智能小车方案spce061a.doc

柳州运输职业技术学院柳州运输职业技术学院 科技创新实践基地项目结题报告（论文）科技创新实践基地项目结题报告（论文） 论文题目论文题目 智能安保车智能安保车 系系 别别 电子工程系电子工程系 专业班级专业班级 06 电子以应用电子技术电子以应用电子技术 6 班班 学学 号号 6306006151 姓姓 名名 卢为宇卢为宇 指导教师指导教师 万选明万选明 目目 录录 摘摘 要要 .- 1 - 第第 1 1 章章 绪论绪论 .- 2 - 1.1 引言引言.- 2 - 1.2 设计要求设计要求.- 2 - 1.2.1 基本要求.- 2 - 1.2.2 发挥部分.- 2 - 第第 2 章章 设计方案设计方案 .- 4 - 2.1 设计思路设计思路.- 4 - 2.2 方案论证方案论证.- 4 - 2.2.1 单片机的选择与论证.- 4 - 2.2.2 寻迹传感器选择与论证.- 4 - 2.2.3 金属检测模块选择与论证.- 5 - 2.2.4 光源检测模块选择与论证.- 5 - 2.2.5 电机驱动模块选择与论证.- 5 - 2.2.6 显示模块选择与论证.- 5 - 2.2.7 语音模块选择与论证.- 6 - 第第 3 3 章章 系统设计及理论分析系统设计及理论分析 .- 6 - 3.1 硬件设计硬件设计.- 6 - 3.1.1 光电传感器设计.- 6 - 3.1.2 寻迹光电对管的安装.- 6 - 3.1.3 电机驱动模块.- 7 - 3.1.4 金属片检测及铁片搬运.- 7 - 3.1.5 寻光模块设计.- 7 - 3.1.6 显示设计.- 8 - 3.2 软件设计软件设计.- 8 - 3.2.1 主程序流程图.- 8 - 3.2.2 外部中断 1（检测铁块）.- 9 - 3.2.3 寻迹子程序.- 10 - 3.2.4 2HZ中断.- 11 - 第第 4 4 章章 系统测试系统测试 .- 12 - 4.1 测试仪器及设备测试仪器及设备.- 12 - 4.2 指标测试指标测试.- 12 - 4.2.1 基本功能测试如表 4-2.- 12 - 4.2.2 性能测试如表 4-3.- 12 - 4.2.3 误差分析.- 13 - 结论结论 .- 14 - 参考文献参考文献 .- 13 - 致谢词致谢词 .- 14 - 附录附录 1 元器件清单元器件清单.- 14 - 附录附录 2 印制版图印制版图.- 15 - 附录附录 3 操作简介操作简介.- 16 - 柳州运输职业技术学院 科技创新实践基地项目结题报告（论文） - 1 - 智能安保车 摘 要 本设计采用凌阳 SPCE061A 单片机作为智能安保车的控制核心，主要由寻迹 模块、寻光模块、电机驱动模块、数码管显示模块和搬运模块等电路组成。通 过硬件和软件的结合，小车能够从出发区沿跑道走到搜索区并将放置在搜索区 上的铁片搬运到危险物品存放区，在捡到铁片时有语音播报区分铁片的颜色 （黑色代表爆炸物、白色代表毒品） ，且搬运过程中发出报警的声音；铁片数目 不限，当搜索区的铁片搬完后，小车按路线自动返回到停车区并语音播报整个 过程中所用的时间。 关键字：SPCE061A，寻迹，传感器，趋光行驶 - 2 - 第 1 章 绪论 1.1 引言 随着科学技术的发展，自动化、智能化的程度进一步得到了提高，新一代 智能安防车的研发在国内外受到越来越多的重视。由于传统的安防车都是有人 进行操作和控制，不可避免的存在一些问题，所以急需开发新型的安防车系统。 我们制作了“智能型安保小车”模型。该作品克服了传统安防车的缺点，尤其 适用于扑救一些危险、有毒、易爆的物品的火灾。在实际应用中很有意义。在消 防安全方面，如果我们能够用智能化机器人来替代人来到危险区的话，那样我 们将会大大减少许多事故的发生。 1.2 设计要求 设计并制作一个能自动搜索与区分危险物品智能安保车，其工作示意图如 下。 图中，左边有停车区、危险物品存放区和智能安保车出发区，右边是智能 安保车行车路线和搜索危险物品区。智能安保车从出发区出发后沿引导的黑色 轨迹线行走，在搜索区上面分别放置有表示危险物品的白色和黑色的薄铁片， 白色薄铁片代表毒品，黑色的薄铁片代表爆炸物，两铁片之间的距离约 15cm。 （白色和黑色的薄铁片顺序可任意放置） 图 1-1 1.2.1 基本要求 （1）智能安保车从出发区的起跑线出发（车体不得超过起跑线） ，车能够沿 着黑色引导线行驶，搜索并搬取代表危险物品的第一块铁片，然后在光源的引 导下将铁片搬运到危险物品存放区存放。 （2）智能安保车检测到铁片时能显示铁片代表的是毒品还是代表爆炸物，并 发出不同报警声光，报警声光要持续到将危险物品存放到危险物品存放区为止。 （3）以上过程要求在 3 分钟之内完成，否则就地停车。 柳州运输职业技术学院 科技创新实践基地项目结题报告（论文） - 3 - 1.2.2 发挥部分 （1）智能安保车搬运第一铁片到危险物品存放区后，能自动回到搜索区取 走第二块铁片，智能安保车检测到铁片时能显示铁片代表的是毒品还是代表爆 炸物，并发出不同的报警声光信息。 （2）智能安保车能准确将危险物品存放到危险物品存放区后，返回停车区 停车。同时显示智能车全程行驶的时间，显示误差的绝对值应小于 5 秒，全部 过程在 8 分钟之内完成，否则就地停车。 （3）其它。 - 4 - 第第 2 章章 设计方案设计方案 2.1 设计思路 根据题目要求，实现小车寻迹，找到寻迹线上的铁片，在光源的引导下一 次将一片铁片搬运到光源区域内。本设计分为控制部分和信号检测部分。采用 SPCE061A 单片机作为本设计控制部分，完成电机驱动、LED 显示、语音播报。 采用光电对管、光敏电阻、电感式接近开关做为信号检测，完成寻迹、光源检 测、铁片检测等功能。本系统设计的整体结构如图 2-1 所示。 凌阳SPCE061A单片机 光电传感器电路 金属检测电路 寻光检测电路 语音播报 数码管驱动 直流电动机 电机驱动电路 数码管显示 图 2-1 系统整体框图 2.2 方案论证 2.2.1 单片机的选择与论证 方案一：采用 AT89C51 系列单片机作为系统控制器。在本设计中，使用的 I/O 口资源较多和需要语音的播报和识别，对于 51 单片机来说，实现这些功能 都比较困难。 方案二：采用凌阳 16 位单片机 SPCE061A 作为控制核心。SPCE061 是一款 拥有 2K RAM、32KFlash、32 个 I/O 口，并集成了 AD/DA 功能强大的 16 位微处 理器，它还拥有丰富的语音处理功能，为小车的功能扩展提供了相当大的空间。 独特的语音功能可使本系统具有更好的人机交互界面。而且它内部还有 PWM 脉 宽调制，可以实现电机调速。 综上分析，选择方案二更有利本设计。 2.2.2 寻迹传感器选择与论证 方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境 光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑 线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明 显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受 柳州运输职业技术学院 科技创新实践基地项目结题报告（论文） - 5 - 光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。 方案二：用 RPR220 型光电对管。RPR220 是一种一体化反射型光电探测器， 其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光 电三极管。采用 RPR220 完全可以有效的降低干扰，而且方便可行，能够准确的 实施检测。 RPR220 采用 DIP4 封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内 置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。且当发光二极管发 出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作 性能稳定。 综上分析选择方案二，采用 RPR220 光电对管。 2.2.3 金属检测模块选择与论证 方案一：采用电涡流原理自制的传感器，取才方便，但难以调试，输出信 号也不可靠，成功率比较低，难以准确输出传感信息。 方案二：采用市面易购的电感式接近开关 LJ12A34Z/BX，虽然电感式接近 开关占的体积大，但是对本智能小车是可以接受的，且输出信号较可靠，稳定 性好，受外界的干扰小。 综合分析，采用方案二。 2.2.4 光源检测模块选择与论证 方案一：在小车前面装上几个光电开关，通过不同方向射来的光使光电开 关工作，从而对小车行驶方向进行控制，但是根据光电开关特性，只有当光达 到一定强度时才能够导通，因此带有一定的局限性。 方案二：在小车前面装上光敏二极管或者光敏电阻，再通过 A/D 转换电路 转换成数字量，送入单片机，单片机再对读入的数据进行存储、比较，然后发 出命令对外围电路进控制。 方案二硬件稍为复杂，但能够对不同强度的光进行采集以及比较，操作灵活， 所以采用方案二。 2.2.5 电机驱动模块选择与论证 方案一：采用分立元件构成电路来驱动直流电机。由于分立元件构成电机 驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作 性能不够稳定。 方案二：采用继电器对电动机的开或关进行控制，通过控制开光的切换速 度实现对小车的速度进行调整。该电路简单，但继电器的体积大、要驱动电路。 方案三：采用 L293D 作为电机驱动芯片。L293D 是一种直流电机控制器件， 该器件具有外围电路简单、稳定性高等特点。 经过考虑，采用方案三。 - 6 - 2.2.6 显示模块选择与论证 为了满足显示小车行走的所需时间和实时显示铁片数目的设计要求，我们 用到显示模块。 方案一：采用 LED 作为显示，数码管显示亮度高，远程观测也比较醒目。 由于显示模块只是用来显示一些简单数字，且根据要求所显示数字为清晰可见 这就为使用数码管的变成了可能。 方案二：采用 LCD 液晶显示，用在该小车设计中显得复杂，在远距离时显 示不易观察。 综上分析，采用方案一。 2.2.7 语音模块选择与论证 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：如果控制器采用凌阳 16 位单片机 SPCE061A，SPCE061A 开发 板自身集成有语音模块，不需要外围扩展，而且由于其集成开发环境自带的语 音 API 函数库，可以减少开发难度和复杂度。 综上分析，采用方案 2 - 6 - 第 3 章 系统设计及理论分析 3.1 硬件设计 3.1.1 光电传感器设计 本智能安保车采用光电对管，通过光电对管检测到黑白线时输出的电压不 同，再通过比较器处理，可以实现当光电对管遇到黑线时，比较器输出高电平， 遇到白线时输出低电平。本设计用的比较器是 LM339。电路原理图如下图 3-1 所示： 图 3-1 光电对管检测电路图 在图 22中，可调电阻 R3 可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输 出波形相当规则，可以直接通过单片机处理。 3.1.2 寻迹光电对管的安装 根据设计要求，小车在车头安装了 3 个光电传感器用来校正小车往前走的 寻迹路线 ，保证小车沿着黑线走。安装在车尾的 3 光电个传感器用来沿着黑线 返回车库装时用。传感器安装位置前后对齐如图 3-2（a）所示，其原理图如 3- 2(b)所示。 1 2 3 4 位位位位1 1 2 3 4 位位位位2 1 2 3 4 位位位位3 5.1K R1 5.1K R2 5.1K R3 5.1K R5 5.1K R6 5.1K R7 VCC 123 7 6 1 A U2ALM339N 123 5 4 2 B U2B LM339N 123 9 8 14 C U2C LM339N NF1NF3 NF2 IOB4 IOB5 IOB6 VCCVCC VCC 330 R14 330 R15 330 R17 OUT1 OUT2 OUT3 OUT1 OUT2 OUT3 VCC OUT1 OUT2 OUT3 20K PR1 20K PR2 20K PR3 VCC NF1NF2NF3 (a)传感器安装示意图 (b)光电对管原理图 光电传感器 柳州运输职业技术学院 科技创新实践基地项目结题报告（论文） - 7 - 图 3-2 3.1.3 电机驱动模块 通过驱动电路控制电机的正转和反转，实现小车的前进和倒退。本设计采 用 L293D 作为驱动芯片，驱动电路设计如图 3-3 所示： 图 3-3 驱动电路图 3.1.4 金属片检测及铁片搬运 该检测部分采用了电感式接近开关 LJ12A34Z/BX，该电感式接近开关共三 个接口：接地，接电源，另一个为输出，其有效测距为 4 mm，可以满足本设计 小车的设计需求。电感式接近开关 LJ12A34Z/BX 与两个电磁铁结合完成铁片检 测及搬运。两个电磁铁串联，由一个三极管（当作控制开关）与其相接，用 SPCE061A 的一个 I/O 口输出信号来控制电磁铁的通、断。其原理图如图 3-4 所示： 1 2 3 位位位位 1K R1 1 2 3 4 5 位位位 Q1 2N3904 VCC I/OB3 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 位位位I/OB位 VCC I/OB4 1 2 位位位位 图 3-4 铁片检测及吸铁电路 - 8 - 3.1.5 寻光模块设计 本设计的寻光部分主要通过光敏电阻和单片机内部的 A/D 来完成。当光敏 电阻接收到不同强度的光照时其阻值会改变，光照越强电阻越小。 ，由于光敏电 阻阻值的变化，输入到 I/OA6 口的电压随着变化，通过单片机内部的 A/D 转换 成的数值也会变化，通过对数值的处理来确定寻光方向。原理图如图 3-5 所示： 位位位位 5.1K R2 VCCVCC位位位位3.3V位位 位位位位I/OA6位 图 3-5 寻光电路 3.1.6 显示设计 本设计采用 MAX7219 来驱动四位码管来实现时间显示，MAX7219 是一种集 成化的串行输入/输出共阴极显示驱动器,它连接微处理器与 8 位数字的 7 段数 字 LED 显示，也可以连接条线图显示器或者 64 个独立的 LED。通过软件编程可 以与单片机通信，以达到设计的要求。本设计的应用电路原理图如图 3-6 所示： e 1 d 2 dp 3 c 4 g 5 gnd1 6 b 7 gnd2 8 gnd3 9 gnd4 12 f 10 a 11 4位LED DIG2 6 DIG6 5 GND 4 SEG E 21 SEG G 17 ISET 18 V+ 19 SEG C 20 DIG4 3 SEG D 23 DIN 1 DIG0 2 SEG F 15 SEG B 16 SEG A 14 GND 9 DIG1 11 DIG5 10 CLK 13 SEG DP 22 DIG3 7 DIG7 8 DOUT 24 LOAD 12 U1 MAX7219ERG 1 2 3 4 5 位位位 103 C1 9.1K R1 VCC VCC VCC GND1 GND2 GND3 GND4GND1 GND2 GND3 GND4 图 3-6 显示驱动电路 3.2 软件设计 本设计主要采用 SPCE061A 单片机作为控制核心，使用 C 语言来编程，最后 用电脑通过在线调式器把程序下载到 SPCE061A 单片机中。通过软件编程实现小 车的寻迹、寻光、还有铁片的检测与铁片颜色的判断。本系统主要用中断来实 现，其中计时用到了 2Hz 中断，寻迹和寻光用到了定时器中断、检测铁片用到 一个外部中断。 柳州运输职业技术学院 科技创新实践基地项目结题报告（论文） - 9 - 3.2.1 主程序流程图 小车一上电后，通过按开始键，程序开始进入中断，小车开始运行。其流 程图如图 3-7 所示： 开始 启动键是 否按下 运行中断程序 小车是否 完成任务 显示播报数据 复位 N Y N Y 返回 图 3-7 主流程图 3.2.2 外部中断 1（检测铁块） 当感式接近开关 LJ12A34Z/BX 检测到铁片的时候，单片机马上响应外部中 断，然后调用寻光子函数，同时发出声光报警。流程图如图 3-8 所示: - 10 - 中断初始化 是否遇到铁片 调用寻光子函数 清中断 返回 N Y 吸起铁片并发 出声光报警 图 3-8 外部中断 1 流程图 3.2.3 寻迹子程序 用定时器中断来检测光电对管的检测状态，从而判断出小车应该往哪个方 向行走。流程图如图 3-9 所示: 柳州运输职业技术学院 科技创新实践基地项目结题报告（论文） - 11 - 调调用用寻寻迹迹中中断断 子子函函数数 光光电电管管1、3遇遇白白线线 光光电电管管2遇遇黑黑线线 光光电电管管1、2遇遇黑黑线线 光光电电管管3遇遇白白线线 光光电电管管1遇遇黑黑线线 光光电电管管2、3遇遇白白线线 光光电电管管1遇遇黑黑线线 光光电电管管2、3遇遇白白线线 光光电电管管1遇遇黑黑线线 光光电电管管2、3遇遇白白线线 左左转转右右转转 复复位位? 前前进进 完完成成任任务务? 关关中中断断 前前进进 N Y N N Y Y 图 3-9 寻迹子函数流程图 - 12 - 3.2.4 2Hz 中断 当启动键按下之后，小车开始运行，时间开始计时。通过用 2Hz 的中断的 计数来实现计时，其流程图如图 3-10 所示: 中断初始化 计数值加一 是否回到车库 系统停止计时 清中断 返回 N Y 启动键按下 图 3-10 2Hz 中断流程图 - 12 - 第 4 章 系统测试 4.1 测试仪器及设备 表 4-1 测试仪器设备清单 仪器名称型号用途数量 PC 机DELL调试及下载程序1 数字万用表 DM3051 测量各电路工作情况1 秒表记录时间1 4.2 指标测试 通过了多次的调试与修改，小车能够很好的完成题目的设计要求。在最后 阶段我们对小车做了基本功能的测试与性能的测试，结果如下： 4.2.1 基本功能测试如表 4-2 表 4-2 基本功能测试 测试次数寻迹检测金属检测铁片颜色检测寻光检测显示语音播报 1完成完成完成完成完成完成 2完成完成完成完成完成完成 3完成出错出错完成出错出错完成出错出错 4完成完成完成完成完成完成 5完成完成完成完成完成完成 4.2.2 性能测试如表 4-3 表 4-3 性能测试 次数颜色区别语音播报检两块铁片所用时间声光报警 1正确正确56S正确 2正确正确57S正确 3 正确正确59S正确 4错误错误_错误 5正确正确65S正确 注：“”表示没有完成就出现错误了。 柳州运输职业技术学院 科技创新实践基地项目结题报告（论文） - 13 - 4.2.3 误差分析 在测试有过程中出现的不稳定的现象，经过分析可能是环境影响为主要原 因。一个是跑道表面可能不干净，别外一个就是光照强度的变化等。别外的原 因也可能是硬件部分有接触不良或是电源不稳定造成。但是经过多次的测试， 完成率可以达到 90%以上。 - 14 - 结论 测试表明，小车能够较好的完成实验的基本要求和发挥部分。通过各种方 案的讨论及尝试，再经过多次的整体软硬件结合调试，不断地对系统进行优化， 智能小车能够完成各项功能到达车库。而且语音播报清晰，显示正常，寻迹寻 光稳定，在检测搬运铁片的时候出错也很少，可以说性能很稳定。但是本设计 还是存在着一些不足，比如说自动化程度还不够理想，如果说再加多一些灭火 装置或是避障之类的功能的话会更加完美。 柳州运输职业技术学院 科技创新实践基地项目结题报告（论文） - 13 - 参考文献 1 李晓白，秦红磊，朱俊杰，潘泽 凌阳 16 位单片机 C 言语开发北京航 空航天大学出版社，2006 . 2 侯秀萍，袁秀丽，张伟等.模糊逻辑技术在医学诊断中的应用研Jl.微机 发展2005,15(5):9496 . 3 罗亚非.凌阳十六位单片机应用基础M北京.北京航空航天大学版.2005.。 4 张慰兮_微型计算机伍ICS51系列)原理、接口及其应用M. 南 京:南京大 出版社，1999. 5 魏永广现代传感技术M哈尔滨：东北大学出版社，2001，4. 6谭浩强编著.C语言程序设计.北京:清华大学出版社,2000. 7单片微型计算机原理及应用M西安：西安电子科技大学出版社. 8.21IC 中国电子网。 9万方数据资源统一服务系统。 10黄庆华、张永格等主编. 单片机开发技术与实训.北京:电子工业出版社， 2006 年 7 月. - 14 - 致谢词 首先感谢万选明和梁德坚两位老师对本设计的精心指导与帮助。在本次毕 业设过程中，无论是在程序上还是在硬件上都遇到了许多的难题，特别是到了 最后的调试阶段出现的问题更加难以解块。但是在老师还有同学们的帮助下， 我最终完成了我的毕业设计。所以再次感谢老师和同学们的帮助。 在这次的毕业设计中，让我学到了更多的知识，无论是从理论上还是动手 能力方面来说，都让我有了一个很大的提高。特别是让我学到了许多遇到难题 的时怎样去解块的方法。同时也让我在电子制作方面有了个很大的提高。可以 说这次毕业生设计让我受益匪浅。 在论文方面，也让我学到了许多关于专业的理论基础知识，同时也让我对 Word 操作软件的使用能力得到了进一步的提高。在写论文过程中，通过针对性 地查找资料，不但加强了原有电子方面的知识，而且了解了最新的专业知识， 提高了自己的应用能力。为我以后走进社会打下了良好的基础。 此外，在这里还要衷心地感谢张永格老师、向建中老师、黄莺老师等应用 电子技术教研室的各位老师以及电子技术实验室的杨志友老师。感谢他们在我 做实验时给我悉心的指导与支持。感谢学院领导对本次毕业