基于单片机的智能灭火小车设计与实现机械制造专业.doc

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 Speech Control Robot based on STM32 Abstract：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 device, 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 transmitted 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 through 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 2 1 方案设计 4 1.1 方案论证 4 1.1.1 控制器的选择与论证 4 1.1.2 电机驱动芯片的选择与论证 4 1.1.3 显示器件的选择与论证 5 1.1.4 路况检测模块 5 2 系统硬件电路与实现 5 2.1 红外遥控及解码模块 5 2.2 红外遥控模块及解码模块 6 2.2.1 二进制信号的调制 6 2.2.2 二进制信号的解调 7 2.2.3 二进制信号的解码 7 2.3 单片机红外硬件电路的实现 8 2.4 电机驱动智能灭火模块 8 2.5 路况检测模块 11 2.6 智能防撞报警模块 12 3 系统软件设计及实现 14 3.1 红外整体程序 14 3.2 红外遥控的解码和实现 15 3.3 电机驱动灭火 16 3.4 小车防撞报警 17 4 系统调试 18 4.1 遥控发送接收调试 19 4.2 灭火驱动调试 20 5 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,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： STM32F103RBT6。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L298N L298N，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LG9110 LG9110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，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。 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，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=A×B），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。 图3 二进制信号的调制 2.2.2 二进制信号的解调 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。 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 图5 红外信号的编码格式 2.3 单片机红外硬件电路的实现 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P0.0~P0.3引脚高低电平来控制直流电机M1、M2的正反转。当P0.0~P0.3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P0.0~P0.30输入为0101时，两电机均处于反转模式，小车整体表现为后退。当P0.0~P0.3输入为1001以及0110时，一电机正转，另一电机反转，便实现