基于arm2103的滅火機(jī)器人設(shè)計(編輯修改稿)

　

【文章內(nèi)容簡介】 圖 21 系統(tǒng)方框圖為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我分別設(shè)計了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。 硬件實(shí)現(xiàn)方案 微控制器的選擇近年來，ARM 微控制器應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，為智能裝置的開發(fā)設(shè)計帶來了很大的便利。但在開發(fā)設(shè)計中選擇合適的 MCU 帶來了很大的困難。方案 1：采用單片機(jī)作為主控制器。P89V51RC2 是一個低功耗，高性能的 51 內(nèi)核的 CMOS 8 位單片機(jī)，片內(nèi)含 8k 空間的可反復(fù)擦多次的 Flash 只讀存儲器，具有 256 bytes 的隨機(jī)存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM） ，32 個 IO 口，2 個 16 位可編程定時計數(shù)器。且該系列的 51 單片機(jī)可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機(jī)中下載程序。但是考慮到本系統(tǒng)要進(jìn)行避障和火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測以及電機(jī)的控制、聲音報警，若使用P89V51RC2 可能在數(shù)據(jù)處理方面有一些不足。因此我們不選擇此方案。方案 2：采用周立功公司的 ARM2103 作為主控制器。LPC2103 是一個基于支持實(shí)時仿真的 16/32 位 ARM7 TDMIS CPU 的微控制器，并帶有 32kB 的嵌入高速 Flash 存儲器，128 位寬度的存儲器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使 32 位代碼能 夠在最大時鐘速率下運(yùn)行。 較小的封裝和極低的功耗使 LPC2103 適用于訪問控制器和 POS 機(jī)等小型應(yīng)用系統(tǒng)中； 由于內(nèi)置了寬范圍的串行通信接口（2 個 UART、SPI、SSP 和 2 個 I2C）和 8KB 的片內(nèi) SRAM，LPC2103 也適合用在通信網(wǎng)關(guān)和協(xié)議轉(zhuǎn)換器中。32/16 位定時器、增強(qiáng)型 10 位 ADC、定時 器輸出匹配 PWM 特性、多達(dá) 13 個邊沿、電平觸發(fā)的外部中斷、32 條高速 GPIO，使得 LPC2103 微控制器特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)中。 16/32 位 ARM7 TDMIS 微控制器，超小 LQFP48 封裝；8KB 的片內(nèi)靜態(tài) RAM 和 32KB 的片內(nèi) Flash 程序存儲器。 128 位寬度接口/加速器 可實(shí)現(xiàn)高達(dá) 70 MHz 工作頻率； 通過片內(nèi) boot 裝載程序?qū)崿F(xiàn)在系統(tǒng)/在應(yīng)用編程（ISP/IAP） 。單個 Flash 扇區(qū)或整 片擦除時間為 100ms， 256 字節(jié)編程時間為 1ms； 嵌入式 ICE RT 通過片內(nèi)RealMonitor 軟件提供實(shí)時調(diào)試； 10 位 A/D 轉(zhuǎn)換器提供 8 路模擬輸入（每個通道的轉(zhuǎn)換時間低至 ） ，以及特 定的結(jié)果寄存器來最大限度地減少中斷開銷；2 個32 位定時器/外部事件計數(shù)器（帶 7 路捕獲和 7 路比較通道） ；2 個 16 位定時器/外部事件計數(shù)器（帶 3 路捕獲和 7 路比較通道） ；低功耗實(shí)時時鐘（RTC）具有獨(dú)立的電源和特定的 32KHz 時鐘輸入；多個串行接口，包括 2 個 UART（16C550 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)） 、2 個高速 I2C 總線（400 Kbit/s） 、 SPI 和具有緩沖作用和數(shù)據(jù)長度可變功能的 SSP；向量中斷控制器（VIC ） ，可配置優(yōu)先級和向量地址；多達(dá) 32 個通用 I/O 口（可承受 5V 電壓） ；多達(dá) 13 個邊沿、電平觸發(fā)的外部中斷管腳；通過一個可編程的片內(nèi)PLL （100us 的設(shè)置時間）可實(shí)現(xiàn)最大為 70MHz 的 CPU 操作頻率，其具有 10MHz～25MHz 的輸入頻率；片內(nèi)集成振蕩器與外部晶體的操作頻率范圍為 1～25MHz；低功耗模式包括空閑模式、帶 RTC 的睡眠模式和掉電模式；可通過個別使能/禁止外圍功能和外圍時鐘分頻來優(yōu)化額外功耗；通過外部中斷或 RTC 將處理器從掉電模式中喚醒。 。從方便使用和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，我們選擇了方案 2。 電機(jī)選擇本系統(tǒng)為智能電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動電機(jī)的選擇就顯得十分重要。下面我們分析了幾種常見電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機(jī)提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。本課題選用的是直流電機(jī)。 傳感器的選擇 火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x擇火焰檢測有紫外傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器以及 CCD 圖像傳感器。我綜合論證了這幾種傳感器，制定了如下幾種方案。方案 1：用煙霧傳感器。煙霧傳感器廣泛應(yīng)用與火警檢測。但是由于此題目的火源是用蠟燭模擬的，沒有太大的煙霧，因此用煙霧傳感器作為此小型電動車的火焰?zhèn)鞲衅饕膊粔驅(qū)嵱茫虼宋曳艞壛舜朔桨阜桨?2：用紫外傳感器檢測火焰。紫外火焰?zhèn)鞲衅髦饕獞?yīng)用于火災(zāi)消防系統(tǒng)，尤其是一些易燃易爆場所，用來監(jiān)測火焰的產(chǎn)生。紫外線火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度高，相應(yīng)速度快，抗干擾能力強(qiáng)，對明火特別敏感，能對火災(zāi)立即做出反應(yīng)。但是紫外傳感器檢測的范圍太大，不適用于本系統(tǒng)。方案 3：用光敏電阻作為傳感器。所謂光敏，就是對光反應(yīng)敏感。光敏電阻在光照條件下電阻值隨外界光照強(qiáng)弱（明暗）變化而變化的組件，光越強(qiáng)阻值越小，光越弱阻值越大。CDS 光敏電阻，靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及 γ 值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫、多濕的惡劣環(huán)境下，仍能保持其高度的穩(wěn)定性和可靠性，廣泛應(yīng)用于光探測和光自控領(lǐng)域中。從經(jīng)濟(jì)和方便的角度考慮，本課題選擇了方案 3。 尋跡傳感器方案 1：用紅外發(fā)射管和接收管自己制作光電對管尋跡傳感器。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當(dāng)發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。這樣自己制作組裝的尋跡傳感器基本能夠滿足要求，但是工作不夠穩(wěn)定，且容易受外界光線的影響，因此我放棄了這個方案。方案 2：用光敏電阻組成光敏探測器。光敏電阻的阻值可以跟隨周圍環(huán)境光線的變化而變化。當(dāng)光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強(qiáng)烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。因此光敏電阻在白線和黑線上方時，阻值會發(fā)生明顯的變化。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。但是這種方案受光照影響很大，不能夠穩(wěn)定的工作。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。方案 3：用 TCRT5000 型光電對管。TCRT5000 為反射取樣式紅外線對管作為核心傳感器件。它采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，以非接觸檢測方式，檢測距離可調(diào)整范圍大，410mm 可用。所示。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。因此本課題選擇了方案 3。 避障傳感器的選擇方案 1：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)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(jī)。超聲波傳感器在避障的設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。但是超聲波傳感器需要 40KHz 的方波信號來工作，因?yàn)槌暡▊鞲衅鲗ぷ黝l率要求較高，偏差在 1％內(nèi)，所以用模擬電路來做方波發(fā)生器比較難以實(shí)現(xiàn)。而用單片機(jī)作為方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)資源。因此我考慮其他的方案。方案 2：用紅外光電開關(guān) TL1838A2 進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此做出判斷反應(yīng)，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，當(dāng)檢測到有障礙物的時候，光電對管就能夠接收到物體反射的紅外光，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。光電對管TL1838A2 操作簡單，使用方便。當(dāng)有光線反射回來時，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時，輸出高電平。考慮到本系統(tǒng)只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復(fù)雜的環(huán)境。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，我最終選擇了方案 2。 硬件總體設(shè)計方案經(jīng)過反復(fù)比較論證，我最終確定了如下方案：手工制作車體。采用 ARM2103 作為主控制器。用 TL1838A2 型光電對管進(jìn)行避障。光敏電阻傳感器作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳌298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片。使用蜂鳴器進(jìn)行滅火報警。圖 24 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 軟件總體設(shè)計方案 傳感器組把測得溫度分別通過 AD 轉(zhuǎn)換傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過一定的處理，比較得出溫度最高的三個傳感器，根據(jù)能量在自由空間的衰減規(guī)律可知，火源與傳感器的距離與傳感器測得溫度的大小呈負(fù)相關(guān)，溫度越高，距離火源越近，所以，火源即在這三個傳感器所對的那個方向上，調(diào)整小車方向并通過避障傳感器避障前進(jìn)到火源位置驅(qū)動滅火風(fēng)扇進(jìn)行滅火。TL1838A2 光電對管尋跡 滅火風(fēng)扇火焰?zhèn)鞲衅?聲音報警模塊L298 驅(qū)動直流電機(jī)ARM2103控制芯片光電開關(guān)避障模塊第 3 章 硬件單元電路設(shè)計本章主要講述了以 ARM2103 為主控制器，設(shè)計相關(guān)的硬件電路。主要硬件電路有：尋線與控制電路、電機(jī)驅(qū)動模塊、火焰檢測電路、滅火風(fēng)扇驅(qū)動電路以及聲音報警電路。 電源電路ARM2103 需要 直流電壓、150mA 的峰值電流，在考慮到其它外圍芯片的供電電壓和功耗，最終選擇 L7805ACV 這種專為大功率供電使用的芯片提供 5V 供電，電源電路如圖 31。 （31） 微控制器模塊的設(shè)計 ARM2103 微控制器介紹周 立 功 公 司 的 基 于 支 持 實(shí) 時 仿 真 的 16/32 位 ARM7 TDMIS CPU 的 較 高 配 置 的一 款 微 控