智能探測(cè)機(jī)器車的設(shè)計(jì)制作（i題）

智能探測(cè)機(jī)器車的設(shè)計(jì)制作（I題）專家點(diǎn)評(píng)本智能探測(cè)機(jī)器車完成了題目的基本部分及發(fā)揮部分的要求，對(duì)各個(gè)模塊進(jìn)行了詳細(xì)的性能比較，方案論證合理，理論分析與計(jì)算合理，電路設(shè)計(jì)與程序設(shè)計(jì)完全，需改進(jìn)的地方是整車測(cè)試缺少詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持，另外設(shè)計(jì)報(bào)告中程序框圖不夠規(guī)范。摘要本設(shè)計(jì)中的智能探測(cè)機(jī)器車以89SC52單片機(jī)為控制核心，通過PWM控制直流電動(dòng)機(jī)來為小車提供動(dòng)力；在路面循跡中，采用紅外線傳感器完成小車的循跡功能并實(shí)現(xiàn)小車的精確定位；在數(shù)據(jù)采集方面，利用超聲波、溫/濕度、顏色傳感器等傳感器實(shí)現(xiàn)小車對(duì)距離、溫度、濕度、顏色等信息的采集，通過NRF905將采集到的數(shù)據(jù)上傳到液晶12864上顯示；在語音播報(bào)方面，采用了語音芯片進(jìn)行不同情況的語音播報(bào)。該系統(tǒng)實(shí)際運(yùn)行穩(wěn)定，很好地實(shí)現(xiàn)了路面循跡、精確定位、90旋轉(zhuǎn)和360轉(zhuǎn)身、數(shù)據(jù)采集、語音播報(bào)、液晶顯示，無線收發(fā)等功能。完成了題目的基本部分及發(fā)揮部分的要求。關(guān)鍵詞路面循跡、精確定位、90和360轉(zhuǎn)身、數(shù)據(jù)采集、語音播報(bào)ABSTRACTTHEDESIGNOFTHEINTELLIGENTDETECTIONMACHINECAR89SC51MICROCONTROLLERFORTHECONTROLOFTHECORE,THESMARTINTELLIGENTCONTROLOFTHECAR,INCLUDINGROADSURFACETRACKING,PRECISEPOSITIONING,90AND360TURNED,DATAACQUISITION,VOICEBROADCAST,LCD,WIRELESSTRANSCEIVERANDOTHERFUNCTIONSBYINFRAREDSENSORSINTHEROADSURFACETRACKING,THECOMPLETECARTRACKINGANDPRECISEPOSITIONINGOFTHETROLLEYCARDISTANCE,TEMPERATURE,HUMIDITY,COLORANDOTHERINFORMATIONCOLLECTEDINTHEDATAACQUISITION,THEUSEOFSENSORSSUCHASULTRASOUND,TEMPERATURE/HUMIDITY,COLORSENSORS,ANDWILLBECOLLECTEDBYTHENRF905DATAUPLOADEDTOTHEDISPLAYEDONTHELCD12864VOICEBROADCAST,VOICEBROADCAST,USINGADIFFERENTVOICECHIPDCMOTORPWMCONTROLDCMOTORTOPROVIDEPOWERFORTHECAR,INORDERTOACHIEVETHECARFORWARDROTATIONKEYWORDSROADTRACKING,PRECISEPOSITIONING,90AND360TURNED,DATAACQUISITION,VOICEBROADCAST1系統(tǒng)方案選擇與論證本設(shè)計(jì)需要一個(gè)由控制器模塊、顯示模塊、尋線前進(jìn)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、溫濕度度檢測(cè)模塊、語音播報(bào)模塊、電源模塊、超聲波模塊，無線等幾部分組成，其關(guān)系如圖所示。MCU循跡模塊車體旋轉(zhuǎn)模塊溫/濕度傳感模塊顏色傳感器模塊電機(jī)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊顯示模塊電源模塊語音模塊無線模塊圖1系統(tǒng)模塊示意圖為實(shí)現(xiàn)本系統(tǒng)的功能，下面分別對(duì)幾種不同的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了具體的分析論證。11控制模塊的選擇方案一選用AVR單片機(jī)ATMEGA128L，ATMEGA128L是高性能、低功耗的AVR8位微處理器，64引腳。它具有兩個(gè)獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器和兩個(gè)具有預(yù)分頻器。方案二采用AT89S52單片機(jī)，AT89S52單片機(jī)是一種低功耗、高性能CMOS8位微控制器，片上FLASH允許程序存儲(chǔ)器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。由以上方案分析可以看出，AT89S52能夠滿足需要，操作簡(jiǎn)單，編程容易并且價(jià)格便宜。12車體選擇方案一購買玩具電動(dòng)車。購買的玩具電動(dòng)車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)電路。但是這種玩具電動(dòng)車由于裝配緊湊，使得各種所需傳感器的安裝十分不方便。再次，玩具電動(dòng)車的電機(jī)力矩小，負(fù)載性能差，不易調(diào)速。方案二自己制作電動(dòng)車。經(jīng)過反復(fù)考慮論證，我們制定了左右兩輪分別驅(qū)動(dòng)，后萬向輪轉(zhuǎn)向的方案。當(dāng)兩個(gè)直流電機(jī)轉(zhuǎn)向相反同時(shí)轉(zhuǎn)速相同時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)電動(dòng)車的原地旋轉(zhuǎn)，左右兩驅(qū)動(dòng)輪與后萬向輪形成了三點(diǎn)結(jié)構(gòu)，使得小車在前進(jìn)時(shí)比較平穩(wěn)。基于上述分析，我們選擇了方案二。13傳感器模塊選擇131尋跡傳感的器選擇方案一可見放光二極管和光敏二極管組成的發(fā)射接收電路。這種方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會(huì)對(duì)光敏二極管的工作產(chǎn)生干擾，增加額外的功率損耗。方案二用紅外反射管和接收管自己制作光電傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，利用紅外線照射到白色的平面后是否反射經(jīng)A/D5616轉(zhuǎn)換出電平的不同來實(shí)現(xiàn)尋跡。尋線電路圖見附件一（圖2）?；谏鲜龇治?，尋跡傳感器選擇方案二。132溫濕度傳感器的選擇方案一分別采用一個(gè)溫度傳感器和一個(gè)濕度傳感器來分別檢測(cè)溫度和濕度，這樣就增加了電路的復(fù)雜性。方案二DHT11溫度濕度復(fù)合傳感器，具有極高的可靠性與穩(wěn)定性，它具有反應(yīng)速度快、抗干擾能力強(qiáng)、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，精確度很高?；谏鲜龇治觯覀冞x擇選擇方案二。133超聲波傳感器的選擇測(cè)量距離的最好方法是利用超聲波傳感器，實(shí)驗(yàn)中我們采用了HCSR04超聲波傳感器模塊，其模塊性能穩(wěn)定，測(cè)度距離精確，盲區(qū)（2CM）超近,而且體積小，能夠滿足項(xiàng)目的要求?；谏鲜龇治?，我們采用了HCSR04超聲波傳感器模塊。14電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊方案一采用電阻網(wǎng)絡(luò)或數(shù)字電位器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的分壓，從而達(dá)到調(diào)速的目的。但電阻網(wǎng)絡(luò)只能實(shí)現(xiàn)有級(jí)調(diào)速，而數(shù)字電位器價(jià)格比較昂貴；分壓不僅降低效率，而且實(shí)現(xiàn)困難。方案二利用L298N及其外部電路和電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動(dòng)電路。單片機(jī)控制口接L298N的4個(gè)輸入控制端，只要設(shè)定一塊L298N四個(gè)控制端口IN1、IN2、IN3和IN4的不同編碼，就可使電動(dòng)車的前進(jìn)、后退、旋轉(zhuǎn)等，且價(jià)格不高。通過附件一（表1）可知，只要通過軟件控制端口就能完成對(duì)電機(jī)的操作，實(shí)現(xiàn)容易，并且誤差較小。故選擇方案二。L298NPORT1PORT3PORT2PORT4571012PORTPORT6118IN1IN12IN3IN14ENAENBGNDVCCSVVSSVSOUT1OUT2OUT3OUT4ISENAISENB92313414115D1D2D3D4D5D6D7D8100U01U100U01UMM圖2電機(jī)驅(qū)動(dòng)圖15語音模塊的選擇方案一采用單片機(jī)產(chǎn)生不同頻率信號(hào)，得到不同聲調(diào)的報(bào)警信號(hào)，以完成報(bào)警功能，此方案能完成聲音提示功能，但可讀性差。方案二采用語音模塊，完成任務(wù)等動(dòng)作作出的同時(shí)調(diào)用不同的語音程序模塊進(jìn)行語音播報(bào)，直接調(diào)用所錄聲音就能完成任務(wù)。通過比較論證，選擇更直觀的語音報(bào)警，故選擇了方案二。16顯示模塊的選擇方案一采用LED數(shù)碼管顯示，調(diào)試方便，且串行顯示只占用很少得I/O口。缺點(diǎn)是只能顯示一些簡(jiǎn)單的字符，顯示得信息十分有限。方案二采用液晶顯示。12864液晶顯示器具有功率低、內(nèi)容量大等優(yōu)點(diǎn)，符合要求。鑒于本系統(tǒng)顯示信息量大且復(fù)雜，LED數(shù)碼管不足以滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，故本系統(tǒng)選擇方案二。17電源模塊的選擇系統(tǒng)需要多個(gè)電源，單片機(jī)需要5V穩(wěn)壓電源，驅(qū)動(dòng)電路需要12V的電壓。4節(jié)可充電電池提供16V直流穩(wěn)壓電源，通過穩(wěn)壓塊和TPS5430穩(wěn)壓電路將16V電壓轉(zhuǎn)換為各部分所需的電壓供系統(tǒng)使用。圖3電源電壓轉(zhuǎn)換圖2理論分析與計(jì)算21循跡模塊使用2個(gè)紅外傳感器，成一字型排列在小車下方，根據(jù)返回來的信號(hào)，進(jìn)行相應(yīng)的處理。紅外發(fā)射管發(fā)射紅外線，當(dāng)發(fā)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來的光線通過LM311進(jìn)行比較，檢測(cè)出白線繼而輸出低電平，若紅外接收管不能接收到反射回來的光線則檢測(cè)出黑線繼而輸出高電平，通過高低電平的變化就可以判斷小車是否沿著黑色膠質(zhì)前進(jìn)，發(fā)現(xiàn)偏離及時(shí)調(diào)整。22精確定位功能通過左右兩個(gè)紅外線傳感器檢測(cè)黑線，通過LM311將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成高低電平信號(hào)，檢測(cè)到白線的時(shí)候輸出低電平，檢測(cè)到黑線的時(shí)候輸出高電平，當(dāng)兩個(gè)紅外線傳感器同時(shí)檢測(cè)到黑線（即定位點(diǎn)）時(shí)，同時(shí)輸出高電平時(shí)，小車向前行駛一小段距離，立刻剎車，同時(shí)完成計(jì)數(shù)功能，即掃描到黑線則記一次數(shù)，這樣就實(shí)現(xiàn)了精確定位的目的。23360轉(zhuǎn)身功能題目中的360轉(zhuǎn)身區(qū)共有三條黑線且距離較近，利用光電傳感器的紅外線檢測(cè)經(jīng)LM311轉(zhuǎn)換得到的高低電平，檢測(cè)到白地板時(shí)是低電平，檢測(cè)到黑線時(shí)是高電平。當(dāng)小車檢測(cè)到第一條黑線時(shí)繼續(xù)前行，第二次檢測(cè)到黑線時(shí)向前行駛一小段距離，然后完成360度轉(zhuǎn)彎，在設(shè)定的短時(shí)間內(nèi)，左輪正轉(zhuǎn)同時(shí)右輪反轉(zhuǎn)，通過精確地設(shè)定其轉(zhuǎn)身的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)其360轉(zhuǎn)身功能。24數(shù)據(jù)采集功能241超聲波模塊采用超聲波傳感器，其原理是超聲發(fā)射器發(fā)射一串的幾個(gè)長(zhǎng)短脈沖，并對(duì)測(cè)。超聲波發(fā)射器發(fā)射脈沖到超聲波接收器接收到反射回來的脈沖的這段時(shí)間，相當(dāng)于一閘門信號(hào)。超聲波發(fā)射器發(fā)射脈沖時(shí)，閘門打開為高電平；超聲波接收器接收到返回脈沖時(shí)，閘門關(guān)閉為低電平。閘門信號(hào)輸出的脈沖是一方波，這個(gè)方波的寬度為發(fā)射超聲與接收超聲的時(shí)間間隔，顯然被測(cè)物距離越大，脈沖寬度越大，輸出脈沖寬度與被測(cè)距離成正比。因此可以根據(jù)公式M（1）TVS21計(jì)算出被測(cè)距離。為聲波在空氣中的傳播速度，它和空氣的溫度有關(guān)，溫度V每升高1，聲速增加06M/S。公式（1）中，如果確定了時(shí)間T就可以計(jì)算出距離242溫/濕度傳感器模塊使用溫度濕度復(fù)合傳感器模塊DHT11，其輸出為模擬量，在子程序中對(duì)采集到的信號(hào)驚醒相應(yīng)的轉(zhuǎn)換，得到相應(yīng)數(shù)據(jù)，經(jīng)無線發(fā)送，于上位機(jī)處顯示出所測(cè)的溫度。3硬件電路與程序設(shè)計(jì)MCU電源接口5V電源穩(wěn)壓塊循跡模塊溫濕度傳感器模塊超聲波模塊顏色傳感器16V電源IOIOIOIOTSP5430電機(jī)1電機(jī)2LCD液晶顯示語音播報(bào)IOIOIO圖4系統(tǒng)硬件框圖31軟件的主要特色本系統(tǒng)采用自上而下的調(diào)試方法，即對(duì)單獨(dú)調(diào)試好每一個(gè)模塊進(jìn)行調(diào)用，然后連接成一個(gè)完整的系統(tǒng)調(diào)試。311通過調(diào)節(jié)輸入PWM驅(qū)動(dòng)模塊的方波的占空比，改變PWM模塊的輸出電壓，從而通過調(diào)節(jié)電壓的方式實(shí)現(xiàn)電機(jī)的靈活調(diào)速。312軟件在設(shè)計(jì)時(shí)，將功能模塊化，這樣使程序簡(jiǎn)潔、明晰。313程序中采用標(biāo)志位控制，使程序時(shí)刻知道現(xiàn)在所處的位置，從而實(shí)現(xiàn)程序?qū)π≤嚨恼_控制?？煞譃橐韵聨讉€(gè)模塊（1）黑線循跡子程序見附件二；（2）小車準(zhǔn)確定位的程序；（3）車體旋轉(zhuǎn)90和360程序；（4）超聲波、溫/濕度傳感器、顏色等傳感器的檢測(cè)程序；小車前進(jìn)循跡前進(jìn)程序檢測(cè)到定位點(diǎn)否是車體旋轉(zhuǎn)90程序傳感器檢測(cè)物體NRF905信息無線傳遞程序車體相反方向轉(zhuǎn)90程序繼續(xù)循跡前進(jìn)圖5小車循跡、轉(zhuǎn)身、檢測(cè)、無線傳輸流程圖41系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)功能測(cè)試測(cè)試方案及測(cè)試條件系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)在按要求嚴(yán)格制作的跑道上進(jìn)行了黑線尋線前進(jìn)、小車定位點(diǎn)準(zhǔn)確停止，90和360轉(zhuǎn)身，超聲波、溫濕度、顏色等傳感器的數(shù)據(jù)采集功能。其中，對(duì)各傳感器數(shù)據(jù)采集性能進(jìn)行獨(dú)立測(cè)試，對(duì)其他功能放在整車測(cè)試中進(jìn)行。表一傳感器數(shù)據(jù)測(cè)量實(shí)際數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)超聲波測(cè)距20CM17CM溫度傳感器3028濕度傳感器30RH26RH顏色傳感器正常結(jié)果分析標(biāo)題題數(shù)據(jù)項(xiàng)目（1）在實(shí)際運(yùn)行中，會(huì)存在偶然性的失誤和誤差，原因可能是蓄電池作為電源，其電量有限，長(zhǎng)時(shí)間放電會(huì)使蓄電池輸出的電壓下降，影響直流電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，紅外線傳感器測(cè)距距離增大，因而導(dǎo)致小車掉落。（2）各傳感器與物體的距離太大或太小都將影響傳感器采集信息的功能。（3）左右傳感器越靠前，小車尾部擺動(dòng)幅度越小，小車循跡越穩(wěn)定。42整車測(cè)試整車測(cè)試過程中，不斷進(jìn)行調(diào)試和改裝。尤其在循跡行進(jìn)過程中，不斷修改參數(shù)，保證小車平穩(wěn)前行。很好地實(shí)現(xiàn)了路面循跡、精確定位、90旋轉(zhuǎn)和360轉(zhuǎn)身、數(shù)據(jù)采集、語音播報(bào)、液晶顯示，無線收發(fā)等功能。完成了題目的基本部分及發(fā)揮部分的要求?？偨Y(jié)在比賽過程中，我們遇到過許多的問題，也曾一度產(chǎn)生分歧，項(xiàng)目幾近中斷，但是我們沒有氣餒，經(jīng)過老師的指導(dǎo)和隊(duì)友的相互協(xié)調(diào)，終于克服了種種困難，最終完成了競(jìng)賽的各項(xiàng)要求。通過這次比賽，我們體會(huì)到團(tuán)隊(duì)合作的重要性，提高了動(dòng)手能力與創(chuàng)新能力。參考文獻(xiàn)1童乃文電子系統(tǒng)設(shè)計(jì)浙江大學(xué)出版社,20002陳大欽模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)高等教育出版社,20013胡偉單片機(jī)C程序設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)例人民郵電出版社,20044趙負(fù)圖傳感器集成電路手冊(cè)化學(xué)工業(yè)出版社,20045朱傳琴應(yīng)用電子技術(shù)及實(shí)訓(xùn)中國電力出版社,2010附錄附錄一表二電機(jī)驅(qū)動(dòng)基本原理表左電機(jī)右電機(jī)IN1IN2IN3IN4左電機(jī)右電機(jī)電動(dòng)車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)0101正轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)前行0110正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)1001反轉(zhuǎn)正轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)附錄二小車循跡程序INCLUDEDEFINEUCHARUNSIGNEDCHARDEFINEUINTUNSIGNEDINTUCHARPWMZ,A,PWMY,B,SPEEDZ,SPEEDYUINTNUMZSBITP3_1P31/A電機(jī)正轉(zhuǎn)管腳SBITP3_2P32/A電機(jī)反轉(zhuǎn)管腳SBITP3_3P33/B電機(jī)正轉(zhuǎn)管腳SBITP3_4P34/B電機(jī)反轉(zhuǎn)管腳SBITP1_3P13/左循跡SBITP1_4P14/右循跡VOIDDELAYUINTZUINTX,YFORXZX0XFORY110Y0YVOIDAFRONT/A電機(jī)正轉(zhuǎn)（左輪）P3_1PWMZP3_20IFA200IFASPEEDZPWMZ1ELSEPWMZ0IFA200A0VOIDBF