I題 智能探測機(jī)器車的設(shè)計(jì)與制作

1、I題 智能探測機(jī)器車的設(shè)計(jì)與制作煙臺汽車工程職業(yè)學(xué)院 李陽東 劉英濤 孔敏專家點(diǎn)評：本智能探測系統(tǒng)完成了題目設(shè)計(jì)要求，方案論證詳細(xì)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，設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)構(gòu)合理，需改進(jìn)的地方是整車測試結(jié)果分析不夠詳細(xì)，另外設(shè)計(jì)報(bào)告中圖片過多，框圖不夠規(guī)范。青島理工大學(xué)自動化工程學(xué)院 周玉國教授摘要 隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的全面發(fā)展，智能探測機(jī)器車在探測領(lǐng)域已經(jīng)逐漸取代人工探測，為人們的生活提供了極大的方便。本系統(tǒng)由智能探測系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部分無線通信，完成智能探測、數(shù)據(jù)采集和無線傳輸和顯示，通過外圍及附屬電路來實(shí)現(xiàn)對智能探測車的循跡、定位、探測、數(shù)據(jù)無線接收和發(fā)送、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示和

2、語音播報(bào)的設(shè)計(jì)。本設(shè)計(jì)智能探測系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，由直流減速電機(jī)、紅外對管、光碼盤、溫度和濕度傳感器、超聲波傳感器、顏色傳感器、12864顯示屏、無線傳輸模塊組成，完成循跡、定位、溫度檢測、測距、顏色識別、濕度檢測、360度轉(zhuǎn)身、顯示、無線數(shù)據(jù)發(fā)送功能。接收系統(tǒng)以STC89C52單片機(jī)為核心，由無線接收模塊、12864顯示模塊、語音播報(bào)組成，完成無線數(shù)據(jù)接收、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、語音播報(bào)的功能。關(guān)鍵詞： STC89C52；循跡；定位；探測；無線通信；語音播報(bào)13一、系統(tǒng)設(shè)計(jì)1.1總體方案論證與比較本系統(tǒng)硬件電路以智能探測系統(tǒng)和接收系統(tǒng)組成，智能探測系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，

3、電路包括循跡模塊、光碼盤定位、溫度和濕度探測模塊、測距模塊、顏色探測模塊、無線傳輸模塊。接收系統(tǒng)以單片機(jī)STC89C52為核心，包括無線接收模塊、顯示模塊、語音播報(bào)模塊。其智能探測系統(tǒng)和接收系統(tǒng)框圖如圖1-1所示和1-2所示。圖1-1智能探測系統(tǒng)框圖圖1-2 接收系統(tǒng)框圖1.2各模塊方案論證與比較1.2.1控制器模塊方案一：采用MSP430功能強(qiáng)大，速度快，相比51而言，這些是明顯的優(yōu)勢。但是，MSP430作為混合信號處理器，針對許多具體應(yīng)用，許多功能未必有用。方案二：采用STC89C52系列的單片機(jī)。此單片機(jī)具有指令簡單，外圍電路簡單，硬件設(shè)計(jì)方便，IO口操作簡單，無方向寄存器，資源豐富，價(jià)

4、格便宜、容易購買，資料豐富容易查到，程序燒寫簡單，使用簡單等特點(diǎn)。考慮實(shí)際情況，我們選擇了STC89C52作為主控芯片，此芯片對于本次設(shè)計(jì)資源完全夠用。1.2.2電機(jī)模塊方案一：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。缺點(diǎn)：步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時(shí)會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，且價(jià)格較高。方案二：采用直流減速電機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機(jī)提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭矩。綜合兩個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)及實(shí)際需要，我們選用方案二，

5、能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，因此我們選擇了此方案。1.2.3電機(jī)驅(qū)動模塊方案一：使用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)。 L298N芯片可以驅(qū)動兩個(gè)二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個(gè)四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá)50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的I/O口提供信號；而且電路簡單，使用比較方便。方案二：使用多個(gè)功率放大器驅(qū)動電機(jī)通過使用不同的放大電路和不同參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大要求，放大后能得到較大的功率。但是，當(dāng)點(diǎn)擊的功率較大時(shí)運(yùn)行起來會不穩(wěn)定，而且電路的制作也比較復(fù)雜。通過比較，我們采用方案一。1.2.4循跡模塊方案一：采用CCD傳感器，此種方法雖然能對路面信息進(jìn)行準(zhǔn)確完備的反應(yīng)，但它存在

6、信息處理滿，實(shí)時(shí)性差等缺點(diǎn)，因此若采用CCD傳感器，無疑會加重單片機(jī)的處理負(fù)擔(dān)，不利于實(shí)現(xiàn)更好的控制策略。方案二：采用紅外對管傳感器，該傳感器為開關(guān)量傳感器，輸出為TTL電平，可以直接和單片機(jī)連接，需要在輸出端加上拉電阻?？梢姽飧蓴_小，輸出信號為開關(guān)量，信號處理簡單，使用非常方便外。經(jīng)以上分析我們選擇方案二。1.2.5 定點(diǎn)精確定位和360度轉(zhuǎn)身模塊方案一：采用電子指南針。該模塊定位準(zhǔn)，但是操作麻煩，而且價(jià)格貴。方案二：采用編碼盤。小車在轉(zhuǎn)動的過程中，編碼盤通過計(jì)數(shù)實(shí)現(xiàn)90度轉(zhuǎn)彎和360度轉(zhuǎn)身的測量，精度高，價(jià)格便宜?？紤]到實(shí)際的情況，我們選用了編碼盤用來準(zhǔn)確定位。1.2.6測距模塊方案一：采

7、用激光位移傳感器測距的方法進(jìn)行測距，精度很高，但是價(jià)格很貴。方案二：采用紅外測距傳感器進(jìn)行測距，價(jià)格很便宜，但是精度不高。方案三：采用超聲波進(jìn)行測距，價(jià)格適中，精度很高。所以選擇此方案。1.2.7總體方案 經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了總體方案如下： （1）采用STC89C52作為主控芯片。 （2）采用減速直流電機(jī)實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)與轉(zhuǎn)向。 （3）采用L298N芯片驅(qū)動電機(jī)。 （4）采用紅外對管進(jìn)行循跡。 （5）采用編碼盤實(shí)現(xiàn)定點(diǎn)精確定位和360度轉(zhuǎn)身。 （6）采用DHT11采集溫度和濕度。 （7）采用超聲波進(jìn)行測距。 （8）采用TCS3200采集顏色。 （9）采用SYN6288語音芯片進(jìn)行播報(bào)。 （

8、10）采用CC1101無線發(fā)送和接收模塊分別實(shí)現(xiàn)發(fā)送和接收功能。二、理論分析與計(jì)算2.1智能探測系統(tǒng)理論分析與計(jì)算2.1.2 循跡電路分析循跡電路采用兩個(gè)，如圖2-1所示，完成對尋跡線、定位點(diǎn)、轉(zhuǎn)身區(qū)和終止線的循跡。其中紅外對管1和2實(shí)現(xiàn)對中間黑線的循跡。如果紅外對管1、2、3和4同時(shí)檢測到黑線時(shí)，則檢測到某個(gè)定位點(diǎn)的十字，小車精確轉(zhuǎn)身90度；如果紅外對管1和2同時(shí)檢測到黑線，而3和4檢測不到黑線，則小車到達(dá)轉(zhuǎn)身區(qū)；如果紅外對管1和2檢測不到黑線，而3和4檢測到黑線，則小車到達(dá)終止線，小車停止。紅外對管的位置如圖2-1所示。圖2-1 紅外對管的位置2.1.3精確定位和360度轉(zhuǎn)身模塊分析與計(jì)算

9、 小車精確定位過程中，需要轉(zhuǎn)過90度和360度角度，小車在轉(zhuǎn)動過程中，通過安裝在車輪上的編碼器計(jì)數(shù)，送到單片機(jī)的P3.3，經(jīng)計(jì)算處理轉(zhuǎn)換成小車轉(zhuǎn)過的角度，其原理如圖2-2所示。 A ：LED發(fā)光二極管 B：光敏三極管圖2-2光電碼盤定位示意圖當(dāng)A、B之間沒有遮擋物時(shí)，B接收到了A的光，此時(shí)B導(dǎo)通，輸出高電平；小孔通光，給單片機(jī)送高電平。當(dāng)A、B之間有遮擋物時(shí)，B接收不到A的光，此時(shí)B截止，輸出低電平；小孔不通光，給單片機(jī)送低電平。輸出信號由高到低的跳變，每發(fā)生一次就計(jì)數(shù)，將跳變的輸出信號送給單片機(jī)進(jìn)行檢測就可以得到輪子的轉(zhuǎn)過的距離，從而計(jì)算出小車轉(zhuǎn)過的角度。碼盤轉(zhuǎn)一周360度，計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)100

10、個(gè)值，經(jīng)過計(jì)算和測試，得出計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)達(dá)到112個(gè)值時(shí)，小車正好向右轉(zhuǎn)彎90度，再重新計(jì)數(shù)達(dá)到112個(gè)值時(shí)，小車返回尋跡線繼續(xù)前行。這樣就可以完成小車在定點(diǎn)的精確定位。當(dāng)計(jì)數(shù)器達(dá)到448個(gè)值時(shí)，小車正好轉(zhuǎn)身360度。2.1.3數(shù)據(jù)采集模塊分析2.1.3.1溫度和濕度檢測模塊設(shè)計(jì)為了完成定位點(diǎn)1的溫度探測和定位點(diǎn)4的濕度探測，我們使用了新型的智能溫濕度傳感器DHT11。它主要實(shí)現(xiàn)對溫度、濕度的檢測，將溫度濕度信號通過此傳感器轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，送入單片機(jī)STC89C52的P2.0口進(jìn)行分析和處理，從而得到定位點(diǎn)1的溫度值和定位點(diǎn)4的濕度值。該儀器具有測量精度高、硬件電路簡單、并能很好的進(jìn)行顯示?？蓽y試

11、不同環(huán)境溫濕度的特點(diǎn)。2.1.3.2超聲波檢測模塊分析對定位點(diǎn)2進(jìn)行超聲波測距，我們選擇了HC-SR04 超聲波傳感器，它可以可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能， 測距精度可達(dá)高到3mm，模塊性能穩(wěn)定；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路?；竟ぷ髟恚?超聲波傳感器計(jì)算：設(shè)l為測量距離，t為往返時(shí)間差，超聲波的傳播速度為c，則有t=2lc，而聲波在空氣中傳輸速率為（m/s）。式中T為環(huán)境溫度；CO為絕對溫度時(shí)的速度，是常數(shù)。測試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2。2.1.3.3顏色檢測模塊設(shè)計(jì)分析在定位點(diǎn)3處進(jìn)行顏色檢測，使用了顏色傳感器TCS230。TCS230是一

12、種可編程彩色光到頻率轉(zhuǎn)換器。它的輸出信號是數(shù)字量，可以驅(qū)動標(biāo)準(zhǔn)的TTL或COMS邏輯輸入，因此可直接與STC89C52的I/O口相連，將顏色信號送入單片機(jī)，計(jì)算的出RGB的數(shù)值。2.1.4數(shù)據(jù)上傳模塊（無線發(fā)送模塊） 在定位點(diǎn)1、2、3、4上，單片機(jī)STC89C52分別采集溫度、距離、顏色、濕度信號，通過無線發(fā)送模塊CC1101實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的上傳。CC1101是一款低于1GHz高性能射頻收發(fā)器，設(shè)計(jì)旨在用于極低功耗RF應(yīng)用。通過SPI方式，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線發(fā)送。2.2接收系統(tǒng)硬件構(gòu)成及功能2.2.1數(shù)據(jù)接收模塊（無線接收模塊） 接收系統(tǒng)同樣采用無線收發(fā)模塊CC1101接收智能探測系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)，通信

13、方式為SPI方式。2.2.2 語音播報(bào)模塊為了對實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行語音播報(bào)，我們選擇了SYN6288語音合成芯片。這種芯片具有清晰、自然、準(zhǔn)確的中文語音合成效果；通過異步串口接收待合成的文本，實(shí)現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換。文本識別智能、語音合成效果和智能識別效果非常優(yōu)越。還具有體積小、硬件接口簡單、性價(jià)比高的優(yōu)點(diǎn)。內(nèi)置DC-DC轉(zhuǎn)換電路，無需外加負(fù)。三、系統(tǒng)電路與程序設(shè)計(jì)3.1 硬件電路部分3.1.1 車體購買文軒電子的坦克小車具有組裝完整的車架車輪、電機(jī)及其驅(qū)動電路。易改裝，好控制。機(jī)械性能有保障。尺寸（長180*寬135）符合要求。車體見附圖1。3.1.2單片機(jī)最小系統(tǒng)本設(shè)計(jì)分智能探測系統(tǒng)和接收系統(tǒng)兩部

14、分，其中智能探測系統(tǒng)是以單片機(jī)STC89C52為主控模塊，完成小車的循跡、精確定位、360度轉(zhuǎn)身、數(shù)據(jù)采集（包括溫度、濕度、距離、顏色）、數(shù)據(jù)上傳功能；接收系統(tǒng)也是以單片機(jī)STC89C52作為主控模塊，完成數(shù)據(jù)接收、語音播報(bào)、數(shù)據(jù)顯示功能。智能探測系統(tǒng)電路圖如附圖2所示。接收系統(tǒng)電路圖如附圖3所示3.1.3電機(jī)驅(qū)動模塊電路我們采用L298N芯片對電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動，用單片機(jī)的P1.0、P1.1口作為控制信號的輸出端，通過輸出脈沖信號控制電機(jī)的驅(qū)動。其電路圖如附圖4所示。3.1.4 超聲波測距電路 在定點(diǎn)2處采用超聲波HC-SR04進(jìn)行距離的數(shù)據(jù)采集。HC-SR04與單片機(jī)的連接電路圖見附圖5。3.1

15、.5 溫度和濕度檢測電路在定點(diǎn)1和4處，需要采集溫度和濕度，本系統(tǒng)采用的DHT11數(shù)字溫濕度傳感器是一款含有已校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的溫濕度復(fù)合傳感器。單線制串行接口。DHT11與單片機(jī)的連接電路如附圖6所示。3.1.6顏色識別電路 在定點(diǎn)3處，需要采集顏色，本系統(tǒng)采用的TCS230顏色傳感器與單片機(jī)的連接電路圖如附圖7。3.2系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)根據(jù)設(shè)計(jì)要求，本設(shè)計(jì)軟件部分實(shí)現(xiàn)了智能探測系統(tǒng)程序和接收系統(tǒng)軟件，智能探測系統(tǒng)程序包括循跡、精確定位、360度轉(zhuǎn)身、溫度采集、距離采集、顏色采集、濕度采集、數(shù)據(jù)上傳（無線發(fā)送）、12864液晶顯示；接收系統(tǒng)程序包括數(shù)據(jù)接收（無線接收）、液晶顯示、語音播報(bào)。3.2.

16、1系統(tǒng)軟件流程圖智能探測系統(tǒng)附圖8和接收系統(tǒng)程序流程圖如附圖9；子程序流程圖包括小車轉(zhuǎn)彎90度子程序、超聲波測距子程序、采集溫度子程序、采集顏色子程序如附圖10；3.2.2部分程序如附件1。四、系統(tǒng)測試方案與測試條件根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。測試包括溫度采集、距離采集、90度轉(zhuǎn)彎和360度轉(zhuǎn)身測試。4.1使用的儀器儀表1、家用溫度計(jì)一只2、卷尺3、量角器4.2系統(tǒng)調(diào)試根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)的調(diào)試共分為三大部分：硬件調(diào)試，軟件調(diào)試和軟硬件聯(lián)調(diào)。由于在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用模塊設(shè)計(jì)法，所以方便對各電路模塊功能進(jìn)行逐級測試。4.3測試數(shù)據(jù)（1）采集溫度數(shù)

17、據(jù)分析測試條件是：在定位點(diǎn)1一側(cè)，放置圓柱形容器直徑6cm，高度25cm，內(nèi)裝液體水，用于調(diào)節(jié)環(huán)境溫度，對溫度進(jìn)行采集，測試結(jié)果與溫度計(jì)比較如表4-1所示。表4-1溫度測試（2）采集距離數(shù)據(jù)分析測試條件：在定位點(diǎn)2處放置長方體尺寸長度20cm，高度25cm， 2cm左右，長方體可前后移動10-20cm，測試結(jié)果與卷尺測量結(jié)果比較結(jié)果如表4-2所示。表4-2 距離測試（3）定點(diǎn)精確定位和360度轉(zhuǎn)身測試條件：在四個(gè)定位點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)90度轉(zhuǎn)彎，在兩個(gè)轉(zhuǎn)身區(qū)實(shí)現(xiàn)360度轉(zhuǎn)身。表4-3 90度轉(zhuǎn)彎測試表4-4 360轉(zhuǎn)彎測試用光電傳感器檢測轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，將光信號轉(zhuǎn)變成電信號送給單片機(jī)進(jìn)行檢測就可以得到輪子的轉(zhuǎn)

18、速。其中所產(chǎn)生的誤差，我們通過兩種方式來減小。一、用軟件來實(shí)現(xiàn)減小誤差。二、我們將測速的輪盤分為100孔，即使其最小檢測出360/100=3.6度，這樣就能滿足轉(zhuǎn)速的精確測量。4.4測試結(jié)果與分析經(jīng)過對系統(tǒng)的嚴(yán)格測試，本系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)題目所要求的基本功能，達(dá)到了設(shè)計(jì)和制作要求。五、體會總結(jié)首先要感謝山東省大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽組委會為我們提供這次施展才華的機(jī)會，同時(shí)要深深感謝各位輔導(dǎo)老師在電子設(shè)計(jì)大賽期間給予我們小組的幫助。通過各種方案的討論和嘗試，在經(jīng)過多次的整體軟硬件結(jié)合調(diào)試，不斷地對系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，小車能比較流暢的沿著黑線循跡，完成4個(gè)定位點(diǎn)的精確定位，并在轉(zhuǎn)身區(qū)內(nèi)完成360度轉(zhuǎn)身。在完成基本要

19、求后，發(fā)揮部分完成數(shù)據(jù)采集及顯示，數(shù)據(jù)無線發(fā)送，上位機(jī)無線接收數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示和語音播報(bào)。比賽期間各位輔導(dǎo)老師給予我們極大的幫助和支持，在這里我們小組三個(gè)成員要向輔導(dǎo)老師致以我們深深的感激和感謝之情，同時(shí)對在比賽期間給予我們幫助的所有老師表示感謝！最后再次感謝大學(xué)生電子設(shè)計(jì)大賽組委會和我們的輔導(dǎo)老師！參考文獻(xiàn)1郭惠，吳迅.單片機(jī)C語言程序設(shè)計(jì)完全自學(xué)手冊M.電子工業(yè)出版社。2王東鋒，王會良，董冠強(qiáng). 單片機(jī)C語言應(yīng)用100例M. 電子工業(yè)出版社。 3韓毅，楊天. 基于HCS12單片機(jī)的智能尋跡模型車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)J.學(xué)術(shù)期刊。4王為青，邱文勛著.51單片機(jī)應(yīng)用開發(fā)案例精選.北京：人民郵電出

20、版社。5華成英 童詩白 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ) 第四版 高等教育出版社。附件：附圖1：車體附圖2：智能探測系統(tǒng)整體原理圖附圖3：接收系統(tǒng)原理圖附圖4：電機(jī)驅(qū)動電路附圖5：超聲波測距電路圖附圖6：溫度和濕度傳感器DHT11接口電路附圖7：顏色傳感器與STC89C51的接口電路附圖8：智能探測系統(tǒng)整體流程圖附圖9：接收整體流程圖附圖10：子程序流程圖小車精確定位 超聲波測距子程序 采集溫度和濕度子程序 顏色識別子程序附件1：部分程序1、主程序void main() initc1101(); TxBuf0=0xa0; halRfSendPacket(TxBuf,8); init(); while(1) xunji(); if(over = 1) TxBuf0=0xa1;TxBuf1=U8T_data_H; halRfSendPacket(TxBuf,8); if(over = 2) TxBuf0=0xa2;TxBuf1=S; halRfSendPacket(TxBuf,8); if(over = 3) TxBuf0=0xa3;TxBuf1=rb;TxBuf2=