智能救援车

滨州学院 王海明 常帅 张令苹

专家点评：

本智能救援小车以直流减速电机为驱动系统，以16位单片机SPCE061为控制核心，通过光电开关传感器、黑白线传感器、接近开关传感器、电磁铁进行距离探测、黑白线循迹、金属探测与拾取，实现了自动前进与避障。通过测试达到了设计要求。

石油大学（华东）信息与控制学院 刘润华教授

2008/09/20

摘要：以直流减速电机为驱动系统自制小车，以凌阳16位单片机SPCE061为控制核心，通过光电开关传感器、黑白线传感器、接近开关传感器、电磁铁进行距离探测、黑白线循迹、金属探测与拾取，实现了自动前进与避障，穿越建筑物时间约40秒。沿规定路径前进可检测到路径上的任意位置铁片，并拾起铁片将其运送到规定位置，耗时约20秒。从穿越障碍建筑物到沿规定路径前进并拾起铁片送达指定位置总耗时约90秒。行进流畅，行动迅速，达到了全部设计要求。该作品还扩展了测温功能以及语音播报功能，设计方案具有实际应用价值。

关键字：SPCE061单片机 光电开关 黑白传感器 接近开关

Abstract: The system of self-made body for the plexiglass to Sunplus 16 SCM SPCE061 for the control of the core, photoelectric switch, black-and-white sensor as a major test bases, including obstacle

avoidance module, modules, voice broadcast module, Track finding module, alarm module, and so on. So that not only completed the basic requirements, has also increased the extension and play a part. Vehicles can be tortuous roads, along the path forward, and detection and lifted metal flakes. SPCE061 use of the unique voice, we have increased our voice broadcast (broadcast time, rescue) module so that the rescue car more human.

Keywords: plexiglass SPCE061 SCM photoelectric sensor switch black-and-white sensor

1. 方案的比较与选择

救援小车设计总体结构框图如图1所示：

图1 系统总体框图 1.1单片机选择

方案一：采用MCS-51系列单片机。传统的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空间小等缺点。

方案二：采用凌阳公司推出的SPCE061A单片机作为控制模块。 SPCE061A具有丰富的资源：RAM，ROM空间大、指令周期短、低功耗、低电压、可编程音频处理，易于编写和调试等优点。这些特点极大地提高了开发效率。 鉴于SPCE061A的以上优点，采用方案二。 1.2 电机的选择

方案一：用步进电机。步进电机可以精确地控制角度和距离。步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。并且它的体积大，价格高，质量大，。用步进电机的编程复杂，增加了编程的难度。

方案二：采用直流电机。直流电机运转平稳，精度有一定的保证。直流电机控制的精确度虽然没有步进电机那样高，但完全可以满足本题目的要求。 方案二能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。 1.3电机驱动 方案一：采用继电器对电机的开关进行控制，可以完成电机的正转，反转，调速，但继电器响应时间慢，使小车运动灵敏度降低，增加了避障的难度。而且机械结构易磨损，可靠性不高。它适用于大功率电机的驱动，对于中小功率的电机则极不经济。

方案二：采用集成的驱动电路芯片，如L298N 、LG9110、L293等，集成芯片具有体积小，可靠性安全性高，抗干扰能力强等优点，适合控制智能小车的运动。

有较大的电流驱动能力，连接方便，简单。 综合以上原则，选择L298驱动直流电机。 1.4避障功能模块

方案一：采用碰撞开关避障。这个方案结构虽然简单，但是救援车必须碰到障碍物避障模块才能工作.。有破坏性。 方案二：采用红外传感器避障。红外传感器检测距离近，调节范围小，灵活度低，而且不易控制。

经过比较，方案二灵活性和可控性，所以我们选择方案二。 1.5寻迹模块 方案一：用黑白线传感器。黑白传感器是专门检测白底黑线或黑底白线的传感器，黑白线只出现高低电平变化，变化明显，易于区别，非常适合小车的寻迹。 方案2：采用红外传感器。即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质，以单片机反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。由于黑白度不均，很容易造成误差，而且检测距离太近，电压变化不太明显，灵活度低，不易控制。

所以我们选择了择方案一。 1.6金属检测模块

方案一：选用红外对管，但是金属的性质很难把握。距离难以测量。

方案二：用接近开关，它是专门检测金属的开关，对金属非常灵敏，易于检测。虽然检测距离只有8mm。但足以满足题目要求，所以我们选择了接近开关。 所以我们选择了方案二。 1.5声光报警模块

方案一：凌阳SPCE061A本身自带DAC语音播放功能，即减小了外围电路，有充分利用了单片机自身的资源，经济合理。

方案二：选择专门的语音存储芯片1420，通过单片机控制放音。放音时间只有20秒，只能进行简单的放音，不能实现复杂功能。 我们当然会选择凌阳的自带语音系统。 1.6显示模块

方案一：采用LED数码管显示。颜色鲜艳，易于观察，经济实惠，采用74ls595驱动，可以大量减少占用的接口数目，但是数码管只能显示有限的数字和符号，现实内容少。

方案二：采用带字库的LCD显示。可以采用串行传输，为了节省IO资源，们采用了串行通讯。LCD的全中文界面显示，使得显示内容丰富，易于人机交流。 综合考虑我们选用液晶显示器。 2.系统硬件设计

2.1电机驱动电路的设计

图2 L298外形图与功能

L298N驱动直流电机，它靠两个引脚控制一个电机的运动。芯片引脚和功能见图2，驱动电路图3如下：

图3 L298电机驱动原理图

单片机同时给INPUT和ENABLE 一个电平，

2.2 声光报警电路

当小车遇到铁块时，小车会发出声音信号。 凌阳SPCE061A单片机自带双通道DAC1、DAC2装换输出的模拟量电流号分别通过AUD1和AUD2管教输出，DAC输出为电流型输出，经LM386音频放大，即可驱动喇叭放声，放大电路如图，在DAC1、DAC2后面接一个简单的音频放大电路和喇叭，就实现了播放功能。

图4 语音播报原理图

2.3 信号处理电路 从光电开关，黑白传感器出来的电平信号需要整形后才能被单片机接受，采用比较器进行传感器信号的整形。Multisim电路设计与仿真波形如图5、图6。

图5 比较器信号整形电路

图6 整形电路Multisim仿真 2.3温度检测模块

温度检测系统采用DS18B20芯片，采用1－Wire总线协议方式，具有线路简单，体积小的特点。测量温度范围在－55oC到＋125oC之间。

可实现温度测量，对救援车来说可时刻注意周围温度变化，实施救援。来扩展救援车的功能。电路如图7。

图7 测温电路 3、系统软件设计

总体流程图

图8 循迹流程图

图9 避障流程图

图10 直线调节流程图 4.理论分析与计算 4.1避障分析

R=20.096cm/s；由附图1分析，小车避障前进的路程S大约是510cm，我们测

量小车车轮直径为6.4cm，控制电机转速为1转/秒，则小车的速度为：v=2 避障前进的时间： T1=S/v=25.378s； 4.2寻迹分析

我们检测的轨迹长度为160cm。 T2=7.961s；

总时间T：T=T1+T2=33.339s；

但是由于行进过程中要不断的判断、转向，所以救援车的实际任务完成时间要高于理论计算值。 5.系统测试

测试仪器：秒表 米尺 测试数据：

次数 时间（S）

AB BC 停留时间 总时间 1 38.08 21.33 8 68.41 2 39.90 20.99 8 68.41 3 42.01 22.38 8 72.39 4 40.89 20.55 8 69.44 5 40.20 21.68 8 69.88 6 39.99 20.99 8 68.98 7 38.89 22.19 8 69.08 8 40.52 21.66 8 70.18

由测试结果可知，小车运动时间比赛题规定时间短的多。行动灵活，迅速，以此为设计方案，可以制作实际的智能救援车，提高效率，实现救援的最大意义。 6．结束语

我们设计的系统以SPCE061A芯片为核心控制，通过光电开关传感器、黑白线传感器、接近开关传感器等进行距离探测、黑白线循迹、金属探测，实现了自动前进与避障，并在沿规定路径行进过程中进行检测，完成既定的救援任务。从穿越障碍建筑物完成救援总耗时约75秒。

经过四天三夜的努力，我们终于成功的完成了题目的基本要求和发挥要求,并在此基础上进行了创新（增加语音播报和遥控启动，并且可以测试温度）。制作过程中，我们遇到了很多困难，比如小车转弯经常碰壁，传感器的安装位置随实验需要不断的调整，这些我们都耐心的一一克服。经过这次比赛我们深刻体会到了团队的力量，培养了自己解决问题的能力，为我们以后在电子方面的发展奠定了基础。在此，衷心的感谢老师们对我们的栽培和学校给我们创造的学习环境。 参考文献：

[1] 罗亚非等编.凌阳16位单片机应用基础.北京：北京航空航天大学出版社.2003.

[2] 张培仁等编.十六位单片机微处理器原理及应用.清华大学出版社.2006. [3] 何希才编著.常用传感器应用电路的设计与实践.北京：科学出版社.2007. [4] 唐介主编.电机与拖动.北京：高等教育出版社.2007.

[5] 戴梅萼 史嘉权编著.微型计算机技术及应用.北京：清华大学出版社.2008. [6] 陈湘 何怡刚写.电动自行车及控制系统 湖南.机电产品开发与创新.2008.

附图：

附图1 测算图

图2 黑白线检测电路