基于單片機的滅火機器人模型的設計(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 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。 常州大學本科生畢業設計（論文） 第 6 頁 共 45 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??；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 單片機常州大學本科生畢業設計（論文） 第 7 頁 共 45 頁 3 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。 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 常州大學本科生畢業設計（論文） 第 8 頁 共 45 頁 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 控制小車的前進方向，通過改變單片機 IO 口上的高低電平的占空比以控制電機的轉速 [8]。 PWM 配合橋式驅動電路 L298N 實現直流電機調速，非常簡單，且調速范圍大。 另外本設計特別在直流電機的電樞兩端并聯一個 的瓷片電容，以穩定電機，不至于對單片機造成干擾，實際的使用效果不錯，省掉了通過光耦隔離 TPL521 實現單片機輸出信號與電機驅動信號隔離的環節，節約了成本。 滅火驅動電路 如圖 10 所示， 滅火電機驅動采用 B772 三極管 驅動，單片機 口接三極管 Q1基極，當單片機給低電平信號時，三 極管導通，接通滅火電機的電源 ，開啟風扇滅火 。 圖 10 滅火電機驅動 常州大學本科生畢業設計（論文） 第 9 頁 共 45 頁 滅火風扇的安裝 滅火風扇固定一根彎曲的鋁合金長條上，可以上下搬動控制滅火風扇的角度。滅火風扇的安裝實物圖如圖 11 和圖 12 所示： 圖 11 滅火風扇安裝實物前視圖 圖 12 滅火風扇俯視圖 火焰測量電路 火焰測量電路用來檢測火源點，該設計采用紅外接收二極管，它 能夠探測到波長在700納米～ 1000納米范圍內的紅外光，探測角度為 60，其中紅外光波長在 880納米附近時，其靈敏度達到最大。 紅外接收二極管 將外界紅外光的強弱變化轉化 為電流的變化，通過電壓反應 數值的變化。外界紅外光越強，數值越??；紅外光越弱，數值越大。 紅外接收二極管結 構如圖 13所示： 常州大學本科生畢業設計（論文） 第 10 頁 共 45 頁 圖 13 紅外接收二極管 紅外接收二極管又叫紅外光電二極管 ， 也可稱紅外光敏二極管 ,英文名 Infrared receiverdiode。它廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中 ， 如音響、 彩色電視機 、空調器、 VCD視盤機 、 DVD視盤機以及錄像機等。 它廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中，如 音響 、彩色電視機、空調器、 VCD視盤機、 DVD視盤機以及錄像機等。紅外接收二極管能很好地接收 紅外發光二極管 發射的波長為 940nm的紅外光信號，而對于其他波長的光線則不能接收。因而保證了接收的準確性和靈敏度 [12]。 紅外接收二極管的結構如圖 13所示。最常用的型號為 RPM301B。 紅外接收管是一種光敏二極管。在實際應用中要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二極管在電路中應用時是反向運用，這樣才能獲得較高的靈敏度。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。 由于紅外發光二極管的發射功率一般都較小（ 100mW 左右），所以 紅外接收二極管 接收到的信號比較微弱，因此就要增加高增益放大電路。前些年常用 μPC1373H、CX20xx6A 等紅外接收專用放大電路。最近幾年不論是業余制作還是正式產品，大多都采用成品 紅外接收頭 。 如表 2所示， 下面為 紅外接收二 極管 實測數據，一根蠟燭為火源，室 內正常日光燈環境實測 結果。 表 2 火焰傳感器實測結果 無火源時，對著日光燈 10cm 20cm 30cm 40cm 50cm 60cm 70cm 80cm 90cm 100cm 常州大學本科生畢業設計（論文） 第 11 頁 共 45 頁 10KR6D2hwjs5mmVCCGNDGNDVCCGNDOUT1ADCJ1by1D1LED 貼片10kR42kR2104C1CAPT452123U1ALM3395V5V火源檢測模塊 圖 14 火焰測量電路原理圖 在該電路中，當火焰傳感器沒有檢測到火焰時，火焰傳感器不導通而使得火焰傳感器的陽極上 拉電阻 R4 上拉為高電平，經電壓器比較器比較后輸出低電平， LED 燈亮。當檢測到火焰時，火焰傳感器導通，電壓比較器輸出高電平， LED 燈滅。經試驗驗證，本電路工作性能穩定，能耗較低，能夠較好的滿足題目的需要。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測與調理電路。 避障模塊 如圖 15 所示，本設計對障礙物的檢測采用 E18D50NK 型號的紅外傳感器。E18D50NK 傳感器是一種紅外線反射式接近開關傳感器，用于物體的反射式檢測，該傳感器具有體積小，功耗低，應用方便，穩定可靠等優點。輸出信號為數字量，不需要進行 A/D 轉換，可直接與單片機的 I/O 口相連，檢測到目標時信號線輸出是低電平，正常狀態時為高電平。為能讓對測量距離的調節，在信號輸出端需外接一個 1KΩ上拉電阻，調節電位器，即可調節測量的距離。 圖 15 E18D50NK 紅外傳感器 光電開關 E18D50NK 的技術參數 : 輸出電流 DC/SCR/繼電器 Control output： 100mA/5V 供電 消耗電流 DC25mA 響應時間 2ms 指向角：≤ 15176。 ,有效距離 350CM 可調 檢測物體：透明或不透明體 工作環境溫度： 25℃ ~+55℃ 標準檢測物體：太陽光 10000LX 以下 白熾燈 3000LX 以下 常州大學本科生畢業設計（論文） 第 12 頁 共 45 頁 圖 16 避障原理 原理分析如圖 16 所示， E18D50NK 紅外光電開關發射出紅外線，被物體阻斷或部分反射， E18D50NK 內部紅外接收管接收到反射回來的紅外線，然后有一個由高到低的電壓變化， E18D50NK 內部電壓比較器根據這個電壓的變化輸出數電信號給單片機處理。當有光線反射回來時 E18D50NK 信號腳輸出 低電平 [11]。避障模塊接口電路如圖17。 123P13PORT123P23PORT5V5VGNDGNDP20P21避障模塊 圖 17 避障模塊接口電路 避障模塊的安裝 在避障 傳感器的設計中，我們在車體底盤的前端裝有二個避障傳感器，用來起到避開障礙物的作用。兩個傳感器微微向兩邊傾斜一點，防止有障礙物時擦邊。具體的安裝位置實物圖如圖 18 所示： 常州大學本科生畢業設計（論文） 第 13 頁 共 45 頁 圖 18 避障傳感器安裝實物圖 液晶顯示模塊 顯示電路是滅火機器人與用戶交互的接口，用戶通過顯示來觀察滅火次數和小車行進狀態。 為了顯示更人性化和美觀化，選擇 LCD1602 液晶， 工業字符型液晶，能夠同時顯示 16*02 即 32 個字符 ， 微功耗、體積小、顯示內容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應用系統中。 1602 液晶也叫 1602 字 符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數字、符號等的 點陣 型液晶模塊。它由若干個 5X7 或者 5X11 等 點陣 字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好 地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 1602LCD 是指顯示的內容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16 個字符液晶模塊（顯示字符和數字）。 目前市面上字符液晶絕大多數是基于 HD4