 士士 學學 位位 論論 文文 系系 別：別： 計算機科學與技術計算機科學與技術 學科專業(yè)：學科專業(yè)： 計算機科學與技術計算機科學與技術 姓姓 名：名： 2011 年年 06 月月 智能小車引導控制系統(tǒng)智能小車引導控制系統(tǒng) 的設計與實現(xiàn)的設計與實現(xiàn) 系系 別：別： 計算機科學與技術計算機科學與技術 學科專業(yè)：學科專業(yè)： 計算機科學與技術計算機科學與技術 指導老師：指導老師： 姓姓 名：名： 2011 年年 06 月月 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 摘 要：面對諸多惡劣的工作環(huán)境(如滅火、救援等)，為了有效的避免人員傷 亡，就需要采用智能小車去現(xiàn)場來完成相

2、應的任務。因此研究和開發(fā)智能小車 引導控制系統(tǒng)具有十分重要的意義。本系統(tǒng)采用STC89C51單片機作為核心控制 芯片，設計制作了一款通過紅外光電傳感器檢測路徑信息、紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z 測火源的智能尋跡滅火小車。本系統(tǒng)由單片機控制模塊、尋跡傳感器模塊、驅 動電機模塊、火源傳感器模塊、風扇模塊、電源模塊等組成。實際應用表明， 該小車可以在專門設計的場地上實現(xiàn)自主發(fā)現(xiàn)火源，自主識別路線，自主行進 接近火源并滅火，最終完成滅火的任務。 關鍵詞：單片機 小車 引導控制 傳感器 Smart cars guide control system design and implementation Abstrac

3、t: Confronted with so many bad working environment (such as fire fighting, rescue etc), in order to effectively avoid casualties, need to use intelligent go by car scene to complete relevant tasks. Therefore, the research and development of intelligent car guide control system has the extremely vita

4、l significance. This system uses STC89C51 as the core control chip, design and make a new electric sensor detection by infrared sensor information, infrared flame path of intelligent tracing test fire extinguishing car. The system is composed of single-chip microcomputer control module, tracing sens

5、or module, drive motor module, ignition sensor module, fan module, power supply module. The practical application indicates that the car can be in a specially designed field on fire, to realize the independent found autonomous recognition route, independent sources and marching close to the fire ext

6、inguishing, finally complete task. Keywords: Microcontroller Car Control system Sensors 第 1 頁 目目 錄錄 引 言.1 第 1 章 方案設計與論證.2 1.1 任務要求.2 1.1.1 設計任務.2 1.1.2 設計要求.2 1.1.3 創(chuàng)新設計.3 1.2 總體設計方案.3 1.3 小車的方案設計與論證.3 1.4 驅動電機模塊的選定.4 1.5 尋跡傳感器模塊的選定.4 1.6 單片機控制模塊的選定.5 1.7 火源傳感器模塊的選定.5 1.8 風扇模塊的選定.5 1.9 電源模塊的選定.6 1.1

7、0 最終方案.6 第 2 章 硬 件 設 計7 2.1 系統(tǒng)工作原理及功能簡介.7 2.2 電 源7 2.3 紅外尋跡傳感器.8 2.4 采用 PWM 調速的直流電機.9 2.4.1 PWM 的簡介9 2.4.2 H 型電機驅動9 2.4.3 小車原理圖.10 2.5 紅外火焰?zhèn)鞲衅?10 2.6 風扇模塊.11 2.7 智能小車整體設計.12 2.7.1 CPU 引腳的設定12 2.7.2 整體設計.13 第 3 章 軟 件 設 計15 3.1 智能滅火小車系統(tǒng)總體流程.15 3.2 程序流程圖.16 3.3 部分功能代碼.17 第 4 章 測 試 結 果21 結 束 語22 第 2 頁 致

8、 謝23 參 考 文 獻24 附 錄25 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 1 頁 共 30 頁 引引 言言 現(xiàn)在，隨著科技的快速發(fā)展，國內外對小型智能系統(tǒng)的應用越來越廣泛， 種類也越來越多。本題目就是結合有關科研項目而確定的設計類課題，所設計 的智能尋跡滅火小車應能夠實現(xiàn)自動發(fā)現(xiàn)火源、自動尋跡、自動前進接近火源 并完成滅火任務的功能。 根據(jù)題目的要求，智能尋跡滅火小車控制系統(tǒng)采用一片STC89C51單片機作 為本控制系統(tǒng)的主控芯片，硬件包括以下幾個模塊：驅動電機模塊、尋跡傳感 器模塊、單片機控制模塊、火源傳感器模塊、風扇模塊、電源模塊。本設計采 用了STC89C51單片機為智能小車核心控

9、制部分，通過查詢方式實現(xiàn)對小車的智 能控制。小車由主控制板、傳感系統(tǒng)、風扇系統(tǒng)和車身四部分組成。主控制系 統(tǒng)由主控CPU電路、傳感器接口電路、直流電機驅動電路等組成；傳感系統(tǒng)采 用紅外傳感器檢測黑白線，火源傳感器檢測火源；行進直流電機驅動采用PWM 調制技術，可靈活方便地對車速、行進方向進行控制。 本設計通過采用STC89C51單片機為控制核心，實現(xiàn)對小車的智能控制。該 控制系統(tǒng)不僅在智能小車中有很強的實用價值，在汽車應用、智能機器人等方 面都有很強的實用價值，尤其是在機器人研究方面具有很好的發(fā)展前景。所以 本設計與實際相聯(lián)系，具有重要的現(xiàn)實意義。 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 2

10、頁 共 30 頁 第第 1 章章 方案設計與論證方案設計與論證 1.11.1 任務要求任務要求 1.1.1 設計任務 設計制作一個智能滅火小車模型，能到指定區(qū)域進行搶險滅火工作。以蠟 燭模擬火源，隨機分布在場地中，模擬滅火比賽場地如圖1.1所示。 圖 1.1 模擬滅火比賽場地示意圖 1.1.2 設計要求 1. 智能滅火小車手動啟動后，自動尋找到火源的位置。 2. 智能滅火小車必須按照固定的路線行進（黑白線）。 3. 撲滅火源后自動檢測周圍環(huán)境是否還有其他火源。 4. 若有則繼續(xù)滅火，若無則停止工作。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 3 頁 共 30 頁 1.1.3 創(chuàng)新設計 1. 小車車

11、體結構好，完全自主設計，小車采用兩層結構，分放不同模塊 的元件，調試過程和修改過程相對簡單。 2根據(jù)小車需要和實際情況，自行設計傳感器，不僅花費較少，而且使 用效果好。 3自制滅火風扇，并采用三極管放大電路供電，最大限度的加大電機轉 速。 4使用以7805芯片為核心的穩(wěn)壓設計，以L298為核心的電機驅動設計， 保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 5原地檢測軟件設計思路：先原地旋轉360，找出光敏電阻電路輸出電 壓的最小值并保存數(shù)據(jù)，然后再旋轉360找出最小最小值的位置，然后停下。 1.21.2 總體設計方案總體設計方案 總體方案為：整個電路分為驅動電機模塊、尋跡傳感器模塊、單片機控制 模塊、火源傳感器模塊、風

12、扇模塊、電源模塊六個模塊。 首先利用紅外對路面信號進行探測，利用火源傳感器檢測火源信號，兩種 信號經過處理之后，送給單片機控制模塊進行實時運算，輸出相應的信號給驅 動電機模塊驅動電機轉動，從而控制整個小車的運動。系統(tǒng)方案框圖如圖1.2 所示。 圖 1.2 系統(tǒng)設計方案框圖 1.31.3 小車的方案設計與論證小車的方案設計與論證 方案1：自己制作電動車 自己制作車體，組裝合適的電機及電機驅動板， 自制探測器，并利用開發(fā)板做控制驅動小車。但自己制作的小車，車體會比較 粗糙，車身重量、平衡，小車的電路設計，這些都比較難良好地實現(xiàn)。 方案2：購買專用電動車 購買專用電動車具有組裝完整的車架車輪，甚 運

13、城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 4 頁 共 30 頁 至有完整的電機裝配和電機驅動板。用自制探測器或購買完整探測模塊，并用 開發(fā)板控制小車運動。這種專用電動車裝配緊湊，各種所需電路的安裝十分方 便，看起來也比較美觀。而且，用專用電動車具有完整的電機裝配和電機驅動， 這用就省去了對電機傳動和電機驅動的設計和實現(xiàn)。 綜合考慮，我們選定了方案2作為我們的初步方案。 1.41.4 驅動電機模塊的選定驅動電機模塊的選定 方案1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅動電機 利用步進電機的準確定長 步進性能方便的實現(xiàn)調速和方向的偏轉，且能準確的測量速度、路程以及時間， 簡化編程和硬件連接的工作量。但步進電機的輸

14、出力矩較低，隨轉速的升高而 下降，且在較高轉速時會急劇下降，其轉速較低，不適用于小車等有一定速度 的系統(tǒng)。 方案2：采用直流電機作為該系統(tǒng)的驅動電機 直流電機的控制方法比較 簡單，只需給電機的兩根控制線加上適當?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉動起來，電壓越 高則電機轉速越高。而且改變正負極可方便的改變電機轉動的方向，方便改變 小車的行進狀態(tài)。對于直流電機的速度調高，可以采用改變電壓的方法，也可 采用PWM調速方法。PWM調速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過 改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉速的調節(jié)。 與其它調速系統(tǒng)相比，PWM調速系統(tǒng)有下列優(yōu)點： 1. PWM從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無

15、需進行數(shù)模轉換。 2. 對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點 3由于電力電子器件只工作在開關狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較 高。 4主電路簡單，所用功率元件少。 5低速性能好，穩(wěn)定精度高，調速范圍寬。 綜合考慮，本設計采用了方案2。 1.51.5 尋跡傳感器模塊的選定尋跡傳感器模塊的選定 方案1：采用發(fā)光二極管+光敏電阻，該方案缺點明顯：易受凍外界光源的 干擾，有時甚至檢測不到黑線，主要是因為可見光的反射效果跟地表的平坦程 度，地表材料的反射情況對檢測效果產生直接影響。而且外界的可見光對設備 的影響很大，而且不容易克服外界可見光的干擾。 方案2：采用紅外光電對管，由于只需

16、分辨黑白，紅外光電對管有一個管 發(fā)射紅外線一個用于接收紅外線，當紅外線照射到黑線上時不會發(fā)射回來，當 紅外線照射到白色的地方就會返回，光電對管發(fā)射的同時也能接收紅外信號， 整個檢測設備簡單，穩(wěn)定性高，速度快。缺點是檢測距離短，優(yōu)點是成本低， 易于操作。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 5 頁 共 30 頁 根據(jù)以上分析我們采用方案2。 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 6 頁 共 30 頁 1.61.6 單片機控制模塊的選定單片機控制模塊的選定 考慮到整個系統(tǒng)的簡單、方便性，控制模塊采用STC89C51作為主控制芯片， 該芯片有足夠的存儲空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿足

17、該系統(tǒng)軟 件的需要，該芯片提供了兩個計數(shù)器中斷，對于本作品系統(tǒng)已經足夠，采用該 芯片可以比較靈活的選擇各個模塊控制芯片，能夠準確的計算出時間，有很好 的實時性。而且STC89C51有很強的擴展性，使用簡單，靈活性高且價廉。所有 我們直接采用STC89C51作為主控芯片。 1.71.7 火源傳感器模塊的選定火源傳感器模塊的選定 方案1：采用兩個熱敏電阻作為核心的傳感器，實驗中發(fā)現(xiàn)在一定距離范 圍內，空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生任何變化。 方案2：采用兩個光敏電阻作為核心的傳感器，利用光敏電阻對不同距離 及不同強度的光照均有較好的光敏特性來將外界光信號轉換成電信號，提供給 單片機進行相關

18、判斷操作。實驗中我們發(fā)現(xiàn)這種方案有很大的缺點，抗干擾能 力極差，而且誤差偏大，不能準確測定火源位置。 方案3：采用紅外接收二極管，紅外接收二極管將外界紅外光的變化轉化 為電流的變化，通過 A/D轉換器將模擬信號反映為 01023 范圍內的數(shù)字信號。 外界紅外光越強，數(shù)值越小，根據(jù)數(shù)值的變化能判斷紅外光線的強弱,從而能 大致判別出火源的遠近。紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其它一些波長在 760納米1100納米范圍內的熱源，探測角度達60度，其中紅外光波長在940納 米附近時，其靈敏度達到最大。實驗中發(fā)現(xiàn)如果環(huán)境中紅外干擾比較少的時候 本方案能比較準確的檢測到火源。 鑒于以上3種方案的比較，我們

19、選擇方案3。 1.81.8 風扇模塊的選定風扇模塊的選定 利用一個不減速的直流小電機帶動一個小扇葉進行簡單的滅火。這種方案 有兩個子方案。 方案1：芯片控制 滅火風扇電機的轉速和轉向都不需要控制，只要在一 定范圍內轉的越開越好。因此采用這種方案有點麻煩，而且還會浪費時間和精 力。 方案2：三極管放大電路 直接利用三極管驅動。將電機放在三極管的射 極，然后在基極加上一個限流電阻即可驅動電機正常工作，這種方案不僅電路 簡單、易實現(xiàn)，會減少很多電路上不必要的麻煩，而且驅動效率也大大提高， 不僅如此其維修性也很強，出現(xiàn)故障能及時快速維修。同時為了保證電路穩(wěn)定 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 7

20、頁 共 30 頁 性，我們可以采用多個三極管并聯(lián)供電的方式。 綜合考慮，本設計采用了方案2。 1.91.9 電源模塊的選定電源模塊的選定 在本系統(tǒng)中，需要用到的電源有單片機的5V，L298N芯片的電源5V和電機 的電源7-25V。所以需要對電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。 方案1：采用UT-3W提供的電源方案為電機供電，采用UT-3W提供的電源接 口為單片機提供電源。優(yōu)點：簡單方便。 方案2：用六節(jié)干電池為整個系統(tǒng)供電，再轉換為電機和單片機需要的電 壓。 基于系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，我選擇了方案2。 1.101.10 最終方案最終方案 經過反復論證，我們最終確定了如下方案： 1車體是購買專用電動車。

21、2采用STC89C51單片機作為控制核心。 3采用六節(jié)干電池供電。 4用紅外探測傳感器作為尋跡傳感器。 5采用紅外接收管制作紅外火源傳感器。 6采用三極管放大電路驅動風扇模塊。 系統(tǒng)的結構框圖如圖1.3所示。 圖 1.3 系統(tǒng)結構框圖 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 8 頁 共 30 頁 第第 2 章章 硬硬 件件 設設 計計 2.12.1 系統(tǒng)工作原理及功能簡介系統(tǒng)工作原理及功能簡介 本系統(tǒng)利用單片機STC89C51單片機作為本系統(tǒng)的主控模塊，我們采用反射 式紅外傳感器識別黑線軌跡，用遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火源，由單片機對傳感 器識別到的信號加以分析和判斷，并通過對直流電機的控制來實現(xiàn)

22、自動尋跡并 滅火，系統(tǒng)工作原理框圖如圖2.1所示。 圖2.1 系統(tǒng)工作原理框圖 2.22.2 電電 源源 用六節(jié)干電池為整個系統(tǒng)供電。再用三端穩(wěn)壓管轉換為電機和單片機需要 的電壓。單片機需要5V的電壓，所以使用7805為其供電，電動機使用9V的電壓， 6個干電池串聯(lián)直接為其供電。 單片機和電動機能否正常工作，電源供電情況是一個重要方面。為了防止 電源掉電而影響電路調試和程序調試，故采用六節(jié)充電電池為整個系統(tǒng)供電。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 9 頁 共 30 頁 2.32.3 紅外尋跡傳感器紅外尋跡傳感器 該智能滅火小車在畫有黑線的路面上行駛，由于黑線和路面對光線的反射 系數(shù)不同，可

23、根據(jù)接收到反射紅外線的強弱來判斷“道路”黑線。在該模 塊中利用了簡單、應用也比較普遍的檢測方法紅外探測法。 紅外探測法：利用紅外線在不同顏色的物理表面具有不同的反射性質的特 點，在小車行駛過程中不斷地向地面發(fā)射紅外光，如果紅外光遇到地面時則發(fā) 生漫發(fā)射，反射光被裝在小車上的紅外接收管接收；如果遇到黑線則紅外光被 吸收，小車上的紅外接收管接收不到紅外信號。 傳感器的選擇：市場上用于紅外探測法的器件較多，可以利用反射式傳感 器外接簡單電路自制探頭，也可以使用結構簡單、工作性能可靠的集成式紅外 探頭。RPR220是一種一體化反射型光電探測器，其發(fā)射器是一個砷化鎵紅外發(fā) 光二極管，接收器是一個高靈敏度

24、硅平面光電三極管。RPR220價格便宜、體積 小、使用方便、性能可靠、用途廣泛，所以該系統(tǒng)中最終選擇了RPR220紅外反 射傳感器作為紅外光的發(fā)射和接收器件。 經過多次測試、比較，發(fā)現(xiàn)把RPR220傳感器安裝在距離檢測物表面68毫 米時，檢測效果最好，因為5毫米以下是它的檢測盲區(qū)，而大于10毫米則很容 易受另外的光電管的干擾。紅外尋跡傳感器原理圖如圖2.2所示。 圖2.2 紅外尋跡傳感器原理圖 圖中可調電阻R3可以調節(jié)比較器的門限電壓，可方便的調節(jié)傳感器的靈敏 度。用此電路作為傳感器檢測與調理電路。 路徑識別方案：小車脫離軌道時，根據(jù)紅外感應器的狀態(tài)，做出相應的轉 向的調整，直到中間的紅外感應

25、器重新檢測到黑線再恢復正向行駛?，F(xiàn)場實測 表明，雖然小車在尋跡過程中有一定的左右搖擺，但只要控制好行駛的速度就 可保證車身基本上接近于沿軌道行駛。 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 10 頁 共 30 頁 2.42.4 采用采用 PWMPWM 調速的直流電機調速的直流電機 2.4.1 PWM 的簡介 脈寬調制的全稱為：Pulse WidthModulator，簡稱PWM，由于它的特殊性 能，常被用于直流負載回路中、燈具調光或直流電動機調速。 脈沖寬度調制（PWM）是一種對模擬信號電平進行數(shù)字編碼的方法。通過 高分辨率計數(shù)器的使用，方波的占空比被調制用來對一個具體模擬信號的電平 進行編碼。

26、PWM信號仍然是數(shù)字的，因為在給定的任何時刻，滿幅值的直流供 電要么完全有(1)，要么完全無(0)。電壓或電流源是以一種通(1)或斷(0)的重 復脈沖序列被加到模擬負載上去的。通的時候即是直流供電被加到負載上的時 候，斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠，任何模擬值都可以使用 PWM進行編碼。 脈寬調制（PWM），控制方式就是采用脈沖寬度調制技術，其工作原理是： 通過改變“接通脈沖”的寬度，使直流電機電樞上的電壓的“占空比”改變， 從而改變電樞電壓的平均值，控制電機的轉速。因此，我們可以通過單片機， 生成固定頻率的脈沖信號，通過改變脈沖信號中的“占空比”來控制電機的轉 速。 PWM控制可

27、分為單極性調制和雙極性調制兩種方式，為了實現(xiàn)直流伺服系 統(tǒng)的H型單極模式同頻PWM可逆控制，一般需要產生四路驅動信號來實現(xiàn)電機的 正反轉切換控制。當PWM控制電路工作時，其中H橋一側的兩路驅動信號的占空 比相同但相位相反，同時隨控制信號改變并具有互鎖功能；而另一側上臂為低 電平，下臂為高電平。 2.4.2 H 型電機驅動 直流電機的驅動電路采用H型PWM電路，用單片機控制驅動電路，使之工作 在占空比可調的開關狀態(tài)，精確調整電動機轉速。H型電路可以實現(xiàn)轉速和方 向的控制，采用PWM進行直流電機調速，其實就是把波形作用于電機驅動電路 的使用端，因此下面對電機驅動電路進行介紹。驅動電路如圖2.3所示

28、。 圖2.3 電機驅動電路 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 11 頁 共 30 頁 圖2.3所示的是一個簡單的直流電機控制電路。電路中，H橋式電機驅動電 路包括4個三極管和一個電機。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對場效 應管。根據(jù)不同場效應管對的導通情況，電流可能會從左至右或從右至左流過 電機，從而控制電機的轉向。 如圖2.3所示，當P1.7口為低電平，P1.6口為高電平，此時Q1、Q4導通， Q2、Q3截止，電動機正常工作。改變P1.6口高電平周期，即改變PWM調制脈沖 占空比，可以實現(xiàn)精確調速。 2.4.3 小車原理圖 小車原理圖如圖2.4所示，電機通過L293F芯片控制轉動的方

29、向與速度。其 中，SPEED1和SPEED2兩個端口通過PWM調節(jié)控制兩個電機的轉速，IN1和IN2控 制左側電機轉動的方向，IN3和IN4控制右側電機轉動的方向。通過對這6個端 口的控制，使小車能夠按照預定的軌跡行進。 圖2.4 小車原理圖 2.52.5 紅外火焰?zhèn)鞲衅骷t外火焰?zhèn)鞲衅?遠紅外火焰?zhèn)鞲衅髂軌蛱綔y到波長在700納米1000納米范圍內的紅外光， 探測角度為60，其中紅外光波長在880納米附近時，其靈敏度達到最大。遠紅 外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉化為電流的變化，通過A/D轉換器反映 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 12 頁 共 30 頁 為0255范圍內數(shù)值的變化。外

30、界紅外光越強，數(shù)值越??；紅外光越弱，數(shù)值 越大。紅外火焰?zhèn)鞲衅髟韴D如圖2.5所示。 圖2.5 紅外火焰電路原理圖 下面為火焰?zhèn)鞲衅鲗崪y數(shù)據(jù)，一根蠟燭為火源，室內正常日光燈環(huán)境實測 結果如表2.1所示。 表2.1 火焰?zhèn)鞲衅鲗崪y結果 無火源時，對著日光燈0.35V-0.12V 10cm4.98V 20cm4.88V 30cm4.72V 40cm3.77V 50cm2.89V 60cm2.34V 70cm1.92V 80cm1.45V 90cm1.15V 100cm0.96V 紅外火焰探頭將外界紅外光的變化轉化為電流的變化，通過A/D轉換器反 映為 01023 范圍內的數(shù)值。外界紅外光越強，數(shù)值

31、越小。因此越靠近熱源， 機器人顯示讀數(shù)越小。根據(jù)函數(shù)返回值的變化能判斷紅外光線的強弱,從而能 大致判別出火源的遠近。此外，遠紅外火焰探頭探測角度為60。 2.62.6 風扇模塊風扇模塊 滅火風扇的驅動電壓為+5V，為了增強驅動能力，我們用三極管8550做驅 動電路以加大驅動電流。滅火風扇驅動電路如圖2.6所示。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 13 頁 共 30 頁 圖2.6 滅火風扇電路原理圖 在Uin處接單片機的IO口，通過IO口輸出高低電平來控制滅火風扇的啟動 和停止。 2.72.7 智能小車整體設計智能小車整體設計 2.7.1 CPU 引腳的設定 如圖所示，CPU的P1.0、P1

32、.1控制小車的左側電機，P1.4、P1.5控制小車 的右側電機；P3.1輸出PWM信號，控制小車電機的轉速；P2.4P2.7為火焰?zhèn)?感器輸入信號，分別為前、后、左、右側的火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?，P2.0P2.2為 循跡傳感器輸入信號。下面是各引腳在含義： 1. 循跡傳感器：左P2.2中P2.1右P2.0 2. 火焰?zhèn)鞲衅鳎呵癙2.4后P2.6左P2.5右P2.7 3. 電機控制： 左P1.0/P1.1右P1.4/P1.5 4. 風扇控制： P3.4 引腳設定圖如圖2.7所示。 圖2.7 引腳設定圖 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 14 頁 共 30 頁 電機轉動由電機控制端口P1控制，其中

33、，P1.0/P1.1控制左側電機轉動， P1.4/P1.5控制右側電機轉動，電機轉動表如表2.2所示。 表2.2 電機轉動表 左電機右電機 P0.1P0.0 含義 HEXP0.5P0.4 含義 HEX 000000 01 前轉 101 前轉 1 10 后轉 210 后轉 2 11 停止 311 停止 3 2.7.2整體設計 小車左右兩輪為驅動輪，后萬向輪為支撐輪。即左右輪分別用兩個轉速和 力矩基本完全相同的直流減速電機進行驅動，車體后部裝一個萬向輪。小車的 整體設計圖如圖2.8所示。 圖2.8 小車整體設計圖 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 15 頁 共 30 頁 小車由三個尋跡傳感器組

34、成尋跡模塊，用于檢測黑白線，當中間的尋跡傳 感器壓線時表示小車沒有偏航，左右輪轉速相同向前行進；當左邊的尋跡傳感 器壓線時表示小車向右偏航，這時要調節(jié)左輪的轉速，使小車向左轉；當右邊 的尋跡傳感器壓線時表示小車向左偏航，這時要調節(jié)右輪的轉速，使小車向右 轉。 火焰?zhèn)鞲衅饔?個，分別檢測前后左右方向上的火源，如果左邊的傳感器 檢測到火源，則小車向左轉向前進；如果右邊的傳感器檢測到火源，則小車向 右轉向前進，如果前邊的傳感器檢測到火源，則小車向前行進；如果后邊的傳 感器檢測到火源，則小車向后轉動180。 通過檢測兩套傳感器的信號，單片機根據(jù)程序輸出相應的反應信號，控制 兩個電動機的轉動，以使小車相

35、互協(xié)調工作，完成滅火的任務。 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 16 頁 共 30 頁 第第 3 章章 軟軟 件件 設設 計計 在進行微機控制系統(tǒng)設計時，我們根據(jù)單片機的具體情況使用Keil C51軟 件，采用主流設計語言C語言對單片機進行編程實現(xiàn)各項功能。C語言功能豐富， 表達能力強，目標程序效率高，可移植性好，既具有高級語言的優(yōu)點，又具有 低級語言的許多特點，應用十分廣泛。 3.13.1 智能滅火小車系統(tǒng)總體流程智能滅火小車系統(tǒng)總體流程 此部分是小車運行的核心部分，起著控制小車所有運行狀態(tài)的作用，具有 導向和決策的功能。程序控制流程圖如圖3.1所示。 圖3.1 控制流程圖 系統(tǒng)總體流

36、程是：小車進入驅動后，即先判斷是否有火源存在，一旦檢測 到有火源，著從出發(fā)點沿著黑白線前進接近火源。程序不停的判斷火源位置和 行進的線路，把相應的信號發(fā)送給電動機從而糾正小車的狀態(tài)，使小車按照規(guī) 定的線路尋找到火源，并將火滅掉。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 17 頁 共 30 頁 3.23.2 程序流程圖程序流程圖 1. 小車滅火的主程序軟件流程圖 如圖3.2所示，首先加點后對小車進行初始化，在這個階段讓小車檢測火 源，確定自己的位置，同時尋找線路。接著單片機判斷是否有火源，如果有火 源存在，啟動小車循跡模塊程序，讓小車前進，當小車找到火源時，停止前進， 這時開啟滅火風扇，進行滅火的

37、操作，這時再判斷是否將火滅掉，如果火已經 熄滅，則小車繼續(xù)尋找下一個火源，如果沒有熄滅則風扇繼續(xù)開啟。主程序流 程圖如圖3.2所示。 圖3.2 程序流程圖 2. 小車循跡模塊、火源模塊程序軟件流程圖 尋跡模塊程序首先采集尋跡傳感器傳回的信號，判斷當前小車所在的位置， 如果小車正好在線上，則小車繼續(xù)前進；如果小車左側壓線，說明小車偏左， 則小車右拐前進；如果小車右側壓線，說明小車偏右，則小車左拐前進；如果 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 18 頁 共 30 頁 小車沒有檢測到黑線，說明前面沒有路，則小車后轉180度，返回；如果小車 三個傳感器都檢測到黑線，說明小車走到十字路口，則再判斷火

38、焰?zhèn)鞲衅鞯男?號。 如果火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘栵@示火焰在小車的前方，則小車繼續(xù)前進；如果檢 測到火焰在小車的左方，則小車左轉90度，沿黑白線繼續(xù)前進；如果小車檢測 到火焰在小車的右方，則小車右轉90度，沿黑白線繼續(xù)前進；如果小車檢測到 火焰在小車的后方，則小車后轉180度，沿黑白線繼續(xù)前進。 尋跡模塊程序流程圖如圖3.3所示，火焰?zhèn)鞲衅髂K程序流程圖如圖3.4所 示。 圖3.3 尋跡模塊圖3.4 判斷火源位置模塊 3.33.3 部分功能代碼部分功能代碼 1小車轉向代碼 void run() /電機啟動 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 19 頁 共 30 頁 P1=0 x11; void lef

39、t()/左轉 P1=0 x13; void right()/右轉 P1=0 x31; void big_right()/右大轉 P1=0 x21; void big_left()/左大轉 P1=0 x12; void stop()/停止 P1=0 x33; void back()/后退 P1=0 x22; 2小車尋跡代碼 void track() unsigned char Num; timer_init(); PWM_ON = 4; /高電平時間檔,共10個檔位 while(1) Num = P2; Num = Num P0 = Num | 0 xf8; /指示燈 switch(Num) c

40、ase 0 x02:/前進 run(); STATE_LAST = Num; 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 20 頁 共 30 頁 case 0 x04: /左轉 left(); STATE_LAST = Num; case 0 x06: /左大轉 big_left(); STATE_LAST = Num; case 0 x01: /右轉 right(); STATE_LAST = Num; case 0 x03: /右大轉 big_right(); STATE_LAST = Num; case 0 x07: /停止 stop(); case 0 x00: /檢測不到黑線時查看上一個

41、狀態(tài)，并做出判斷 if(STATE_LAST = 0 x04 | STATE_LAST = 0 x06) /左輪后退 P1 = 0 x02; else if(STATE_LAST = 0 x01 | STATE_LAST = 0 x03) /右輪 后退 P1 = 0 x20; else if(STATE_LAST = 0 x00) left();/左轉尋線 else stop(); default: left(); 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 21 頁 共 30 頁 3PWM調速代碼 void tim(void) interrupt 1 static unsigned char co

42、unt; TH0 = (65536 - 100) / 256; TL0 = (65536 - 100) % 256; /定時0.1mS if (count = PWM_ON) PWM = 1; /高電平 count+; if(count = 10)/分為10個檔 count = 0; if(PWM_ON != 0) PWM = 0; /低電平 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 22 頁 共 30 頁 第第 4 4 章章 測測 試試 結結 果果 1測試儀器 貼有黑色引導線軌跡模擬滅火場地，點燃的蠟燭。 2測試方法 將小車放著場地上，打開小車的電源，讓小車自主發(fā)現(xiàn)火源(蠟燭)，并讓 小車自動

43、將火滅掉。 3測試數(shù)據(jù)及測試結果分析 測試顯示，在小車的直線運行過程中，小車會出現(xiàn)左右搖擺的現(xiàn)象，如下 所示。 （1）小車是初始角度的測試顯示，小車的初始角度偏移越小，小車在運 行中就越穩(wěn)定。 （2）通過用PWM調速，結果顯示，小車的車速減小時，小車的穩(wěn)定性提高。 （3）在小車檢測到偏移時有兩種方案調節(jié)小車的角度：方案1，偏離側車 輪停止，偏移側車輪前進；方案2，偏離側車輪后退，偏移側車輪前進。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 23 頁 共 30 頁 結結 束束 語語 歷經幾個月的畢業(yè)設計，從最初的資料查找、方案設計，經過最基本的電 路設計、調試過程，再到軟件設計、測試，我學習了單片機系

44、統(tǒng)設計的整個過 程。從傳感器信號的處理，到單片機接收并處理信號，再到輸出信號至外部系 統(tǒng)，通過該作品的設計制作，使我更好的了解了各類傳感器，掌握了光電三極 管的使用，并熟悉了單片機的中斷和定時器的控制，掌握了大功率驅動芯片 LM339的使用，程序中對各種任務的合理安排，使整體系統(tǒng)能夠更好的協(xié)同工 作，增強了自己的動手能力，更好的熟悉的了解了一個單片機系統(tǒng)的開發(fā)過程。 測試結果表明，本系統(tǒng)實現(xiàn)了設計任務要求，小車采集紅外尋跡傳感器信 號探測線路，采集火源傳感器信號探測火源，并根據(jù)單片機控制模塊的分析結 果決策和控制下一步的運動形式。該控制系統(tǒng)運用了單片機、紅外尋跡傳感器， 直流電機，PWM調速，

45、遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯燃夹g，基本實現(xiàn)了智能滅火小車的 要求。 但是本系統(tǒng)中還存在著不足：小車的直線行進的穩(wěn)定性未得到很好的解決， 通過測試小車在直線行走時與小車的初始角度、小車的速度、小車的轉彎，我 認為小車的穩(wěn)定性可能還與紅外探測器之間的間距、黑帶寬度的比值、小車的 慣性等有關。 學習的過程中雖然遇到很多困難，但經過努力克服了困難解決了問題，最 終完成了設計。 通過這次課程設計，使我深刻地認識到學好專業(yè)知識的重要性，也理解了 理論聯(lián)系實際的含義，同時也是對大學四年的學習成果的一個綜合檢驗。這幾 個月的設計是對過去所學知識的系統(tǒng)提高和擴充的過程，為今后的發(fā)展打下了 良好的基礎。 運城學院計算機科學

46、與技術系畢業(yè)論文 第 24 頁 共 30 頁 致致 謝謝 歷時三個月的畢業(yè)設計已經告一段落。經過自己不斷的努力以及趙老師的 耐心指導和熱情幫助，本設計已經基本完成。在這段時間里，趙老師嚴謹?shù)闹?學態(tài)度和熱忱的工作作風令我十分欽佩，他的指導使我對整個畢業(yè)設計的思路 有了總體的把握，并耐心的幫我解決了許多實際問題，使我有了很大收獲，本 論文也是在趙老師的指導下修改完成的。在此，我要對他表示由衷的感謝，同 時也感謝在整個畢業(yè)設計中所有幫助過我的人。 通過這次畢業(yè)設計，我深刻地認識到了學好專業(yè)知識的重要性，也理解了 理論聯(lián)系實際的含義，并且檢驗了大學四年的學習成果。這三個月的設計是對 過去所學知識的系

47、統(tǒng)提高和擴充過程，為今后的發(fā)展打下了良好的基礎。雖然 在這次設計中對于知識的運用和銜接還不夠熟練，但是我將在以后的工作和學 習中繼續(xù)努力、不斷完善。 由于自身水平有限，設計中一定存在很多不足之處，敬請各位老師批評指 正。 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 25 頁 共 30 頁 參參 考考 文文 獻獻 1胡健主編.單片機原理及接口技術實踐教程M.北京:機械工業(yè)出版社, 2004 2吳建平.殷戰(zhàn)國.曹思榕.李坤垣 紅外反射式傳感器在自主式尋跡小車 導航中的應用 J 中國測試技術2004(6) 3童詩白,華成英 主編.模擬電子技術基礎(第4版) 高等教育出版社 4萬永倫，丁杰雄.一種機器人尋線

48、控制系統(tǒng).電子科技大學學報，2003 5周堅 等編著. 單片機應用與接口技術 機械工業(yè)出版社 6楊明.基于光電管尋跡的智能車舵機控制 J 光電技術應用2007(1) 7范立南,謝子殿主編.單片機原理及應用教程M.北京:北京大學出版社, 2006 8黃惠媛,李潤國主編.單片機原理與接口技術M.北京:海洋出版社, 2006 9鄧岳,周輝,談英姿.基于MC9S12DG128單片機智能車設計與實現(xiàn) J - 實驗室研究與探索2008(1) 10肖海榮.張吉衛(wèi).基于89C52單片機的智能電動車電控系統(tǒng)設計 J - 山東交通學院學報2004(1) 11B.D. Theelen a,*, A.C. Versc

49、hueren b, V.V. Reyes Su_arez c, M.P.J. Stevens a, A. Nunez. A scalable single-chip multi-processor architecture with on-chip RTOS kernel. J. 2003: 22-30 12Jayanta Mukherjee a,*, Manfred K. Lang b, S.K. Mitra. Demosaicing of images obtained from single-chip imaging sensors in YUV color space. J. 2005

50、:13-18 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 26 頁 共 30 頁 附附 錄錄 以下是小車的完整源代碼 /*- 名稱：循跡小車 作者：宋世杰 日期：2011.05 晶振：12m 內容：光電二極管檢測黑線，遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火源，通過STC89C51單片機控 制電機的轉速改變方向，并控制風扇滅火。 說明：光電檢測元件:5通道灰度檢測傳感器 單片機:STC89C51 小車:UT-CAR-3W-01 電機驅動元件:L293D P1口控制電機轉動 P2口檢測路線、火源 P3.1口 PWM調速 P3.3口 風扇開關 -*/ #include unsigned char PWM_ON ;/定義

51、高電平時間 unsigned char STATE_LAST; /最后的狀態(tài) unsigned char FIRE; /火源的位置 1,2,3,4 分別代表前,左,后,右 sbit PWM = P3 1; /定義調速端口 sbit sign_outfire = P3 3; /定義風扇開關,1為關,0為開 /*void delay_1ms(unsigned int n) /軟延時1ms函數(shù) 1ms*n unsigned int i; while(n-) for(i=0;i 500) big_left(); find_line(); return 0; /break; if (Fire_P2 =

52、0 x10 | 0 x20 | 0 x40 | 0 x80) stop(); return 1; /break; Count + ; /滅火函數(shù) outfire(unsigned char Fire_sign) stop(); if (Fire_sign = 0 x20 ) /如果火源在車的左側,小車左轉,直到前部檢測到火 焰 big_left(); while(1) if (P2 4 = 1)/如果前部檢測到火焰小車停止轉動,并開啟風扇 stop(); sign_outfire = 0; /給出滅火信號 break; else if(Fire_sign=0 x80)/如果火源在車的右側小車右

53、轉,直到前部檢測到火焰 big_right(); while(1) if (P2 4 = 1)/如果前部檢測到火焰小車停止轉動,并開啟風扇 stop(); 運城學院計算機科學與技術系畢業(yè)論文 第 30 頁 共 30 頁 sign_outfire = 0; /給出滅火信號 break; /* 檢測完火源方位后前進的函數(shù),邊前進,邊檢測左右是否有火源 /*/ void go_line() unsigned char Line_P2, Fire_P2, Temp; while(1) Temp = P2; Line_P2 = Temp Fire_P2 = Temp P0 = Temp | 0 xf8;

54、 /指示燈 if (Fire_P2 = 0 x20 | 0 x80) /如果左和右側檢測到火焰則停止 stop(); outfire(Fire_P2); break; else go_forward(Line_P2); /定時器初始化函數(shù) void timer_init() TMOD |= 0 x01; /定時器設置 0.1ms in 12M crystal TH0 = (65536 - 100) / 256; TL0 = (65536 - 100) % 256; /定時0.1mS IE = 0 x82; /打開中斷 TR0 = 1; /主函數(shù) void main() timer_init()

55、; /定時器初始化 PWM_ON = 4; /高電平時間檔,共10個檔位 智能小車引導控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn) 第 31 頁 共 30 頁 while(1) if (find_fire() != 1)/先尋找火源,如發(fā)現(xiàn)火源則沿線前進滅火,否則停 止 stop(); else go_line(); /*/ /* 定時器中斷函數(shù) */ /*/ void tim(void) interrupt 1 static unsigned char count; TH0 = (65536 - 100) / 256; TL0 = (65536 - 100) % 256; /定時0.1mS if (count = PWM_ON) PWM = 1; /高電平 count+; if(count = 10) count = 0; if(PWM_ON != 0) PWM = 0; /低電平