2 系统设计及方案比较
根据课题设计的要求和课题目标，本论文制定出了系统的设计方案，并通过比较论证，选择合适的器件。最终确定手工制作小车，采用ATMEGA128单片机作为主控制器，用ST178型光电对管进行避障，TN9型热释电非接触式温度传感器作为本系统的火焰传感器，L298作为直流电机的驱动芯片的设计方案。 2.1 整体方案设计
课题要求设计一个简易智能灭火小车模型，能到指定区域进行灭火工作（以蜡烛模拟火源，分布在小车行走的场地中）。小车必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到小车智能灭火的目的。
根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、避障模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图1所示。
图1 系统结构框图
为较好的实现各模块的功能，本论文分别设计了几种方案并分别进行了论证。 2.2 硬件实现方案 2.2.1 MCU的选择
近年来，单片机应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。但在开发设计中选择合适的MCU带来了很大的困难。
方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。
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但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑本论文放弃了此方案。
方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
本系统主要是进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制，兼有声音报警。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，本论文放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。
方案3：采用Atmel公司的ATMEGA128单片机作为主控制器。ATMEGA128是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些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IO口，2个16位可编程定时计数器。且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。但是考虑到本系统要进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制、声音报警，若使用ATMEGA128可能在数据处理方面有一些不足。因此本论文不选择此方案。
方案4：采用Atmel公司的ATMEGA128高端单片机作为主控制器。ATMEGA128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。先进的 RISC 结构,133 条指令且大多数可以在一个时钟周期内完成。具有非易失性的程序和数据存储器，具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内编程。支持JTAG 接口同时与IEEE 1149.1 标准兼容。 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路8 位PWM，6路分辨率可编程（2 到16 位）的PWM， 8路10 位ADC，可以方便的进行模数转换。
从方便使用和经济的角度考虑，本论文选择了方案4。 2.2.2 电机选择
本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动电机的选择就显得十分重要。下面本论文分析了几种常见电机。
步进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
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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。
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。
舵机，顾名思义是控制舵面的电动机。舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面、油门等机构的动力来源，但是由于舵机具有很多优秀的特性，在制作智能技术时也时常能看到它的应用。舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不能超过180 度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说智能技术的关节、飞机的舵面等。
直流电机能够较好的满足系统的要求，控制方便，因此本论文选择以直流电机做为小车行进驱动电机，用舵机来做小车的驱动转向电机。 2.2.3 传感器的选择 （1）火焰传感器的选择
火焰检测有紫外传感器、烟雾传感器、温度传感器、红外传感器以及CCD图像传感器。本论文综合论证了这几种传感器，制定了如下几种方案。
方案1：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，因此本论文放弃了此方案
方案2：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，能对火灾立即做出反应。但是紫外传感器检测的范围太大，不适用于本系统。
方案3：用光敏电阻作为传感器。所谓光敏，就是对光反应敏感。光敏电阻在光照条件下电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的组件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大。CDS光敏电阻，灵敏度高，反应速度快，光谱特性及γ值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性，广泛应用于光探测和光自控领域中。但自然光对光敏电阻影响较大，因此本论文不采用此方案。
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
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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，不适合用于本系统。
方案5：用热释电红外测温传感器，热释电红外传感器凌阳TN9系列是根据LiTaO3的热释电效应设计的，用作检测器的热释电材料具有自发极化，其晶面能俘获大气中的自由电荷，从而保持中性，当晶面温度稍有变化即引起自发极化强度的变化，从而使晶面电荷量发生相应的变化。由于它是非接触式测温，用于测量火焰温度非常方便。
从经济和方便的角度考虑，本论文选择了方案5。 （2）寻迹传感器
方案1：用红外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，因此本论文放弃了这个方案。
方案2：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。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，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。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此本论文考虑其他更加稳定的方案。
方案3：用ST178型光电对管。ST178为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大，4-10mm可用。ST178的示意图和特性曲线如图2所示。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。因此本论文选择了方案3。
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(a) ST178示意图
(b) ST178特性表
图2 ST178的示意图和特性曲线
（3）避障传感器的选择
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。而用单片机作为方波发生器未免有些浪费资源。因此本论文考虑其他的方案。
方案2：用红外光电开关ST178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，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。光电对管ST178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，本论文最终选择了方案2。 2.3 硬件总体设计方案
经过反复比较论证，本论文最终确定了如下方案：
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