多功能智能救援小车的设计

1、目 录摘要1关键词1Abstract1Key words1引言21多功能智能救援的概述21.1课题背景2 1.2多功能智能救援车的技术概况21.3多功能智能救援小车的研究目的和研究意义32.方案的比较与选择32.1小车的车体选择42.2小车主控芯片的选择42.3小车自动循迹模块的选择52.4小车金属检测装置的选择 62.5小车金属捡取装置的选择62.6小车避障模块的选择72.7小车显示模块的选择82.8方案的最终选定83硬件系统的具体设计与实现 83.1智能救援车最小控制模块的设计.83.1.1最小系统中时钟电路的设计 93.1.2最小系统中复位电路的设计 93.2智能救援车电源模块的设计10

2、3.2.1单片机供电稳压模块设计103.2.2驱动电路与其他模块稳压的设计103.3智能救援车电机驱动模块的设计113.4智能救援车循迹避障模块的设计133.4.1智能救援车循迹模块的设计133.4.2智能救援车避障模块的设计153.5智能救援车检测金属和转移金属模块设计16多功能智能救援小车的设计3.5.1智能救援车检测金属模块的设计163.5.2智能救援车捡取金属模块的设计163.6智能救援车显示模块的设计174系统的软件设计184.1调速模块的设计194.2液晶显示模块的设计194.3小车检测与捡取金属程序流程图的设计214.4避障模块流程图的设计214.5循迹模块流程图的设计225结论

3、22参考文献24附录25致谢28多功能智能救援小车的设计机械电子工程 赵立民指导老师 杨桂林摘要：本设计是以STC89C52为核心控制单片机，外部搭设了各种传感器、机械手和太阳能电池板。当接收到信息后可快速处理数据后并完成相应的操作，以此实现相应的功能的多功能智能救援车。小车的驱动动力由L298N驱动四个直流减速电机提供，通过漫反射光电开关来实时采集与周围物体的距离，以实现避开障碍物的功能；系统的循迹功能采用RPR220型光电传感器来采集数据并传输到单片机来完成；采用金属接近开关TL-Q5MC1来检测铁片并传输到单片机，最终由单片机控制捡取机构捡起铁片并转移到安全区域；此外小车还搭载1602液

4、晶，对小车的显示时间进行实时显示。从而实现了能够自动检测铁片、循迹、避障、转移金属铁片、自行充电和实时显示小车行驶时间的的多功能智能救援小车。关键词：电机驱动L298N；漫反射光电开关；RPR220；接近开关；机械手 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引言伴随着科学技术的飞速发展，国内外

9、对于多功能智能系统的研究开发以及应用越来越加广泛，其中多功能智能救援系统的研究开发尤为引起专家们的高度重视。目前，国内外多功能智能救援系统的主要用途是用于在救援人员无法施展救援工作或救援人员参入工作危险性较大的条件下，保证抢险工作的顺便进行，保障人民生命财产安全的设备。根据以上情况，结合本设计要实现的多功能智能救援小车实现自动避障、自动寻迹、对行驶时间实时显示、自动检测路面铁块并且转移到安全地域和太阳能智能充电的功能，本设计结合了国内外大量的有关多功能智能救援小车科研项目的资料。基于以上的功能，本设计采用了STC89C52单片机作为本控制系统的核心控制单片机，硬件部分主要包括了以下的几个模块：

10、直流减速电机驱动模块L298N、寻迹模块RPR220光电对管、漫反射红外光电对管、直流减速电动机、单片机控制模块STC89C52、金属感应传感器TL-Q5MC1、1602液晶显示模块、机械手转移金属模块、电源稳压模块等。本设计的救援小车在工作时由四个直流减速电机驱动来提供动力，用漫反射光电开关、RPR220型红外线光电对管实现在行驶中遇到障碍物的躲避和循迹功能，当遇到金属物品时由金属感应器TL-Q5MC1来检测铁片并传输到单片机，最终由单片机来控制机械手的运动来捡起铁片并转移到安全区域，此外搭载的1602液晶在小车行驶过程中实时对行驶时间进行显示。从而实现了能够自动避障、循迹、检测、转移金属铁

11、片、自行充电和实时显示小车行驶时间的的多功能智能救援小车，大大提高了小车的救援效率。 1 多功能智能救援车的概述1.1课题背景 结合我国2008年的汶川特大地震和南方的特大雪灾，以及2010年的玉树地震和舟曲的泥石流等一些列的自然灾害。近几年我国的自然灾害越演越烈，给人民的财产、生活、交通安全带来重大的安全隐患。据统计自2008年起，罕见的冰雪天气卷席南方致使黔东南大地遭受1984年以来最大的冰雪灾害。致使其下辖的多个市县供电系统出现严重故障，并且致使受灾户数累计多达12.98万户之多。2008年汶川发生的8级特大地震，致使四川遇难和失踪人数高达87000人，直接经济损失8

12、451亿之多，经济状态倒退五年之多。除此以外，每年雨季到来时我国部分山区泥石流不断，因为救援工作无法及时展开导致的人数伤亡和损失无法估量。可见自然灾害对于交通安全产生和人民财产安全的严重影响，因此最大程度的降低自然灾害对人民财产安全造成的危害是迫在眉睫的。结合我国现在的国民经济和社会发展情况，开展多功能智能救援车技术的研究，研究开发有针对性的智能救援工具，已成为时下一个重要而紧迫的课题。1.2 多功能智能救援车的技术概况 多功能智能救援车的用途主要是用于在救援人员无法施展救援工作或救援人员参入工作危险性较大的条件下，保证抢险工作的顺利进行，从而保障人民生命财产安全的设备。近

13、几十年，国外对于智能救援车的研究发展非常迅速，并且研发种类越来越多，研究各类的救援车基本能够适合所有的救灾场合。此外，各大生产厂商也在实际需求的要求下采用全新技术和新工艺的同时，不断提高产品竞争力和研发新一代的多功能智能救援车。目前，国外智能救援车的主要发展趋势有一下几大方向：（1）全自动电液双控制系统，可使智能救援车在作业时实现自动调节动力的功能，使救援速度自动适应救援环境变化，由此也保证了在救援时候高效率的要求。（2）向可以参加多种复杂环境的救援车方向发展，提高了救援车的使用效率以及拓宽了机器的使用范围。（3）研制具有仿形能力的多功能智能救援车，加强保护救援过程中的伤员，提高智能救援车的适

14、应能力，并逐步向高速度、智能、多学科融合一体化方向发展。于发达国家相比较，我国对于多功能智能救援车技术研究起步较晚，始于近十几年，相关研究单位主要集中在消防救援部门、高校创新实验室。并且近几年先后有几种救援车的研究和投入适用的救援车。伴随着2008年汶川地震、南方特大雪灾等重大的自然灾害现象的频繁出现，无人救援工作越来越引起国家的高度重视，国内一些厂家也参照国外的先进技术工艺，研制出适合我国救援工作的救援工具，如生命迹象检测仪和完成特殊工作的仪器，例如2013年为了完成月球检测的玉兔号。但相对于世界先进国家智能救援车的发展状况相比，产品的数量以及性能差距较大。基于此种现状，国内先后开展了各种关

15、于多功能智能救援车方面的电子设计大赛，除此以外国内像清华大学此类的高校开展了关于智能车的研究，并且有越来越多的机构和学者也加入到这一新兴学科中。1.3多功能智能救援小车的研究目的和研究意义 本课题研究目的就是本着实用的设计思想，充分考虑到了生产需求、使用需求、环境需求、经济需求等一系列的因素，追求实现合理设计的多功能智能救援小车。本次设计涉及到的领域有电子、机械原理、信息科学、设计等领域，是一个综合性的应用研究课题。设计以高效实用、最大限度保护伤员为目的的多功能智能救援车，设计过程中通过了较长时间的市场调查，根据现有的资料，工艺，设备及发展趋势，从而较为完整的完成了多功能智能救援车的

16、验证和设计，并将通过试验和修正保证整个系统的可靠性。使其成为易于维护和进一步进行功能扩展，尽笔者的思想理念推动产生一种全新的多功能智能救援车设计理念和设计模式，进而推动多功能救援车的设计进步及革命。2 方案的比较与选择 根据本设计要满足的基本要求，结合本设计任务主要完成智能救援小车的自动避障、循迹、检测金属、捡取金属并且转移到安全位置、显示行驶时间等一系列的工作，同时对行驶过程中的有关数据进行实时处理。根据以上要完成的相应功能，本设计系统整体最终划分为以下的几个基本模块：电源模块、直流减速电动机驱动模块、寻迹探测模块、避障模块、金属检测与转移模块、行驶时间显示模块。本设计中小车主要模

17、块结构图如图2-1所示：STC89C52金属检测模块稳压电源模块循迹检测模块电机驱动模块机械手模块显示模块图2-1 小车主要模块结构图21小车的车体选择方案一 购买标准智能车模型标准的智能车模型具有组装完整的车轮和转向结构、电机和驱动模块以及搭载各种控制器的合适位置，此外标准车模还有减震装置，对小车行驶过程中的颠簸有一定的缓冲作用，从而减轻对传感器精确度的影响。标准的智能车模型还具有以下的优点：标准智能车模型空间优化合理，可以在合适的位置安放自己设计的PCB板子安装起来比较方便。标准的智能车模型也有相应的缺点，如搭载的减速电机都是塑料齿轮，这一来在较为恶劣的工作环境时候很可能会出现齿轮因为扭矩

18、过大而扭断的情况。其次，标准智能车模型虽然是空间优化合理，但是对不同的设计者布置线路的喜好不同也会出现不好的结果从而影响信号精度。方案二 自行订制智能车根据自己实际设计的抢险车的尺寸，自己手工制作车的底盘和搭载线路板的支架。并且可以根据智能车的工作情况自行选择减速电机的型号，从而解决在工作过程中可能出现的齿轮断裂的情况。自行设计救援小车的车模，能更好的满足本设计功能实现的一些列要求。综上所述，在本设计基本要求可以满足的前提下，考虑到智能救援车复杂多变的工作环境等因素，本设计系统采用方案二中自制救援小车模型的方法。22 小车主控芯片的选择方案一 采用Msp430单片机作为控制芯片Msp430单片

19、机无论是在处理速度和功能上都较为强大，搭载在此智能小车上完全可以实现设计任务中要求的所有功能。但是此型号的单片机价格昂贵，在焼写程序时候较为繁琐并且放在此款智能车上相当一部分I/O口无用，相当于资源浪费。方案二 采用STC89C52作为控制芯片STC89C521单片机作为应用较为广泛单片机，有比较强的稳定性；拥用2K字节存储ROM的 89C52单片机，足够存贮本设计中智能救援车运行所需要的C语言程序；4组I/O口足以实现本智能车外部设备的检测和链接，并可以实现软件远程升级，无需其他的编程器实现。STC89C52单片机支持12时钟或者是6时钟模式 ，不仅可以实现可编程看门狗的

20、定时器而且还内置了3个16位定时器/计数器；低EMI方式(ALE禁止)；还兼容COMS和TTL逻辑电平；并且能够实现掉电检测和低功耗模式。综上方案中对两种单片机的叙述，在本设计基本要求可以满足的前提下，考虑到智能救援车复杂多变的工作环境，就需要一款性能比较稳定、抗干扰能力强的单片机作为主控制器。考虑到了52单片机价格比较低廉，通用性灵活。故本系统设计采用方案二，选用功能及性能稳定的STC89C52单片机。2.3小车自动循迹模块的选择方案一 采用CCD摄像头实现小车循迹功能目前国内利用CCD单色摄像头，对于白色场地上的黑线的识别功能的技术已做的比较成熟，检测的图像清晰准确。但是用CCD图像传感器

21、收集数据以后需要单片机处理的信号量过大，对于本设计要采用的52单片机是一种负担，并且单色摄像头价格昂贵，硬件电路的设计也是较为困难。除此外软件编程复杂，其体积较大对于空间有限的小车上使用存在诸多的不便因素，对于此小车的设计成本也较高。方案二 采用光电探测器来实现循迹利用光敏电阻在系统循迹时的原理为：当光敏电阻探测到黑线时，由于黑线附近光束被黑线吸收，从而导致黑线附近的光敏电阻的电阻值发生变化，这个变化的信息经过电压比较器与其他光敏电阻阻值比较后送给单片机处理，从而来判断单片机是否在沿着轨迹行走，从而实现了控制救援车自行控制循迹的功能。但其缺点是光敏电阻在循迹的时候对环境的要求较高，如果在较为恶

22、劣和光照条件较强烈的环境时候，可能会导致救援小车不能完成相应的循迹功能。方案三 采用RPR220光电对管来实现系统循迹功能一体化的反射型光电高效传感器RPR220光电对管，它的接收管是一个灵敏度相对较高的硅平面光电三极管，发射管是一个砷化镓红外发光二极管。RPR220工作原理是，发射头在实时发射信号，信号在白色场地上时候能反射到接收头，此时传输到单片机为高电平；当车体压到黑线时候利用黑色能吸收所有光的特性，发射头的光被吸收而不能被接收头接受，此时输入单片机为低电平。利用这个高低电平的变化从而来实现控制小车循迹的作用。采用了DIP4 封装的RPR220型光电对管它的结构相对简单，并且采用高透塑料

23、作为它的透镜可以大大的提高灵敏度，此外可见光过滤器内置在两个透镜内还能大大减小离散光的影响，工作性能极为稳定。综上三种方案分析，采用RPR220观点开关来实现系统的循迹功能较之摄像头和光电探测器更为合理。不仅价格便宜容易购买，而且其电路结构简单、集成度高，在后续调试小车时候可以大大减小了工作量，实际使用效果更为突出。所以我选择采用第三种方案来实现本救援车的循迹功能。2.4 小车金属检测装置的选择方案一 采用自制涡流感应线圈来检测路面金属 采用根据涡流效应自制的感应线圈来检测路面的金属，此种方法取材较为方便，但是在使用自制的感应器时候，在路面金属发生涡流效应的时候，很难接收到信号导致检测的成功率

24、极低，从而导致无法转移金属的功能。并且自制的感应器在调试的时候可能精确度无法满足自身的设计要求，且体积较为庞大安装在小车上太过笨重。方案二 采用TL-Q5MC1接近开关来检测金属作为一种有开关量输出的位置传感器TL-Q5MC1属于电感式接近开关，它主要是由放大电路和LC高频振荡器来组成。其工作原理为当有金属物体接近这个能够产生电磁场的感应触头的时候，使靠近它的金属物体的内部产生了涡流的原理。当产生涡流以后，这个涡流又反作用于TL-Q5MC1，使接近开关内部的高频振荡器振荡能力衰减，从而致使内部电路的数据发生变化，由此将此参数的变化传输给单片机来识别有无金属物体接近。由于本智能救援车的控制系统为

25、单片机，而TL-Q5MC1可以输出一个简单的开关信号，方便单片机检测到这个信号，并且此检测芯片多数已经模块化体积较为小巧，安装在救援车上适中。综上两种方案分析，采用TL-Q5MC1来实现路面金属的检测功能较之自制涡流感应线圈检测路面金属更为合理，不但价格便宜容易购买，而且其电路结构简单、集成度高，可以更方便的安装在小车上。所以我选择采用第二种方案来实现本救援车的路面金属检测功能。2.5 小车金属捡取装置的选择方案一 采用电磁铁来捡取路面金属在多功能智能救援小车的车盘底部加装内部插有铁芯通电螺线管，通电螺线管捡取金属的原理为：当螺线管通电后产生磁场，此时插入其中的铁芯被通电螺线管所产生的的磁场磁

26、化。磁化后的铁芯为一个磁体，这样便形成了两个叠加的磁场，由于两个磁场互相叠加使螺线管的磁性大大增强。从而起到捡取路面金属物的功能，当救援车到达指定的位置后，通电螺线管断电磁性消失，粘在螺线管上的金属物掉落，从而起到了捡取金属物到指定位置的功能。虽然可以满足预定的方案，在通电时候可将铁片吸起断电铁片落下。但缺点是通电螺线管会消耗大量的电量，从而导致后续的救援工作因为电量原因而无法展开，并且绕组过程中具体所需要的磁性无法预测，很难达到所需的磁性。方案二 采用自制的磁铁吸取分离装置实现捡取路面金属将一个直流减速电机用联轴器与一个螺柱链接，并在落幕上均匀的安装磁铁，并将此装置用隔离层来隔离。通过直流减

27、速电机的上下转动将带动着磁铁上下运动，这样就可以实现用磁铁的磁力来捡取和放下金属的功能。此外，为了能将捡取的金属转移到合适的位置，设计把捡取装置安装在一个摇臂上，摇臂末端链接有直流减速电机，通过此电机可以实现摇臂的指定位置的转动，从而达到转移金属物到指定位置的功能。捡取金属机构如图2-2所示：图2-2 捡取路面金属装置综上以上两种方案来看，方案一虽然实现起来较为简便，但是能耗太大对于一般的电池无法满足其长时间供电，也就是在救援过程中可能无法完成捡取金属的功能，从而达不到救援的目的。如果要是加装额外的电池为螺线管供电，则将会给救援车带来额外的负载。对于方案二，即使摇臂机构可能会在转移金属过程中对

28、现救援车的平衡要求较大，但总的来说其可行性远远大于方案一。所以笔者选择方案二来实现路面金属捡取的功能。2.6 小车避障模块的选择方案一 采用超声波模块实现避障功能对于该智能救援车的避障功能的实现，可以采用超声波传感器来实现。若采用超声波来完成避障则其原理为：传感器中的压电陶瓷结构发射出了超声波以后，当前方有障碍物的时候声波会被反射回来，反射回来的声波再被传感器接收到。传输回来的信号经过被放大以后送入单片机处理参数。被广泛应用在测速和避障等领域设计中的超声波传感器，技术已经很成熟。但是超声波传感器若要实现其功能需方波信号来实现，并且超声波传感器对工作的频率要求较高，偏差要求在正负1以内，而且若用

29、单片机来做方波发生器对于编程工作过于麻烦。并且收到的信息还需要通过AD转换成数字信息才可以被单片机所识别，并且超声波传感器受环境影响较大，对于程序编写工作量较大。方案二 避障功能采用漫反射光电开关实现对于漫反射光电开关的具体工作原理如下所述：发射管发出红外线光束以后，发射出的光束是被物体完全遮住还是部分反射回来，接收头是否接受到了发射出的红外线光束，最终芯片据此做出判断反应。主要就是利用物体对红外光束的反射或遮光作用，而后由同步回路的选通而检测前方物体的有或无。对于漫反射光电开关检测物体的材料没有任何限制，所有能反射光线不吸收光线的物体均能检测，使用很是方便。且在检测到前方有光线返回时候，输出

30、低电平；检测到前方没有光线返回来时，输出为高电平。对于数字量的高低电屏单片机可以直接读取并处理此信息，并由此判断前方是否有障碍物，从而起到智能救援小车避障的功能。 综上以上两种方案，方案一对于偏差要求太高，且外围电路繁琐不易于安装和调试，对于程序的编写工作也尤为繁琐。而方案二采用的漫反射式光电开关，以实现了模块化无需其他外围电路且体积较为小巧，方便安装在救援车上对救援车不形成过大的负载，且对外部物体检测后返回的是数字量的高低电平，易于程序的编写。所以最终选择漫反射式光电开关作为实现避障功能的传感器。2.7 小车显示模块的选择方案一 采用数码管显示对本智能小车行驶时间的显示由LED数码管来实现，

31、外围硬件电路结构简单的数码管，仅需要两片锁存器分别对位选和段选进行控制便可以实现实时的显示。并且调试相对方便、软件实现相对容易。但由于本设计要求显示小车运行时间，由于LED数码管色彩单一无法显示丰富的内容，虽然数码管可以节约单片机的I/O口，但是其只能显示有限的数字，而且内容显示过于单一，不能满足本设计人性化的要求。方案二 采用液晶显示利用液晶屏对本智能小车行驶的时间进行显示，液晶显示的原理是利用液晶的物理特性实现的，通过电压有序的变化进而对其显示区域进行控制，有电时就有显示，这样即可以显示图形也可以显示出数字和字母等图像元素。本系统拟采用1602液晶，1602液晶具有显示质量高、功耗低、数字

32、式接口、体积小等一些列优点，对于程序的编写也较为方便。综上方案，方案二的显示方式较之可行性更好，所以采用方案二中的1602液晶进行对行车中的数据进行显示。2.8 方案的最终的选定 通过以上方案对本设计主要模块的论证与比较，根据本多功能智能救援车车要满足的设计任务主要完成救援车能完成避障、循迹、检测等一系列的工作，同时对行程中的有关数据进行实时处理显示的要求。最终硬件选定为：STC89C52作为本系统主控单片机、设计车体根据需要自行制作、系统循迹功能由RPR220型光电对管完成、采用TL-Q5MC1型号的接近开关来检测铁片、采用自制的磁铁吸取分离机构实现捡取路面金属功能、采用漫反射式光电开关进行

33、避障、采用1602液晶对行车时间显示。3 硬件系统的具体设计与实现3.1智能救援车最小控制模块的设计根据上述方案的选择，最终决定采用STC89C52芯片作为本智能救援车的主控芯片。89C52单片机是把控制指令等所必需的大部分内容都集成在一个有限的尺寸集成电路芯片上的逻辑控制器。按照其功能划分它主要由如下的几个部件组成：微处理器、程序存储器、并行I/O口、数据存储器、定时器/计数器、串口、中断系统以及特殊功能寄存器等。通过片内的单一总线连接实现它们之间所有的联系，其基本结构为传统的CPU加上外围芯片的模式。因此要实现它对各路传感信号进行采集、处理、分析及对个部分整体调制仍然需要外围电路14的协助

34、来实现，智能救援车最小控制系统原理图如图3-1所示：图3-1 单片机最小系统原理图3.1.1 最小系统中时钟电路的设计虽然STC89C52单片机已经有内置的振荡电路，但是还必须要添加外部的附加振荡起振电路才可以形成时钟。对于本设计采用的89C52单片机时钟产生的方法具体有两种：内部时钟和外部时钟两种方式。本系统采用了经典的内部时钟方式，内部时钟方式是利用芯片内部振荡电路来实现的，在单片机的18、19管脚上外接了定时的元器件，使内部振荡电路相应产生自激振荡。因此我采用了使用较为常见的内部时钟方式，即采用外接12MHZ晶振和电容所组成的并联谐振回路。本设计晶振选用11.05926赫兹。根据电容的取

35、值可能会对振荡频率输出的大小、稳定性和振荡电路起振速度等影响因素，选用了30pF的电容。除此以外，在搭载外围电路的同时晶振和电容的安装还应该尽可能靠近单片机的18、19管脚，此方法可以减小寄生电容对系统的影响，更好的保证振荡器可靠和稳定地工作。3.1.2 最小系统中复位电路的设计 89C52单片机的复位电路是由外部的复位电路实现的。噪声的抑制由复位管脚通过斯密特触发器来实现，在每一个机器周期的时候,斯密特触发器输出的电平由复位电路采集一次，然后才可以得到内部复位操作所需要的低电平信号。对于对常见的复位电路通常采用上电自动复位与按钮被动复位两种工作方式。对于最简单的上电自动复位电路原理为：上电自

36、动复位通过外部复位电路的电容的充放电来实现的。只要电源的上升时间不超过1ms，就会实现上电时候的复位的功能。除了上电自动复位外，有时还需要手动按键复位。按键自动复位对于在智能车在程序执行过程中因为意外发生时候，需要重新执行内部程序尤为重要。基于此种原因考虑，本设计采用了按键手动复位。而按键手动复位有电平方式、脉冲方式两种，其中电平复位方式是通过由电容、电阻组成的外部电路，然后与电源和单片机的9管脚接通而实现的。3.2智能救援车电源模块的设计电源作为为系统提供基准电压与电流，是整个控制系统工作稳定性关键所在。本设计系统采用了12伏特的可充电锂电池供电，可反复充电使用。此外锂电池具有较强的稳定电压

37、输出能力以及电流驱动性能，对于驱动电机模块所需要的大电流也能够满足。但是电池提供的12伏特电压对于单片机等大多数芯片都远远过大，如果直接接入此电池，芯片很难适应如此大的电压就会导致芯片烧毁，从而致使多功能救援车完全失去设计的最初目的，因此本设计采用了降压模块来进行降压的设计。3.2.1 单片机供电稳压模块的设计考虑到单片机供电需要的是5伏特的电压，并且对于电流的要求为1安左右，所以本设计选择采用LM78052作为为单片机供电的降压模块。采用7805来实现降压所需要外围元器件极少，并且芯片的内部还有搭载了过流、过热以及调整管的保护电路，使用起来较为方便、安全系数较高。而且芯片在实际的应用过程中，

38、还可以安装足够大的散热片在三端集成稳压电路模块上，保证不会导致稳压芯片的温度过高，从而排除因为温度过高导致稳压性能的降低，而影响到系统整体的稳定性能。对于本系统单片机供电稳压模块的电路设计如图3-2所示：图3-2 单片机供电稳压模块的设计3.2.2 驱动电路与其他模块供电稳压的设计 本系统中除了单片机需要5V的供电外，其他的芯片如显示模块的1602液晶、捡取机构中的电动机、驱动模块的L298N芯片、驱动多功能智能救援小车的电动机、循迹模块的RPR220型光电对管、避障要用到的漫反射红外光电对管的工作均需要用到5V电源，并且如此之多的芯片并联在一起使用，对电流的要求也是较大的。针对这种情况，仅用

39、单一的7805模块来稳压供电，极有可能会因为稳压电流过大致使芯片过热，从而将芯片烧毁，从而导致整个系统的不能正常工作。根据第二章中关于硬件的选择，本设计采用LM2596模块来进行降压稳压的设计。属于降压型电源单片集成管理电路的LM2596开关电压调节器，具有很好的负载调节和线性的特性并且能够输出3A左右的大驱动电流。LM259611固定输出版本有12V、3.3V、5V三个档，可调节的版本可以根据需求调节输出小于37V的电压。结合本设计的一般特性，笔者选用了可调节模式的版本。可调节版本芯片的内部还集成了开关频率约为150KHz的固定频率发生器和频率补偿功能，与低频开关的调节器相比较本芯片可以使用

40、更小规格的滤波元器件。除此以外，该芯片的外围电路中仅需要4个外接元器件，并且均可连接通用的标准电感，这更加大大的优化了LM2596的设计使用，极大的简化本设计中开关电源电路的设计。此外，该芯片在特定的输出负载和输入电压的条件下，输出电压误差值能够保证在±4%的范围之内，振荡频率的误差保证在±15%的范围之内；80左右的待机电流；实现在异常情况下时断电时候的过温完全保护电路和两级降频限流保护电路，这更大大的加大了对于系统供电的稳定性。对于本系统由此模块供电电路的设计如图3-3所示：图3-3 LM2596电路连接图为了实现可调节模式，以上R1和R2电阻选用可调节电阻，在对外围电

41、压输出时候，做到通过调节以上两个电阻实现输出电压的可调节。计算输出电压的公式为: 其中的取值为1.23V。完成了以上稳压电路的设计，其他需要用电的仅为L298N模块的12V电源，而本次设计选用的就是12V的锂电池，所以无在需要其他的模块为其供电，可以直接将电池接入驱动电机模块的12V的管脚接口。 此外本设计外加了辅助电源模块，在小车顶部加装了太阳能电池板可以在电池电量不足时，为锂电池进行充电这样就可以避免了救援车在搜救时，因为能源不足问题而不能完成救援搜救任务。3.3 智能救援车电机驱动模块的设计根据本设计作业时工作条件的特性，本设计小车采用四轮驱动方式，由此可以大大的满足无论是在何种地形条件

42、下都可以实现正常行驶的功能。采用四轮驱动模式的小车在转弯的时候，若采用舵机进行控制有一定的困难性。因此本设计采用了由L298N控制内外侧轮子的正反转来实现车辆的转弯功能。但是每个L298N只能进行两个电机3的驱动，所以选用了两个驱动模块来分别对两侧的车轮进行控制。L298N4的具体引脚如图3-4所示：图3-4 L298N管脚图通过该芯片的封装我们发现，一个驱动芯片有15个引脚，其中有四个输出引脚分别为：2、3引脚控制一个电动机的转动，13、14引脚控制一个电动机的转动。；四个输入引脚分别为：5、7、10、12这四个引脚分别与单片机的I/O5口连接，通过单片机输入高低电瓶来控制两个电动机的转动，

43、数字化操作很方便。剩余的几个管脚中6管脚和11管脚是使能端管脚，若是这两个管脚一直接入高电平则芯片一直处于选通的工作状态，若两个管脚接入单片机也可以通过脉冲调制来实现调速。剩余的四个管脚中有两个是给芯片供电的管脚，其余两个是提供电机转动的12V电源的引脚。基于以上对各个管脚功能的确定,本多功能智能救援小车驱动12模块电路的原理图如图3-5所示：图3-5 L298N原理图在明确了电机驱动模块电路以后，进一步要明确如何通过该模块对电机的正反转和停止，L298N模式选择的控制方法如表3-1所示：表3-1 L298N正反转控制法使能端IN1IN2状态110正转101反转111停止转动100停止转动0停

44、止转动基于以上表格的控制方法，当要求小车前进时候只需要通过单片机引脚赋一个高电平一个低电平即可，当需要反转的时候只要将正转的高低电平交换即可，若要实现停车则两个输入同时赋低电平即可，由此实现了由L298N驱动救援车的设计。3.4 智能救援车循迹避障模块的设计 3.4.1智能救援车循迹模块的设计本设计循迹功能的实现采用RPR2206型红外线光电对管来实现，循迹模块是用以实现小车沿着场地的黑色轨迹线进行前进和位置校正且保证小车不能偏离预定轨迹线的功能。该模块的循迹原理是：当模块的发射头在实时发射信号，信号在白色场地上时候能反射到接收头，此时传输到单片机为高电平；当车体压到黑线时候利用黑色能吸收所有

45、光的特性，发射头的光被吸收而不能被接收头接受，此时输入单片机为低电平。此时根据高低电瓶的差别来判断小车有无沿轨迹行走。本设计中采用自制的RPR220型光电对管模块完成系统循迹任务可靠度较高，且传感器信号经过放大器放大以后输出的信号为数字量，可直接与单片机的I/O引脚相连接无需AD转换器来实现转换，硬件电路实现比较简单。至于本系统中循迹模块的检测距离，可根据模块安装在车体的具体位置，在最终调试的时候自行调节安装在模块上的可变电阻器来实现。本系统循迹传感器的布局设计中，在车体底盘的前端安装有四个个传感器。轨迹线处于左右两侧传感器的中间，以此实现了二级防脱轨的设计，大大的提高了在循迹时候系统 的可靠

46、性。RPR220循迹模块车底布局如图3-6所示：图3-6 循迹模块车底布局图在救援车前进中，黑色的轨迹线位于B与C的传感器之间。当传感器B检测到黑线的时候小车向左方向轻微掉头调整，检测到传感器C的时候小车轻微向右掉头调整。当检测到黑色轨迹线跑到A与B或者C与D之间的时候，实现相应方向的大角度的摆头。以此实现小车可以循迹的功能。在明确了传感器布局的设计后，开始设计传感器电路的设计。由于在采用自行设计的循迹模块的时候检测到的依旧是模拟数据，为了使传入单片机的数据为数字量，所以在电路设计的时候加入了运算放大器，一来可以将传回的数据转化为数字量，二来可以把传输回来的数据进行放大，方便单片机对数据进行辨

47、别。综上分析，最终循迹模块的电路原理图11如图3-7所示：图3-7 循迹模块原理图一片运算放大器芯片可以链接两个RPR220型光电对管，上图就是其完善的电路图。其次为了满足光束发射时候的功率要求，发射回路中要满足不低于20mA的电流。根据公式 ，由此选择红外线光电对管前端的两个电阻的阻止为R=150。至此循迹模块的设计全部完成，传感器共安装4个，并且全部在救援车的底盘前端并呈现直线分布。小车在行驶的过程中，始终保持轨迹在左边传感器和右边传感器之间，当救援小车的运动轨迹发生偏离以后，B、C传感器一但检测到了有黑线，RPR220型红外传感器就会给单片机传输入一个数字量的信号，当单片机接收到这个信号

48、以后，便会按设计者预先自行编写的程序发送一个控制指令给小车的控制系统，控制系统再通过对电机驱动模块L298N赋值来实现对小车路径的纠正。若小车回到了预定的轨道上，即此时4个传感器均只是检测到白色的区域，传感器发射的光束全部被接收头接受，则智能救援小车便会继续行走。若小车由于在行进过程中速度过大导致的制动距离增大，从而引起一级防脱传感器B、C未来得及调整小车，造成小车偏离轨道，越出了B、C的两个传感器的探测范围，这时候二级防脱传感器A、D再次对小车的运动轨迹进行纠正，使之回到正确轨道上去。本设计中传感器设置为两级防护，大大的提高了救援车循迹的可靠性。3.4.2智能救援车避障模块的设计结合设计的任

49、务要求，为了满足本设计的功能实现，本设计采用漫反射式光电开关来实现小车的避障功能。本设计采用的漫反射光电开关是发射头与接收头一体的高灵敏度的检测开关，其工作原理为：当发射头发射出红外线光束以后，若前方出现障碍物，则发射出的红外线光束会被反射回来；当前方没有障碍物的时候，红外线光束则不会被反射回来，漫反射光电开关就根据有无光束的返回据此判断前方是否有障碍物。当红外线光束被障碍物反射回来的时候，其接收头接受到返回光束以后，经过放大回路的放大，漫反射光电开关输出低电平给单片机；相反，当红外线光束没有反射回来时，漫反射光电开关输出高电平给单片机。根据接收到电平高低情况的变化单片机来做出相应控制，从而实

50、现小车避开障碍物的功能。由于本避障模块内部有各级电路，所以当模块检测到障碍物存在的模拟量以后输出的是TTL电平，方便了单片机接收并对信号的判断和处理更为简单。并且漫反射光电开关现在技术已经很成熟，淘宝等各大电子器材商城都有销售，考虑到自己腐蚀线路板的时候可能会因为个人的一些技术问题导致的一些信号影响等因素，最终本设计取用了成品的漫反射光电开关，无需再自行进行制作，节约了成本和时间。本设计采用漫反射式光电开关进行避障的电路设计图7如图3-9所示：图3-8 光电开关原理图接下来设计漫反射光电开关的位置安放问题，考虑到本设计小车需要直行的时间较多，所以对前方障碍物的检测较为重要。结合本设计中车体的宽

51、度和光电开关的体积问题，决定在车体的最前端安装三个并排安放的漫反射光电开关，考虑到多功能智能救援车在救援过程中可能有倒车的可能性，所以在车体的后端也安装了一个光电开关，防止在倒车时候与后方障碍物发生碰撞。结合以上所有考虑到的问题,四个光电对管的安放位置如图3-10所示：图3-9 漫反射红外光电对管安放位置图3.5 智能救援车检测金属和捡取金属模块的设计3.5.1 智能救援小车检测金属模块的设计金属传感器8性能的优劣直接决定着该系统的功能是否能实现，起着十分重要的作用。本设计的金属探测模块安装在车体前端的底盘上，且金属传感器采用了TL-Q5MC1系列的接近开关。其工作原理为：当可以产生电磁场的感

52、应触头附近有金属物体接近的时候，感应触头便会使靠近它的金属物体的内部产生了涡流效应。当产生涡流以后，这个涡流又反作用于TL-Q5MC1，使接近开关内部的高频振荡器振荡能力衰减，从而致使内部电路的数据发生变化，由此将此参数的变化传输给单片机来识别有无金属物体接近。并且其数据输出端通过5.1K上拉电阻，输出的是TTL电平，可直接与单片机的I/O引脚相连接，无需其他的外围电路的协助来完成，对硬件电路简化了许多。其原理图如图3-11所示： 图3-10 TL-Q5MC1原理图3.5.2 智能救援小车捡取金属模块的设计对于捡取金属机械手臂的设计，笔者结合机械设计13方面的知识自行设计了本系统中捡取和转移金

53、属到指定位置的手臂。具体设计和工作方式如下所示，首先选取平日用的直径为5mm的长螺栓，然后可用塑料质地做一个高度为10cm，宽度为5cm的框架结构，但是框架结构的内侧需要攻螺纹。此时在选取一个直径是5cm被磁铁磁化过的匀质的铁板并且在铁板中间攻丝，被磁化的铁板与之前选用的螺栓配合使用，并且把螺栓与电动机通过联轴器的连接，由此实现了当电动机转动时候，通过带动螺柱的转动以此来实现带动磁铁远离和靠近隔离层来实现捡取和分离金属物的功能，其最终设计图如图3-12所示：图3-11 捡取金属机构图至此，整个捡取装置的的捡取部分已经设计完毕。结合上半部分的金属检测装置构成的整个闭环工作流程如下所述，当安装在车

54、辆前端底盘的TL-Q5MC1检测到有金属铁片的时候，智能车的给驱动电机的芯片发出指令让小车后退，直至检测不到金属物品的存在以后停止后退。此时，单片机给捡取机构中的电动机发送指令带动其转动，当电机转动时候，磁铁在螺纹的作用下能实现升降的作用，最终在降到低端的时候实现了将金属物品捡取的作用。在上述的捡取任务完成以后还有将金属物品转移到指定位置的功能，本设计中采用了一个简易摇臂的设计，简易摇臂的组成由金属不锈钢方管制成，不锈钢的一端固定在捡取机构上，另一端安装在一个直流减速电机上，当捡取机构中磁铁降到低端完成捡取任务以后，通过编程给磁铁升降机构一个一秒的延时设置，然后启动安装有摇臂的电动机使摇臂带动捡取机构转动90度后，捡取装置中的磁铁在上升到指定位置，完成对金属片的放置功能。至此，本智能车中金属检测和捡取模块的设计任务全部完成。3.6智能救援车显示模块的设计根据本设计中方案的论证与比较，本设计采用1602液晶对小车行进中的时间进行显示。现在已经应用很普遍的1602液晶分为带背光和不带背光两种类型，但是两者的控制器大部分都是HD44780的。基于HD44780控制器的液晶芯片它们的控制原理、控制方法是完全相同的，而且编写的控制程序也能很方便地应用于大部分字符型的液晶。本设计采用的的1602液晶的主要技术指标如下：1) 显示字符数:16&