智能救援车田滨陈东萍张爱瑜.docx
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智能救援车田滨陈东萍张爱瑜
G甲1039
2008年‘ZLG杯’山东省大学生
电子设计竞赛
智能救援车
编号:
G甲1039
学校:
山东大学
院系:
控制科学与工程学院
设计者:
田滨张爱瑜陈东萍
赛前辅导教师:
姚福安万鹏
日期:
2008-9-12至2008-9-15
智能救援车
摘要:
本系统以AT89S52单片机为控制核心,实现救援车的智能控制,包括智能避障、自动寻迹、探测铁片、声光报警、液晶显示等功能。
由无线收发模块启动救援车,救援车前轮采用万向轮实现转灵活转向,后轮由两个直流减速电机分别驱动以实现差动控制,通过光电开关检测各方向障碍物,以PWM方式调整两个电机的转速来控制救援车的行进方向和速度,使智能救援车能够在较短的时间内穿越无导引轨迹的建筑物,同时液晶显示模块记录显示救援车穿越建筑物所用的时间。
离开建筑物,救援车通过寻迹模块沿引导轨迹行进,救援车前部的金属接近开关检测金属片,由电磁铁拾起金属片并在规定的地点将其放下,声光报警指示救援结束。
关键词:
AT89S52;直流减速电机;光电开关;金属接近开关
Abstract:
BasedonthemicrocontrollerAT89S52,thesystemcanrealizetheintelligentcontroloftherescuevehicle.Itisconsistofthefollowingfunctionalmodules,smartobstacleavoidance,automatictrackfinding,detectingmetalplates,soundandlightalarm,LCDdisplay,etc.StartedbythewirelesstransceivermoduletherescuevehicleisdrivenbytwoDCgearedmotorstoachievedifferentialcontrol.Atthesametime,therotarywheelinstalledinthefrontofthevehiclewillhelpitturnflexibly.Thephotoelectricswitchesareusedtodetecttheobstacles,sothedirectionandthespeedoftherescuevehiclecanbeadjustedthroughPWM.ThevehiclecancrossthebuildinginashorttimewhichisdisplayedontheLCDpanel.Afterleavingthebuilding,itgoesalongtheguidetrack.Whenthemetal-detectionswitchdetectthemetalsheet,theelectromagnetwillpickitupandlayitdownatcertainlocation,meanwhilethesoundandlightalarmmoduleactstoshowtheendoftherescueprocess.
Keywords:
AT89S52;DCgearedmotor;photoelectricswitches
目录
1.系统设计1
1.1系统总体方案比较与论证1
1.2单元模块设计3
1.2.1控制模块3
1.2.2避障模块4
1.2.3寻迹模块4
1.2.4金属检测模块4
1.2.5电机模块4
1.2.6电机驱动模块4
1.2.7电磁铁模块5
1.2.8声光报警模块5
1.2.9显示模块5
1.2.10电源模块5
2软件设计5
2.1开发软件及编程语言简介5
2.2软件实现6
3.系统测试7
3.1测试仪器及设备7
3.2系统功能测试8
3.2.1基本功能测试8
3.2.2发挥部分功能测试8
4.总结9
1.系统设计
1.1系统总体方案比较与论证
根据题目的要求和系统扩展功能的需求,系统由如下模块组成
图1.1.1系统组成示意图
智能救援车车体后侧两轮由两个直流减速电机带动,前面安装一个万向轮,方便救援车转弯。
系统控制核心采用AT89S52单片机,由于AT89S52单片机没有PWM控制模块,需要定时器定时发出脉冲信号,因此对直流电机的控制占用很大资源,而系统的模块较多,所以选用两片单片机分工负责各模块。
为使救援车顺利穿越建筑物,避障模块采用光电开关探测障碍物实现避障。
离开建筑物,发光二极管和蜂鸣器组成的声光报警电路启动,金属接近开关探测铁片,由电磁铁将其拾起,并在规定地点将金属片放下。
救援车在建筑物之外通过寻迹模块沿黑色导引线前进。
整个系统的电源由7.2V镍镉电池提供。
由于采用两个电机分别带动两个后轮,即使给两个电机相同的电压,电机的转速也不同,因此需要光电开关探测墙壁以调整电机转速来实现救援车的前进、转向,依此。
救援车的行驶有如下两种方案:
方案一:
安装三个光电开关用于探测墙壁。
如图1.1.2,一个光电开关安置在救援车前侧,负责探测前方墙壁;另外两个光电开关安装在车体左侧,前后各一个,靠前的光电开关检测距离较近,用于小幅度校正救援车使其大致按直线前进,靠后的光电开关检测距离较远,用于探测出口位置。
图1.1.2方案一光电开关分布
在建筑物内的直线走道上,救援车前方光电开关探测不到墙壁,左侧靠后光电开关始终探测到墙壁,由左侧靠前的光电开关探测墙壁的信息来保证救援车直线前进。
当左前光电开关探测到墙壁,则控制救援车向右偏转,否则控制救援车向左偏转,如此调整,以使救援车以小S路线沿墙壁行驶。
当救援车前方遇到墙壁,若左侧靠后光电开关探测到墙壁,则救援车右转90度,若救援车左侧靠后光电开关探测不到墙壁,则向左转90度。
此方案中,救援车需要在通道尽头灵活转弯,故要求车体足够小,致使电路模块不易排布,因此放弃此方案。
方案二:
安装五个光电开关,如图1.1.3,前面一个,左右两侧前后各一个,共五个。
左右两侧靠前光电开关探测距离相对较近,保证救援车不碰触墙壁,基本直线行驶。
靠后光电开关探测距离较远,用于探测出口位置。
直线前进过程中,若左右两侧靠前光电开关均能探测到墙壁,则直线行驶;若左侧靠前光电开关探测不到墙壁,则向左偏转;若右侧光电开关探测不到墙壁,则向右偏转。
如此调整,以使救援车以小S路线在两侧墙壁中间行驶。
当救援车前方遇到障碍物,若左侧靠后光电开关探测不到墙壁,则救援车左转90度,若救援车右侧靠后光电开关探测不到墙壁,则向右转90度。
若前方无障碍且左侧探测不到墙壁,则延时一段时间后左转;若前方无障碍且右侧探测不到墙壁,则延时一段时间后右转。
若行至通道尽头,无通路可走时,则原地转弯,继续行驶。
此中方案所走路径近,对车体大小要求不严格,故选用此方案。
图1.1.3方案二光电开关分布
1.2单元模块设计
1.2.1控制模块
微控制器控制模块在本系统中处于核心地位。
其工作包括显示模块控制、响应传感器中断、电机模块控制等。
对微控制器的基本要求是速度快、资源配置合理。
系统控制核心采用两片AT89S52单片机,单片机A、B分别控制不同模块(如图1.2.1)
图1.2.1双机控制模块
1.2.2避障模块
避障模块是保证智能救援车在行进过程中,能自动选择适当路径,避开墙壁,找到通路。
为确保智能救援车在行进过程中不会碰到墙壁,系统需要利用传感器检测障碍物,以调整两轮转速来实现方向的调整,避免与障碍物相撞。
采用光电开关避障。
光电开关将输入电流在发射器上转换为光电信号发射出,被检测物对光束进行遮挡或反射,接收器再根据接收到的光线强弱或有无对目标物进行探测。
由于光电开关内置抗干扰电路,受环境光影响不大,救援车在光线强或弱的环境中都能够较准确地探测。
1.2.3寻迹模块
寻迹模块用以实现智能救援车在门外沿引导轨迹行进。
题目中的轨迹是一条2cm宽的黑线,可以利用传感器探知轨迹。
用JY043W光电对管寻迹,即用已调试的红外对管发射红外线垂直射到板面,白色会反射大部分的红外线,黑色吸收了大部分的红外线。
红外对管在黑白交界处会产生跳变信号,信号送入单片机可以实现控制功能。
1.2.4金属检测模块
金属检测模块的功能是在寻迹前进的过程中探测到金属片。
采用金属接近开关探测金属,当有金属被其探测到时,输出端输出一个低电平,即发生一个负向跳变,将此负向跳变信号通过中断读入单片机,以控制电磁铁产生相应的动作。
1.2.5电机模块
电机模块是本系统的执行机构,用于控制救援车的行进。
采用小型直流减速电机。
减速电机控制精度很低,虽不能准确控制电机转速,但可控制电机的正转、反转、不转等动作,且速度均匀性好。
这已足够控制救援车的前行转弯后退等简单工作,控制简单,电源要求低,易于实现。
1.2.6电机驱动模块
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,它响应频率高,一片L298N可以分别控制两个直流电机,而且还有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动,操作方便,稳定性好,性能优良。
1.2.7电磁铁模块
为实现救援车的救援功能,系统采用电磁铁拾起引导轨迹上的铁片。
电磁继电器的工作原理是线圈通电后产生磁力,吸引动片与定片断开或闭合,故将电磁继电器的线圈拆出作为电磁铁实现救援功能。
1.2.8声光报警模块
本系统声光报警模块由蜂鸣器和发光二极管组成,当救援车开出B门或遇到铁片时,单片机I/O口输出控制信号控制蜂鸣器和红色发光二极管工作,救援车到达C点放下铁片,单片机I/O口输出控制信号使蜂鸣器和绿色发光二极管工作,指示救援结束。
1.2.9显示模块
显示模块用来显示智能救援车从A门进入到从B门出来所用的时间、BD段、DC段的时间,使用OCMJ4*8C液晶显示器显示。
液晶屏具有低功耗、影像稳定不闪烁、画面效果好、抗干扰能力强等特点。
液晶动态显示功能强大,可以实现欢迎信息的显示,并提供了一个友好的用户界面,使系统更加直观,更加趋于智能化、人性化。
1.2.10电源模块
采用镍镉电池组,容量1800mAh,额定电压7.2V直接给直流减速电机供电,并且通过7805实现DC-DC变换产生5V电压给单片机以及其他模块供电。
2软件设计
2.1开发软件及编程语言简介
系统软件设计采用C语言,对单片机进行编程实现各项功能。
程序是在WindowsXPSP2环境下采用KeiluVision2软件编写的,可以实现救援车智能避障、自动寻迹、电机调速、金属探测、声光报警等功能。
2.2软件实现
系统使用两片单片机作为控制核心,单片机A为主控制机,单片机B为辅控制机。
两机主程序流程图如下,子程序及中断服务程序见附录。
3.系统测试
3.1测试仪器及设备
仪器名称
型号
用途
数量
PC机
联想
调试及下载程序
1
数字万用表
MASTECHmy-65
测量个电路工作情况
1
秒表
记录时间
1
3.2系统功能测试
3.2.1基本功能测试
救援车在建筑物内行走状况:
测试次数
碰壁次数
A到B行驶时间
是否声光报警
声光报警时间
1
0
43S
是
5S
2
0
42S
是
5S
3
1
45S
是
5S
4
2
47S
是
5S
5
1
44S
是
5S
6
1
45S
是
5S
7
0
42S
是
5S
8
1
44S
是
5S
9
0
43S
是
5S
10
0
42S
是
5S
11
0
42S
是
5S
12
0
43S
是
5S
测试结果表明,智能救援车能够自动识别障碍物,并根据实时状况快速做出判断,准确的控制自身的转速与转向,在规定的时间内顺利穿过建筑物。
并在B出口停留5秒钟,同时声光报警。
3.2.2发挥部分功能测试
测试次数
BD段行驶时间
D点
DC段行驶时间
C点
拾起铁片?
声光报警?
停车?
放下铁片?
声光报警?
1
7.8S
是
是
11.5S
是
是
是
2
7.6S
否
是
12.3S
是
否
是
3
7.5S
是
是
11.7S
是
是
是
4
8.1S
是
是
11.5S
是
是
是
5
7.7S
是
是
11.6S
是
是
是
6
7.8S
否
是
11.9S
是
否
是
7
7.6S
是
是
12.1S
是
是
是
8
7.7S
是
是
11.5S
是
是
是
9
7.5S
是
是
12.3S
是
是
是
10
7.4S
是
是
11.7S
是
是
是
11
7.7S
是
是
11.8S
是
是
是
12
7.6S
是
是
11.6S
是
是
是
测试结果表明,救援车能够较好地沿引导轨迹行进,于D点处捡起铁片,停车3秒并声光报警。
救援车行至C点处停车,放下铁片并声光报警指示救援结束,满足题目发挥部分的要求。
4.总结
本系统采用两片AT89S52单片机控制智能救援车各模块的工作,完成了题目中基础部分和发挥部分的要求,并在此基础上有所创新,实现了智能救援车的无线控制。
本智能救援车完全由我们手工制作,智能车的底盘和车轮都是用环氧树脂板制作的。
四天三夜的竞赛过程中,我们买器件、设计原理图、雕刻PCB电路板、编写程序、调试,终于完成了我们的作品。
对算法的确定也是几经修改,最终才实现了预期的功能。
虽然比赛的过程是辛苦的,但是我们学到了很多知识技能,在遇到问题时理智的分析解决,同时增强了团队合作意识,总之受益匪浅。
参考文献
[1]陈桂友、孙同景.单片机原理及应用.机械工业出版社,2007
[2]姚福安.电子电路设计与实践.山东科学技术出版社,2007
[3]高吉祥、唐朝京.全国大学生电子设计竞赛培训系列教程.电子工业出版社,2007
[4]黄智伟.全国大学生电子设计竞赛系统设计.北京航空航天大学出版社,2006
[5]全国大学生电子设计竞赛山东赛区组织委员会.山东省“凌阳杯”大学生电子设计竞赛优秀论文选集上册,2006
附录
电路原理图
附图1控制模块电路原理图
附图2寻迹对管电路原理图
附图3电机驱动模块电路图
附图4声光报警模块原理图
程序流程图:
- 配套讲稿:
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