基于單片機的滅火機器人畢業設計論文(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 安全，配備消防機器人已勢在必行 。 課題的研究現狀 智能小車方面：智能小車，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多學科的科技創意性設計。智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是未來汽車發展的趨勢。 機器人技術方面：目前已經開發出了多種類型機器人機構 ，其結構有串聯、并聯及垂直關節和平面關節多種。目前研究重點是機器人新的結構、功能及可實現性，其目的是使機器功能更強、柔性更大、滿足不同目的的需求。同時機器人機構向著模塊化、可重構方向發展。機器人控制技術現已實現了機器人的全數字化控制，基于傳感器的控制技術已取得了重大進展。目前重點研究開放式、模塊化控制系統，人機界面更加友好，具有良好的語言及圖形編輯界面。同時機器人的控制器的標準化和網絡化以及基于 PC機網絡式控制器已成為研究熱點。機器人已經實現了全數字交流伺服驅動控制，絕對位置反饋。目前正研究利用計算機技術， 探索高效的控制驅動算法，提高系統的響應速度和控制精度；同時利用現場總線技術，實現的分布式控制 [1]。 課題的研究意義 智能避障滅火機器人實現了對安全防護的質的提高，也大大地減低了消防人員的危險。在智能滅火系統中應用單片機來代替人的思考，還可以實現自動化控制，簡化了滅火的工作流程，使單片機代替多余的消防人員，節省了國家不必要的支出，降低了危險。 自動滅火避障智能小車可以理解為機器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特定任務的小型化機器人。與普遍意義上的機器人相比該智能小車制作成本低廉，電路結構 簡單，程序調試方便， 此設計在前人研究的基礎上，通過不斷地學習相關的知識，力求對消防機器人設計達到更深的了解和研究，促進消防機器人在火災中的應用并武漢工程大學綜合設計報告 第 2 頁 共 51 頁 推廣在相關領域的研究，使消防研究工作不斷向前發展，具有很大的學術價值。 課題任務 根據自動控制的基本要求，自動滅火避障智能小車必須在無人干預的情況下依靠處理器自動完成所有的系統設計要求。滅火通過火焰檢測傳感器找到蠟燭，控制電機引導小車走向蠟燭附近并吹滅蠟燭。自動避障通過紅外光電開關感應前方的障礙物，程序判斷處理控制小車轉彎避開障礙物。 系統具體設計要求如下 ： 1. 實現直流減速電機的啟、停、正、反控制； 2. 利用直流減速電機實現對小車的運動控制； 3. 利用穩壓芯片為單片機電路系統提供穩定電壓； 4. 利用紅外線光電開關對障礙物的檢測； 5. 利用光敏晶體管對火源的檢測 。 6. 通過單片機控制小車運動狀態實現小車的滅火避障； 7. 利用 1602 液晶的工作狀態顯示； 8. 通過編程實現系統程序的模塊化設計； 武漢工程大學綜合設計報告 第 3 頁 共 51 頁 ??????????????? ??????????第二章 系統 基本原理 與總體 方案設計 滅火機器人的基本原理 滅火機器人滅火原理如圖 1 所示。單片機采集火焰檢測模塊和避障模塊的信號 ， 通過控制電機驅動模 塊使小車避障行駛去找尋火源，在找到火源之后，單片機控制電機停止，開啟風扇滅火，液晶顯示小車行進狀態和總撲滅火源個數，從 而 實現對整個火災點滅火的過程。 單片機火 焰 檢 測 模 塊避 障 模 塊滅 火 模 塊電 機 驅 動 模 塊顯 示 模 塊 圖 1 系統原理方框圖 滅火機器人的整體設計 滅火機器人由四部分組成： 數據采集模塊，主要由火焰采集模塊和避障模塊構成，實現了滅火機器人的對各類參數的采集，是控制器核心部分。 信息處理單元，用單片機作為信息處理單元，實現對數據的采樣及數據分析運算，并發出控制指令。 人機 交互單元，由按鍵及顯示單元組成。按鍵實現人機交互；顯示采用 LCD1602液晶模塊，可以提供豐富、直觀、友好的信息界面。 控制模塊，控制模塊主要由電機驅動電路、滅火模塊等組成，實現對驅動電機運轉及開啟風扇滅火。 圖 2 滅火機器人系統框圖 武漢工程大學綜合設計報告 第 4 頁 共 51 頁 圖 2 中，數據采集模塊對障礙物方位、火焰數據進行采集，并將數據送給 MCU 進行數據處理。 MCU 根據接收的信息發出控制指令控制電機或風扇工作，顯示單元可顯示當前滅火的次數和行進狀態。按鍵用于用戶啟動滅火機器人。 滅火機器人模型的測量方案 避障及火焰測量 是滅火機器人最重要部分之一，它是實現其他功能的基本條件，這一部分性能好壞將關系到整個系統的性能，所以設計一個成本低、可靠性高、滅火效率高、調試簡便的測量方案是該設計的關鍵。 避障模塊 方案 1： 用超聲波傳感器進行避障。超聲波傳感器的原理如圖 3 所示：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機。超聲波傳感器在避障的設計中被廣泛應用 [2]。但是超聲波傳感器需要40KHz 的方波信號來工作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在 1％ 內，所以用模擬電路來做方波發生器比較難以實現。而用單片機來作方波發生器未免有些浪費資源。因此我們考慮其他的方案。 圖 3 超聲波傳感器原理圖 方案 2: 用紅外光電開關進行避障。光電開關的工作原理如圖 4 所示：根據投光器發出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據此作出判斷反應，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射 光線的物體均能檢測。紅外光電開關操作簡單，使用方便。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平 [4][7]。 考慮到本系統只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復雜的環境。為了使用方便，便于操作和調試，我們最終選擇了方案 2。 紅 外 光 電對 管 電 路電 位 比 器比 較 電 壓單 片 機 圖 4 紅外光電對管測量系統圖 超聲波傳感器障礙物發射波回波單片機武漢工程大學綜合設計報告 第 5 頁 共 51 頁 火焰檢測方案 火焰檢測有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器以及 CCD傳感器。綜合論證這幾種傳感器，因本設計使用蠟燭模擬火源，對環境溫度影響小，煙霧少，排除 了煙霧傳感器。考慮到易用性，排除了 CCD 傳感器，從而主要考慮以下三種方案。 ? NTC 熱敏電阻和光敏晶體管測量方案 熱 敏電 阻電 路光 敏電 阻電 路A / D轉 換器單片機 圖 5 NTC 熱敏電阻和光敏電阻測量系統圖 如圖 5 所示，利用熱敏或光敏電阻的阻值隨溫度光亮變化的特性，將熱敏或光敏電阻與線性電阻構成分壓電路，當溫度光亮變化時其阻值變化，進而分壓變化，然后將這電壓信號經過運放放大調理成 0— 5V 的電壓信號，經 A/D 轉換變成數字信號送給單片機。 實驗中發現在一定距離范圍內，空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發生任 何變化。光敏電阻在燈光下，易受干擾 在一定范圍內空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發生變化，光敏電阻受外界干擾比較大，抗干擾能力極差，誤差偏大，不能準確測定火源位置 [5][6]。 ? 使用紫外傳感器識別火焰方案 1 u F1 M ΩU VA / D轉 換器顯示 圖 6 紫外線傳感器識別方案 紫外線傳感器只對 185～ 260nm 狹窄范圍內的紫外線進行響應，而對其它頻譜范圍的光線不敏感，利用它可以對火焰中的紫外線進行檢測。 具有靈敏度高，檢測及時準確、抗干擾性強的特點 。主要缺點是價格是紅外傳感器的 810 倍。 武漢工程大學綜合設計報告 第 6 頁 共 51 頁 ? 紅外接收二極管識別火焰方案 圖 7 紅外接收二極管原理圖 紅外接收二極管 可以用來探測波長在 700nm ~ 1000nm 范圍內的紅外線，探測角度為 60176。 ；，其中紅外線波長在 880nm 附近時，其靈敏度達到最大 。 紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉化為 電壓 的變化，通過 電位比較器來反應高低電平的變化 。外界紅外光越強，數值越小；紅外光越弱，數值越大。 經驗證 紅外接受二極管檢測距離遠，線性度好，檢測準確，且體積較小 在機器人 設計 中，紅外火焰探頭起著非常重要的作用，它可以用作機器人的眼睛來尋找火源或 其他物體 。利用它可以制 作滅火機器人、足球機器人等 。 綜合考慮此處選用紅外接受二極管。 同時 在火焰傳感器模塊的設計中，在車體的前頭離地大約 15－ 20cm（相當于火焰高度）處安裝 5 個遠紅外火焰傳感器，各個傳感器之間呈 45 度角隔開。由于火焰傳感器的檢測距離很遠，為了避免小車判斷不了火焰的遠近的情況出現，我們設計了一路近距離火焰傳感器。只有當這路檢測到火焰，滅火電機才啟動。經實驗驗證，系統工作穩定。 紅外接收二極管與電阻分壓電路電位器比較電壓 單片機武漢工程大學綜合設計報告 第 7 頁 共 51 頁 第三章 系統硬件電路設計 控制電路 本設計要實現對路徑的準確定位和精確測量采用直流減速電機 。直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產生大扭力。我們所選用的直流電機減速比為 1：74，減速后電機的轉速為 100r/min。我們的車輪直徑為 6cm，因此我們的小車的最大速度可以達到 V=2πrv=2***100/60=能夠較好的滿足系統的要求；實現滅火工作的是采用 12V直流風扇，試驗所采用的火源為小蠟燭產生的火焰，火勢較小，直流風扇產生的風力足夠在幾秒內滅火。 電機控制電 路 電機控制電路由 L298 電機驅動芯片、 7805 芯片、電機等組成。 L298 驅動芯片結構如圖 8 所示。 圖 8 L298 驅動芯片 L298N 是 SGS 公司的產品，內部包含 4 通道邏輯驅動電路，是一種二相和四相電機的專用驅動器，即內含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅動器，接受標準 TTL 邏輯電平信號，即可驅動 46V、 2A 以下的電機。 武漢工程大學綜合設計報告 第 8 頁 共 51 頁 VCC9VC4OUT12OUT23OUT313OUT414IS INA1IS ISB15IN15IN27IN310IN412INA6INB11GND8U6L298D13 D14 D15 D16D21 D22 D23 D249V5VGNDGND12J9JP212J10JP2GND GNDD25 D26D20D19PWMAPWMB123456J4JP6PWMAPWMB5V1kR191kR201kR211kR221 2J312J8D17LED 貼片1kR235VGNDIN1IN2IN3IN4電機驅動模塊 圖 9 電機控制原理圖 如圖 9 所示， OUT1 和 OUT2， OUT3 和 OUT4 分別 接 2 個直流電機， IN ININ IN4 引腳從單片機接輸入控制電平，控制電機的正反轉， ENA、 ENB 接控制器使能端，控制電機的停轉， L298 的邏輯功能表如表 1 所示： 表 1 電機轉動狀態編碼 左電機 右電機 左電機 右電機 電動車運行狀態 IN1 IN2 IN3 IN4 1 0 1 0 正轉 正轉 前行 1 0 0 1 正轉 反轉 左轉 1 0 1 1 正轉 停 以左電機為中心原地左轉 0 1 1 0 反轉 正轉 右轉 1 1 1 0 停 正轉 以右電機為中心原地左轉 0 1 0 1 反轉 反轉 后退 對于電機的調速，我們采用 PWM 調速的方法，其原理就是開關管在一個周期內的導通時間為 t，周期為 T，則電機兩端的平均電壓 U=Vcc*(t/T)=aVcc。其中， a=t/T（占空比）， Vcc 是電源電壓，電機的轉速與電機兩端的電壓成正比例，而電機兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機的速度與占空比成比例，占空比越大，電機轉的越快。在硬件電路的連接上，我們將單片機的 IO 口分別連接到 L298 的 IN1 和 IN2 上，通過改變單片機 IO 口上的高低電平變化以控