基于單片機(jī)的智能小車(chē)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u23059基于單片機(jī)的智能小車(chē)控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)案例 184481.1系統(tǒng)工作原理及功能簡(jiǎn)介 1116131.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 2212531.3紅外避障模塊 4305301.4防火模塊 5109091.5防煤氣泄露模塊 7208031.6防盜模塊 8308181.7報(bào)警模塊 91.1系統(tǒng)工作原理及功能簡(jiǎn)介本系統(tǒng)主控模塊時(shí)89C52，避障可以采用紅外對(duì)管；采用MQ-2煙霧傳感器以及DS18B20溫度傳感器對(duì)光熱信號(hào)來(lái)檢測(cè)，主要是煙火；采用超聲波來(lái)檢測(cè)是否有人員入侵以實(shí)現(xiàn)防盜；采用MQ-5氣敏傳感器來(lái)檢測(cè)空氣中的天然氣濃度是否達(dá)到威脅生命安全的程度。系統(tǒng)工作原理框圖如圖1.1所示。圖3-1系統(tǒng)工作原理框圖1.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)具有十分穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于智能小車(chē)。電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元的電路圖如圖3-2所示。圖3-2電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路圖如圖3-3為ULN2003是高性能的芯片封裝模塊，由其中主要是7個(gè)NPN型管，在標(biāo)準(zhǔn)工作電壓下它能與其他晶體管電路組合，以便于處理邏輯數(shù)據(jù)，也十分契合本次設(shè)計(jì)中的需求。下面給出ULN2003芯片的相關(guān)數(shù)據(jù)手冊(cè)。圖3-3ULN2003芯片圖主要特點(diǎn)：（1）0.5A單集電電流。（2）高電壓輸出：50V。（3）輸入和各種邏輯類型兼容。（4）繼電器驅(qū)動(dòng)器。ULN2003內(nèi)部還應(yīng)用了一個(gè)消線圈反向電差的晶體管，能夠驅(qū)動(dòng)外接模塊。ULN是基于達(dá)林頓的集成電路,它的輸出電流可達(dá)0.2A，飽和狀態(tài)可以有1V的壓降，有36V耐壓值。集電極開(kāi)路時(shí)可以有較高的輸出電流，對(duì)外接設(shè)備的驅(qū)動(dòng)能力十分不錯(cuò)。一般情況下驅(qū)動(dòng)ULN2003，要有一個(gè)2K歐的上拉電阻適配，COM引腳不接電源則要求懸空。它還是一個(gè)非門(mén)電路，單個(gè)單元驅(qū)動(dòng)的最高電流為0.5A，9號(hào)引腳作為懸空端。當(dāng)接電感等感性元件時(shí)，在原來(lái)的電路基礎(chǔ)上把9腳與電源正極相連。引腳介紹：引腳1:CPU脈沖輸入端。引腳2:CPU脈沖輸入端。引腳3:CPU脈沖輸入端。引腳4:CPU脈沖輸入端。引腳5:CPU脈沖輸入端。引腳6:CPU脈沖輸入端。引腳7:CPU脈沖輸入端。引腳8:接地。引腳9:插腳是內(nèi)部續(xù)流二極管七個(gè)負(fù)極的公共端子，每個(gè)二極管的正極分別與每個(gè)達(dá)林頓管的集電極相連，用于感性負(fù)載，插腳與負(fù)載電源的正極相連，實(shí)現(xiàn)續(xù)流功能。如果引腳接地，實(shí)際上是達(dá)林頓管的集電極接地。引腳10-16:脈沖信號(hào)輸出端，對(duì)應(yīng)7-1腳信號(hào)輸入端。1.3紅外避障模塊這個(gè)單元模塊的工作主要由紅外傳感器來(lái)完成。紅外線避障模塊的應(yīng)用是以紅外線發(fā)射反射為原理，小車(chē)在運(yùn)行過(guò)程中，該模塊會(huì)不斷地向外發(fā)射紅外線，當(dāng)紅外線接觸到障礙物時(shí)，紅外線會(huì)被反射回小車(chē)，紅外接收管會(huì)根據(jù)反饋回的信息將其轉(zhuǎn)化為電子信號(hào)傳輸至小車(chē)的主控制器，主控制器則根據(jù)電子信號(hào)，判斷小車(chē)周邊的障礙物分布情況，做出相應(yīng)躲避障礙物運(yùn)行的指令，并且主控制器模塊將該指令傳輸至電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，從而改變智能小車(chē)的運(yùn)行軌跡，進(jìn)而達(dá)到躲避障礙物的效果。圖3-4紅外接收模塊電路圖 圖3-5紅外發(fā)射模塊電路圖如圖3-4為紅外接收頭，如圖3-5為紅外發(fā)射模塊電路圖。紅外接收頭采用HS0038型號(hào)，HS0038的接收頻率為38kHz，周期約26μs。PIN二極管和前置放大器是引線的框架，IR過(guò)濾器采用環(huán)氧包裝，是標(biāo)準(zhǔn)IR遙控接收器系列，支持所有主要的傳輸碼。紅外接收頭實(shí)物圖如圖3-6所示。圖3-6HS0038紅外接收頭實(shí)物圖特點(diǎn)：（1）光檢測(cè)器與放大器同一集成。（2）內(nèi)帶PCM頻率濾波器。（3）輸出電平兼容性高。（4）輸出低電平。（5）改進(jìn)對(duì)電場(chǎng)的屏蔽和干擾。（6）電源電壓5V，低功耗。（7）對(duì)自然光的抗干擾能力強(qiáng)。（8）數(shù)據(jù)可以連續(xù)傳輸。（800比特/秒）1.4防火模塊這個(gè)單元模塊主要由溫度傳感器DS18B20以及煙霧傳感器MQ-2來(lái)完成。如圖3-8為傳感器實(shí)物圖。MQ-2煙霧傳感器的工作原理：采用的SnO2半導(dǎo)體材料在清潔空氣中電阻率較低，當(dāng)與煙霧接觸時(shí)，其導(dǎo)電率會(huì)隨之變化，因此可以檢測(cè)是否產(chǎn)生了煙霧，煙霧濃度越高，傳感器導(dǎo)電率越大，電阻越低，輸出的模擬信號(hào)也就越大。將環(huán)境的外部設(shè)備情況轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)的強(qiáng)弱，再通過(guò)此傳遞的電信號(hào)的強(qiáng)弱，傳遞至單片機(jī)控制系統(tǒng)時(shí)，單片機(jī)就會(huì)做出相應(yīng)的反應(yīng)，驅(qū)動(dòng)報(bào)警設(shè)備達(dá)到報(bào)警的效果?；馂?zāi)初期，燃料快速氧化釋放的氣溶膠粒子和煙霧進(jìn)入探測(cè)電離室，吸收和中和正負(fù)離子，使電離流量大大減少，離子平衡狀態(tài)發(fā)生改變。介質(zhì)電極產(chǎn)生的電壓升高與測(cè)量的煙霧濃度直接相關(guān)，通過(guò)分析電壓升高的變化來(lái)發(fā)出火災(zāi)警報(bào)。如圖3-7所示，由兩個(gè)溫度晶振，兩個(gè)計(jì)數(shù)器，一個(gè)寄存器構(gòu)成。兩個(gè)晶振對(duì)溫度的敏感度不同，高低溫產(chǎn)生的信號(hào)可以作為兩個(gè)晶振的脈沖輸入，一號(hào)計(jì)數(shù)器作為低溫輸入的檢測(cè)端，采取遞減計(jì)數(shù)，當(dāng)一號(hào)計(jì)數(shù)器的中的數(shù)值減到0時(shí)，溫度寄存器標(biāo)記為增加一，一號(hào)計(jì)數(shù)器重載，對(duì)低溫信號(hào)重新計(jì)數(shù)，在此基礎(chǔ)上當(dāng)二號(hào)寄存器也減到0時(shí)，累加運(yùn)算結(jié)束，當(dāng)下溫度預(yù)估值就存儲(chǔ)在溫度寄存器中圖3-7DS18B20溫度傳感器接口 圖3-8MQ-2煙霧傳感器實(shí)物圖DS18B20是一種當(dāng)前使用較為普片的數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，并且有許多優(yōu)點(diǎn)。比如體積不大，成本較低，具有較強(qiáng)的干擾能力以及較高的精度。該傳感器接線比較簡(jiǎn)單，封裝成后可應(yīng)用于多種場(chǎng)合?？梢愿鶕?jù)不同的場(chǎng)合需要使用合適的外觀。該傳感器封裝后可應(yīng)用的范圍十分廣泛，像鍋爐，機(jī)房，農(nóng)業(yè)大棚，潔凈室等各種場(chǎng)合都可以用該傳感器進(jìn)行測(cè)溫。除此之外，該傳感器還能于在各種微小的空間設(shè)備數(shù)字測(cè)溫。特點(diǎn)：需要一個(gè)管腳來(lái)通信獨(dú)特的1-Wire總線接口。每個(gè)設(shè)備的內(nèi)部ROM上都燒寫(xiě)了一個(gè)獨(dú)一無(wú)二的64位序列號(hào)。多錄采集能力使得分布式溫度采集應(yīng)用更加簡(jiǎn)單。無(wú)需外圍元件。能夠采用數(shù)據(jù)線供地；供電范圍為1.0V至5.5V。溫度可測(cè)量范圍為：-55℃至+125℃。（-67℉至257℉）溫度范圍超過(guò)-10℃至85℃之外時(shí)具有±0.5℃的精度。內(nèi)部溫度采集精度可以由用戶自定義為9-Bits至12-Bits。溫度轉(zhuǎn)換時(shí)間在轉(zhuǎn)換精度為12-Bits時(shí)達(dá)到最大值750ms。用戶自定義非易失性的溫度報(bào)警裝置。定義了溫度報(bào)警搜索命令和當(dāng)溫度超過(guò)用戶自定義的設(shè)定值時(shí)。與DS1822程序兼容。應(yīng)用于溫度控制系統(tǒng)，工業(yè)系統(tǒng)，民用產(chǎn)品，溫度傳感器，或者任何溫度檢測(cè)系統(tǒng)中。MQ-2的4腳直流信號(hào)隨添加到2腳U1A比較器的煙霧濃度而變化，RP表示比較的極限電壓。當(dāng)煙氣濃度高，輸出電壓高于極限電壓時(shí)，裝置發(fā)出低電平（0V），LED亮起報(bào)警；如果濃度降低傳感器的輸出電壓低于極限電壓，補(bǔ)償器將切換輸出高電平（VCC），LED熄滅。通過(guò)設(shè)置RP可以調(diào)節(jié)補(bǔ)償器的極限電壓，以調(diào)節(jié)報(bào)警輸出的靈敏度。R1連接到傳感器的加熱電路，可以保護(hù)加熱線不受冷電源的碰撞。特點(diǎn)：具有信號(hào)輸出指示。有模擬量輸出及TTL電平輸出兩種輸出形式。低電平為T(mén)TL的輸出有效信號(hào)。電壓隨著濃度的改變而改變。能較好的區(qū)分天然氣與其他氣體。壽命長(zhǎng)，穩(wěn)定性高。響應(yīng)恢復(fù)十分迅速。1.5防煤氣泄露模塊這個(gè)模塊單元的主要功能主要由氣敏傳感器MQ-5來(lái)實(shí)現(xiàn)。MQ-5型氣體傳感器中使用的氣體測(cè)量材料是SnO2，在潔凈空氣中具有低電導(dǎo)率。如果環(huán)境中存在甲烷和其他可燃?xì)怏w，則傳感器的電導(dǎo)率會(huì)隨著空氣中天然氣濃度的增加而增加。MQ-5傳感器對(duì)甲烷和其他氣體敏感，并且在甲烷和丙烷之間具有良好的平衡。該傳感器對(duì)可燃?xì)怏w的敏感度高，濃度范圍寬，使用壽命長(zhǎng)，成本低，易于駕駛。主要參數(shù)如圖3-9所示。圖3-9MQ-5氣敏傳感器主要參數(shù)圖為3-10為MQ-5傳感器的基本測(cè)試電路。加熱器電壓（VH）和測(cè)試電壓（VC）都需要施加在這個(gè)傳感器上。其中加熱器電壓的作用是給傳感器提供其需要的工作溫度，在電源方面無(wú)論是直流電源或交流電源都可使用。VRL則是用于測(cè)量負(fù)載電阻RL兩端的電壓。測(cè)試電壓的作用是給負(fù)載電阻RL提供其所需要測(cè)試的電壓，電源方面就與加熱器電壓不同，只能用直流電源 。圖3-10 MQ-5氣敏傳感器基本測(cè)試電路1.6防盜模塊本模塊單元的主要功能主要依靠超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)入侵人員的檢測(cè)依靠超聲波傳感器HC-SR04實(shí)現(xiàn)，超聲波測(cè)距是一種有效的非接觸式測(cè)距方法，其原理是超聲波傳感器發(fā)出超聲波，碰到障礙物后返回，然后可以通過(guò)一定的算法計(jì)算出距離。超聲波模塊將在每個(gè)方位上連續(xù)掃描，將超聲波掃描到的前一周期的位置信息與后一周期的位置信息相比較，實(shí)現(xiàn)對(duì)動(dòng)態(tài)物體的檢測(cè)。圖3-11HC-SR04超聲波傳感器實(shí)物圖如圖3-11所示，VCC供5V電源，GND為地線，TRIG觸發(fā)控制信號(hào)輸入，ECHO回響信號(hào)輸出。HC-SR04超聲波傳感器工作原理：采用IO觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào)。模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40kHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回。有信號(hào)返回，通過(guò)IO輸出一個(gè)高電平，高電平