智能救援小车（设计）完整版.doc

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1、 摘要 本产品是以直流减速电机为驱动系统自制小车，以C8051F040单片机为控制核心，通过光电开关传感器避障、黑白线传感器测速、接近开关传感器、物体识别与拾取并放在指定的位置，实现了自动前进与避障，沿规定路径前进可检测到路径上及附近的任意位置物体，发光二极管发光和扬声器发出长报警；并通过机械臂拾起物体将其运送到规定位置，从行进流畅，行动迅速，达到了全部设计要求。该作品还扩展了数据无线远程显示功能以及CMOS摄像头模拟定位功能。 关键字：C8051F040单片机 避障 机械臂 小车目录目录引言11 方案的比较与选择11.1 车体的设计21.2 单片机选择21.3 电机的选择21.4 电机驱动模

2、块31.5 电源模块31.6 避障功能模块31.7 声光报警模块41.8 显示模块42 硬件系统的设计与功能实现52.1电机驱动电路的设计52.2 避障电路的原理与设计53 软件设计的实现与说明73.1 主程序流程图74 系统测试84.1 测试环境（测试时间、地点）84.2 测试仪器及设备84.3 测试穿越障碍区时的路与程时间如表4-2所示：84.4 测试行驶的总时间与总路程如表4-3所示：84.5 测量误差分析95 结束语96 致谢97 参考文献10I智能救援小车引言 通过各种选题之后，我们发现制作智能小车非常有意思，它唤起我们对玩具的革新思想，智能小车制作的兴趣。自己遇到过的汽车的功能是怎

3、样的，想通过自己的手创作出属于自己的智能汽车。也夹杂一种童年时对玩具智能化的假想。基于梦想，兴趣，热情，在参考前几届全国电子设计大赛控制类的选题、基本要求，我们选定制作智能救援小车。1 方案的比较与选择救援小车设计总体结构框图如图1-1所示：图1-1 系统总体框图1.1 车体的设计方案一：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。玩具电动车具有如下特点：首先，玩具电动车电机都是现成的，在上面架一块板子就可以放下电路板，各种传感器的安装也较方便。其次，所购买的电动车是由两电机控制的，一个负责左边两轮子，另一个负责右边两轮子。这样可以进行原地90-180度转弯。方案

4、二：自己制作电动车。装配不能十分紧凑而且安装不方便。易出现前后两轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。小车重心易的偏移。综上考虑，我们选择了方案一。1.2 单片机选择方案一：采用STC 89C52系列单片机。传统的51 单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小等缺点。在后来的实验中我们发现，STC 89C52精确度和运算速度也都不符合我们系统的要求。此方案被放弃。 方案二：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，

5、使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。方案三：采用C8051F040单片机作为主控制器。C8051F040是一个超低功耗，和标准8051F系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，片内含64k空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），64个I/O口，5个16位可编程定时计数器。其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉，在后来的实验中我们发现，C8051F040精确度和运算速度也都完全符合我

6、们系统的要求。综合以上方案我们选择比较普通的更为熟悉的方案二使用C8051F040单片机为我们整个系统的控制核心。1.3 电机的选择方案一：用步进电机。步进电机可以精确地控制角度和距离。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要求的系统。并且它的体积大，价格高，质量大。方案二：采用直流电机。直流电机运转平稳，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。但转动力矩不大，直流电机控制的精确度没有步进电机那样高。方案三：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（

7、减速）齿轮组，可以产生大扭力。但精确度没有步进电机那样高。方案四：直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，用其做小车的行进动力和机械臂升降动力；步进电机可以精确地控制角度和距离，用其控制小车机械臂的旋转。能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。1.4 电机驱动模块方案一：采用继电器对电机的开关进行控制，可以完成电机的正转，反转，调速，但继电器响应时间慢，使小车运动灵敏度降低，增加了避障的难度。而且机械结构易磨损，可靠性不高。它适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机则极不经济。 方案二：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率

8、高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。方案三：用分立元件构成H桥驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，但不稳定，驱动力底。综合以上方案我们选择更合适的方案三为我们整个系统的电机驱动。1.5 电源模块由于本系统需要电池供电，我们考虑了如下集中方案为系统供电。方案1：采用12V蓄电池为系统供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便。方案2：采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流减速电机供电，经过7805的电压变换后为

9、单片机，传感器和步进电机供电。经过实验验证，当电池为直流电机供电时，单片机、传感器的工作电压不够，性能不稳定。方案3：采用3节4.2V可充电式锂电池为直流减速电机供电，用2节锂电池经过7805的电压变换为单片机和传感器供电。再用2节锂电池经另一套7805电压变换电路为步进电机供电。采用此种供电方式后，单片机和传感器工作稳定，舵机直流电机工作互不影响，且电池的体积较小，能够满足系统的要求。综上考虑，我们选择了方案3。1.6 避障功能模块方案一：采用碰撞开关避障。这个方案结构虽然简单，但是救援车必须碰到障碍物避障模块才能工作，有破坏性。方案二：用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由

10、压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。然后将这信号放大后送入单片机。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。 方案三：采用红外传感器避障。红外传感器检测距离为4cm，红外传感器的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测，使用方

11、便。经过比较，考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，我们最终选择了方案方案三。1.7 声光报警模块方案一：通过单片机来控制语音芯片来实现提示信息的播报。但是由于语音芯片成本比较高，而且扩展起来比较复杂，增加焊接难度和设计成本。方案二：用发光二极管和蜂鸣器搭一个简单的电路，成本底，电路比较简单，使用方便符合我们的系统要求所以我们采用方案二。1.8 显示模块 方案一：采用LED数码管显示。颜色鲜艳，易于观察，经济实惠，采用74ls595驱动，可以大量减少占用的接口数目。 方案二：采用带字库的LCD显示。价格较高，且程序复杂，对于我们来说性价比不高。综合

12、考虑我们选用数码管显示器。经过反复的探讨和论证我们最终确定智能救援小车的如下最终方案： 车体用玩具车体改装。 采用C8051F040单片机作为整个电路的控制核心。 用直流减速电机驱动小车和机械臂的升降，用步进电机驱动机械臂的旋转。 使用7.2V可充电动力电池组为系统提供基准电源。 采用直流减速电机作为救援小车系统的驱动电机。 使用电机专用驱动芯片L298N作为直流减速电机的驱动芯片。 采用光电开关传感器组成救援小车的避障系统。 采用红外对管完成物体检测任务。 利用机械臂完成物体的转移。 采用单片机产生不同的频率信号通过蜂鸣器和二极管来完成声光报警功能。 2 硬件系统的设计与功能实现2.1电机驱

13、动电路的设计 L298N驱动直流电机，它靠两个引脚控制一个电机的运动。芯片引脚见图2-1功能见图2-2，驱动电路图2-3如下： 图2-1 L298外形图 图2-2 L298功能图2.2 避障电路的原理与设计用漫反射式光电开关进行避障。光电开关实际发射头与接收头于一体的检测开关，其工作原理是根据发射头发出的光束，被物体反射，接收头据此做出判断是否有障碍物。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。单片机根据接收头电平的高低做出相应控制，避免小车碰到障碍物。由于接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。小车采用漫反射式传感器进行避障的电路原理图如下图2-4所示：电机驱

14、动模块图2-3 L298电机驱动原理图 图2-4 光电开关避障电路原理图 3 软件设计的实现与说明 3.1 主程序流程图 我们所设计的软件的主程序流程图如下图3-1所示：图3-1 主程序流程图4 系统测试4.1 测试环境（测试时间、地点） 2009年.08月 西安科技大学本部科技创新实验室4.2 测试仪器及设备表4-1 测试仪器设备清单仪器名称用途PC机调试及下载程序数字万用表测量各电路工作情况秒表记录时间示波器红外管频率电机驱动信号4.3 测试穿越障碍区时的路与程时间如表4-2所示：表4-2 蔽障的路程和时间 第1次第2次第3次第4次路程/cm420420420420时间/s65536859

15、4.4 测试行驶的总时间与总路程如表4-3所示：表4-3 总路程和时间第1次第2次第3次第4次总路程/cm800800800800总时间/s1021101241004.5 测量误差分析 红外检测模块，在小车没有跑时，距离可以达到4cm，在行驶时光线，车速对遇到障碍物的是测距离有影响。在调试时有时会碰到小车 ，这导致我们小车存在测距离，时间显示存在一定误差。5 结束语测试表明，小车能够较好的完成题目要求的基本要求和发挥部分。同时作为我们的特色的远程显示台的工作正常，绘图显示清楚，语音播报清晰，远程显示效果良好。 经过三个星期的努力，我们终于成功的完成了题目的基本要求和发挥要求,并在此基础上进行了

16、创新（增加CMOS摄像头探测，并且可以测试温度）。制作过程中，我们遇到了很多困难，比如小车转弯经常碰壁，传感器的安装位置随实验需要不断的调整，这些我们都耐心的一一克服。经过这次比赛我们深刻体会到了团队的力量，培养了自己解决问题的能力，为我们以后在电子方面的发展奠定了基础。在此，衷心的感谢老师们对我们的栽培和学校给我们创造的学习环境。6 致谢在作品完成之际，我们要特别感谢指导老师的热情关怀和悉心指导。在我们作品制作的过程中，老师们给了我们很多耐心的指导和启发，不仅让我学到了专业知识，还让我学到了很多做人的道理。特别是他们广博的学识、深厚的学术素养、严谨的治学精神和一丝不苟的工作作风使我们终生受益

17、，在此表示真诚地感谢。在作品的制作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，在此一并致以诚挚的谢意。感谢所有关心、支持、帮助过我们的朋友。最后，向在百忙中抽出时间对本文进行评审并提出宝贵意见的各位领导老师表示衷心地感谢！7 参考文献 1 陈南、易运辉等主编，电子设计指南M.高等教育出版社.2006年出版2 傅丰林主编.低频电子线路（第二版）M.高等教育出版社.20083 傅丰林、原志强主编，低频电子线路电子教案M.高等教育出版社.2005年出 版4 刘雨棣主编，单片机原理及接口技术M.西安电子科技大学出版社.2008年出 版5彭宏业，段哲民，小型舞蹈机器人的驱动系统设计J.国外电子元器件.2005年

18、第4期6陈南.定位控制器的设计与实现J.西安科技大学学报. 2003附录：系统实物图附录：所有软件的源程序2009年8月22日制作/ 硬件设计 ：马海兵/ 系统分析员 ：马全龙/ 程序员 ：薛永华/ 测试 ：马海兵 马全龙 薛永华/ 相关硬件文档： .sch .pcb/ 测试记录文档： .doc/ 微控制器 ：C8051F040/ 晶振 ：0-16MHz(5V下工作，使用16MHZ晶振)/#include C8051F040.H#include config.H/#include 12864驱动.H#include shumaguan.H/#include PID.H/#include pic

19、k.H/#include yejing.Hunsigned char x4=0x01,0x02,0x04,0x08; /四相单四拍_正转 unsigned char y4=0x08,0x04,0x02,0x01; /四相单四拍_反转 unsigned char i=0,j,wo=0;int count=0,count1=0,count2=0;unsigned char second,minute;unsigned char flag=0;unsigned char fretime,tf4num,newdata;unsigned char table10;unsigned char t=1;sb

20、it bizhang_center_right=P21;sbit bizhang_center_left=P23;sbit bizhang_right=P25;sbit bizhang_left=P27;sbit xunji_center_left=P11;sbit xunji_center_right=P10;sbit xunji_left=P12; sbit xunji_right=P13;sbit xunji_jishu=P14;sbit speaker=P41;sbit cesu=P43;sbit duishe=P66;unsigned char hehe=1;sfr16 RCAP2=

21、0xca;sfr16 RCAP3=0xca; sfr16 RCAP4=0xca;sfr16 TMR4=0xcc;sfr16 TMR3=0xcc;sfr16 TMR2=0xcc;void bizhang(void);void jin(void);void delay1(unsigned int a) unsigned int b; while(a-) for(b=0;b80;b+);void delay2(unsigned int a) unsigned int b; while(a-) for(b=0;b3)i=0; P3=xi;void fanzhuan() /步进电机反转 i+;if(i3

22、)i=0; P3=yi;/*减速电机控制部分*/*P0.0、P0.1控制左电机;P0.2、P0.3控制右电机；P0.4、P0.5控制升降电机*/void zhuanxiang(unsigned int a,unsigned int b,unsigned int c,unsigned int d) /控制车直走、左转、右转 SFRPAGE = PCA0_PAGE; PCA0CPH0=a; PCA0CPH1=b; PCA0CPH2=c; PCA0CPH3=d; SFRPAGE = CONFIG_PAGE; void chechan(unsigned int a,unsigned int b) /控

23、制车铲上升、下降 SFRPAGE = PCA0_PAGE; PCA0CPH4=a; PCA0CPH5=b; SFRPAGE = CONFIG_PAGE; void t3_set(unsigned int val) /val为计数脉冲数 SFRPAGE = TMR3_PAGE; RCAP3=val+1; TMR3=RCAP3; void startCount(unsigned int val) /开始计时 t3_set(val); SFRPAGE = TMR3_PAGE; TR3=1; tf4num=0; SFRPAGE = TMR4_PAGE; TR4=1; newdata=0; void j

24、uli() unsigned char distance=0; if(newdata=0) distance=1.06* fretime; xianshi(distance); delay1(100); startCount(8); else return;void jin() if(duishe=0&hehe=1) delay1(500); if(duishe=0&hehe=1) while(1) zhuanxiang(255,255,255,255);/停 delay2(8000); chechan(51,255); /车铲上升 delay2(3000); chechan(255,255)

25、; hehe+=1; break; if(xunji_left=0&xunji_jishu=0&xunji_right=0&xunji_center_left=0&xunji_center_right=0) zhuanxiang(255,255,255,255);/停 delay2(9000); chechan(51,255); /车铲下降 delay2(2000); chechan(255,255); zhuanxiang(255,170,255,200);/倒走 delay2(500); zhuanxiang(255,255,255,255);/停 delay2(9000); checha

26、n(51,255); /车铲上升 delay2(3000); chechan(255,255); wo+=1; SFRPAGE = TIMER01_PAGE; /车铲转到车后面 TR0=1; while(1); zhuanxiang(204,255,204,255); /30%直走 while(xunji_center_left=0|xunji_center_right=0); if(xunji_right=0) zhuanxiang(170,255,255,180);/小角度右转 while(xunji_center_right=1|xunji_center_left=1); if(xunj

27、i_left=0|xunji_jishu=0) zhuanxiang(255,140,140,255);/小角度左转 while(xunji_center_left=1|xunji_center_right=1); void bizhang() unsigned char daozou=1; zhuanxiang(204,255,204,255); /30%直走 while(!(bizhang_left=1|bizhang_right=1|bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1); if(bizhang_left=1) zhuanxiang(1

28、50,255,255,150);/小角度右转 else if(bizhang_right=1) zhuanxiang(255,140,150,255); /小角度左转 else if(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1) if(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1)&(bizhang_left=0&bizhang_right=0) delay1(700); if(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1)&(bizhang_left=0&bi

29、zhang_right=0) switch(t+) case 1: zhuanxiang(104,255,255,80); /delay1(t2); while(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1); break; /九十度右转 case 2: zhuanxiang(104,255,255,80); /delay1(t2); while(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1); break; /九十度右转 case 3: zhuanxiang(255,50,100,255); /delay

30、1(t2); while(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1); break; /九十度左转 case 4: zhuanxiang(255,50,100,255); /delay1(t2); while(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1); break; /九十度左转 case 5: zhuanxiang(255,50,100,255); /delay1(t2); while(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1); break; /

31、九十度左转 case 6: zhuanxiang(104,255,255,80); /delay1(t2); while(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1); break; /九十度右转 case 7: zhuanxiang(104,255,255,80); while(bizhang_center_left=1|bizhang_center_right=1); delay2(500);/九十度右转 default: zhuanxiang(204,255,204,255); while(!(xunji_left=1|xunji_jishu

32、=1|xunji_left=1)&(xunji_center_left=0|xunji_center_right=0); while(1) do jin(); while(bizhang_center_left=0|bizhang_center_right=0); if(daozou=1) while(1) zhuanxiang(255,170,255,200); /30%倒走 delay2(5000); zhuanxiang(255,255,255,255);/停 SFRPAGE = TIMER01_PAGE; /车铲转到车前面 TR0=1; while(flag=0); delay2(90

33、00); delay2(9000); chechan(51,255); /车铲下降 delay2(2000); chechan(255,255); daozou+=1; break; void main()P3=0;Init_Device();/*SFRPAGE = TIMER01_PAGE;TR1=1;ET1=1;xianshi(second);*/while(1) bizhang(); void timer0() interrupt 1 ET0 = 0; TL0 =(65536-10000)%256; TH0 = (65536-10000)/256; count+;if(count=2)

34、count=0; switch(wo) case 0: fanzhuan(); break; /10ms步进一个角度 case 1: zhengzhuan();break; count1+; if(count1=310) /3.1s后停止， count1=0; SFRPAGE = TIMER01_PAGE; TR0=0; flag=1; ET0= 1;void timer1() interrupt 3 /时间显示 ET1=0; TL1 = (65536-50000)%256; /50ms TH1 = (65536-50000)/256; count2+; if(count2=40) count

35、2=0; second+; if(second=60) second=0; minute+; if(minute=60) minute=0; ET1=1;void timer3() interrupt 14 /计数模式 SFRPAGE = TMR4_PAGE; TR4=0;/ xianshi(6); /fretime=TMR4; SFRPAGE = TMR3_PAGE; TR3=0; TF3=0; newdata=1; /fretime+=65536L*tf4num; fretime+=1; void timer4() interrupt 16 /计数定时模式 SFRPAGE = TMR4_P

36、AGE; TF4=0; tf4num+;/ xianshi(tf4num); SFRPAGE = TMR4_PAGE; TR4=1;/*程序功能：6位数码管的驱动程序函数用法：直接调用 void xianshi(double a)注意事项：此程序为6位数码管的驱动程序，使用时要显示的数据位数必须在此范围内，否则 将会出不可预料的错误,切记不可超出6位。切记！作者：薛永华版本：第二版 说明：与第一版比较，第二版为了与SPI接口顺序一致，特将接口的CLK 与 LOCK 的顺序调换了一下。*/#define xianshi_port P2 /数码管 接口sbit LOCK= xianshi_port2;sbit DATA= xianshi_port1;sbit CLK=xianshi_port0;unsigned char code DAT11= 0xC0,/*0*/ 0xF9,/*1*/ 0xA4,/*2*/ 0xB0,/*3*/ 0x99,/*4*/