20xx年山东省大学生电子设计竞赛(编辑修改稿)

20xx年山东省大学生电子设计竞赛(编辑修改稿)内容摘要：

发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。 红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射 ，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。 这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我们放弃了这个方案。 方案 3：用 RPR220 型光电对管。 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 采用 DIP4 封装，其具有如下特点： （ 1） 塑料透镜可以提高灵敏度。 （ 2） 内置可见光过滤器能减小离散光的影响。 （ 3） 体积小，结构紧凑。 当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。 此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。 因此我们选择了方案 3。 9 火焰传感器模块 火焰检测有温度传感器、烟雾传感器、红外传感器、紫外传感器以及 CCD 图像传感器。 我们综合论证了这几种传感器，制定了如下几种方案。 方案 1：用温度传感器如热电偶，热电偶在工业应用 上十分广泛。 但是热电偶感应的范围太广，而且由于火焰只是周围温度稍高且范围较窄。 试验验证用热电偶检测火焰精度不高，因此我们放弃了此方案。 方案 2：用烟雾传感器。 烟雾传感器广泛应用与火警检测。 但是由于此题目的火源是用蜡烛模拟的，没有太大的烟雾，因此用烟雾传感器作为此小型电动车的火焰传感器也不够实用，因此我们放弃了此方案。 方案 3：用紫外传感器检测火焰。 紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统，尤其是一些易燃易爆场所，用来监测火焰的产生。 紫外线火焰传感器的灵敏度高，相应速度快，抗干扰能力强，对明火特别敏感，能对火灾立 即作出反应。 但是紫外传感器检测的范围太大，不适用于本系统。 方案 4：用 CCD 图像传感器。 用 CCD 图像传感器可以检测各种被检测量，适用于各种量的检测。 但是用 CCD 图像传感器需要处理的信号量太大，且体积较大，不使用与本系统。 方案 5：用远红外传感器。 经试验验证，远红外火焰传感器检测距离远，线性度好，检测准确，且体积较小。 很适用于本题目的要求。 因此我们选择了方案 5。 在火焰传感器模块的设计中，我们在车体的前头的两侧离地大约 15－ 20cm（相当于火焰高度）处安装远红外火焰传感器，且每一侧装有两个。 由于火焰传感器的 检测距离很远，为了避免错误检测远处火焰的情况的出现，我们把每一侧的较低的传感器用黑色塑料纸包住。 经实验验证，这样处理过的火焰传感器只能检测到一个方格距离的火焰，而对远距离的火焰没有反应。 我们把用黑塑料包住的传感器称为“近视”传感器，把没有处理过的称为“远视”传感器。 “近视”传感器和“远视”传感器配合交替使用，可以更好的完成计划任务。 避障模块 方案 1：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。 然后将这信号放大后 送入单片机。 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。 而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。 因此我们考虑其他的方案。 方案 2：用红外光电开关进行避障。 光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。 光电开 关 E3FDS10C4 操作简单，使用方便。 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简单障碍物，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 2。 10 测速计程模块 方案 1：用霍耳传感器进行测速。 当载流导体或半导体出于与电流相垂直的磁场中时，在其两端将产生电位差。 这一现象称为霍耳效应。 霍耳式传感器利用的就是霍耳效应。 如果在车轮的内侧装上一条细磁铁，把霍耳传感器同样装在车轮的内侧，测量火焰传感器的输出就可以知道车轮转过的圈数。 霍耳 传感器是非接触式测量，而且对灰尘、湿度、振动等环境条件不敏感。 特性也不随时间而变化。 虽然霍耳传感器具有众多优点。 但是由于我们的电动车较小，比较细小的磁铁不易寻找。 因此我们尝试着寻找其它的方案。 方案 2：用 RPR220 型光电对管进行测速。 在车轮的内侧贴上一个光电码盘，用光电对管对码盘进行检测。 光电对管照射到黑色和白色的边界时输出信号会有跳变。 将跳变的输出信号送给单片机进行检测就可以得到轮子的转速。 由于我们电动车的寻迹都是用的 RPR220 型光电对管，所以用该型号光电对管进行测速时可以使用同样的调理电路。 从使 用的方便和灵活性考虑，我们选择了方案 2。 电机模块 本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动轮的驱动电机的选择就显得十分重要。 由于本题要实现对路径的准确定位和精确测量，我们综合考虑了一下两种方案。 方案 1：采用步进电机作为该系统的驱动电机。 由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。 虽然采用步进电机有诸多优点，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。 经综合比较考虑，我们放弃了此方案。 方案 2： 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。 由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。 我们所选用的直流电机减速比为 1： 74，减速后电机的转速为 100r/min。 我们的车轮直径为 6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到 V=2πrv=2***100/60=能够较好的满足系统的要求，因此我们选择了此方案。 电机驱动模块 方案 1：采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片。 L298N 是一个具有高电压大电 流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 L298N 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。 用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。 方案 2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。 由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。 但是这种电路工作性能不够稳定。 因此我们选用了方案 1。 11 车载语音模块和控制台语音模块 方案 1：选择专门的语音存储芯片 ISD1420，通过单片机进行录放音的控制。 用这种方法虽然比较简介方便，但是在地址模式所占 IO 口较多 ,在操作模式下进行随机 播放又需快进 ,较适合于顺序播放。 且存储空间较小，只能存储总计 20s 的语音，无法进行语音识别。 为了能更好的使用语音播放和语音辨识，我们放弃了此方案。 方案 2：选择 DSP 进行语音识别， DSP 具有很强的信息处理能力，能够进行语音的存储录放和语音的辨识，但是考虑到系统的成本和使用的灵活和方便，我们放弃了此方案。 方案 3：使用凌阳精简板开发板 61B 板，该精简开发板体积小，使用方便，且具有凌阳系列的很强的语音处理功能，且具有语音播报和辨识的模块。 凌阳 61 单片机是 16 位单片机，具有 DSP 功能，有很强的信息处理能力，最高时 钟频率可达 49MHz，具有运算速度高等优势。 这些都为语音处理和辨识准备了很好的条件。 因此我们选用了方案 3。 无线收发模块 无线数据传输被广泛应用在车辆监控、遥控、遥测、小型无线网络、无线数据通信、机器人控制、数字音频、数字图像的传输等领域中。 方案 1：用 DF 无线数据收发模块。 DF 无线发射模块通讯方式为调频 AM，工作频率为315MHz，为 ISM 频段，发射频率 500mW。 DF 超再生式接收模块通讯方式为调频 AM， 接收灵敏度高，用示波器观察输出波形干净，抗干扰能力强。 系统中为保证稳定，采用芯片PT2262,PT2272M4 进行数据编解码，由于数据传输量较小，经过测试，方案可行。 方案 2：其他无线数据收发模块，如 nRF40红外线或蓝牙模块，由于其价格较昂贵，不利于调试，而且系统中不需传输大量的数据，因此我们放弃了此方案。 DF 无线收发模块由于其优良的特性和低廉的价格而被广泛应用于工业及日常商品中，因此我们选择了此方案。 显示台显示模块 方案 1：用数码管进行显示。 数码管由于显示速度快，使用简单，显示效果简洁明了而得到了广泛应用。 但是由于我们计划在显示台显示小车前进的路线、路程以及当前的灭 火状态。 用数码管无法显示如此丰富的内容，因此我们放弃了此方案。 方案 2：用 LCD 液晶进行显示。 LCD 由于其显示清晰，显示内容丰富、清晰，显示信息量大，使用方便，显示快速而得到了广泛的应用。 对于此系统我们选用 4X8 的 LCD 能够很好的满足显示要求，因此我们选择了此方案。 车载显示模块 为满足题目要求，需要在车上显示小车走过的路程，灭火时间、数目以及当前的灭火状态。 因此需要在车上显示这些数据。 方案 1：用 OCM2X8C 液晶屏。 该液晶屏可以两行显示数字、汉字，也可以实现绘图功能。 显示清晰。 如果用串行传输 数据的方式，使用的数据线也较小。 但是由于小车是在不停的运动中，使用液晶屏在远距离观测时显示不易观察。 因此我们考虑其他的更好的方案。 12 方案 2：用 8 位数码管进行显示小车走过的路程，灭火时间和数目。 用 8X8 的 LED 点阵显示当前的灭火状态。 由于车载显示模块只是用来显示路程、时间和灭火数目，都为一些数字，这就为数码管的使用变成了可能。 数码管显示亮度高，远程观测也比较醒目。 使用高亮度 LED 发光管构成点阵，通过编程控制可以显示中英文字符、图形及视频动态图形。 我们用 LED 点阵来动态图形的显示当前的灭火状态。 数码管的驱 动是用 CH451 实现的。 CH451 是一个整合了数码管显示驱动和键盘扫描控制以及 uP 监控的多功能外围芯片。 CH451 内置 RC 振荡电路，可以动态驱动 8 位数码管或者 64 位 LED，具有 BCD 译码、闪烁、移位等功能。 CH451 可以通过级联的串行接口与单片机交换数据，因此占用单片机的 IO 口较少。 实验验证 CH451 能够很好的实现数码管和LED 点阵的驱动。 因此我们使用数码管和 LED 点阵作为车载显示。 最终方案 经过反复论证，我们最终确定了如下方案： （ 1） 车体用铝合金车架手工制作。 （ 2） 采用 AT89S52 单片机作为主控制器。