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1、目录摘要2第一章 绪论21.1引言2第二章 机械机构32.1机械结构设计3第三章 控制系统设计7第四章 控制系统硬件设计83.1 无线遥控电路设计83.2红外自动避障检测电路的设计93.3 火源检测电路设计103.4 可燃气体检测电路设计123.5 电机驱动电路的设计133.6 电源设计153.7 水泵驱动电路163.8 报警电路的设计16第四章 控制系统程序设计17设计心得25参考文献26摘要太阳能玩具车能够大大减少电池的使用，对人类所面临的能源危机和环境的污染有着重要的意义。本文介绍了消防车的机械结构的设计、控制硬件电路的和控制程序设计。该消防车的两个后轮由一个直流电机驱动，控制车的前进或
2、后退。消防车的转向是由连杆和齿轮齿条组成，由直流电机来驱动。当有火情发生或可燃气体泄漏时，消防车会发出报警，同时能实现喷水灭火。直流电动机则是由单片机根据无线电遥控指令来进行驱动。另外还安装了红外线反射式传感器，能实现自动避障功能。关键词：竞赛型消防车、无线电遥控、红外线反射式传感器、避障第一章 绪论1.1引言设计一种竞赛型消防车，主要研究的内容有：消防车的机械结构、控制硬件电路和程序控制的设计。消防车是由齿轮啮合和电机驱动后轮来实现前进和后退的，消防车的转向是通过连杆组合和电机驱动来实现向左或向右。直流电动机由单片机根据无线电遥控指令来进行驱动，在消防车上安装了红外线反射式传感器，可实现自动
3、避障功能。在消防车的侧面都安装了火焰传感器来检测火源，同时也安装了可燃气体传感器来检测是否有可燃气体泄漏。第二章 机械机构2.1 机械结构设计消防车驱动部分主要包括车体、驱动轮、传动齿轮组、转向连杆。消防车采用后轮驱动结构如图1所示。图1 消防车的驱动部分部分零件的设计如下：齿轮轴的模数m=1mm,齿数Z=24,压力角a=20结构如图2所示。图2齿轮轴的结构齿条的模数m=1mm,齿数Z=21，压力角a=20结构如图3所示图3齿条的结构大齿轮的设计，m=1mm,齿数Z=40，压力角a=20，结构如下图所示转向轴的结构设计，如图4所示图4 转向轴的结构第三章 控制系统设计消防车以AT89C52单片
4、机为控制的核心，控制系统包括单片机、无线遥控驱动控制电路、红外自动避障检测电路、电机驱动电路、报警跟指示电路。其组成跟结构示意图如图5所示。消防车的工作过程为：通过火焰传感器检测是否发生火情，如有，则给单片机发出信号，单片机检测到信号后发出报警，蜂鸣响起。当无线电接收电路接收到遥控器发射的指令，单片机根据无线指令的要求向电机驱动电路输出相应的控制信号。同时红外反射式传感器随时检测前方的障碍物，通过红外自动避障检测电路将相应的状态信号发送给单片机，由单片机进行判断并发送相应的控制信号，控制负责转向的电机动作而实现自动绕过障碍物。当有可燃气体泄漏时，传感器给单片机发送信号，收到信号后单片机驱动蜂鸣
5、，报警。AT89C52单片机动力电机驱动电机电机驱动电 路红外反射式传感 器红外自动避障检测电 路无线接收电 路无线发射电 路转向电机火源检测电 路火焰传感器可燃气体检测电 路气体传感器图5 控制系统的组成及结构示意图第四章 控制系统硬件设计3.1 无线遥控电路设计无线遥控控制电路包括无线发射电路和无线接收电路两部分组成，采用一对配套遥控专用集成电路TX-2/RX-2为核心的器件来实现。图5是由TX-2构成的五通道无线遥控发射电路原理图。电路中TX-2使用了五个输入控制端K1-K5,分别对应消防车的前进、后退、左转、右转、喷水五种控制功能。经过编码的信号经TX-2的SO端输出，调制高频振荡器的
6、载波，高频信号经放大器放大，再经电线发射出去。图五 无线发射电路图6是用RX-2为核心所构成的五通道无线遥控接收及驱动电路原理图。发射电路发送的信号经接收电路中的检波器LT5538解调出编码信号，由放大器RF2320对编码信号放大后，经过RX-2对编码信号译码后从RX-2的OUT1OUT5分别输出。发射电路的中的控制端K1K5对应的指令发出后，经接收电路的译码，分别对应RX-2的OUT1OUT5输出高低平，再分别输入单片机I/O口P2.0P2.4,经单片机判断后，对电机发出不同的控制指令信号。图6 无线接收电路3.2红外自动避障检测电路的设计红外自动避障检测电路是用于检测消防车的周围的障碍物的
7、情况，如图7所示。该电路选用TX05D红外线反射型的传感器为核心器件，TX05D是集红外线发射、接收及信号放大与处理为一体的模块组件，能够以非接触形式检测前方一定范围内的人或其他物体，并转换为电信号输出。TX05D接通电源后，模块的红外光管即向外部发出红外线，当前方没障碍物时，模块内部的红外接收光管收不到发光管发出的红外线，输出端OUT无信号输出；当前方一定范围内有障碍物出现时，红外线将部分反射回来并被红外接收光管收到，输出端OUT就变为高电平。具体工作过程如下：通电后，发射管自动发出红外信号，若遇到障碍物就会反射会回，与之对应的接收管接收到信号后就导通，则TX05D输出高电平，经三极管反相为
8、低电平送入单片机的一个I/O口，当单片机检测到这个端口的电平由高变低时，则说明前方有障碍物。红外线反射型传感器分别安装在消防车的前方的左、右两端。可根据左右两端的TX05D检测到的信号判断前方的障碍情况：若左右两端都检测到障碍物则说明障碍物在正前方；若左端检测到信号则说明障碍物在左前方；若右端检测到信号则说明障碍物在右右前方。图7 红外自动避障检测电路3.3 火源检测电路设计火焰传感器可以用来探测火源或其它一些波长在700纳米1000纳米范围内的热源。在机器人比赛中，远红外火焰探头起着非常重要的作用，它可以用作机器人的眼睛来寻找火源。如图8所示，当火焰传感器没有检测到火源时，火焰传感器不导通，
9、此时“”输入端电压高于“”输入端，电压比较器输出为高电平；当火焰传感器检测到火源时，火焰传感器导通，此时“”输入端电压低于“”输入端，电压比较器输出为低电平；单片机检测此电平信号的高低来作出相应的指令信号。图8 火源检测电路3.4 可燃气体检测电路设计如图9所示，在可燃气体传感器没有检测到可燃气体时，电桥平衡电路输出为零，uA741输出为高电平，再经非门集成电路输出低电平。当检测到可燃气体泄漏时，传感器内部元件的阻值发生变化，使电桥失去平衡，此时uA741的IN+端的输入电压高于IN-端输入电压，uA741输出为低电平，再经非门集成电路输出高电平。单片机检测此电平信号的高低来作出相应的指令信号
10、。图9 可燃气体检测电路3.5 电机驱动电路的设计方案一：电机驱动电路的功能对单片机输出信号进行功率的放大，用来驱动两个直流电动机。如图10所示，该电路采用了L293D专用驱动集成电路，内部包含了四通道逻辑驱动电路，其输出电流为600mA,最高电流为1.2A,工作电压4.536V，可以驱动感性负载，如小型直流电机，特别是其输入端可以与单片机的I/O直接相连，很方便地受单片机的控制。AT89C52的P1.4、P2.5、P2.6、P2.7分别控制L293D的INPUT1INPUT4四个输入控制端，对应的控制的OUTPUT1OUTPUT4四个输出端，只需改变输入端的逻辑电平即可实现两个电动机的正转、
11、反转、停止等动作。图10 电机驱动电路（一）方案二：如图11所示，该电路主要是由三极管和二极管构成，单片机的P0口发出指令时，对应的两个三极管导通，比如：P1.0与P1.3导通，电机正转，当P1.1与P1.2导通，电机反转。二极管的作用是防止电机断电时产生的反向电动势击穿三极管。图11 电机驱动电路通过上述两个方案的比较，选用方案一。3.6 电源设计如图12所示，该电源主要以LM7805为核心，三端稳压IC来组成稳压电源所需的外围元件极少，电路内部还有过流、过热及调整管的保护电路，使用起来可靠、方便，而且价格便宜。图12 电源电路3.7 水泵驱动电路如图13所示，水泵驱动电路主要是由二极管、三
12、级管、电阻组成，当三极管的基极为低电平时，三极管导通，从而驱动水泵。图12 水泵驱动电路3.8 报警电路的设计如图13所示，报警电路由三极管、电阻、发光二极管、蜂鸣等元器件组成。工作过程如下：当单片机的P3.1引脚为低电平时，三极管导通，蜂鸣和发光二极管工作。 图13 报警电路图第四章 控制系统程序设计消防车的控制程序的设计包括主程序和红外自动避障子程序两大部分，实现对消防车的控制。主程序如图14所示，当接收到无线遥控信号后，单片机先要判断出无线遥控指令，消防车开始作相应的动作。当前方没有障碍物时，消防车就按照无线遥控指令进行动作：当检测到前方有障碍物时，即会中断正在执行的动作，而转入红外自动
13、避障子程序，其流程图如图15所示。当绕过障碍物之后，返回主程序继续执行原来的动作。初始化处理火源检测？可燃气体检测？报警无线遥控指令判断？后退左转右转前进停止喷水灭火开始图14 主程序流程图开始关闭中断判断前方障碍物？左前方正前方右前方绕过障碍物前进返回主程序结束图15 红外自动避障子程序流程图主程序#include#define uchar unsigned char#define uint unsigned intsbit key1=P20;sbit key2=P21;sbit key3=P22;sbit key4=P23;sbit input1=P14;sbit input2=P25;s
14、bit input3=P26;sbit input4=P27;sbit obstl=P16;/左障碍物检测sbit obstr=P17;/右障碍物检测sbit firet=P13;/火源检测sbit gast=P30;/可燃气体泄漏检测sbit fm=P31;/蜂鸣sbit spurtw=P24;/喷水sbit inter=P32;sbit spurt=P35;void delay(uint z)/延时函数uint x,y;for(x=z;x0;x-)for(y=110;y0;y-);void right()/右转函数input1=0;input2=1;void left()/左转函数inpu
15、t1=1;input2=0;void go()/前进函数input3=0;input4=1;void back() /后退函数input3=1;input4=0;void frontstop()/停止函数input3=1;input4=1;void init()/初始化函数key1=1;key2=1;key3=1;key4=1;input1=1;input2=1;input3=1;input4=1;spurtw=1;EA=1;/开放外部中断0EX0=1;IT0=0;void mian()init();/初始化while(1)if(firet=0&gast=0)uchar i;for(i=10;
16、i0;i-)/报警fm=0; delay(500);fm=1;delay(500);if(key1=0|key2=0|key3=0|key4=0)firet=1;/取消报警gast=1;if(key1=0)delay(10);if(key1=0)right();/右转while(key1!=1);/是否松开key1input1=1;/停止右转if(key2=0)/左转delay(10);if(key2=0)left();while(key2!=1);/是否松开key2input2=1;/停止左转if(key3=0)/前进delay(10);if(key3=0)go();while(key3!=
17、1);/是否松开key3key3=1;/停止前进if(key4=0)/后退delay(10);if(key4=0)back();while(key4!=0);/是否松开key4key4=1;/停止后退if(spurtw=0)spurt=0;/喷水delay(1000);delay(1000);spurt=1;/停止喷水if(obstl=0|obstr=0)/是否遇到障碍物inter=0;void int0() interrupt 0 /避障子函数inter=1;frontstop();if(obstl=0)right();while(obstl!=1);go();if(obstr=0)lfet
18、();while(obstr!=1);go();if(obstl=0&obstr=0)lfet();while(obstr!=1);go(); 设计心得本次的设计基本上完成，但消防车的转弯机构没有仿真出来，有点可惜。通过这次设计，收获不少。首先，学会了用三维软件精确地画齿轮的三维模型，还学会了仿真。第二，综合应用了以前学过知识，比如单片机原理、电工与电子技术、C+程序设计、机械原理等课程。第三，锻炼了我们查阅资料的能力，为毕业设计做好充分的准备。总之，这次设计是全面的、综合的，扩展了我们知识面，使我们受益匪浅，但也存在很多不足，希望老师指正。参考文献【1】 李琳，李杞仪，机械原理，北京：中国轻工出版社，2009【2】 刘志峰，遥控自动网球拾球机的研制，机电工程技术，第39卷第6期,8688页，2010【3】 李全利，仲伟峰，徐军，单片机原理及应用，北京：清华大学出版社，2009【4】 毕淑娥，电工与电子技术技术，哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，200826