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1、学 士 学 位 论 文智能小车引导控制系统的设计与实现系 别： 计算机科学与技术 学科专业： 计算机科学与技术 姓 名： 2011年 06月智能小车引导控制系统的设计与实现摘要：面对诸多恶劣的工作环境(如灭火、救援等)，为了有效的避免人员伤亡，就需要采用智能小车去现场来完成相应的任务。因此研究和开发智能小车引导控制系统具有十分重要的意义。本系统采用STC89C51单片机作为核心控制芯片，设计制作了一款通过红外光电传感器检测路径信息、红外火焰传感器检测火源的智能寻迹灭火小车。本系统由单片机控制模块、寻迹传感器模块、驱动电机模块、火源传感器模块、风扇模块、电源模块等组成。实际应用表明，该小车可以在
2、专门设计的场地上实现自主发现火源，自主识别路线，自主行进接近火源并灭火，最终完成灭火的任务。关键词：单片机 小车 引导控制 传感器Smart cars guide control system design and implementationAbstract: 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 t
3、o complete relevant tasks. Therefore, the research and development of intelligent car guide control system has the extremely vital 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
4、intelligent tracing test fire extinguishing car. The system is composed of single-chip microcomputer control module, tracing sensor 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 fie
5、ld on fire, to realize the independent found autonomous recognition route, independent sources and marching close to the fire extinguishing, finally complete task.Keywords:Microcontroller Car Control system Sensors目 录引 言1第1章 方案设计与论证21.1 任务要求21.1.1 设计任务21.1.2 设计要求21.1.3 创新设计31.2 总体设计方案31.3 小车的方案设计与论证
6、31.4 驱动电机模块的选定41.5 寻迹传感器模块的选定41.6 单片机控制模块的选定51.7 火源传感器模块的选定51.8 风扇模块的选定51.9 电源模块的选定61.10 最终方案6第2章 硬 件 设 计72.1 系统工作原理及功能简介72.2 电 源72.3 红外寻迹传感器82.4 采用PWM调速的直流电机92.4.1 PWM的简介92.4.2 H型电机驱动92.4.3 小车原理图102.5 红外火焰传感器102.6 风扇模块112.7 智能小车整体设计122.7.1 CPU引脚的设定122.7.2 整体设计13第3章 软 件 设 计153.1 智能灭火小车系统总体流程153.2 程序
7、流程图163.3 部分功能代码17第4章 测 试 结 果21结 束 语22致 谢23参 考 文 献24附 录25第 1 页智能小车引导控制系统的设计与实现引 言现在，随着科技的快速发展，国内外对小型智能系统的应用越来越广泛，种类也越来越多。本题目就是结合有关科研项目而确定的设计类课题，所设计的智能寻迹灭火小车应能够实现自动发现火源、自动寻迹、自动前进接近火源并完成灭火任务的功能。根据题目的要求，智能寻迹灭火小车控制系统采用一片STC89C51单片机作为本控制系统的主控芯片，硬件包括以下几个模块：驱动电机模块、寻迹传感器模块、单片机控制模块、火源传感器模块、风扇模块、电源模块。本设计采用了STC
8、89C51单片机为智能小车核心控制部分，通过查询方式实现对小车的智能控制。小车由主控制板、传感系统、风扇系统和车身四部分组成。主控制系统由主控CPU电路、传感器接口电路、直流电机驱动电路等组成；传感系统采用红外传感器检测黑白线，火源传感器检测火源；行进直流电机驱动采用PWM调制技术，可灵活方便地对车速、行进方向进行控制。本设计通过采用STC89C51单片机为控制核心，实现对小车的智能控制。该控制系统不仅在智能小车中有很强的实用价值，在汽车应用、智能机器人等方面都有很强的实用价值，尤其是在机器人研究方面具有很好的发展前景。所以本设计与实际相联系，具有重要的现实意义。第1章 方案设计与论证1.1
9、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，模拟灭火比赛场地如图1.1所示。图1.1 模拟灭火比赛场地示意图1.1.2 设计要求1. 智能灭火小车手动启动后，自动寻找到火源的位置。2. 智能灭火小车必须按照固定的路线行进（黑白线）。3. 扑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。1.1.3 创新设计1. 小车车体结构好，完全自主设计，小车采用两层结构，分放不同模块的元件，调试过程和修改过程相对简单。2根据小车需要和实际情况，自行设计传感器，不仅花费较少，而且使用效果好。3自制灭
10、火风扇，并采用三极管放大电路供电，最大限度的加大电机转速。4使用以7805芯片为核心的稳压设计，以L298为核心的电机驱动设计，保证系统的稳定性。5原地检测软件设计思路：先原地旋转360，找出光敏电阻电路输出电压的最小值并保存数据，然后再旋转360找出最小最小值的位置，然后停下。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、单片机控制模块、火源传感器模块、风扇模块、电源模块六个模块。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
11、案框图如图1.2所示。 图1.2 系统设计方案框图1.3 小车的方案设计与论证方案1：自己制作电动车 自己制作车体，组装合适的电机及电机驱动板，自制探测器，并利用开发板做控制驱动小车。但自己制作的小车，车体会比较粗糙，车身重量、平衡，小车的电路设计，这些都比较难良好地实现。方案2：购买专用电动车 购买专用电动车具有组装完整的车架车轮，甚至有完整的电机装配和电机驱动板。用自制探测器或购买完整探测模块，并用开发板控制小车运动。这种专用电动车装配紧凑，各种所需电路的安装十分方便，看起来也比较美观。而且，用专用电动车具有完整的电机装配和电机驱动，这用就省去了对电机传动和电机驱动的设计和实现。综合考虑，
12、我们选定了方案2作为我们的初步方案。1.4 驱动电机模块的选定方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机 利用步进电机的准确定长步进性能方便的实现调速和方向的偏转，且能准确的测量速度、路程以及时间，简化编程和硬件连接的工作量。但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的系统。方案2：采用直流电机作为该系统的驱动电机 直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来，电压越高则电机转速越高。而且改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的行进状态。对于直流电机的速度调高，可以采用改变电压的方
13、法，也可采用PWM调速方法。PWM调速就是使加在直流电机两端的电压为方波形式，通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节。与其它调速系统相比，PWM调速系统有下列优点：1. PWM从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。2. 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点3由于电力电子器件只工作在开关状态，主电路损耗较小，装置效率较高。4主电路简单，所用功率元件少。5低速性能好，稳定精度高，调速范围宽。综合考虑，本设计采用了方案2。1.5 寻迹传感器模块的选定方案1：采用发光二极管+光敏电阻，该方案缺点明显：易受冻外界光源的干扰，有时甚至检测不到黑线，主要是因为可见光的
14、反射效果跟地表的平坦程度，地表材料的反射情况对检测效果产生直接影响。而且外界的可见光对设备的影响很大，而且不容易克服外界可见光的干扰。方案2：采用红外光电对管，由于只需分辨黑白，红外光电对管有一个管发射红外线一个用于接收红外线，当红外线照射到黑线上时不会发射回来，当红外线照射到白色的地方就会返回，光电对管发射的同时也能接收红外信号，整个检测设备简单，稳定性高，速度快。缺点是检测距离短，优点是成本低，易于操作。根据以上分析我们采用方案2。1.6 单片机控制模块的选定考虑到整个系统的简单、方便性，控制模块采用STC89C51作为主控制芯片，该芯片有足够的存储空间，可以方便的在线ISP下载程序，能够
15、满足该系统软件的需要，该芯片提供了两个计数器中断，对于本作品系统已经足够，采用该芯片可以比较灵活的选择各个模块控制芯片，能够准确的计算出时间，有很好的实时性。而且STC89C51有很强的扩展性，使用简单，灵活性高且价廉。所有我们直接采用STC89C51作为主控芯片。1.7 火源传感器模块的选定方案1：采用两个热敏电阻作为核心的传感器，实验中发现在一定距离范围内，空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生任何变化。方案2：采用两个光敏电阻作为核心的传感器，利用光敏电阻对不同距离及不同强度的光照均有较好的光敏特性来将外界光信号转换成电信号，提供给单片机进行相关判断操作。实验中我们发现这种方案有很大的缺点，抗干扰能力极差，而且误差偏大，不能准确测定火源位置。方案3：采用红外接收二极管，红外接收二极管将外界红外光的变化转化为电流的变化，通过 A/D转换器将模拟信号反映为 01023 范围内的数字信号。外界红外光越强，数值越小
