智能救援车副本.docx
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智能救援车副本
2008年山东省大学生
电子设计竞赛
G题智能救援车
设计者：
李建克盛况杨国龙
参赛学校：
哈尔滨工业大学（威海）
指导教师：
蔡春伟
参赛队伍编号：
G甲3811
目录
摘要…………………………………………………………………………………3
关键词………………………………………………………………………………3
1.系统总体方案的设计确定………………………………………………………4
1.1设计题目…………………………………………………………………4
1.1.1任务………………………………………………………………………5
1.1.2要求……………………………………………………………………5
1.2模块方案比较与论证………………………………………………………5
1.2.1控制器的选择…………………………………………………………6
1.2.2电机的选择……………………………………………………………6
1.2.3电机驱动控制的选择…………………………………………………7
1.2.4继电器驱动模块的选择………………………………………………10
2.系统硬件设计…………………………………………………………………11
2.1电源部分……………………………………………………………………11
2.2红外避障电路………………………………………………………………11
2.3红外寻迹电路………………………………………………………………12
2.4金属探测电路………………………………………………………………13
2.5显示电路……………………………………………………………………13
2.6声光报警电路………………………………………………………………14
3系统软件实现……………………………………………………………………14
3.1主程序流程图………………………………………………………………14
4系统功能测试……………………………………………………………………16
4.1测试仪器与设备……………………………………………………………16
4.2功能测试……………………………………………………………………16
4.2.1避障功能测试…………………………………………………………16
4.2.2寻迹并检测贴片功能测试……………………………………………16
5结论………………………………………………………………………………17
6参考文献…………………………………………………………………………17
摘要：
本智能救援小车是经玩具车的改装，使用89C52单片机作为控制核心，加以避障、寻迹、电机驱动、声光报警、电磁铁驱动等模块组成。
系统由AT89C52通过IO口控制小车的前进后退以及转向。
避障使用红外驱动电路，探测距离为15cm，寻迹由光电对管完成，金属接近开关用来检测铁片，同时小车具有声光报警和LCD显示功能。
关键词：
AT89C52智能电动车直流电机光电传感器金属接近开关红外避障PWM调速
Abstract:
TheSmartrescuecarismodifiedfromatoycar，withAT89C52MCUasitscore,includingtheModulesofavoidingobstacles,lookingfortracks,motor-drivingandsoundlightalarm,magnetdriving.ThiscariscontrolledbyAT89C52togoforwardbackwardorturn.ObstacleavoidancemoduleuseDCinfraredmodulationtodrivecircuit,withadetectiondistanceof15cmtrackfindingreliesoninfrared.Metalsensorisusedforfindingmetalplates.Thecaralsohasthefunctionofsound-light-alarmandLCDdisplay.
Keywords:
AT89C52SmartrescuecarDCMotorPhotoelectricsensorInfraredobstacleavoidanceMetalsensorPWMspeedregulation
1.系统总体方案的设计确定
1.1设计题目
1.1.1任务
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）。
D
0.5米
C
墙壁
B
24厘米
0.375米
30厘米50厘米
E
30厘米
1.5米
0.375米
30厘米
24厘米
0.375米A
1.5米
图示
1.1.2要求
1基本要求
（1）要求智能小车从A门进入并开始自动计时，从B门出来，在行进过程中，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B门；
（2）到达B门，停5秒，小车自动计时并数字显示AB段所用的时间，并声光报警；
2发挥部分：
（1）自B门外，循弧形引导轨迹BC前进（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BC前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BD、DC段所用的时间。
铁片为直径2厘米的圆形薄片。
1.2模块方案比较与论证
根据题目要求，本系统主要有单片机控制器模块、红外避障模块、寻迹模块、金属探测器、电磁继电器、液晶显示电路模块、直流电机及其驱动模块、电源模块、声光报警等主要部分构成。
系统总体结构设计及说明如下图：
系统方框图
在AB段时，通过避障模块检测障碍物，并把信号传送给单片机，单片机控制小车避开障碍物，走出建筑物，液晶显示模块实时显示所用时间，单片机控制停车并开始倒计时。
小车驶出B门后开始寻迹功能，寻迹模块把检测到的导轨信号传送给单片机，单片机根据接收的导轨信号改变小车行驶方向，使小车准确沿引导轨迹前进。
小车前进过程中，当金属传感器检测到铁片D，单片机控制停车开始倒计时并且启动声光模块作用。
进而单片机发出指令，使电磁继电器上电吸起铁片，继续沿引导轨迹前进，到达C点，显示BD、DC段所用时间同时声光报警，救援结束。
为较好的实现各模块的功能和彼此之间的配合衔接，我们对智能救援车的各个部分做了几种方案并分别进行设计论证如下：
1.2.1控制器的选择
方案一：
采用美国ATMEL公司生产的低电压，高性能的AT89C52单片机。
片内含8kbytes的可反复檫除的只读存储器（PEROM）可以反复擦除100次，和256bytes的随机存取数据存储器（RAM），片内置通用8位CPU和Flash存储单元，32个I/O口线，3个位定时器计数器，一个向量两级中断结构，片内振荡器及时钟电路。
适用于许多较为复杂的控制应用场合。
最重要的是该系列的单片机在实际工业生产和控制中应用十分广泛。
熟练使用该系列的单片机可以更加贴近实际，增加学生理论联系实际的能力，对学生来说是大有裨益的。
方案二：
采用凌阳单片机SPCE061A精简开发板。
它具有在线调试功能。
集成开发环境，不需外界任何仿真、调试器即可以完成在线编程、仿真、调试功能。
它具有64Kbyte的16bitFlash和4KByte的16bitSRAM、32位I/O口、8路10位ADC和2路10位DAC,以及麦克风（1路MIC音频输入）、喇叭接口（开发板配备喇叭）。
特别适合于设计和开发。
我们综合比较了以上两种方案，认为凌阳单片机的SPCE061A精简开发板虽然功能十分强大特别适合于搞电子设计，但价格偏贵，且实际生产应用较少。
AT89C52单片机价格便宜，最小板系统也十分容易做出来，使用更加方便。
综合比较，我们最终选用方案一。
1.2.2电机的选择
对于小车的控制来说，电机的选择显得十分重要。
按照题目的要求我们综合考虑了以下几种方案：
方案一：
采用步进电机作为驱动电机。
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。
但是步进电机的输出力矩比较低，并且随着转速的升高而下降，因此车身上所带的元器件重量就有严格的限制，加之其控制比较复杂，经综合比较考虑，我们放弃了此方案。
方案二：
采用12V的直流减速电机。
直流减速电机转动力矩比较大，体积小，重量轻，装配简单，使用很方便。
由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，产生大扭力。
但是在使用过程中我们发现，电机的驱动电压12V对小车来说太高，只能用直流稳压源驱动，普通干电池很难驱动。
因此我们放弃了此方案。
方案三：
采用6V的直流减速电机。
6V的直流减速电机，通过齿轮减速，产生大力矩带动车轮。
改变电机绕组两端的电压方向就可以改变电机的转向，控制容易方便。
且由于供电电压较小，可以用普通干电池驱动，实际使用的效果很好。
经过比较，我们选用了方案三。
1.2.3电机驱动控制的选择
我们使用的小车的机械驱动方式为：
左右两个电机依靠齿轮分别带动车体两边的车轮转动。
车轮无法转向，但电机可以正反转，以实现小车的前进和后退。
当需要左转时，左电机反向带动左边车轮向后转，右电机正转带动右边车轮向前转，这样小车就可以实现左拐控制，通过PWM方法调节两个电机转速，可以很好的实现小车拐弯的幅度，包括坐标不变的90度和180度转弯。
同理，当需要右转时，右电机反向带动右边车轮向后转，左电机正转带动左边车轮向前转，同样通过PWM调速轻松实现对应的右拐控制。
根据小车的机械驱动方式，我们提出的电机控制方案如下：
方案一：
利用分立元件构成电机驱动电路。
如下图所示：
9012是PNP型三极管，最大工作电流可达到500mA，最大耐压为50V，放
大倍数超过150倍，作为电流放大器件可满足工作。
8050要求最大集存器电流为0.5A，直流电增益:
10to60，功耗:
625mW。
工作原理为：
当单片机89C52控制口P2.0输出高电平时，9012截止，CS8050截止，电机停止运转；当单片机89C52控制口P2.0输出低电平时，9012导通，2SC8050导通，
图2电机开始运转。
该电路的结构比较简单，输出功率足够大，足以推动电机工作，并且电机工作时三极管性能非常稳定。
但该方案中电机电枢电压方向无法改变，不能实现电机反转。
而且单片机输出信号部分和电机供电部分没有完全隔离，电机在断电时会产生巨大的反电动势，经常导致单片机死机或烧坏。
方案二：
利用L298N构成电机驱动电路。
L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路，是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
其引脚排列如下图所示。
OUT1、OUT2和OUT3、ＯUT4之间分别接2个电动机。
IN1、IN2、IN3、IN4引脚从单片机接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。
L298的逻辑功能表如下所示：
电机转动状态编码：
左电机
右电机
左电机
右电机
电动车运行状态
IN1
IN2
IN3
IN4
1
0
1
0
正转
正转
前行
1
0
0
1
正转
反转
左转
1
0
1
1
正转
停
以左电机为中心原地左转
0
1
1
0
反转
正转
右转
1
1
1
0
停
正转
以右电机为中心原地右转
0
1
0
1
反转
反转
后退
对于电机的调速，我们采用PWM调速的方法。
其原理就是开关管在一个周期内的导通时间为t，周期为T，则电机两端的平均电压U=Vcc*（t/T）=αVcc。
其中，α=t/T（占空比）,Vcc是电源电压。
电机的转速与电机两端的电压成比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大,电机转得越快。
在硬件电路的连接上，我们将单片机的P2.0~P2.3口分别连接到298的IN1~IN4上，通过改变P2.0~P2.3口上的高低电平变化以控制小车的前进方向，通过改变P2.0~P2.3口上的高低电平的占空比以控制电机的转速。
PWM配合桥式驱动电路L298N，实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。
因此我们选用方案二。
另外我们特别在直流电机的电枢两端并联一个磁片电容104，以稳定电机的电压不致对单片机造成干扰。
实际的使用效果也不错，省掉了通过光耦隔离TPL521实现单片机输出信号与电机驱动信号隔离的环节，节约了成本。
1.2.4继电器驱动模块的选择
为了完成拾起铁片的功能，我们采用电磁铁还吸起铁片。
电磁铁通过继电器改装来获得。
电磁式继电器常见的工作电压有+6、+12V及+24V，限于小车所带电源，所以我们选用+6V的电磁式继电器。
且试验中可以轻松吸住铁片，效果良好。
方案一：
单片机引脚输出高电平使三级管9013导通，继电器吸合工作，以吸起铁片。
（9013的最大工作电流可达到500mA，最大耐压为50V，放大倍数超过150倍，可满足工作要求。
）上拉电阻的作用是通过增大基极电流，以增加驱动电磁铁的电流。
这种方案电路设计非常简单，但是它的缺点也是明显的：
1.电磁铁断电瞬间会产生很高的反电动势，击穿驱动电磁铁工作的晶体管，并干扰其他电路的正常工作。
2.无法直观显示出电磁铁的吸合释放状态。
3.单片机的输出信号与驱动信号缺乏必要的隔离，电磁铁上电时三极管基极电流过大，容易导致单片机死机。
基于以上缺点我们改进方案如下：
方案二：
1.我们在电磁铁两端并联一个分流二极管来减少断电后产生的反向电压峰值，起续流作用。
2.将发光二极管通过电阻与电磁铁并联使用，以指示电磁铁的带电情况。
3.使用光耦合器件TLP521。
它的光接受端是光敏三极管，输入端流经发光二极管的电流为10~15mA，输出端光敏三极管可提供约20mA的驱动电流。
当输入为低电平时，输入端的发光二极管不发光，输出光敏三极管截止，输出为低电平，
9013无法导通。
反之，输入为高电平时，输入端的发光二极管发光，输出光敏三极管导通，输出为高电平，9013导通使电磁铁上电闭合。
这种方式输出电平由VCC决定，易于实现电平的转换；输入/输出端高度绝缘，抗干扰能力强。
2.系统硬件设计
2.1电源部分
系统电源的设计在系统设计中显得十分重要，它对单片机系统是否正常工作起着至关重要的作用。
由于电机驱动和继电器需要6V电压供电，而单片机和其他模块需要5V电压供电，所以我们采用四节干电池串联产生6V电压供给直流电机和电磁继电器。
选择7805稳压管将直流6V电压转成5V输出，供给单片机和金属接近开关、显示电路、避障和寻迹等模块使用。
7805直流稳压电路图：
2.2红外避障电路
LM567及其外围芯片构成音频检频器，其检频频率f0由R4、C5决定。
其中f0为检频频率，当R4=10k，C5=222时，f0=41kHz。
这一震荡信号经V3扩流后驱动发光管，这样处理后可以保证发光频率与检频频率严格一致使LM567的输出仅与光强有关。
为进一步探测距离，我们还设立了一级交流放大器，其增益约为240倍，虽然这大的放大倍数放大器的线性和稳定性会较差，但对于频率检测不会有太大影响。
避障电路的输出为TTL电平，探测距离为10cm，当探测到有障碍物时，输出为低，并把这个信号给单片机，由单片机根据检测到的信号控制小车的方向。
2.3红外寻迹电路
当小车驶出B门后，进入BC段有引导轨迹的区域，这时候寻迹模块起引导作用。
我们使用红外对管电路（见图中方框）,来检测引导轨迹。
当寻迹到有黑线时通过比较器LM339向单片机输出一个低电平。
反之，向单片机输出高电平。
我们在小车前方装有六个红外对管，每个红外对管的电路如图所示。
这样单片机根据接收到的信号控制小车的前进方向。
2.4金属探测电路
金属探测模块主要用于行驶轨迹中金属片的探测。
考虑到金属一般都是导体，根据电磁场理论可知，在受到变化的电磁场作用的任何导体，都会产生电涡流。
因此，在本系统中采用电感式接近开关实现对金属片的检测。
电感式接近开关由LC高频振荡器和放大处理电路组成,金属物体接近传感器的振荡感应头时,物体内部产生电涡流,当电涡流作用于接近开关时,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,进而控制开关的通和断，并以电信号脉冲的形式送入单片机。
电感式接开关内部工作原理图如图。
为了能让小车在沿引导轨迹前进工程中能检测到路线上的铁片，我们使用金属接近开关LJ12A3（NPN型、常闭），其工作电压U：
6~36VDC，电流I：
200mA。
其接线为：
棕线接电源正端，蓝线接电源地端，黑线为信号输出端接入单片机的引脚，同时黑线接一个上拉电阻接到电源正。
当接近开关探测到金属时，输出端输出高电平，单片机检测该信号并发出指令，停车并声光报警、驱动电磁铁上电捡起铁片。
2.5显示电路
我们选用128×64点阵的汉字图形型液晶显示模块，它可显示汉字及图形，内置8192个中文汉字（16×16点阵）、128个字符（8×16点阵）及64256点阵显示RAM（GDRAM）。
可与CPU直接接口，工作电压为5V，提供两种界面来连接
微处理机：
8-位并行及串行两种连接方式。
我们采用串行连接方式。
电路连接方式如下：
2.6声光报警电路
本部分较为简单，声音部分使用蜂鸣器，发光部分使用LED管。
均由单片机的引脚输出TTL电平驱动。
3系统软件实现
3.1主程序流程图
我们所设计的软件的主程序流程图如图23所示
基于这种算法，小车工作性能良好且行驶稳定。
经试验，小车可以很好的完成题目的要求。
4系统功能测试
4.1测试仪器与设备
表1测试仪器设备清单
仪器名称
型号
用途
数量
PC机
联想启天
调试及下载程序
1
数字万用表
MASTECHmy－65
测量各电路工作情况
1
秒表
记录时间
1
编程器
WellonVP-480
烧录程序
1
4.2功能测试
4.2.1避障功能测试
当红外模块探测到有障碍物时状态为0，无障碍物时为1。
在小车的车头位置装有三个红外检测模块，分别朝向左，前，右三个方向。
测试时小车从A门进入障碍物区域，并开始计时。
红外模块状态为010，检测到两边有障碍物，小车前进；当到第一个转弯处时状态为001，小车右转通过第一个拐弯。
之后进入第二个直道，红外模块状态再次变为010，小车继续前进。
当小车到达第二个拐弯处时，红外状态变为100，小车左拐通过第二个弯道，进入第三个直道。
小车继续前进，当红外模块状态变为011时，即到达第四个直道的入口处，此时小车右拐进入直道四。
红外模块变为101时，小车左拐。
障碍区的出口与第一个拐弯处状态相同，小车顺利从B门驶出，完成壁障功能，并显示所用时间。
实际测试时，完成时间为30秒左右。
4.2.2寻迹并检测贴片功能测试
当小车从B门出来后需要完成寻迹并检测拾起贴片的要求。
针对这个问题，我们在小车的车头下面横向安装了六支光电对管，来检测导轨即黑带的位置。
邻近对管距离相等，横向探测范围为10cm，光电对管在白色底板上输出为5V，在黑带部分输出约为0V。
当左侧一对光电对管任何一个感应到黑带的时候，把信号传送给单片机，单片机驱动电机控制小车左拐，然后返回继续检测，直到中间的光电对管感应到黑带时，小车停止左拐，改为前进。
同理，小车根据中间和右面光电对管的状态前进和右拐，完成寻迹功能。
测试时，智能小车能够依据光电对管的信号进行逻辑判断然后控制电机使小车稳定的沿着引导轨迹行驶。
在车头下方光电对管后面，还顺序装有金属接近开关和电磁铁，用来检测途中的铁片，其信号线分别连接到单片机的两个I/O口。
当小车行驶到铁片上方时金属接近开关信号输出由低电平跳变为高电平传输给单片机，小车停车。
单片机输出信号经电磁铁驱动电路使电磁铁上电，吸起铁片并进行声光报警。
3s后小车再次启动寻迹功能，到达终点。
当所有光电对管都感应不到黑带时，小车停车。
单片机关闭继电器，放下铁片，显示两段时间并声光报警，完成任务。
实际测试时由于铁片摆放位置不定，BD和DC段的时间不确定。
单从B到C的时间约为25秒。
5结论
系统设计中采用ATMEL公司的89C52单片机和红外对关、避障电路、接近开关等，实现相应信号的检测与小车的控制，系统结构简单、稳定、具有较高的控制精度、抗干扰能力强，经实地测试表明，小车能够较好的完成题目要求的基本要求和发挥部分。
但由于时间和硬件资源的限制,个别指标还有待完善。
6参考文献
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