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G甲 智能救援车 青岛理工大学 李西峰 孙强 王魁 专家点评:该设计以凌阳公司SPCE061A单片机为控制核心，较好地实现了智能车的智能控制过程，包括智能避障、路面寻线、金属检测、金属拾起及放下、声光报警、分段行进时间显示等功能。在智能避障中，采用红外传感器完成避障工作并实现在障碍物迷宫里自由行走。使用光电传感器实现在弧形轨迹上寻迹前进。金属探测中，使用金属接近传感器检测铁片，并用继电器拾起铁片，再断电时放下铁片。 该设计通过PWM控制直流电动机来为小车提供动力，以实现小车的前进，转弯，倒车等动作。在测试中，该设计的作品顺利通过规定的各项基本测试以及发挥部分要求的测试内容。各项测试指标均达优秀指标。 青岛理工大学 张天开教授 2008/9/24 摘 要：本设计中的智能救援车以凌阳公司SPCE061A单片机为控制核心，实现智能车的智能控制，包括智能避障、路面寻线、金属检测、金属拾起及放下、声光报警、分段行进时间显示等功能。在智能避障中，采用红外传感器完成避障工作并实现在障碍物迷宫里自由行走。使用光电传感器实现在弧形轨迹上寻迹前进。金属探测中，使用金属接近传感器检测铁片，并用继电器拾起铁片，在断电时放下铁片。在声光报警方面，采用了凌阳的语音功能进行不同情况的语音报警并采用发光二极管不间断的发光报警，同时采用1602液晶显示时间，通过PWM控制直流电动机来为小车提供动力，以实现小车的前进，转弯，倒车等动作。 关键词 ：金属探测；红外避障；路线寻迹；语音报警 Abstract：This intelligent car basedon the microcontrollers of SPCED061Aof SUNPLUS can accomplish the following functions: avoiding intelligentlyobstacles, tracking line, detecting metal, picking up and dropping down metalplates, voice alarming and displaying the time of tracking. In this system, theinfrared sensor is used to avoid obstacles to complete the walk in theconstruction and photoelectric sensor is used in the Black curved track todetect the black line on the white ground. In mental detecting, the metalcontact sensors is used to find the location of iron tablets and by use of therelay it can pick up the iron tablets and dropped it. In terms of voice alarm,it adopts Sunplus powerful voice and light-emitting diode uninterru- pted LED alarm. The system's executive body- Motors is DC motor whichcontrolled by PWM signal. keywords：Rail-detection,infrared obstacle avoidance; line track finding; Voice Alarm 一、系统方案选择与论证 1.1 系统总体方案与论证 由题目分析可得：本设计需要一个由控制器模块、寻线前进模块、红外避障模块、电机驱动模块、金属检测模块、语音播报模块、铁片处理模块、电源模块等几部分组成的系统来实现题目要求。它们的关系请见附件一（图1）。 为实现本系统的功能，下面分别对几种不同的设计方案进行了具体的分析论证。 方案一：使用超声波进行避障。把超声波模块装在舵机上，通过舵机的转向，来进行多个方向的避障，在行进过程中，舵机不断进行多个方向的旋转，对前方障碍物进行检测，相应调整小车的位置和检测是否有通路，若有通路，通过舵机精确拐弯90度，调整舵机方向至小车正前方，从超声波模块传回来的信号小于某一设定值，进行相应方向转弯，重复前边的行进过程，直到从超声波模块传回来的信号几乎为零，说明出了B口。停车5秒钟，小车向前稍微前进，寻找黑线入口，在弧形引导轨迹上前进，通过光电传感器传回的信息，判断小车是否偏离轨迹，再作出必要的处理，在轨迹上行走中，打开金属传感器，当金属传感器检测到金属时，停车3秒，并进行报警，然后对继电器操作，拾起铁片，继续寻迹前进，当发现前面没黑线时，放下铁片，并声光报警，即救援结束。显示各段所走时间。 方案二：在小车左、前、右各安装一个红外传感器，对红外传感器传送的信号进行检测分析，通过对该变化的电信号进行必要的操作，使小车保持在路的中心线前进。并打开前面的红外传感器，时时检测，防止小车碰到前边的墙壁。行进过程中控制器接收到某侧红外传感器连续传回来的信号变化很大，说明小车前方的此侧有可以拐弯的通路，通过单片机控制电动机向此方向拐弯大约90度，若前方红外传感器传回来的信号小于某一设定值，继续进行本方向拐弯。并对此进行计数。反复进行上述动作。若计数值等于2，说明小车完成第二个弯。小车继续避障前进，控制器接收到右侧红外传感器连续传回来的信号变化很大，进行右拐，保持前进，若两侧红外传感器传回值同时减小，说明出B门。停5秒，显示时间，并声光报警。 寻迹过程：安装在小车下方光电传感器寻找黑线入口，光电传感器传回信息，判断小车是否偏离轨迹，作出相应的处理，轨迹上行走时，打开金属检测传感器，当金属检测传感器检测有金属，进行短距离倒车，对继电器操作，拾起铁片，并声光报警，停车3秒。寻迹前进，直到光电传感器检测到全是白，放下铁片，并声光报警、显示救援结束，显示时间。 两个方案比较，方案一对舵机操作频率较大，而舵机有一定的滞后性。故放弃了此种方案。而方案二，用普遍应用的传感器实现，故选择了方案二。 1.2 各模块方案选择与论证 1.2.1控制器模块（单片机的选择） 单片机控制模块在本系统中处于核心地位，其工作包括采集传感器的信号，进行数据处理，控制执行机构的运行等。对单片机控制模块的基本要求是具有较高的速度、资源配置满足要求。 方案一：采用传统的8位89C51单片机作为运动物体的控制核心。经典51单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，RAM、ROM空间小、不稳定等特点。本题目要求有较大的RAM，由于小车的颠簸需要比较稳定的系统，若采用89C51需要做RAM、ROM来扩展其内存空间，其硬件工作量必然大大增加。 方案二：采用16位单片机SPCE061A作为小车运动的控制中心。SPCE061A具有丰富的硬件资源：RAM，ROM空间大、指令周期短、运算速度快、低功耗、低电压、可编程音频处理，单片机SPCE061A的晶振频率为32.768KHz，最高运算速度可达49MHz；有32K的FLASH，3.3V供电，两个16位可编程定时/计数器，可以自动设置预设处置，具有运行/ 睡眠方式，并且芯片自带看门狗维护功能。程序具有易于编写和调试等优点。 根据题目要求，系统稳定性以及资源利用等方面考虑。我们选择了方案二。 1.2.2寻线前进模块 光电检测模块用以实现小车沿着场地上标出的黑色路线运动。题目中路径和周围场地黑白对比明显，可用传感器来感知前进轨迹。 方案一：可见光发光二极管与光敏二极管组成得发射—接收电路。这种方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管工作产生很大干扰，环境要求比较高。外界环境条件改变，很可能造成误判和漏判，因此没有采用这个方案。 方案二：采用光电传感器。当光照射到下方的场地会发生反射，由于黑色胶皮和白色胶皮的反射系数不同，光电传感器可根据接收到的反射光强弱判断是否偏离黑线。可使用四个集成反射式光电传感器控制，寻线电路图见附件一（图2）。 综合考虑，选择了抗干扰能力强且易于实现的光电传感器，即确定方案二。 1.2.3障碍物检测躲避模块 方案一：采用超声波避障，超声波受环境影响较大，电路复杂，而且墙壁对超声波的反射，会影响系统对障碍物的判断。 方案二：采用红外传感器避障（包括发射管和接收管），红外线发射管发射信号，发射出的红外线遇到障碍物反射，红外线接受管对反射回的信号处理，并输出与距离有一定比例的电压信号，经过AD转换得到相应数字信号，单片机进行处理，完成避障功能。 外界对红外信号的干扰较小，易于实现，故采用方案二。 1.2.4 电机驱动模块 小车电机驱动模块是本系统的执行机构，用于控制小车的运行。 电机驱动方式及运行的选择 方案一：采用舵机和直流电机分别控制小车转向和驱动。舵机控制两个轮的转向，没法控制小车的前进，若想保证既能转弯又能前进，需要更大的功率，对电源要求高。另外，舵机转向方式平缓且灵活，但是转向弧度较大不能实现原地转向。 方案二：小车采用双电机实现驱动和转向，动力强劲。利用电机差速原理控制小车转向，极易实现原地任意角度的转向。本题使用61板上的四个接口A4、A5、A6、A7来实现对小车上电机的控制。首先在小车的后方安装一万向轮，两侧为双动力电机。61板的四个控制A4、A5、A6、A7分别接左电机A接口、左电机B接口、右电机A接口、右电机B接口。具体原理见附件三（表1）。 通过附件三（表1）可知，只要通过软件控制端口就能完成对电机的操作，实现容易，并且误差较小。 基于上述分析，采用了方案二。 1.2.5 金属检测模块 采用普通金属接近开关LJ18A3-8，此开关在接近金属适当距离时，输出电平发生变化，此信号传给单片机，单片机根据电平信号的高低，判断是否检测到金属，从而作出相应的操作。 1.2.6 1602液晶显示模块 方案一：采用LED数码管显示。LED可以用移位寄存器74HC164或者专用芯片驱动，调试方便，且串行显示只占用很少得I/O口。缺点是只能显示一些简单的字符，显示得信息十分有限。 方案二：采用液晶显示。1602液晶显示器具有功率低、发热小、画面稳定不闪烁、屏幕调节方便等优点，其界面友好，内容量大，符合要求。 鉴于本系统显示信息量大且复杂，LED数码管不足以满足系统设计要求，故本系统选择方案二。 1.2.7 语音播放模块 方案一：采用单片机产生不同频率信号，得到不同声调的报警信号，以完成报警功能，此方案能完成声音提示功能，但可读性差。 方案二：采用凌阳61板自身携带的语音模块，在报警，播报时间，完成任务等动作作出的同时调用不同的语音程序模块进行语音播报，这些工作都是直接在软件中完成的，61单片机具有丰富的语音资源库，只需要录制所要的语音放在FLASH存储器里进行调用，或者直接调用其音乐函数库里的声音就能完成任务。 通过比较论证，选择更直观的语音报警，故选择了方案二。 1.2.8 拾起放下铁片模块 对一般的继电器进行改装，使其通入一定电流，通电线圈产生磁场，产生一定的磁力，拾起铁片。通过单片机停止对继电器通电，磁场消失，铁片自动落下。此法简单可靠，因此选择本方法。 1.2.9 电源模块 方案一：采用普通电池，选用7节电池给直流电机供电，经7805稳压管对单片机、光电传感器、金属接触传感器等供电，但对直流电机影响很大，电机转速变化大，对任务的完成极为不利。 方案二：采用8节可充电式镍氢电池组共9.6V给直流电机供电，经7805电压转换为单片机、光电传感器、金属接触传感器等额定电压为5V器件供电。单片机和传感器工作正常，直流电机转速变化不大且平稳行进，且电池体积较小，重量较轻，能够满足系统要求。 上述论证可知，电池组可保持系统稳定，选取方案二。 1.3系统各模块的最终方案 经过论证，得到各个模块的最终应用方案，方案如下： (1) 控制器模块：采用凌阳61单片机SPCE061A作为小车运动的控制核心； (2) 寻线前进模块：采用RPR220型光电传感器来进行寻线； (3) 障碍物检测躲避模块：选用了GP2D12红外传感器进行避障； (4) 小车电机驱动模块：采用了普通电机，采用差速控制，PWM脉宽调速； (5) 金属检测模块：采用普通的金属接近开关LJ18A3-8; (6) 液晶显示模块选用1602进行显示，方便操作，显示信息量大； (7) 语音播报模块：直接采用凌阳61板自带的语音播报模块进行语音报警； (8) 拾起放下铁片模块：我们用普通继电器进行了改装； (9) 电源模块：采用9.6V稳压电池组供电，经稳压管对单片机间接供电和对电机直接供电。 二、硬件系统的设计与实现 2.1 整体系统构成 整体系统由凌阳SPCE061A实验板、RPR220型光电传感器、GP2D12红外传感器、普通电机、金属接近开关LJ18A3-8、普通继电器、电池组等元器件构成，具体框图可见附件一（图3）。 2.2双电机差速控制模块 PWM调速实现 利用SPCE061A的I/O口资源，软件模拟产生4096Hz的PWM波，通过调节PWM的占空比来实现电机转速的调整。对应的电机电压波形见附件一（图4）。 此时加在电机两端的平均电压为： file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image002.gif 通过调整PWM波的占空比，改变Th和Tl的比值，从而改变了加在电机两端的平均电压U的大小，最终实现直流电机的调速。 直行和转向的控制过程 本系统采用双电机差速控制原理，给双电机输入不同得方向和脉宽值时，来实现电动车的直行和定向旋转控制。当同时在双电机输入同向且等脉宽的PWM信号时，实现电动车的前进和后退；当同时在双电机上输入反向且等脉宽的PWM信号时，实现电动车的原地旋转。当同时在双电机上输入同向且不等脉宽的PWM信号时，实现电动车的转向。同理，还能实现左前转，右后转，左后转等各种动作。 2.3寻线模块 使用4个光电传感器，成一字型排列在小车下方，根据返回来的信号，进行相应的处理，电路图见附件一（图5）。 当发光二极管接收不到信号时截止，输入信号从同向输入端输入比较器后，得到的是高电平，当发光二极管接收到信号时导通，输入信号从同向输入端输入比较器后，得到的是低电平，通过高低电平的变化就可以判断小车是否沿着黑色胶质前进，发现偏离及时调整。 2.4 避障模块 使用红外发射—接收模块GP2D12，其输出为模拟量，直接利用61板集成的A/D转换功能，进行A/D转换，得到相应参数，根据参数进行相应处理，进行避障前进。避障原理见附件一（图6）。 2.5 金属检测模块 LJ18A3-8电感式接近开关通电产生磁场，金属目标接近这一磁场，达到感应距离，在金属内产生涡流，导致振荡衰减，至停振。振荡器振荡及停振的变化被后级放大电路处理并转换成开关信号，根据信号判断是否检测到金属铁片。 2.6 电源模块 电源主要对三部分供电： 供电电路图见附件一（图7） （1） 61板及额定电压为5V的传感器供电； （2） 直接对电机驱动供电； （3） 直接对金属接近传感器供电。 三、软件系统的设计与实现 本系统采用自上而下的调试方法，即对单独调试好每一个模块进行调用，然后连接成一个完整的系统调试。本系统可分为以下几个模块： （1） 障碍物中小车运行程序； （2） 小车寻迹处理铁片程序； （3） 建筑物道路前进程序； （4） 黑线寻迹子程序 详细见附件二中各流程图（图10—13）。 四 系统测试、调整 1 系统实现功能测试 系统主要实现在障碍物行进，黑线寻线前进，铁片拾起放下，行进时间显示，声光报警。其中，对各部分行进时间、铁片拾起成功率、拐弯成功率、直线前进成功率进行独立测试，对其他功能放在整车测试中进行。具体数据见附件三（表2、表3）。 2 整车测试 整车测试过程中，不断进行调试和改装。尤其在建筑物行进过程中，不断修改参数，保证小车平稳前行。如何顺利检测轨迹中的铁片，都做了改进。最终测试成功，我们又扩展了一些功能，如，发现铁片及任务完成都有相应的语音提示。 总结 在设计过程中，力求电路简单，外形美观，软件方面，力求稳定卡可靠。最终顺利完成了题目中所有的基本要求和发挥部分，并且增加了一些新功能尤其在语音方面：语音报警，语音报时，语音播报完成任务。系统更加智能化，人性化。 参考资料： [1]罗亚非．凌阳十六位单片机应用基础．北京航空航天大学出版社。2003年。 [2]全国大学生电子设计竞赛组委会.第六届全国大学生电子设计竞赛获奖作品选编（2003）.北京：北京理工大学出版社，2005年。 [3]黄智伟，王彦，陈文光，朱卫华.全国大学生电子设计竞赛训练教程.北京：电子工业出版社，2005年。 [4]薛钧义，张彦斌，虞鹤松，樊波. 凌阳十六位单片机原理及应用.北京：北京航天航空大学出版，2003年
[5]张彦斌等，凌阳十六位单片机原理及应用北京：北京航天航空大学出版社，2003年。 [6]谭浩强C语言程序设计（第二版）清华大学出版社，2004年。 [7]于海生 微型计算机控制技术 清华大学出版社 ，2006年。 附件一 （设计报告中部分原理图） file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image004.gif 图1 系统模块示意图 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image006.gif 图2 光电管寻线电路图 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image008.gif 图3 系统硬件框图 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image010.gif 图4 PWM调速原理图 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image012.gif 图5 电机驱动电路图 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image014.gif 图6 光电管电路图 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image016.gif 图7 红外发射—接受原理图 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image018.gif 图8 61板音频输出部分 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image020.gif 图9电源电压转换图 附件二 （设计报告部分程序流程图） file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image022.jpg file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image024.jpg 图10 建筑物中小车运行程序主流程图 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image026.jpg 图11 小车寻迹处理铁片主流程图 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image028.jpg 图12 建筑物道路前进程序 file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image030.jpg 图13寻迹子程序 附件三 （设计报告中部分表格） 表1 电机驱动基本原理表 表2 行进时间测量数据 | file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image031.gif | | | | | | | | | | | | | | | |
表3 实验成功率 | file:///C:/Users/admin/AppData/Local/Temp/msohtmlclip1/01/clip_image032.gif | | | | | | | | | | | | | | | |
表4 主要元器件清单
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发表于 2015-5-13 08:33:56
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