多功能智能救援小車(chē)的設(shè)計(jì)

1、目 錄摘要1關(guān)鍵詞1Abstract1Key words1引言21多功能智能救援的概述21.1課題背景2 1.2多功能智能救援車(chē)的技術(shù)概況21.3多功能智能救援小車(chē)的研究目的和研究意義32.方案的比較與選擇32.1小車(chē)的車(chē)體選擇42.2小車(chē)主控芯片的選擇42.3小車(chē)自動(dòng)循跡模塊的選擇52.4小車(chē)金屬檢測(cè)裝置的選擇 62.5小車(chē)金屬撿取裝置的選擇62.6小車(chē)避障模塊的選擇72.7小車(chē)顯示模塊的選擇82.8方案的最終選定83硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) 83.1智能救援車(chē)最小控制模塊的設(shè)計(jì).83.1.1最小系統(tǒng)中時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì) 93.1.2最小系統(tǒng)中復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 93.2智能救援車(chē)電源模塊的設(shè)計(jì)10

2、3.2.1單片機(jī)供電穩(wěn)壓模塊設(shè)計(jì)103.2.2驅(qū)動(dòng)電路與其他模塊穩(wěn)壓的設(shè)計(jì)103.3智能救援車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)113.4智能救援車(chē)循跡避障模塊的設(shè)計(jì)133.4.1智能救援車(chē)循跡模塊的設(shè)計(jì)133.4.2智能救援車(chē)避障模塊的設(shè)計(jì)153.5智能救援車(chē)檢測(cè)金屬和轉(zhuǎn)移金屬模塊設(shè)計(jì)16多功能智能救援小車(chē)的設(shè)計(jì)3.5.1智能救援車(chē)檢測(cè)金屬模塊的設(shè)計(jì)163.5.2智能救援車(chē)撿取金屬模塊的設(shè)計(jì)163.6智能救援車(chē)顯示模塊的設(shè)計(jì)174系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)184.1調(diào)速模塊的設(shè)計(jì)194.2液晶顯示模塊的設(shè)計(jì)194.3小車(chē)檢測(cè)與撿取金屬程序流程圖的設(shè)計(jì)214.4避障模塊流程圖的設(shè)計(jì)214.5循跡模塊流程圖的設(shè)計(jì)225結(jié)論

3、22參考文獻(xiàn)24附錄25致謝28多功能智能救援小車(chē)的設(shè)計(jì)機(jī)械電子工程 趙立民指導(dǎo)老師 楊桂林摘要：本設(shè)計(jì)是以STC89C52為核心控制單片機(jī)，外部搭設(shè)了各種傳感器、機(jī)械手和太陽(yáng)能電池板。當(dāng)接收到信息后可快速處理數(shù)據(jù)后并完成相應(yīng)的操作，以此實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能的多功能智能救援車(chē)。小車(chē)的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力由L298N驅(qū)動(dòng)四個(gè)直流減速電機(jī)提供，通過(guò)漫反射光電開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)時(shí)采集與周?chē)矬w的距離，以實(shí)現(xiàn)避開(kāi)障礙物的功能；系統(tǒng)的循跡功能采用RPR220型光電傳感器來(lái)采集數(shù)據(jù)并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)來(lái)完成；采用金屬接近開(kāi)關(guān)TL-Q5MC1來(lái)檢測(cè)鐵片并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，最終由單片機(jī)控制撿取機(jī)構(gòu)撿起鐵片并轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域；此外小車(chē)還搭載1602液

4、晶，對(duì)小車(chē)的顯示時(shí)間進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。從而實(shí)現(xiàn)了能夠自動(dòng)檢測(cè)鐵片、循跡、避障、轉(zhuǎn)移金屬鐵片、自行充電和實(shí)時(shí)顯示小車(chē)行駛時(shí)間的的多功能智能救援小車(chē)。關(guān)鍵詞：電機(jī)驅(qū)動(dòng)L298N；漫反射光電開(kāi)關(guān)；RPR220；接近開(kāi)關(guān)；機(jī)械手 Design of Multi-functional Intelligent Rescue VehicleStudent majoring in mechatronic engineering Zhao LiMinTutor Yang GuiLinAbstract：The design is based on the core control STC89C52 micr

5、ocontroller, external erection of a variety of sensors, robots and solar panels. Once Upon receiving the information can quickly process the data and complete the appropriate action in order to achieve the appropriate multi-function smart rescue vehicle. L298N driving power car driven by four DC gea

6、r motor is provided by diffuse photoelectric switch to real-time acquisition and surrounding objects distance, avoid obstacles in order to achieve the function; tracking features of the system using RPR220 photoelectric sensors to collect data and transmitted to the microcontroller to complete; usin

7、g metal sensor TL-Q5MC to detect iron and transmitted to the microcontroller, ultimately controlled by the microcontroller seizure agency picked up the iron and transferred to a safe area; also car is also equipped with 1602, of the trolley Show time for real-time display. In order to achieve the ab

8、ility to automatically avoid obstacles, tracking, testing, transfer of metallic iron piece, self-charging and real-time display of the car driving the car multifunctional smart rescue.Key words: Motor driver L298N; Diffuse photoelectric switch; RPR220; Proximity switch; manipulator引言伴隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，國(guó)內(nèi)外

9、對(duì)于多功能智能系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)以及應(yīng)用越來(lái)越加廣泛，其中多功能智能救援系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)尤為引起專(zhuān)家們的高度重視。目前，國(guó)內(nèi)外多功能智能救援系統(tǒng)的主要用途是用于在救援人員無(wú)法施展救援工作或救援人員參入工作危險(xiǎn)性較大的條件下，保證搶險(xiǎn)工作的順便進(jìn)行，保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的設(shè)備。根據(jù)以上情況，結(jié)合本設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的多功能智能救援小車(chē)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)避障、自動(dòng)尋跡、對(duì)行駛時(shí)間實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)檢測(cè)路面鐵塊并且轉(zhuǎn)移到安全地域和太陽(yáng)能智能充電的功能，本設(shè)計(jì)結(jié)合了國(guó)內(nèi)外大量的有關(guān)多功能智能救援小車(chē)科研項(xiàng)目的資料?；谝陨系墓δ?，本設(shè)計(jì)采用了STC89C52單片機(jī)作為本控制系統(tǒng)的核心控制單片機(jī)，硬件部分主要包括了以下的幾個(gè)模塊：

10、直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N、尋跡模塊RPR220光電對(duì)管、漫反射紅外光電對(duì)管、直流減速電動(dòng)機(jī)、單片機(jī)控制模塊STC89C52、金屬感應(yīng)傳感器TL-Q5MC1、1602液晶顯示模塊、機(jī)械手轉(zhuǎn)移金屬模塊、電源穩(wěn)壓模塊等。本設(shè)計(jì)的救援小車(chē)在工作時(shí)由四個(gè)直流減速電機(jī)驅(qū)動(dòng)來(lái)提供動(dòng)力，用漫反射光電開(kāi)關(guān)、RPR220型紅外線光電對(duì)管實(shí)現(xiàn)在行駛中遇到障礙物的躲避和循跡功能，當(dāng)遇到金屬物品時(shí)由金屬感應(yīng)器TL-Q5MC1來(lái)檢測(cè)鐵片并傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)，最終由單片機(jī)來(lái)控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)來(lái)?yè)炱痂F片并轉(zhuǎn)移到安全區(qū)域，此外搭載的1602液晶在小車(chē)行駛過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)行駛時(shí)間進(jìn)行顯示。從而實(shí)現(xiàn)了能夠自動(dòng)避障、循跡、檢測(cè)、轉(zhuǎn)移金屬鐵

11、片、自行充電和實(shí)時(shí)顯示小車(chē)行駛時(shí)間的的多功能智能救援小車(chē)，大大提高了小車(chē)的救援效率。 1 多功能智能救援車(chē)的概述1.1課題背景 結(jié)合我國(guó)2008年的汶川特大地震和南方的特大雪災(zāi)，以及2010年的玉樹(shù)地震和舟曲的泥石流等一些列的自然災(zāi)害。近幾年我國(guó)的自然災(zāi)害越演越烈，給人民的財(cái)產(chǎn)、生活、交通安全帶來(lái)重大的安全隱患。據(jù)統(tǒng)計(jì)自2008年起，罕見(jiàn)的冰雪天氣卷席南方致使黔東南大地遭受1984年以來(lái)最大的冰雪災(zāi)害。致使其下轄的多個(gè)市縣供電系統(tǒng)出現(xiàn)嚴(yán)重故障，并且致使受災(zāi)戶(hù)數(shù)累計(jì)多達(dá)12.98萬(wàn)戶(hù)之多。2008年汶川發(fā)生的8級(jí)特大地震，致使四川遇難和失蹤人數(shù)高達(dá)87000人，直接經(jīng)濟(jì)損失8

12、451億之多，經(jīng)濟(jì)狀態(tài)倒退五年之多。除此以外，每年雨季到來(lái)時(shí)我國(guó)部分山區(qū)泥石流不斷，因?yàn)榫仍ぷ鳠o(wú)法及時(shí)展開(kāi)導(dǎo)致的人數(shù)傷亡和損失無(wú)法估量?？梢?jiàn)自然災(zāi)害對(duì)于交通安全產(chǎn)生和人民財(cái)產(chǎn)安全的嚴(yán)重影響，因此最大程度的降低自然災(zāi)害對(duì)人民財(cái)產(chǎn)安全造成的危害是迫在眉睫的。結(jié)合我國(guó)現(xiàn)在的國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展情況，開(kāi)展多功能智能救援車(chē)技術(shù)的研究，研究開(kāi)發(fā)有針對(duì)性的智能救援工具，已成為時(shí)下一個(gè)重要而緊迫的課題。1.2 多功能智能救援車(chē)的技術(shù)概況 多功能智能救援車(chē)的用途主要是用于在救援人員無(wú)法施展救援工作或救援人員參入工作危險(xiǎn)性較大的條件下，保證搶險(xiǎn)工作的順利進(jìn)行，從而保障人民生命財(cái)產(chǎn)安全的設(shè)備。近

13、幾十年，國(guó)外對(duì)于智能救援車(chē)的研究發(fā)展非常迅速，并且研發(fā)種類(lèi)越來(lái)越多，研究各類(lèi)的救援車(chē)基本能夠適合所有的救災(zāi)場(chǎng)合。此外，各大生產(chǎn)廠商也在實(shí)際需求的要求下采用全新技術(shù)和新工藝的同時(shí)，不斷提高產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力和研發(fā)新一代的多功能智能救援車(chē)。目前，國(guó)外智能救援車(chē)的主要發(fā)展趨勢(shì)有一下幾大方向：（1）全自動(dòng)電液雙控制系統(tǒng)，可使智能救援車(chē)在作業(yè)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)動(dòng)力的功能，使救援速度自動(dòng)適應(yīng)救援環(huán)境變化，由此也保證了在救援時(shí)候高效率的要求。（2）向可以參加多種復(fù)雜環(huán)境的救援車(chē)方向發(fā)展，提高了救援車(chē)的使用效率以及拓寬了機(jī)器的使用范圍。（3）研制具有仿形能力的多功能智能救援車(chē)，加強(qiáng)保護(hù)救援過(guò)程中的傷員，提高智能救援車(chē)的適

14、應(yīng)能力，并逐步向高速度、智能、多學(xué)科融合一體化方向發(fā)展。于發(fā)達(dá)國(guó)家相比較，我國(guó)對(duì)于多功能智能救援車(chē)技術(shù)研究起步較晚，始于近十幾年，相關(guān)研究單位主要集中在消防救援部門(mén)、高校創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室。并且近幾年先后有幾種救援車(chē)的研究和投入適用的救援車(chē)。伴隨著2008年汶川地震、南方特大雪災(zāi)等重大的自然災(zāi)害現(xiàn)象的頻繁出現(xiàn)，無(wú)人救援工作越來(lái)越引起國(guó)家的高度重視，國(guó)內(nèi)一些廠家也參照國(guó)外的先進(jìn)技術(shù)工藝，研制出適合我國(guó)救援工作的救援工具，如生命跡象檢測(cè)儀和完成特殊工作的儀器，例如2013年為了完成月球檢測(cè)的玉兔號(hào)。但相對(duì)于世界先進(jìn)國(guó)家智能救援車(chē)的發(fā)展?fàn)顩r相比，產(chǎn)品的數(shù)量以及性能差距較大?；诖朔N現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)先后開(kāi)展了各種關(guān)

15、于多功能智能救援車(chē)方面的電子設(shè)計(jì)大賽，除此以外國(guó)內(nèi)像清華大學(xué)此類(lèi)的高校開(kāi)展了關(guān)于智能車(chē)的研究，并且有越來(lái)越多的機(jī)構(gòu)和學(xué)者也加入到這一新興學(xué)科中。1.3多功能智能救援小車(chē)的研究目的和研究意義 本課題研究目的就是本著實(shí)用的設(shè)計(jì)思想，充分考慮到了生產(chǎn)需求、使用需求、環(huán)境需求、經(jīng)濟(jì)需求等一系列的因素，追求實(shí)現(xiàn)合理設(shè)計(jì)的多功能智能救援小車(chē)。本次設(shè)計(jì)涉及到的領(lǐng)域有電子、機(jī)械原理、信息科學(xué)、設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，是一個(gè)綜合性的應(yīng)用研究課題。設(shè)計(jì)以高效實(shí)用、最大限度保護(hù)傷員為目的的多功能智能救援車(chē)，設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)了較長(zhǎng)時(shí)間的市場(chǎng)調(diào)查，根據(jù)現(xiàn)有的資料，工藝，設(shè)備及發(fā)展趨勢(shì)，從而較為完整的完成了多功能智能救援車(chē)的

16、驗(yàn)證和設(shè)計(jì)，并將通過(guò)試驗(yàn)和修正保證整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。使其成為易于維護(hù)和進(jìn)一步進(jìn)行功能擴(kuò)展，盡筆者的思想理念推動(dòng)產(chǎn)生一種全新的多功能智能救援車(chē)設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)模式，進(jìn)而推動(dòng)多功能救援車(chē)的設(shè)計(jì)進(jìn)步及革命。2 方案的比較與選擇 根據(jù)本設(shè)計(jì)要滿(mǎn)足的基本要求，結(jié)合本設(shè)計(jì)任務(wù)主要完成智能救援小車(chē)的自動(dòng)避障、循跡、檢測(cè)金屬、撿取金屬并且轉(zhuǎn)移到安全位置、顯示行駛時(shí)間等一系列的工作，同時(shí)對(duì)行駛過(guò)程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理。根據(jù)以上要完成的相應(yīng)功能，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)整體最終劃分為以下的幾個(gè)基本模塊：電源模塊、直流減速電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、尋跡探測(cè)模塊、避障模塊、金屬檢測(cè)與轉(zhuǎn)移模塊、行駛時(shí)間顯示模塊。本設(shè)計(jì)中小車(chē)主要模

17、塊結(jié)構(gòu)圖如圖2-1所示：STC89C52金屬檢測(cè)模塊穩(wěn)壓電源模塊循跡檢測(cè)模塊電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊機(jī)械手模塊顯示模塊圖2-1 小車(chē)主要模塊結(jié)構(gòu)圖21小車(chē)的車(chē)體選擇方案一 購(gòu)買(mǎi)標(biāo)準(zhǔn)智能車(chē)模型標(biāo)準(zhǔn)的智能車(chē)模型具有組裝完整的車(chē)輪和轉(zhuǎn)向結(jié)構(gòu)、電機(jī)和驅(qū)動(dòng)模塊以及搭載各種控制器的合適位置，此外標(biāo)準(zhǔn)車(chē)模還有減震裝置，對(duì)小車(chē)行駛過(guò)程中的顛簸有一定的緩沖作用，從而減輕對(duì)傳感器精確度的影響。標(biāo)準(zhǔn)的智能車(chē)模型還具有以下的優(yōu)點(diǎn)：標(biāo)準(zhǔn)智能車(chē)模型空間優(yōu)化合理，可以在合適的位置安放自己設(shè)計(jì)的PCB板子安裝起來(lái)比較方便。標(biāo)準(zhǔn)的智能車(chē)模型也有相應(yīng)的缺點(diǎn)，如搭載的減速電機(jī)都是塑料齒輪，這一來(lái)在較為惡劣的工作環(huán)境時(shí)候很可能會(huì)出現(xiàn)齒輪因?yàn)榕ぞ?/p>

18、過(guò)大而扭斷的情況。其次，標(biāo)準(zhǔn)智能車(chē)模型雖然是空間優(yōu)化合理，但是對(duì)不同的設(shè)計(jì)者布置線路的喜好不同也會(huì)出現(xiàn)不好的結(jié)果從而影響信號(hào)精度。方案二 自行訂制智能車(chē)根據(jù)自己實(shí)際設(shè)計(jì)的搶險(xiǎn)車(chē)的尺寸，自己手工制作車(chē)的底盤(pán)和搭載線路板的支架。并且可以根據(jù)智能車(chē)的工作情況自行選擇減速電機(jī)的型號(hào)，從而解決在工作過(guò)程中可能出現(xiàn)的齒輪斷裂的情況。自行設(shè)計(jì)救援小車(chē)的車(chē)模，能更好的滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)功能實(shí)現(xiàn)的一些列要求。綜上所述，在本設(shè)計(jì)基本要求可以滿(mǎn)足的前提下，考慮到智能救援車(chē)復(fù)雜多變的工作環(huán)境等因素，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用方案二中自制救援小車(chē)模型的方法。22 小車(chē)主控芯片的選擇方案一 采用Msp430單片機(jī)作為控制芯片Msp430單片

19、機(jī)無(wú)論是在處理速度和功能上都較為強(qiáng)大，搭載在此智能小車(chē)上完全可以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)任務(wù)中要求的所有功能。但是此型號(hào)的單片機(jī)價(jià)格昂貴，在焼寫(xiě)程序時(shí)候較為繁瑣并且放在此款智能車(chē)上相當(dāng)一部分I/O口無(wú)用，相當(dāng)于資源浪費(fèi)。方案二 采用STC89C52作為控制芯片STC89C521單片機(jī)作為應(yīng)用較為廣泛?jiǎn)纹瑱C(jī)，有比較強(qiáng)的穩(wěn)定性；擁用2K字節(jié)存儲(chǔ)ROM的 89C52單片機(jī)，足夠存貯本設(shè)計(jì)中智能救援車(chē)運(yùn)行所需要的C語(yǔ)言程序；4組I/O口足以實(shí)現(xiàn)本智能車(chē)外部設(shè)備的檢測(cè)和鏈接，并可以實(shí)現(xiàn)軟件遠(yuǎn)程升級(jí)，無(wú)需其他的編程器實(shí)現(xiàn)。STC89C52單片機(jī)支持12時(shí)鐘或者是6時(shí)鐘模式 ，不僅可以實(shí)現(xiàn)可編程看門(mén)狗的

20、定時(shí)器而且還內(nèi)置了3個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；低EMI方式(ALE禁止)；還兼容COMS和TTL邏輯電平；并且能夠?qū)崿F(xiàn)掉電檢測(cè)和低功耗模式。綜上方案中對(duì)兩種單片機(jī)的敘述，在本設(shè)計(jì)基本要求可以滿(mǎn)足的前提下，考慮到智能救援車(chē)復(fù)雜多變的工作環(huán)境，就需要一款性能比較穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)的單片機(jī)作為主控制器。考慮到了52單片機(jī)價(jià)格比較低廉，通用性靈活。故本系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用方案二，選用功能及性能穩(wěn)定的STC89C52單片機(jī)。2.3小車(chē)自動(dòng)循跡模塊的選擇方案一 采用CCD攝像頭實(shí)現(xiàn)小車(chē)循跡功能目前國(guó)內(nèi)利用CCD單色攝像頭，對(duì)于白色場(chǎng)地上的黑線的識(shí)別功能的技術(shù)已做的比較成熟，檢測(cè)的圖像清晰準(zhǔn)確。但是用CCD圖像傳感器

21、收集數(shù)據(jù)以后需要單片機(jī)處理的信號(hào)量過(guò)大，對(duì)于本設(shè)計(jì)要采用的52單片機(jī)是一種負(fù)擔(dān)，并且單色攝像頭價(jià)格昂貴，硬件電路的設(shè)計(jì)也是較為困難。除此外軟件編程復(fù)雜，其體積較大對(duì)于空間有限的小車(chē)上使用存在諸多的不便因素，對(duì)于此小車(chē)的設(shè)計(jì)成本也較高。方案二 采用光電探測(cè)器來(lái)實(shí)現(xiàn)循跡利用光敏電阻在系統(tǒng)循跡時(shí)的原理為：當(dāng)光敏電阻探測(cè)到黑線時(shí)，由于黑線附近光束被黑線吸收，從而導(dǎo)致黑線附近的光敏電阻的電阻值發(fā)生變化，這個(gè)變化的信息經(jīng)過(guò)電壓比較器與其他光敏電阻阻值比較后送給單片機(jī)處理，從而來(lái)判斷單片機(jī)是否在沿著軌跡行走，從而實(shí)現(xiàn)了控制救援車(chē)自行控制循跡的功能。但其缺點(diǎn)是光敏電阻在循跡的時(shí)候?qū)Νh(huán)境的要求較高，如果在較為惡

22、劣和光照條件較強(qiáng)烈的環(huán)境時(shí)候，可能會(huì)導(dǎo)致救援小車(chē)不能完成相應(yīng)的循跡功能。方案三 采用RPR220光電對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)循跡功能一體化的反射型光電高效傳感器RPR220光電對(duì)管，它的接收管是一個(gè)靈敏度相對(duì)較高的硅平面光電三極管，發(fā)射管是一個(gè)砷化鎵紅外發(fā)光二極管。RPR220工作原理是，發(fā)射頭在實(shí)時(shí)發(fā)射信號(hào)，信號(hào)在白色場(chǎng)地上時(shí)候能反射到接收頭，此時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)為高電平；當(dāng)車(chē)體壓到黑線時(shí)候利用黑色能吸收所有光的特性，發(fā)射頭的光被吸收而不能被接收頭接受，此時(shí)輸入單片機(jī)為低電平。利用這個(gè)高低電平的變化從而來(lái)實(shí)現(xiàn)控制小車(chē)循跡的作用。采用了DIP4 封裝的RPR220型光電對(duì)管它的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，并且采用高透塑料

23、作為它的透鏡可以大大的提高靈敏度，此外可見(jiàn)光過(guò)濾器內(nèi)置在兩個(gè)透鏡內(nèi)還能大大減小離散光的影響，工作性能極為穩(wěn)定。綜上三種方案分析，采用RPR220觀點(diǎn)開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的循跡功能較之?dāng)z像頭和光電探測(cè)器更為合理。不僅價(jià)格便宜容易購(gòu)買(mǎi)，而且其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高，在后續(xù)調(diào)試小車(chē)時(shí)候可以大大減小了工作量，實(shí)際使用效果更為突出。所以我選擇采用第三種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)本救援車(chē)的循跡功能。2.4 小車(chē)金屬檢測(cè)裝置的選擇方案一 采用自制渦流感應(yīng)線圈來(lái)檢測(cè)路面金屬 采用根據(jù)渦流效應(yīng)自制的感應(yīng)線圈來(lái)檢測(cè)路面的金屬，此種方法取材較為方便，但是在使用自制的感應(yīng)器時(shí)候，在路面金屬發(fā)生渦流效應(yīng)的時(shí)候，很難接收到信號(hào)導(dǎo)致檢測(cè)的成功率

24、極低，從而導(dǎo)致無(wú)法轉(zhuǎn)移金屬的功能。并且自制的感應(yīng)器在調(diào)試的時(shí)候可能精確度無(wú)法滿(mǎn)足自身的設(shè)計(jì)要求，且體積較為龐大安裝在小車(chē)上太過(guò)笨重。方案二 采用TL-Q5MC1接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)金屬作為一種有開(kāi)關(guān)量輸出的位置傳感器TL-Q5MC1屬于電感式接近開(kāi)關(guān)，它主要是由放大電路和LC高頻振蕩器來(lái)組成。其工作原理為當(dāng)有金屬物體接近這個(gè)能夠產(chǎn)生電磁場(chǎng)的感應(yīng)觸頭的時(shí)候，使靠近它的金屬物體的內(nèi)部產(chǎn)生了渦流的原理。當(dāng)產(chǎn)生渦流以后，這個(gè)渦流又反作用于TL-Q5MC1，使接近開(kāi)關(guān)內(nèi)部的高頻振蕩器振蕩能力衰減，從而致使內(nèi)部電路的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，由此將此參數(shù)的變化傳輸給單片機(jī)來(lái)識(shí)別有無(wú)金屬物體接近。由于本智能救援車(chē)的控制系統(tǒng)為

25、單片機(jī)，而TL-Q5MC1可以輸出一個(gè)簡(jiǎn)單的開(kāi)關(guān)信號(hào)，方便單片機(jī)檢測(cè)到這個(gè)信號(hào)，并且此檢測(cè)芯片多數(shù)已經(jīng)模塊化體積較為小巧，安裝在救援車(chē)上適中。綜上兩種方案分析，采用TL-Q5MC1來(lái)實(shí)現(xiàn)路面金屬的檢測(cè)功能較之自制渦流感應(yīng)線圈檢測(cè)路面金屬更為合理，不但價(jià)格便宜容易購(gòu)買(mǎi)，而且其電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、集成度高，可以更方便的安裝在小車(chē)上。所以我選擇采用第二種方案來(lái)實(shí)現(xiàn)本救援車(chē)的路面金屬檢測(cè)功能。2.5 小車(chē)金屬撿取裝置的選擇方案一 采用電磁鐵來(lái)?yè)烊÷访娼饘僭诙喙δ苤悄芫仍≤?chē)的車(chē)盤(pán)底部加裝內(nèi)部插有鐵芯通電螺線管，通電螺線管撿取金屬的原理為：當(dāng)螺線管通電后產(chǎn)生磁場(chǎng)，此時(shí)插入其中的鐵芯被通電螺線管所產(chǎn)生的的磁場(chǎng)磁

26、化。磁化后的鐵芯為一個(gè)磁體，這樣便形成了兩個(gè)疊加的磁場(chǎng)，由于兩個(gè)磁場(chǎng)互相疊加使螺線管的磁性大大增強(qiáng)。從而起到撿取路面金屬物的功能，當(dāng)救援車(chē)到達(dá)指定的位置后，通電螺線管斷電磁性消失，粘在螺線管上的金屬物掉落，從而起到了撿取金屬物到指定位置的功能。雖然可以滿(mǎn)足預(yù)定的方案，在通電時(shí)候可將鐵片吸起斷電鐵片落下。但缺點(diǎn)是通電螺線管會(huì)消耗大量的電量，從而導(dǎo)致后續(xù)的救援工作因?yàn)殡娏吭蚨鵁o(wú)法展開(kāi)，并且繞組過(guò)程中具體所需要的磁性無(wú)法預(yù)測(cè)，很難達(dá)到所需的磁性。方案二 采用自制的磁鐵吸取分離裝置實(shí)現(xiàn)撿取路面金屬將一個(gè)直流減速電機(jī)用聯(lián)軸器與一個(gè)螺柱鏈接，并在落幕上均勻的安裝磁鐵，并將此裝置用隔離層來(lái)隔離。通過(guò)直流減

27、速電機(jī)的上下轉(zhuǎn)動(dòng)將帶動(dòng)著磁鐵上下運(yùn)動(dòng)，這樣就可以實(shí)現(xiàn)用磁鐵的磁力來(lái)?yè)烊『头畔陆饘俚墓δ?。此外，為了能將撿取的金屬轉(zhuǎn)移到合適的位置，設(shè)計(jì)把撿取裝置安裝在一個(gè)搖臂上，搖臂末端鏈接有直流減速電機(jī)，通過(guò)此電機(jī)可以實(shí)現(xiàn)搖臂的指定位置的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而達(dá)到轉(zhuǎn)移金屬物到指定位置的功能。撿取金屬機(jī)構(gòu)如圖2-2所示：圖2-2 撿取路面金屬裝置綜上以上兩種方案來(lái)看，方案一雖然實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為簡(jiǎn)便，但是能耗太大對(duì)于一般的電池?zé)o法滿(mǎn)足其長(zhǎng)時(shí)間供電，也就是在救援過(guò)程中可能無(wú)法完成撿取金屬的功能，從而達(dá)不到救援的目的。如果要是加裝額外的電池為螺線管供電，則將會(huì)給救援車(chē)帶來(lái)額外的負(fù)載。對(duì)于方案二，即使搖臂機(jī)構(gòu)可能會(huì)在轉(zhuǎn)移金屬過(guò)程中對(duì)

28、現(xiàn)救援車(chē)的平衡要求較大，但總的來(lái)說(shuō)其可行性遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于方案一。所以筆者選擇方案二來(lái)實(shí)現(xiàn)路面金屬撿取的功能。2.6 小車(chē)避障模塊的選擇方案一 采用超聲波模塊實(shí)現(xiàn)避障功能對(duì)于該智能救援車(chē)的避障功能的實(shí)現(xiàn)，可以采用超聲波傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)。若采用超聲波來(lái)完成避障則其原理為：傳感器中的壓電陶瓷結(jié)構(gòu)發(fā)射出了超聲波以后，當(dāng)前方有障礙物的時(shí)候聲波會(huì)被反射回來(lái)，反射回來(lái)的聲波再被傳感器接收到。傳輸回來(lái)的信號(hào)經(jīng)過(guò)被放大以后送入單片機(jī)處理參數(shù)。被廣泛應(yīng)用在測(cè)速和避障等領(lǐng)域設(shè)計(jì)中的超聲波傳感器，技術(shù)已經(jīng)很成熟。但是超聲波傳感器若要實(shí)現(xiàn)其功能需方波信號(hào)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并且超聲波傳感器對(duì)工作的頻率要求較高，偏差要求在正負(fù)1以?xún)?nèi)，而且若用

29、單片機(jī)來(lái)做方波發(fā)生器對(duì)于編程工作過(guò)于麻煩。并且收到的信息還需要通過(guò)AD轉(zhuǎn)換成數(shù)字信息才可以被單片機(jī)所識(shí)別，并且超聲波傳感器受環(huán)境影響較大，對(duì)于程序編寫(xiě)工作量較大。方案二 避障功能采用漫反射光電開(kāi)關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)于漫反射光電開(kāi)關(guān)的具體工作原理如下所述：發(fā)射管發(fā)出紅外線光束以后，發(fā)射出的光束是被物體完全遮住還是部分反射回來(lái)，接收頭是否接受到了發(fā)射出的紅外線光束，最終芯片據(jù)此做出判斷反應(yīng)。主要就是利用物體對(duì)紅外光束的反射或遮光作用，而后由同步回路的選通而檢測(cè)前方物體的有或無(wú)。對(duì)于漫反射光電開(kāi)關(guān)檢測(cè)物體的材料沒(méi)有任何限制，所有能反射光線不吸收光線的物體均能檢測(cè)，使用很是方便。且在檢測(cè)到前方有光線返回時(shí)候，輸出

30、低電平；檢測(cè)到前方?jīng)]有光線返回來(lái)時(shí)，輸出為高電平。對(duì)于數(shù)字量的高低電屏單片機(jī)可以直接讀取并處理此信息，并由此判斷前方是否有障礙物，從而起到智能救援小車(chē)避障的功能。 綜上以上兩種方案，方案一對(duì)于偏差要求太高，且外圍電路繁瑣不易于安裝和調(diào)試，對(duì)于程序的編寫(xiě)工作也尤為繁瑣。而方案二采用的漫反射式光電開(kāi)關(guān)，以實(shí)現(xiàn)了模塊化無(wú)需其他外圍電路且體積較為小巧，方便安裝在救援車(chē)上對(duì)救援車(chē)不形成過(guò)大的負(fù)載，且對(duì)外部物體檢測(cè)后返回的是數(shù)字量的高低電平，易于程序的編寫(xiě)。所以最終選擇漫反射式光電開(kāi)關(guān)作為實(shí)現(xiàn)避障功能的傳感器。2.7 小車(chē)顯示模塊的選擇方案一 采用數(shù)碼管顯示對(duì)本智能小車(chē)行駛時(shí)間的顯示由LED數(shù)碼管來(lái)實(shí)現(xiàn)，

31、外圍硬件電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的數(shù)碼管，僅需要兩片鎖存器分別對(duì)位選和段選進(jìn)行控制便可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的顯示。并且調(diào)試相對(duì)方便、軟件實(shí)現(xiàn)相對(duì)容易。但由于本設(shè)計(jì)要求顯示小車(chē)運(yùn)行時(shí)間，由于LED數(shù)碼管色彩單一無(wú)法顯示豐富的內(nèi)容，雖然數(shù)碼管可以節(jié)約單片機(jī)的I/O口，但是其只能顯示有限的數(shù)字，而且內(nèi)容顯示過(guò)于單一，不能滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)人性化的要求。方案二 采用液晶顯示利用液晶屏對(duì)本智能小車(chē)行駛的時(shí)間進(jìn)行顯示，液晶顯示的原理是利用液晶的物理特性實(shí)現(xiàn)的，通過(guò)電壓有序的變化進(jìn)而對(duì)其顯示區(qū)域進(jìn)行控制，有電時(shí)就有顯示，這樣即可以顯示圖形也可以顯示出數(shù)字和字母等圖像元素。本系統(tǒng)擬采用1602液晶，1602液晶具有顯示質(zhì)量高、功耗低、數(shù)字

32、式接口、體積小等一些列優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于程序的編寫(xiě)也較為方便。綜上方案，方案二的顯示方式較之可行性更好，所以采用方案二中的1602液晶進(jìn)行對(duì)行車(chē)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。2.8 方案的最終的選定 通過(guò)以上方案對(duì)本設(shè)計(jì)主要模塊的論證與比較，根據(jù)本多功能智能救援車(chē)車(chē)要滿(mǎn)足的設(shè)計(jì)任務(wù)主要完成救援車(chē)能完成避障、循跡、檢測(cè)等一系列的工作，同時(shí)對(duì)行程中的有關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)處理顯示的要求。最終硬件選定為：STC89C52作為本系統(tǒng)主控單片機(jī)、設(shè)計(jì)車(chē)體根據(jù)需要自行制作、系統(tǒng)循跡功能由RPR220型光電對(duì)管完成、采用TL-Q5MC1型號(hào)的接近開(kāi)關(guān)來(lái)檢測(cè)鐵片、采用自制的磁鐵吸取分離機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)撿取路面金屬功能、采用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行

33、避障、采用1602液晶對(duì)行車(chē)時(shí)間顯示。3 硬件系統(tǒng)的具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)3.1智能救援車(chē)最小控制模塊的設(shè)計(jì)根據(jù)上述方案的選擇，最終決定采用STC89C52芯片作為本智能救援車(chē)的主控芯片。89C52單片機(jī)是把控制指令等所必需的大部分內(nèi)容都集成在一個(gè)有限的尺寸集成電路芯片上的邏輯控制器。按照其功能劃分它主要由如下的幾個(gè)部件組成：微處理器、程序存儲(chǔ)器、并行I/O口、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷系統(tǒng)以及特殊功能寄存器等。通過(guò)片內(nèi)的單一總線連接實(shí)現(xiàn)它們之間所有的聯(lián)系，其基本結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)的CPU加上外圍芯片的模式。因此要實(shí)現(xiàn)它對(duì)各路傳感信號(hào)進(jìn)行采集、處理、分析及對(duì)個(gè)部分整體調(diào)制仍然需要外圍電路14的協(xié)助

34、來(lái)實(shí)現(xiàn)，智能救援車(chē)最小控制系統(tǒng)原理圖如圖3-1所示：圖3-1 單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖3.1.1 最小系統(tǒng)中時(shí)鐘電路的設(shè)計(jì)雖然STC89C52單片機(jī)已經(jīng)有內(nèi)置的振蕩電路，但是還必須要添加外部的附加振蕩起振電路才可以形成時(shí)鐘。對(duì)于本設(shè)計(jì)采用的89C52單片機(jī)時(shí)鐘產(chǎn)生的方法具體有兩種：內(nèi)部時(shí)鐘和外部時(shí)鐘兩種方式。本系統(tǒng)采用了經(jīng)典的內(nèi)部時(shí)鐘方式，內(nèi)部時(shí)鐘方式是利用芯片內(nèi)部振蕩電路來(lái)實(shí)現(xiàn)的，在單片機(jī)的18、19管腳上外接了定時(shí)的元器件，使內(nèi)部振蕩電路相應(yīng)產(chǎn)生自激振蕩。因此我采用了使用較為常見(jiàn)的內(nèi)部時(shí)鐘方式，即采用外接12MHZ晶振和電容所組成的并聯(lián)諧振回路。本設(shè)計(jì)晶振選用11.05926赫茲。根據(jù)電容的取

35、值可能會(huì)對(duì)振蕩頻率輸出的大小、穩(wěn)定性和振蕩電路起振速度等影響因素，選用了30pF的電容。除此以外，在搭載外圍電路的同時(shí)晶振和電容的安裝還應(yīng)該盡可能靠近單片機(jī)的18、19管腳，此方法可以減小寄生電容對(duì)系統(tǒng)的影響，更好的保證振蕩器可靠和穩(wěn)定地工作。3.1.2 最小系統(tǒng)中復(fù)位電路的設(shè)計(jì) 89C52單片機(jī)的復(fù)位電路是由外部的復(fù)位電路實(shí)現(xiàn)的。噪聲的抑制由復(fù)位管腳通過(guò)斯密特觸發(fā)器來(lái)實(shí)現(xiàn)，在每一個(gè)機(jī)器周期的時(shí)候,斯密特觸發(fā)器輸出的電平由復(fù)位電路采集一次，然后才可以得到內(nèi)部復(fù)位操作所需要的低電平信號(hào)。對(duì)于對(duì)常見(jiàn)的復(fù)位電路通常采用上電自動(dòng)復(fù)位與按鈕被動(dòng)復(fù)位兩種工作方式。對(duì)于最簡(jiǎn)單的上電自動(dòng)復(fù)位電路原理為：上電自

36、動(dòng)復(fù)位通過(guò)外部復(fù)位電路的電容的充放電來(lái)實(shí)現(xiàn)的。只要電源的上升時(shí)間不超過(guò)1ms，就會(huì)實(shí)現(xiàn)上電時(shí)候的復(fù)位的功能。除了上電自動(dòng)復(fù)位外，有時(shí)還需要手動(dòng)按鍵復(fù)位。按鍵自動(dòng)復(fù)位對(duì)于在智能車(chē)在程序執(zhí)行過(guò)程中因?yàn)橐馔獍l(fā)生時(shí)候，需要重新執(zhí)行內(nèi)部程序尤為重要?；诖朔N原因考慮，本設(shè)計(jì)采用了按鍵手動(dòng)復(fù)位。而按鍵手動(dòng)復(fù)位有電平方式、脈沖方式兩種，其中電平復(fù)位方式是通過(guò)由電容、電阻組成的外部電路，然后與電源和單片機(jī)的9管腳接通而實(shí)現(xiàn)的。3.2智能救援車(chē)電源模塊的設(shè)計(jì)電源作為為系統(tǒng)提供基準(zhǔn)電壓與電流，是整個(gè)控制系統(tǒng)工作穩(wěn)定性關(guān)鍵所在。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用了12伏特的可充電鋰電池供電，可反復(fù)充電使用。此外鋰電池具有較強(qiáng)的穩(wěn)定電壓

37、輸出能力以及電流驅(qū)動(dòng)性能，對(duì)于驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊所需要的大電流也能夠滿(mǎn)足。但是電池提供的12伏特電壓對(duì)于單片機(jī)等大多數(shù)芯片都遠(yuǎn)遠(yuǎn)過(guò)大，如果直接接入此電池，芯片很難適應(yīng)如此大的電壓就會(huì)導(dǎo)致芯片燒毀，從而致使多功能救援車(chē)完全失去設(shè)計(jì)的最初目的，因此本設(shè)計(jì)采用了降壓模塊來(lái)進(jìn)行降壓的設(shè)計(jì)。3.2.1 單片機(jī)供電穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)考慮到單片機(jī)供電需要的是5伏特的電壓，并且對(duì)于電流的要求為1安左右，所以本設(shè)計(jì)選擇采用LM78052作為為單片機(jī)供電的降壓模塊。采用7805來(lái)實(shí)現(xiàn)降壓所需要外圍元器件極少，并且芯片的內(nèi)部還有搭載了過(guò)流、過(guò)熱以及調(diào)整管的保護(hù)電路，使用起來(lái)較為方便、安全系數(shù)較高。而且芯片在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，

38、還可以安裝足夠大的散熱片在三端集成穩(wěn)壓電路模塊上，保證不會(huì)導(dǎo)致穩(wěn)壓芯片的溫度過(guò)高，從而排除因?yàn)闇囟冗^(guò)高導(dǎo)致穩(wěn)壓性能的降低，而影響到系統(tǒng)整體的穩(wěn)定性能。對(duì)于本系統(tǒng)單片機(jī)供電穩(wěn)壓模塊的電路設(shè)計(jì)如圖3-2所示：圖3-2 單片機(jī)供電穩(wěn)壓模塊的設(shè)計(jì)3.2.2 驅(qū)動(dòng)電路與其他模塊供電穩(wěn)壓的設(shè)計(jì) 本系統(tǒng)中除了單片機(jī)需要5V的供電外，其他的芯片如顯示模塊的1602液晶、撿取機(jī)構(gòu)中的電動(dòng)機(jī)、驅(qū)動(dòng)模塊的L298N芯片、驅(qū)動(dòng)多功能智能救援小車(chē)的電動(dòng)機(jī)、循跡模塊的RPR220型光電對(duì)管、避障要用到的漫反射紅外光電對(duì)管的工作均需要用到5V電源，并且如此之多的芯片并聯(lián)在一起使用，對(duì)電流的要求也是較大的。針對(duì)這種情況，僅用

39、單一的7805模塊來(lái)穩(wěn)壓供電，極有可能會(huì)因?yàn)榉€(wěn)壓電流過(guò)大致使芯片過(guò)熱，從而將芯片燒毀，從而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的不能正常工作。根據(jù)第二章中關(guān)于硬件的選擇，本設(shè)計(jì)采用LM2596模塊來(lái)進(jìn)行降壓穩(wěn)壓的設(shè)計(jì)。屬于降壓型電源單片集成管理電路的LM2596開(kāi)關(guān)電壓調(diào)節(jié)器，具有很好的負(fù)載調(diào)節(jié)和線性的特性并且能夠輸出3A左右的大驅(qū)動(dòng)電流。LM259611固定輸出版本有12V、3.3V、5V三個(gè)檔，可調(diào)節(jié)的版本可以根據(jù)需求調(diào)節(jié)輸出小于37V的電壓。結(jié)合本設(shè)計(jì)的一般特性，筆者選用了可調(diào)節(jié)模式的版本?？烧{(diào)節(jié)版本芯片的內(nèi)部還集成了開(kāi)關(guān)頻率約為150KHz的固定頻率發(fā)生器和頻率補(bǔ)償功能，與低頻開(kāi)關(guān)的調(diào)節(jié)器相比較本芯片可以使用

40、更小規(guī)格的濾波元器件。除此以外，該芯片的外圍電路中僅需要4個(gè)外接元器件，并且均可連接通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更加大大的優(yōu)化了LM2596的設(shè)計(jì)使用，極大的簡(jiǎn)化本設(shè)計(jì)中開(kāi)關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。此外，該芯片在特定的輸出負(fù)載和輸入電壓的條件下，輸出電壓誤差值能夠保證在±4%的范圍之內(nèi)，振蕩頻率的誤差保證在±15%的范圍之內(nèi)；80左右的待機(jī)電流；實(shí)現(xiàn)在異常情況下時(shí)斷電時(shí)候的過(guò)溫完全保護(hù)電路和兩級(jí)降頻限流保護(hù)電路，這更大大的加大了對(duì)于系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性。對(duì)于本系統(tǒng)由此模塊供電電路的設(shè)計(jì)如圖3-3所示：圖3-3 LM2596電路連接圖為了實(shí)現(xiàn)可調(diào)節(jié)模式，以上R1和R2電阻選用可調(diào)節(jié)電阻，在對(duì)外圍電

41、壓輸出時(shí)候，做到通過(guò)調(diào)節(jié)以上兩個(gè)電阻實(shí)現(xiàn)輸出電壓的可調(diào)節(jié)。計(jì)算輸出電壓的公式為: 其中的取值為1.23V。完成了以上穩(wěn)壓電路的設(shè)計(jì)，其他需要用電的僅為L(zhǎng)298N模塊的12V電源，而本次設(shè)計(jì)選用的就是12V的鋰電池，所以無(wú)在需要其他的模塊為其供電，可以直接將電池接入驅(qū)動(dòng)電機(jī)模塊的12V的管腳接口。 此外本設(shè)計(jì)外加了輔助電源模塊，在小車(chē)頂部加裝了太陽(yáng)能電池板可以在電池電量不足時(shí)，為鋰電池進(jìn)行充電這樣就可以避免了救援車(chē)在搜救時(shí)，因?yàn)槟茉床蛔銌?wèn)題而不能完成救援搜救任務(wù)。3.3 智能救援車(chē)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊的設(shè)計(jì)根據(jù)本設(shè)計(jì)作業(yè)時(shí)工作條件的特性，本設(shè)計(jì)小車(chē)采用四輪驅(qū)動(dòng)方式，由此可以大大的滿(mǎn)足無(wú)論是在何種地形條件

42、下都可以實(shí)現(xiàn)正常行駛的功能。采用四輪驅(qū)動(dòng)模式的小車(chē)在轉(zhuǎn)彎的時(shí)候，若采用舵機(jī)進(jìn)行控制有一定的困難性。因此本設(shè)計(jì)采用了由L298N控制內(nèi)外側(cè)輪子的正反轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎功能。但是每個(gè)L298N只能進(jìn)行兩個(gè)電機(jī)3的驅(qū)動(dòng)，所以選用了兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)分別對(duì)兩側(cè)的車(chē)輪進(jìn)行控制。L298N4的具體引腳如圖3-4所示：圖3-4 L298N管腳圖通過(guò)該芯片的封裝我們發(fā)現(xiàn)，一個(gè)驅(qū)動(dòng)芯片有15個(gè)引腳，其中有四個(gè)輸出引腳分別為：2、3引腳控制一個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，13、14引腳控制一個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。；四個(gè)輸入引腳分別為：5、7、10、12這四個(gè)引腳分別與單片機(jī)的I/O5口連接，通過(guò)單片機(jī)輸入高低電瓶來(lái)控制兩個(gè)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，

43、數(shù)字化操作很方便。剩余的幾個(gè)管腳中6管腳和11管腳是使能端管腳，若是這兩個(gè)管腳一直接入高電平則芯片一直處于選通的工作狀態(tài)，若兩個(gè)管腳接入單片機(jī)也可以通過(guò)脈沖調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)速。剩余的四個(gè)管腳中有兩個(gè)是給芯片供電的管腳，其余兩個(gè)是提供電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的12V電源的引腳。基于以上對(duì)各個(gè)管腳功能的確定,本多功能智能救援小車(chē)驅(qū)動(dòng)12模塊電路的原理圖如圖3-5所示：圖3-5 L298N原理圖在明確了電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊電路以后，進(jìn)一步要明確如何通過(guò)該模塊對(duì)電機(jī)的正反轉(zhuǎn)和停止，L298N模式選擇的控制方法如表3-1所示：表3-1 L298N正反轉(zhuǎn)控制法使能端IN1IN2狀態(tài)110正轉(zhuǎn)101反轉(zhuǎn)111停止轉(zhuǎn)動(dòng)100停止轉(zhuǎn)動(dòng)0停

44、止轉(zhuǎn)動(dòng)基于以上表格的控制方法，當(dāng)要求小車(chē)前進(jìn)時(shí)候只需要通過(guò)單片機(jī)引腳賦一個(gè)高電平一個(gè)低電平即可，當(dāng)需要反轉(zhuǎn)的時(shí)候只要將正轉(zhuǎn)的高低電平交換即可，若要實(shí)現(xiàn)停車(chē)則兩個(gè)輸入同時(shí)賦低電平即可，由此實(shí)現(xiàn)了由L298N驅(qū)動(dòng)救援車(chē)的設(shè)計(jì)。3.4 智能救援車(chē)循跡避障模塊的設(shè)計(jì) 3.4.1智能救援車(chē)循跡模塊的設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)循跡功能的實(shí)現(xiàn)采用RPR2206型紅外線光電對(duì)管來(lái)實(shí)現(xiàn)，循跡模塊是用以實(shí)現(xiàn)小車(chē)沿著場(chǎng)地的黑色軌跡線進(jìn)行前進(jìn)和位置校正且保證小車(chē)不能偏離預(yù)定軌跡線的功能。該模塊的循跡原理是：當(dāng)模塊的發(fā)射頭在實(shí)時(shí)發(fā)射信號(hào)，信號(hào)在白色場(chǎng)地上時(shí)候能反射到接收頭，此時(shí)傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)為高電平；當(dāng)車(chē)體壓到黑線時(shí)候利用黑色能吸收所有

45、光的特性，發(fā)射頭的光被吸收而不能被接收頭接受，此時(shí)輸入單片機(jī)為低電平。此時(shí)根據(jù)高低電瓶的差別來(lái)判斷小車(chē)有無(wú)沿軌跡行走。本設(shè)計(jì)中采用自制的RPR220型光電對(duì)管模塊完成系統(tǒng)循跡任務(wù)可靠度較高，且傳感器信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器放大以后輸出的信號(hào)為數(shù)字量，可直接與單片機(jī)的I/O引腳相連接無(wú)需AD轉(zhuǎn)換器來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換，硬件電路實(shí)現(xiàn)比較簡(jiǎn)單。至于本系統(tǒng)中循跡模塊的檢測(cè)距離，可根據(jù)模塊安裝在車(chē)體的具體位置，在最終調(diào)試的時(shí)候自行調(diào)節(jié)安裝在模塊上的可變電阻器來(lái)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)循跡傳感器的布局設(shè)計(jì)中，在車(chē)體底盤(pán)的前端安裝有四個(gè)個(gè)傳感器。軌跡線處于左右兩側(cè)傳感器的中間，以此實(shí)現(xiàn)了二級(jí)防脫軌的設(shè)計(jì)，大大的提高了在循跡時(shí)候系統(tǒng) 的可靠

46、性。RPR220循跡模塊車(chē)底布局如圖3-6所示：圖3-6 循跡模塊車(chē)底布局圖在救援車(chē)前進(jìn)中，黑色的軌跡線位于B與C的傳感器之間。當(dāng)傳感器B檢測(cè)到黑線的時(shí)候小車(chē)向左方向輕微掉頭調(diào)整，檢測(cè)到傳感器C的時(shí)候小車(chē)輕微向右掉頭調(diào)整。當(dāng)檢測(cè)到黑色軌跡線跑到A與B或者C與D之間的時(shí)候，實(shí)現(xiàn)相應(yīng)方向的大角度的擺頭。以此實(shí)現(xiàn)小車(chē)可以循跡的功能。在明確了傳感器布局的設(shè)計(jì)后，開(kāi)始設(shè)計(jì)傳感器電路的設(shè)計(jì)。由于在采用自行設(shè)計(jì)的循跡模塊的時(shí)候檢測(cè)到的依舊是模擬數(shù)據(jù)，為了使傳入單片機(jī)的數(shù)據(jù)為數(shù)字量，所以在電路設(shè)計(jì)的時(shí)候加入了運(yùn)算放大器，一來(lái)可以將傳回的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，二來(lái)可以把傳輸回來(lái)的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大，方便單片機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行辨

47、別。綜上分析，最終循跡模塊的電路原理圖11如圖3-7所示：圖3-7 循跡模塊原理圖一片運(yùn)算放大器芯片可以鏈接兩個(gè)RPR220型光電對(duì)管，上圖就是其完善的電路圖。其次為了滿(mǎn)足光束發(fā)射時(shí)候的功率要求，發(fā)射回路中要滿(mǎn)足不低于20mA的電流。根據(jù)公式 ，由此選擇紅外線光電對(duì)管前端的兩個(gè)電阻的阻止為R=150。至此循跡模塊的設(shè)計(jì)全部完成，傳感器共安裝4個(gè)，并且全部在救援車(chē)的底盤(pán)前端并呈現(xiàn)直線分布。小車(chē)在行駛的過(guò)程中，始終保持軌跡在左邊傳感器和右邊傳感器之間，當(dāng)救援小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡發(fā)生偏離以后，B、C傳感器一但檢測(cè)到了有黑線，RPR220型紅外傳感器就會(huì)給單片機(jī)傳輸入一個(gè)數(shù)字量的信號(hào)，當(dāng)單片機(jī)接收到這個(gè)信號(hào)

48、以后，便會(huì)按設(shè)計(jì)者預(yù)先自行編寫(xiě)的程序發(fā)送一個(gè)控制指令給小車(chē)的控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)再通過(guò)對(duì)電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊L298N賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車(chē)路徑的糾正。若小車(chē)回到了預(yù)定的軌道上，即此時(shí)4個(gè)傳感器均只是檢測(cè)到白色的區(qū)域，傳感器發(fā)射的光束全部被接收頭接受，則智能救援小車(chē)便會(huì)繼續(xù)行走。若小車(chē)由于在行進(jìn)過(guò)程中速度過(guò)大導(dǎo)致的制動(dòng)距離增大，從而引起一級(jí)防脫傳感器B、C未來(lái)得及調(diào)整小車(chē)，造成小車(chē)偏離軌道，越出了B、C的兩個(gè)傳感器的探測(cè)范圍，這時(shí)候二級(jí)防脫傳感器A、D再次對(duì)小車(chē)的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行糾正，使之回到正確軌道上去。本設(shè)計(jì)中傳感器設(shè)置為兩級(jí)防護(hù)，大大的提高了救援車(chē)循跡的可靠性。3.4.2智能救援車(chē)避障模塊的設(shè)計(jì)結(jié)合設(shè)計(jì)的任

49、務(wù)要求，為了滿(mǎn)足本設(shè)計(jì)的功能實(shí)現(xiàn)，本設(shè)計(jì)采用漫反射式光電開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)小車(chē)的避障功能。本設(shè)計(jì)采用的漫反射光電開(kāi)關(guān)是發(fā)射頭與接收頭一體的高靈敏度的檢測(cè)開(kāi)關(guān)，其工作原理為：當(dāng)發(fā)射頭發(fā)射出紅外線光束以后，若前方出現(xiàn)障礙物，則發(fā)射出的紅外線光束會(huì)被反射回來(lái)；當(dāng)前方?jīng)]有障礙物的時(shí)候，紅外線光束則不會(huì)被反射回來(lái)，漫反射光電開(kāi)關(guān)就根據(jù)有無(wú)光束的返回?fù)?jù)此判斷前方是否有障礙物。當(dāng)紅外線光束被障礙物反射回來(lái)的時(shí)候，其接收頭接受到返回光束以后，經(jīng)過(guò)放大回路的放大，漫反射光電開(kāi)關(guān)輸出低電平給單片機(jī)；相反，當(dāng)紅外線光束沒(méi)有反射回來(lái)時(shí)，漫反射光電開(kāi)關(guān)輸出高電平給單片機(jī)。根據(jù)接收到電平高低情況的變化單片機(jī)來(lái)做出相應(yīng)控制，從而實(shí)

50、現(xiàn)小車(chē)避開(kāi)障礙物的功能。由于本避障模塊內(nèi)部有各級(jí)電路，所以當(dāng)模塊檢測(cè)到障礙物存在的模擬量以后輸出的是TTL電平，方便了單片機(jī)接收并對(duì)信號(hào)的判斷和處理更為簡(jiǎn)單。并且漫反射光電開(kāi)關(guān)現(xiàn)在技術(shù)已經(jīng)很成熟，淘寶等各大電子器材商城都有銷(xiāo)售，考慮到自己腐蝕線路板的時(shí)候可能會(huì)因?yàn)閭€(gè)人的一些技術(shù)問(wèn)題導(dǎo)致的一些信號(hào)影響等因素，最終本設(shè)計(jì)取用了成品的漫反射光電開(kāi)關(guān)，無(wú)需再自行進(jìn)行制作，節(jié)約了成本和時(shí)間。本設(shè)計(jì)采用漫反射式光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障的電路設(shè)計(jì)圖7如圖3-9所示：圖3-8 光電開(kāi)關(guān)原理圖接下來(lái)設(shè)計(jì)漫反射光電開(kāi)關(guān)的位置安放問(wèn)題，考慮到本設(shè)計(jì)小車(chē)需要直行的時(shí)間較多，所以對(duì)前方障礙物的檢測(cè)較為重要。結(jié)合本設(shè)計(jì)中車(chē)體的寬

51、度和光電開(kāi)關(guān)的體積問(wèn)題，決定在車(chē)體的最前端安裝三個(gè)并排安放的漫反射光電開(kāi)關(guān)，考慮到多功能智能救援車(chē)在救援過(guò)程中可能有倒車(chē)的可能性，所以在車(chē)體的后端也安裝了一個(gè)光電開(kāi)關(guān)，防止在倒車(chē)時(shí)候與后方障礙物發(fā)生碰撞。結(jié)合以上所有考慮到的問(wèn)題,四個(gè)光電對(duì)管的安放位置如圖3-10所示：圖3-9 漫反射紅外光電對(duì)管安放位置圖3.5 智能救援車(chē)檢測(cè)金屬和撿取金屬模塊的設(shè)計(jì)3.5.1 智能救援小車(chē)檢測(cè)金屬模塊的設(shè)計(jì)金屬傳感器8性能的優(yōu)劣直接決定著該系統(tǒng)的功能是否能實(shí)現(xiàn)，起著十分重要的作用。本設(shè)計(jì)的金屬探測(cè)模塊安裝在車(chē)體前端的底盤(pán)上，且金屬傳感器采用了TL-Q5MC1系列的接近開(kāi)關(guān)。其工作原理為：當(dāng)可以產(chǎn)生電磁場(chǎng)的感

52、應(yīng)觸頭附近有金屬物體接近的時(shí)候，感應(yīng)觸頭便會(huì)使靠近它的金屬物體的內(nèi)部產(chǎn)生了渦流效應(yīng)。當(dāng)產(chǎn)生渦流以后，這個(gè)渦流又反作用于TL-Q5MC1，使接近開(kāi)關(guān)內(nèi)部的高頻振蕩器振蕩能力衰減，從而致使內(nèi)部電路的數(shù)據(jù)發(fā)生變化，由此將此參數(shù)的變化傳輸給單片機(jī)來(lái)識(shí)別有無(wú)金屬物體接近。并且其數(shù)據(jù)輸出端通過(guò)5.1K上拉電阻，輸出的是TTL電平，可直接與單片機(jī)的I/O引腳相連接，無(wú)需其他的外圍電路的協(xié)助來(lái)完成，對(duì)硬件電路簡(jiǎn)化了許多。其原理圖如圖3-11所示： 圖3-10 TL-Q5MC1原理圖3.5.2 智能救援小車(chē)撿取金屬模塊的設(shè)計(jì)對(duì)于撿取金屬機(jī)械手臂的設(shè)計(jì)，筆者結(jié)合機(jī)械設(shè)計(jì)13方面的知識(shí)自行設(shè)計(jì)了本系統(tǒng)中撿取和轉(zhuǎn)移金

53、屬到指定位置的手臂。具體設(shè)計(jì)和工作方式如下所示，首先選取平日用的直徑為5mm的長(zhǎng)螺栓，然后可用塑料質(zhì)地做一個(gè)高度為10cm，寬度為5cm的框架結(jié)構(gòu)，但是框架結(jié)構(gòu)的內(nèi)側(cè)需要攻螺紋。此時(shí)在選取一個(gè)直徑是5cm被磁鐵磁化過(guò)的勻質(zhì)的鐵板并且在鐵板中間攻絲，被磁化的鐵板與之前選用的螺栓配合使用，并且把螺栓與電動(dòng)機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器的連接，由此實(shí)現(xiàn)了當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候，通過(guò)帶動(dòng)螺柱的轉(zhuǎn)動(dòng)以此來(lái)實(shí)現(xiàn)帶動(dòng)磁鐵遠(yuǎn)離和靠近隔離層來(lái)實(shí)現(xiàn)撿取和分離金屬物的功能，其最終設(shè)計(jì)圖如圖3-12所示：圖3-11 撿取金屬機(jī)構(gòu)圖至此，整個(gè)撿取裝置的的撿取部分已經(jīng)設(shè)計(jì)完畢。結(jié)合上半部分的金屬檢測(cè)裝置構(gòu)成的整個(gè)閉環(huán)工作流程如下所述，當(dāng)安裝在車(chē)

54、輛前端底盤(pán)的TL-Q5MC1檢測(cè)到有金屬鐵片的時(shí)候，智能車(chē)的給驅(qū)動(dòng)電機(jī)的芯片發(fā)出指令讓小車(chē)后退，直至檢測(cè)不到金屬物品的存在以后停止后退。此時(shí)，單片機(jī)給撿取機(jī)構(gòu)中的電動(dòng)機(jī)發(fā)送指令帶動(dòng)其轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)候，磁鐵在螺紋的作用下能實(shí)現(xiàn)升降的作用，最終在降到低端的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)了將金屬物品撿取的作用。在上述的撿取任務(wù)完成以后還有將金屬物品轉(zhuǎn)移到指定位置的功能，本設(shè)計(jì)中采用了一個(gè)簡(jiǎn)易搖臂的設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)易搖臂的組成由金屬不銹鋼方管制成，不銹鋼的一端固定在撿取機(jī)構(gòu)上，另一端安裝在一個(gè)直流減速電機(jī)上，當(dāng)撿取機(jī)構(gòu)中磁鐵降到低端完成撿取任務(wù)以后，通過(guò)編程給磁鐵升降機(jī)構(gòu)一個(gè)一秒的延時(shí)設(shè)置，然后啟動(dòng)安裝有搖臂的電動(dòng)機(jī)使搖臂帶動(dòng)撿取機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)90度后，撿取裝置中的磁鐵在上升到指定位置，完成對(duì)金屬片的放置功能。至此，本智能車(chē)中金屬檢測(cè)和撿取模塊的設(shè)計(jì)任務(wù)全部完成。3.6智能救援車(chē)顯示模塊的設(shè)計(jì)根據(jù)本設(shè)計(jì)中方案的論證與比較，本設(shè)計(jì)采用1602液晶對(duì)小車(chē)行進(jìn)中的時(shí)間進(jìn)行顯示。現(xiàn)在已經(jīng)應(yīng)用很普遍的1602液晶分為帶背光和不帶背光兩種類(lèi)型，但是兩者的控制器大部分都是HD44780的。基于HD44780控制器的液晶芯片它們的控制原理、控制方法是完全相同的，而且編寫(xiě)的控制程序也能很方便地應(yīng)用于大部分字符型的液晶。本設(shè)計(jì)采用的的1602液晶的主要技術(shù)指標(biāo)如下：1) 顯示字符數(shù):16&