2008年G题 智能救援小车 - 图文(2)

系统总框图

为较好的实现各模块的功能，我们分别设计了几种方案并分别进行了论证。 2.1车体方案论证与选择

方案1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。

方案2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我们制定了左右两轮分别驱动，在校车后面加万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流电机进行驱动，车体尾部装一个万向轮。这样，当两个直流电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。当小车前进时，左右两驱动轮与后万向轮形成了三点结构，这种结构使得小车在前进时比较平稳。为了防止小车重心的偏移，后万向轮起支撑稳定的作用。对于车架材料的选择，我们经过比较选择了实验室常用的敷铜电路板。用敷铜电路板做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。综上考虑，我们选择了方案2。制作的小车实物如下图所示：

小车实物

2.2控制模块论证与选择

方案一：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力强、可靠性高、功耗低、结构简单、具有语音处理、运算速度快等优点，但考虑到我们小组对这个方案采用的微处理器并不熟悉，使用起来并不是很方便，这对于硬件电路的设计和软件编程增加了难度。我们决定不再使用此方案，考虑其他方案。

方案二：采用STC 89C52单片机作为主控制器。STC 89C52是一个超低功耗，和标准51系列单片机相比较具有运算速度快，抗干扰能力强，支持ISP在线编程，片内含8k空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个I/O口，2个16位可编程定时计数器。其指令系统和传统的8051系列单片机指令系统兼容，降低了系统软件设计的难度，电路设计简单、价格低廉，在后来的实验中我们发现，STC 89C52精确度和运算速度也都完全符合我们系统的要求。

综合以上方案我们选择比较普通的更为熟悉的方案二使用STC89C52单片机为我们整个系统的控制核心。

2.3电源模块论证与选择

由于本系统需要给救援小车系统供电，我们考虑如下几种方案:

方案一：采用7.2V可充电动力电池组。动力电池组具有较强的电流驱动能力及稳定的电压输出性能，经测试在用此种供电方式下，单片机和传感器工作稳定，直流电机工作良好，且电池体积较小、可以充电、能够重复利用等，能够满足系统的要求。

方案二：采用12V蓄电池为直流电机供电，将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其它芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但是蓄电池的体积过于庞大，由于我们的车体在设计时空间有限，在小型电动车上使用极为不方便，因此我们放弃此方案。

综上考虑，我们选择了方案一来完成智能救援小车系统供电的任务。 2.4电机模块选择与论证

方案一：采用直流减速电机。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便，小车电机内部装有减速齿轮组，所以并不需要考虑调速功能，很方便的就可以实现通过单片机对直流减速电机前进、后退、停止等操作， 方案二：采用步进电机作为该系统的驱动电机，由于其转动的角度可以精确定位，可以实现小车前进距离和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，但步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高的转速时会急剧下降，其转速较低时不适于小车等对速度有一定要求的系统。经综合比较分析我们决定放弃此方案。

综合以上考虑我们选择方案一的直流减速电机作为整个救援小车的驱动电机。

2.5电机驱动模块选择与论证 方案一：采用分立组件组成的平衡式驱动电路，这种电路可以由单片机直接对其进行操作，但由于分立组件占用的空间比较大，还要配上两个继电器，考虑到小车的空间问题，此方案不够理想,我们决定放弃此方案。

方案二：因为小车电机内部装有减速齿轮组，考虑不需调速功能，采用市面易购的电机驱动芯片L293D控制减速电机，该芯片是利用TTL电平进行控制，通过改变芯片控制端的输入电平，即可以对电机进行正转、反转和停止操作，亦能满足直流减速电机的要求，用该芯片作为电机驱动具有的操作方便、稳定性好等优点。

综合以上分析与论证我们选择方案二的驱动芯片L293D作为整个救援小车系统的电机驱动电路。

2.6避障模块的选择与论证

方案一：用超声波传感器进行避障。超声波传感器的原理是：超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。因此我们考虑其它的方案。

方案二：用漫反射式光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据光线发射头发出的光束，被物体反射，其接收电路据此做出判断反应，物体对红外光由同步回路选通而检测物体的有无。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。考虑到本系统只需要检测障碍物，没有十分复杂的

环境。为了使用方便，便于操作和调试，我们最终选择了方案二。光电开关的实物如下图：

2.7循迹模块选择与论证

方案一：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白色轨迹上方和黑色轨迹上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。单片机据此来判断小车是否偏离轨道，并根据反馈来不同的电平信号，发出相应的控制操作命令来校验小车的位置。来完成小车的循迹任务。但是这种方案的缺点是受环境中光线的影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其它更加稳定的方案。

方案二：用RPR220型光电对管完成系统循迹。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。

经测试方案二不论是在黑暗或者是强光照射下，小车系统均可以很稳定的工作，对环境的适应能力较强。因此我们选择方案一。

2.8金属传感器模块论证与选择 方案一：采用CCD图像传感器

利用CCD图像传感器可适用于各种量的检测。具有检测的图像清晰、准确，图像界面友好，但是用CCD图像传感器需要处理的信号量太大，，价格昂贵，硬件电路设计困难，软件编程复杂，其体积较大对于空间有限的小车上使用存在诸多的不便，故CCD不使用与本系统。 方案二：采用电感式接近开关

电感式接近开关属于一种有开关量输出的位置传感器，它由LC高频振荡器和放大处理电路组成，利用金属物体在接近这个能产生电磁场的振荡感应头时，使物体内部产生涡流。这个涡流反作用于接近开关，使接近开关振荡能力衰减，内部电路的参数发生变化，由此识别出有无金属物体接近，进而控制开关的通或断。这种接近开关所能检测的物体必须是金属物体。其体积较小适合在空间有限的智能救援小车上使用其实物图如下图所示：

通过以上分析我们选择方案二，采用电容式接近开关来完成题目中的寻找铁片的任务。

2.9铁片转移模块论证与选择

铁片转移模块主要实现金属传感器在探测到金属后，把金属转移到指定区域。

方案一：采用高强度磁铁实现铁片的移动。高强度磁铁具有使用简单，无需外围电路，直接将磁铁放置在救援小车底盘的某一固定位置，当救援小车靠近铁片时，将铁片吸附在磁铁表面，以达到转移铁片的目的。但是不能按要求把铁片放下，由于此方案不能很好的完成要求，我们决定放弃此方案。

方案二：利用电磁继电器在通电时可产生磁场的原理，利用电磁继电器通电的瞬间所产生的磁场来完成金属铁片的转移任务，停电无磁场放下铁片。电磁继电器电流小，磁力强，易于单片机I/O口的控制。

综合以上方案论述我们选择方案二，实现小车转移铁片。 2.10报警和语音提示模块选择与论证 方案一：采用IDS1420可分段录放音模块和功率放大电路。其输出信号通过功率放大电路放大后输出。IDS1420语音芯片可通过单片机进行录放音的控制，其优点是能够给人以直观的提示，采用直接模拟量存储技术，语音质量较好，可读性较好，功耗低，，这些条件都为救援小车的语音提示准备了很好的条件。

方案二：采用单片机产生不同的频率信号通过蜂鸣器来完成声音提示功能，其硬件电路和较容易实现，但其缺点是给人以提示的可懂性比较差，给人的感觉不够直观，考虑的本题目的具体要求，我们决定不采用此方案。

通过以上方案论述我们选择方案一，完成救援小车系统的语音提示功能。 2.11显示模块论证与选择

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