1、消防智能電動車設計與制作目錄 摘要：4關鍵詞：4Abstract:4Keywords:41系統設計51.1設計要求51.1.1設計任務51.1.2設計要求51. 2模塊方案比較與論證61.2.1車體設計71.2.2控制器模塊81.2.3電源模塊91.2.4尋跡傳感器模塊91.2.5 火焰傳感器模塊101.2.6 避障模塊101.2.7測速計程模塊111.2.8電機模塊111.2.9電機驅動模塊111.2.10車載語音模塊和控制臺語音模塊121.2.11無線收發模塊121.2.12顯示臺顯示模塊121.2.13車載顯示模塊121.3最終方案131.4系統整體方案設計142硬件實現與單元電路設計1

2、92.1微控制器模塊的設計192.2光電對管電路的設計192.3尋跡光電對管的安裝212.4火焰傳感器與其調理電路的設計222.5火焰傳感器的安裝222.6電機驅動電路的設計232.7滅火風扇驅動電路242.8滅火風扇的安裝242.9測速計程模塊的安裝252.10語音識別電路的設計262.11無線收發模塊的實現263軟件實現273.1主程序流程圖273.2滅火子程序流程圖293.3傳感器數據處理與尋跡程序流程314系統功能測試324.1測試儀器與設備324.2功能測試324.2.1基本功能測試334.2.2發揮功能與其他功能測試365.結論376.結束語377.參考文獻3729 / 29摘要：

3、本智能車是以鋁合金為車架，AT89S52單片機為控制核心，加以直流電機、舵機、光電傳感器、火焰傳感器和電源電路以與其他電路構成。系統由89S52通過IO口控制小車的前進后退以與轉向。舵機帶動滅火風扇左右轉向擺動進行滅火。尋跡由RPR220型光電對管完成，遠紅外火焰傳感器進行火焰掃描。同時本系統用凌陽單片機進行語音的播報，以提示當前狀態。本系統同時通過DF無線數據收發模塊進行無線數據傳輸，將該車當前的狀態遠程傳送給顯示臺。顯示臺由OCMJ4X8C液晶屏和2個按鍵進行實時狀態顯示和啟動控制。關鍵詞：AT89S52 直流電機 舵機 光電傳感器 火焰傳感器 消防智能電動車 DF無線收發Abstract

4、:The smart car is aluminum alloy for the chassis, AT89S52 MCU as its core, including motor and servo, plus photoelectric sensors, as well as other flame sensor and power circuit. MCU controls the car turning back forward or running on the white line. RPR220 reflective photo sensor seeks the trace.Fa

5、r infrared flame sensor tracksthe flame.Inaddition, the SCM system with Sunplus for voice broadcast can remind current status. The system transmitsinformation through DF module. The cars status will be transmitted to the Remote Console. OCMJ4X8C LCD display and 2 keys for start control.Keywords: AT8

6、9S52 Motor Servo Photo sensor Flame sensorElectrical fire engines DF wireless transmission系統設計1.1設計要求1.1.1設計任務設計制作一個消防智能小車模型，能到制定區域進行搶險滅火工作。以蠟燭模擬火源，隨機分布在場地中，場地如圖1所示：圖1 場地示意圖1.1.2設計要求1）基本要求（1）智能小車從安全區域啟動，自動尋找到火源并顯示。（2）除安全區外，場地隨機出現2個火源，要求智能小車能夠發現其中一個火焰并將其完全撲滅。（3）能夠發現并撲滅第二個火焰。（4）撲滅二個火焰的總時間不超過5分鐘。（5）能夠自

7、動計算和顯示撲滅的火源數。2）發揮部分（1）搶險完畢后智能小車能夠返回到安全區域（原位）。（2）能夠自動計算和顯示路程。（3）能夠用不同聲音對不同的狀態進行報警。（4）其他3）說明（1）小車尺寸小于30cm30cm，所用電源電壓小于等于24V。（2）控制電機類型不限，其安裝位置與安裝方式自定。（3）滅火方式不限，但不允許碰倒蠟燭。（4）小車不能完全離開場地。（5）允許一次重啟動機會。（6）蠟燭高度：1520厘米。蠟燭置于方框的中間位置。（7）障礙物尺寸15cm15cm15cm，且位置固定。（8）試驗場地可采用黑膠皮，網格線可采用寬度為2.53.0cm的白色單面膠紙，測試時可自帶。1. 2模塊方

8、案比較與論證根據題目要求，本系統主要由控制器模塊、電源模塊、尋跡傳感器模塊、火焰傳感器、直流電機與其驅動模塊、滅火風扇與其驅動模塊、舵機模塊、語音模塊、車載顯示模塊、無線收發模塊以與液晶顯示模塊等模塊構成。本系統的方框圖如圖2所示：電源模塊控制器模塊尋跡傳感器模塊火焰傳感器模塊電機驅動前進轉向模塊滅火風扇與其驅動模塊語音模塊無線發射模塊無線接收模塊語音模塊顯示臺顯示模塊避障模塊車載顯示模塊測速計程模塊圖2 系統方框圖為較好的實現各模塊的功能，我們分別設計了幾種方案并分別進行了論證。1.2.1車體設計方案1：購買玩具電動車。購買的玩具電動車具有組裝完整的車架車輪、電機與其驅動電路。但是一般的說來

9、，玩具電動車具有如下缺點：首先，這種玩具電動車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。其次，這種電動車一般都是前輪轉向后輪驅動，不能適應該題目的方格地圖，不能方便迅速的實現原地保持坐標轉90度甚至180度的彎角。再次，玩具電動車的電機多為玩具直流電機，力矩小，空載轉速快，負載性能差，不易調速。而且這種電動車一般都價格不扉。因此我們放棄了此方案。方案2：自己制作電動車。經過反復考慮論證，我們制定了左右兩輪分別驅動，前后萬向輪轉向的方案。即左右輪分別用兩個轉速和力矩基本完全一樣的直流電機進行驅動，前后裝兩個萬向輪。這樣，當兩個直流電機轉向相反同時轉速一樣時就可以實現電動車的原地旋轉，由此

10、可以輕松的實現小車坐標不變的90度和180度的轉彎。在安裝時我們并不把兩個萬向輪裝在一個平面上。當小車前進時，左右兩驅動輪與前萬向輪形成了三點結構。這種結構使得小車在前進時比較平穩，可以避免出現前后兩輪過低而使左右兩驅動輪驅動力不夠的情況。為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用。對于車架材料的選擇，我們經過比較選擇了鋁合金。用鋁合金做的車架比塑料車架更加牢固，比鐵制小車更輕便，美觀。綜上考慮，我們選擇了方案2。實物圖如圖3所示：圖3 車體底盤實物圖1.2.2控制器模塊方案1：采用可編程邏輯期間CPLD作為控制器。CPLD可以實現各種復雜的邏輯功能、規模大、密度高、體積小、穩定性高、IO資源

11、豐富、易于進行功能擴展。采用并行的輸入輸出方式，提高了系統的處理速度，適合作為大規模控制系統的控制核心。但本系統不需要復雜的邏輯功能，對數據的處理速度的要求也不是非常高。且從使用與經濟的角度考慮我們放棄了此方案。方案2：采用凌陽公司的16位單片機，它是16位控制器，具有體積小、驅動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點。處理速度高，尤其適用于語音處理和識別等領域。但是當凌陽單片機應用語音處理和辨識時，由于其占用的CPU資源較多而使得凌陽單片機同時處理其它任務的速度和能力降低。本系統主要是進行尋跡和火焰傳感器的檢測以與電機的控制，兼有語音的播報。如果單純的使用

12、凌陽單片機，在語音播報的同時小車的控制容易出現不穩定的情況。從系統的穩定性和編程的簡潔性考慮，我們放棄了單純使用凌陽單片機而考慮其它的方案。方案3：采用Atmel公司的AT89S52單片機作為主控制器而用凌陽單片機作為輔助控制器。AT89S52是一個低功耗，高性能的51核的CMOS 8位單片機，片含8k空間的可反復擦些1000次的Flash只讀存儲器，具有256 bytes的隨機存取數據存儲器（RAM），32個IO口，2個16位可編程定時計數器。且該系列的51單片機可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機中下載程序。我們自己制作51最小系統板，體積很小，下載程序方便，放在車上不會占用太多

13、的空間。為了同時方便使用語音的播報和識別，我們選擇了凌陽公司的SPCE061A精簡開發板61B板。61B板上配有喇叭插座、麥克風等。用戶只需使用在線調試器，不用再外接任何器件即可以完成語音錄放等功能。該精簡系統板體積小，功能齊全，資源豐富。能夠滿足系統的要求。從方便使用的角度考慮，我們選擇了方案3。1.2.3電源模塊由于本系統需要電池供電，我們考慮了如下集中方案為系統供電。方案1：采用12V蓄電池為系統供電。蓄電池具有較強的電流驅動能力以與穩定的電壓輸出性能。但是蓄電池的體積過于龐大，在小型電動車上使用極為不方便。因此我們放棄了此方案。方案2：采用3節4.2V可充電式鋰電池串聯共12.6V給直

14、流電機供電，經過7805的電壓變換后為單片機，傳感器和舵機供電。經過實驗驗證，當電池為直流電機供電時，單片機、傳感器的工作電壓不夠，性能不穩定。因此我們放棄了此方案。方案3：采用3節4.2V可充電式鋰電池為直流電機供電，用2節鋰電池經過7805的電壓變換為單片機和傳感器供電。再用2節鋰電池經另一套7805電壓變換電路為舵機供電。采用此種供電方式后，單片機和傳感器工作穩定，舵機直流電機工作互不影響，且電池的體積較小，能夠滿足系統的要求。綜上考慮，我們選擇了方案3。1.2.4尋跡傳感器模塊方案1：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環境光線的變化而變化。當光線照射到白線上面時，光線

15、發射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發生明顯的變化。將阻值的變化值經過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩定的工作。因此我們考慮其他更加穩定的方案。方案2：用紅外發射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發射管發出紅外線，當發出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發射管發出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩定，且容易受外界光線的影響，因此我們放棄了這個方案。方案3：用RPR220型光電對管。R

16、PR220是一種一體化反射型光電探測器，其發射器是一個砷化鎵紅外發光二極管，而接收器是一個高靈敏度，硅平面光電三極管。RPR220采用DIP4封裝，其具有如下特點：（1） 塑料透鏡可以提高靈敏度。（2） 置可見光過濾器能減小離散光的影響。（3） 體積小，結構緊湊。當發光二極管發出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。此光電對管調理電路簡單，工作性能穩定。因此我們選擇了方案3。1.2.5 火焰傳感器模塊火焰檢測有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器以與CCD圖像傳感器。我們綜合論證了這幾種傳感器，制定了如下幾種方案。方案1：用溫度傳感器如熱電偶，熱電偶在工業應用上十分廣泛。但是熱電偶感

17、應的圍太廣，而且由于火焰只是周圍溫度稍高且圍較窄。試驗驗證用熱電偶檢測火焰精度不高，因此我們放棄了此方案。方案2：用煙霧傳感器。煙霧傳感器廣泛應用與火警檢測。但是由于此題目的火源是用蠟燭模擬的，沒有太大的煙霧，因此用煙霧傳感器作為此小型電動車的火焰傳感器也不夠實用，因此我們放棄了此方案。方案3：用紫外傳感器檢測火焰。紫外火焰傳感器主要應用于火災消防系統，尤其是一些易燃易爆場所，用來監測火焰的產生。紫外線火焰傳感器的靈敏度高，相應速度快，抗干擾能力強，對明火特別敏感，能對火災立即作出反應。但是紫外傳感器檢測的圍太大，不適用于本系統。方案4：用CCD圖像傳感器。用CCD圖像傳感器可以檢測各種被檢測

18、量，適用于各種量的檢測。但是用CCD圖像傳感器需要處理的信號量太大，且體積較大，不使用與本系統。方案5：用遠紅外傳感器。經試驗驗證，遠紅外火焰傳感器檢測距離遠，線性度好，檢測準確，且體積較小。很適用于本題目的要求。因此我們選擇了方案5。在火焰傳感器模塊的設計中，我們在車體的前頭的兩側離地大約1520cm（相當于火焰高度）處安裝遠紅外火焰傳感器，且每一側裝有兩個。由于火焰傳感器的檢測距離很遠，為了避免錯誤檢測遠處火焰的情況的出現，我們把每一側的較低的傳感器用黑色塑料紙包住。經實驗驗證，這樣處理過的火焰傳感器只能檢測到一個方格距離的火焰，而對遠距離的火焰沒有反應。我們把用黑塑料包住的傳感器稱為“近

19、視”傳感器，把沒有處理過的稱為“遠視”傳感器。“近視”傳感器和“遠視”傳感器配合交替使用，可以更好的完成計劃任務。1.2.6 避障模塊方案1：用超聲波傳感器進行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電瓷超聲波傳感器發出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機。超聲波傳感器在避障的設計中被廣泛應用。但是超聲波傳感器需要40KHz的方波信號來工作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在1，所以用模擬電路來做方波發生器比較難以實現。而用單片機來作方波發生器未免有些浪費資源。因此我們考慮其他的方案。方案2：用紅外光電開關進行避障。光電開關的工作原理是根據投光器發

20、出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據此作出判斷反應，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。光電開關E3F-DS10C4操作簡單，使用方便。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。考慮到本系統只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復雜的環境。為了使用方便，便于操作和調試，我們最終選擇了方案2。1.2.7測速計程模塊方案1：用霍耳傳感器進行測速。當載流導體或半導體出于與電流相垂直的磁場中時，在其兩端將產生電位差。這一現象稱為霍耳效應。霍耳式傳感器利用的就是霍耳效應。如果在車輪的側裝上一條細

21、磁鐵，把霍耳傳感器同樣裝在車輪的側，測量火焰傳感器的輸出就可以知道車輪轉過的圈數。霍耳傳感器是非接觸式測量，而且對灰塵、濕度、振動等環境條件不敏感。特性也不隨時間而變化。雖然霍耳傳感器具有眾多優點。但是由于我們的電動車較小，比較細小的磁鐵不易尋找。因此我們嘗試著尋找其它的方案。方案2：用RPR220型光電對管進行測速。在車輪的側貼上一個光電碼盤，用光電對管對碼盤進行檢測。光電對管照射到黑色和白色的邊界時輸出信號會有跳變。將跳變的輸出信號送給單片機進行檢測就可以得到輪子的轉速。由于我們電動車的尋跡都是用的RPR220型光電對管，所以用該型號光電對管進行測速時可以使用同樣的調理電路。從使用的方便和

22、靈活性考慮，我們選擇了方案2。1.2.8電機模塊本系統為智能電動車，對于電動車來說，其驅動輪的驅動電機的選擇就顯得十分重要。由于本題要實現對路徑的準確定位和精確測量，我們綜合考慮了一下兩種方案。方案1：采用步進電機作為該系統的驅動電機。由于其轉過的角度可以精確的定位，可以實現小車前進路程和位置的精確定位。雖然采用步進電機有諸多優點，步進電機的輸出力矩較低，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要求的系統。經綜合比較考慮，我們放棄了此方案。方案2：采用直流減速電機。直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其部由高速電動機提供原始

23、動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產生大扭力。我們所選用的直流電機減速比為1：74，減速后電機的轉速為100r/min。我們的車輪直徑為6cm，因此我們的小車的最大速度可以達到V=2rv=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s能夠較好的滿足系統的要求，因此我們選擇了此方案。1.2.9電機驅動模塊方案1：采用專用芯片L298N作為電機驅動芯片。L298N是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，它相應頻率高，一片L298N可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。用該芯片作為電機驅動，操作方便，穩定性好，性能優良。方案2：對于直流電機用分立元件構成驅動電路。由分立元件構成電機驅

24、動電路，結構簡單，價格低廉，在實際應用中應用廣泛。但是這種電路工作性能不夠穩定。因此我們選用了方案1。1.2.10車載語音模塊和控制臺語音模塊方案1：選擇專門的語音存儲芯片ISD1420，通過單片機進行錄放音的控制。用這種方法雖然比較簡介方便，但是在地址模式所占IO口較多,在操作模式下進行隨機播放又需快進,較適合于順序播放。且存儲空間較小，只能存儲總計20s的語音，無法進行語音識別。為了能更好的使用語音播放和語音辨識，我們放棄了此方案。方案2：選擇DSP進行語音識別，DSP具有很強的信息處理能力，能夠進行語音的存儲錄放和語音的辨識，但是考慮到系統的成本和使用的靈活和方便，我們放棄了此方案。方案

25、3：使用凌陽精簡板開發板61B板，該精簡開發板體積小，使用方便，且具有凌陽系列的很強的語音處理功能，且具有語音播報和辨識的模塊。凌陽61單片機是16位單片機，具有DSP功能，有很強的信息處理能力，最高時鐘頻率可達49MHz，具有運算速度高等優勢。這些都為語音處理和辨識準備了很好的條件。因此我們選用了方案3。1.2.11無線收發模塊無線數據傳輸被廣泛應用在車輛監控、遙控、遙測、小型無線網絡、無線數據通信、機器人控制、數字音頻、數字圖像的傳輸等領域中。方案1：用DF無線數據收發模塊。DF無線發射模塊通訊方式為調頻AM，工作頻率為315MHz，為ISM頻段，發射頻率00判斷判斷右輪一級加速右輪二級加

26、速左輪一級加速左輪二級加速0圖25 傳感器信息處理子程序流程圖4系統功能測試4.1測試儀器與設備表1 測試儀器設備清單儀器名稱型號用途數量PC機聯想調試與下載程序1數字萬用表MASTECH my65測量各電路工作情況1秒表記錄時間14.2功能測試4.2.1基本功能測試（1）在場地上沒有放置蠟燭，小車從啟動區啟動。走到第一列后豎直到底，然后返回場地中間的橫向白線處，按照橫向白線走到場地的盡頭后轉彎180度，返回啟動區。所用時間總計28.666秒。返回啟動區后，遠程顯示臺的液晶屏顯示并同時語音播報：沒有發現火源。小車路線示意圖如圖26所示：啟動區圖26 小車路線示意圖（測試1）（2）在場地中隨機放

27、置一根蠟燭。小車從啟動區啟動后能夠找到蠟燭，此時，遠程顯示臺的液晶屏顯示并語音報警：找到火源1。小車語音播報：發現火源1。小車按照預定路線將蠟燭熄滅后，遠程顯示臺液晶屏顯示并語音播報：已熄滅火源。小車語音播報：熄滅火源1。完成此過程所用時間為37.514秒。小車完成此過程的示意圖如圖27所示：啟動區滅火圖27 小車路線示意圖（測試2）（3）在場地中隨機放置兩根蠟燭，小車能夠依次找到蠟燭并將火焰熄滅。找到第一根蠟燭時，遠程液晶顯示并語音報警：找到火源1。同時小車語音播報：發現火源1。將第一根蠟燭熄滅后，遠程顯示臺能夠顯示并語音播報：已熄滅火源1。同時小車語音播報：熄滅火源1。完成這些動作所用時間

28、為34.953秒。找到第二根蠟燭時，遠程液晶顯示并語音報警：找到火源2。同時小車語音播報：發現火源2。將第二根蠟燭熄滅后，遠程顯示臺嫩構顯示并語音播報：已熄滅火源2。同時小車語音播報：熄滅火源2。完成這些動作所用時間為75.764秒。小車完成此過程的路線示意圖如圖28所示：啟動區滅火滅火圖28 小車路線示意圖（測試3）4.2.2發揮功能與其他功能測試我們在場地上隨即放置兩個蠟燭，蠟燭擺放位置與場地示意圖如圖29所示：啟動區滅火滅火圖29 小車發揮功能與其它功能測試測試步驟如下：（1）遠程復位啟動電動車。將車放置在啟動區，在遠程控制臺按下啟動按鈕，小車從啟動區正常啟動。同時遠程顯示臺的液晶屏上繪圖顯示整個場地地圖以與小車當前在地圖上的位置。（2）發現第一個火源時，遠程顯示臺語音播報：發現火源1。火源位置與小車當前位置在