家庭灭火机器人设计报告.doc

名称 家庭灭火机器人设计报告名称 家庭灭火机器人设计报告 学学 院 电子与信息工程学院院 电子与信息工程学院 指导老师 李东指导老师 李东 班班 级 电气二班级 电气二班 姓姓 名 曾凡名 曾凡 时时 间 间 2013 6 232013 6 23 1 目录目录 第一第一章章 绪论绪论 1 1 1 课题背景 1 1 2 实现功能 1 第二第二章章 系统整体方案设计系统整体方案设计 2 2 1 系统硬件设计 2 2 2 系统软件设计 2 第三第三章章 硬件设计硬件设计 3 3 3 1 电源管理模块 3 3 1 1 电源模块电路原理图 3 3 2 电机驱动芯片 L298N 4 3 2 1 L298N 电路原理图 5 3 3 避障检测传感器 HS0038 5 3 3 1 HS0038 简介 5 3 3 3 检测原理 5 3 3 4 HS0038 与单片机连接原理图 6 3 4 地面灰度检测传感器 ST188 6 3 4 2 检测原理 6 3 4 3 应用范围 6 3 4 5 ST188 原理图 7 3 5 火焰传感器 7 3 5 1 火焰传感器使用 7 第四第四章章 软件设计软件设计 8 8 4 1 灭火机器人行进路线分析 8 4 2 软件流程图 9 第五第五章章 调试记录调试记录 1010 5 1 调试记录 10 第六章 实验心得 10 参考文献参考文献 1212 附录附录 1 1 程序清单程序清单 1313 附录附录 2 2 灭火机器人实物图及灭火场地灭火机器人实物图及灭火场地 2626 灭火机器人设计 第 0 页 共 26 页 第一章第一章 绪论绪论 1 1 课题背景 随着社会的进步 机器人技术的不断发展使得机器人的应用领域不断扩展 从以往多应用于工业 领域而渐渐融入人们的生活 灭火机器人作为消防部队中的新兴力量 加入了抢险救灾的行列 灭火 机器人是一个集信号检测 传输 处理和控制于一体的控制系统 代表了智能机器人系统的发展方向 1 2 实现功能 制造一个自主控制的机器人在一间平面结构房子模型里运动 找到一根蜡烛并尽快将它熄灭 这 个工作受地面摩擦 机器人惯性 机器人电机的转数差 齿轮箱与轮子的摩擦 电压变化等多个因素 影响 它模拟了现实家庭中机器人处理火警的过程 蜡烛代表家里燃起的火源 机器人必须找到并熄 灭它 第二章第二章 系统整体方案设计系统整体方案设计 2 1 系统硬件设计 本次设计的目的是设计一个在规定区域能自主搜索火源并实施灭火的智能机器人小车 本次设计 使用的主控芯片使用了 STC89C52 单片机 所以设计重点在传感器和电机驱动上 系统总体设计框图如 图 MCU 小车电 机驱动 传感器 模块 传感器 模块 电源部分 风扇 电机 图 2 1 系统总体设计框图 2 2 系统软件设计 软件设计方案是以上述硬件电路为基础的 包括电机控制模块 传感器模块的程序设计与实现 程序设计采用 C 语言编写 编程环境是集成 Keil C51 编译器的集成编译环境 灭火机器人设计的软件 设计结构框图如图 2 2 所示 灭火机器人设计 第 1 页 共 26 页 前进子程序 转弯子程序 ST188 子程序序 4 序 HS0038 子程序 火焰子程序 停止子程序 图 2 2 系统软件设计框图 第三章第三章 硬件设计硬件设计 3 1 电源管理模块 电源是任何一个系统稳定运行的前提条件 为了使机器人运行稳定 单片机和电机的供电系统采 用独立供电的方法 3 1 1 电源模块电路原理图 由于单片机及所有的传感器系统供电采用的是 5V 的电源 而车体要良好的运行电机的供电电压应 该达到 12V 所以在电源的处理上采用了稳压芯片 7805CV 和 7812CV 图 3 1 电源部分电路图 3 2 电机驱动芯片 L298N L298N 是 SGS 公司的产品 内部包含 4 通道逻辑驱动电路 是一种二相和四相电机的专用驱动器 即内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器 接收标准 TTL 逻辑电平信号 可驱动 46V 2A 以下 的电机 其引脚排列如图 1 中 U4 所示 1 脚和 15 脚可单独引出连接电流采样电阻器 形成电流传感 信号 L298 可驱动 2 个电机 OUT1 OUT2 和 OUT3 OUT4 之间分别接 2 个电动机 5 7 10 12 脚接 输入控制电平 控制电机的正反转 ENA ENB 接控制使能端 控制电机的停转 也利用单片机产生 PWM 信号接到 ENA ENB 端子 对电机的转速进行调节 3 2 1 L298N 的逻辑功能 表 3 3 SHARP GP2D12 实物图 灭火机器 人系统软 件 电机控 制模块 传感器 模块 灭火机器人设计 第 2 页 共 26 页 3 2 2 L298N 电路原理图 由于一片 L298N 可以直接驱动两个电机 但是为了加大驱动力 我们采用两路并联的方式来驱动 电机 图 3 3 L298N 电路图 3 3 避障检测传感器 HS0038 3 3 1 HS0038 简介 HS0038B 系列微型接收机红外遥控器控制系统 PIN 二极管和前置上组装引线框架 环氧包被 设计成红外过滤器 该解调输出信号可直接解码的微处理器 HS0038B 是标准的红外遥控接收器系列 支持所有主要传输代码 灭火机器人设计 第 3 页 共 26 页 3 3 2 检测原理 红外发射管发射出经过调制过的 38KHZ 的红外光 当前方没有障碍物时 接收器收不到红外光 相反当前方有障碍物时 接受器可以收到红外光 根据此原理 机器人可以感知前方的路况从而决定 是否前行 3 3 3 HS0038 与单片机连接原理图 图 3 3 H0038 电路图 HS0038 内部集成了红外接收 运放 验波电路 带通滤波 中心频率 整形电路 驱动 电路 通过加入 38k 的调制信号可使该电路抗干扰能力增强 减少了自然光的影响 其实在红外发射 和 VCC 之间有一变位器 阻值为 2 5 欧左右此图没标上 3 4 地面灰度检测传感器 ST188 3 4 1 检测原理 ST188 是红外收发一体的器件 发射管发射出红外光线 接收管就可以根据接收的红外光线的强 弱 感知地面的灰度 由于此模拟房间的地面被处理成为黑白两种颜色 通过比较器设置灰度的门限 值 可以很方便的感知地面的颜色 从而做出相应的决策 3 4 2 ST188 原理图 123456 A B C D 654321 D C B A Title NumberR evisionS ize B Date 18 Oct 2008S heet of F ile C PR OGR AM F ILES DES IGN E XPLOR ER 99 S E EXAM PLES M yDesign ddbDrawn B y U1 S T188 R 1 120R R 2 10K R 5 R ES 2 R 3 1K VC C 1 2 67 8 U2A LM 324 116 2 R 4A 10K D1 LED VC C VC C Port VC C 图 3 6 ST188 电路图 灭火机器人设计 第 4 页 共 26 页 图 3 7 L324 图 LM324 是四运放集成电路 它采用 14 脚双列直插塑料封装 外形如图所示 它的内部包含四组形式完 全相同的运算放大器 除电源共用外 四组运放相互独立 3 5 火焰传感器 此传感器本品可广泛应用于灭火机器人比赛中测量火焰值 足球比赛时 用于确定足球的方向 下图为火焰传感器实物图 图 3 8 火焰传感器实物图 3 5 1 火焰传感器的使用 此传感器具有优良的火焰探测性能 可根据可见光 红外光强弱变化输出电平的大小 其输出端 口是一个四针的插头 其中黑色线为地线 红色线为电源线 5V 黄色线为信号线 用于输出测量 的红外光强度电平 棕色线为信号线 用于输出可见光强度电平 第四章第四章 软件设计软件设计 4 1 灭火机器人行进路线分析 当小车处于起点 小车要开始搜索房间有两种路径可以选择 一是不过台阶 绕着 4 号房间向外 搜索 二是直接过台阶 然后开始搜索 显然直接过台阶可以节省很多的时间 路径更短 因为我们 制作的小车为履带结构 结合我们小车的特点和前面分析 我们选择过台阶 过台阶后 小车处于 3 号和 4 号房间中间 由图可知 沿着右走的方案比较好 因此我们采用是 右手规则 首先搜索的是 3 号房间 如图中的红色箭头 当在 3 号房间发现火源时 小车进入房间并 灭火机器人设计 第 5 页 共 26 页 灭火 灭火后按原路返回 如没有发现火源 小车继续按右手规则搜索房间 直到搜索 4 号房间 不 管有没有搜索到火源 从 4 号房间出来都绕着 4 号房间返回起点 因为回家过程中的时间不记入总时 间 而绕行比较安全 小车比较好控制 1 2 3 4 灭灭火火路路线线回回家家路路线线 图 4 1 灭火机器人行进路线 灭火机器人设计 第 6 页 共 26 页 4 24 2 软件流程图软件流程图 开开始始 搜搜索索3 3号号房房间间 是是否否有有火火 搜搜索索2 2号号房房间间 是是否否有有火火 搜搜索索1 1号号房房间间 是是否否有有火火 搜搜索索4 4号号房房间间 是是否否有有火火 灭灭火火 火火已已灭灭 3 3号号房房间间回回家家 4 4号号房房间间回回家家 停停止止 灭灭火火 火火已已灭灭 2 2号号房房间间回回家家 灭灭火火 火火已已灭灭 3 3号号房房间间回回家家 灭灭火火 火火已已灭灭 3 3号号房房间间回回家家 是 是 是 是 否 否 否 否 否 否 否 否 是 是 是 是 图 4 2 灭火小车软件设计流程图 第五章第五章 调试记录调试记录 5 15 1 调试记录调试记录 前方传感器检测最佳距离 12cm 500R 的电位器逆时钟旋转可加大发射管的发射功率 检测距离 可变远 地面灰度传感器 测试距离 2 5cm 黑地面输出电压 1 3 1 5V 白纸输出 3 8 4 5V 灭火机器人设计 第 7 页 共 26 页 前方火焰传感器最远测试距离 2 5m 此次使用有效距离 0 8m 输出电压 0 6V 探测角度 30 转弯 动作延时常数动作延时常数 原地右转 90 18 原地左转 90 19 右后转 180 37 左后转 180 37 电池电压 5V 供电的电压不得低于 7 2V 第五章第五章 实验实验总结总结 通过灭火机器人的制作 我对机器人的组成和原理 传感器有了全新的认识 本次的灭火机器人 小车设计主要涉及到单片机开发 机器人组成和原理 电机与驱动 传感器知识及程序算法设计等 使用最多的是传感器 传感器是机器人的眼睛 只有传感器正确的识别道路 机器人才能正确搜寻房 间 因此传感器的设置很重要 须多次调试得出最佳参数值 如电压值 测试距离 探测角度等 在 整个实验过程中是最关键 最麻烦的就是系统的整体调试 我要调节各个参数 保证车子能正常完成 各个功能 同时还要考虑出现的各种不良因素 这要求制作的机器人的适应能力好 到达现场时需要调 整的参数越少越好 在控制机器人小车精确转弯时一定要使用相关硬件器件进行控制 比如指南针或者采用好的算法 不需要进行精确转弯 还要考虑机器人的行走路径的选择 因为我们制作的小车为履带结构 结合我 们小车的特点和前面分析 我们选择过台阶直接过台阶 然后开始搜索 显然直接过台阶可以节省很 多的时间 路径更短 通过本次设计 将我把所学的理论知识真正应用到实际当中 不仅加深了对理 论知识的理解 同时还进行了拓展 发散 在整个过程中 我体会到了知识的无穷力量 参考参考工具工具 1 国际赛制机器人灭火比赛规则 PDF 2 李全利 迟荣强 单片机原理及接口技术 北京 高等教育出版社 2004 1 3 谭浩强 C 程序设计 第二版 北京 清华大学出版社 1999 12 4 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 第三版 北京 高等教育出版社 2003 12 灭火机器人设计 第 8 页 共 26 页 5 康华光 电子技术基础 数字部分 第四版 北京 高等教育出版社 1900 1 6 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛电路设计 北京 北京航空航天大学出版社 2006 12 7 黄智伟 全国大学生电子设计竞赛系统设计 北京 北京航空航天大学出版社 2006 12 8 文艳 谭鸿 Protel 99 SE 电子电路设计 北京 机械工业出版社 2006 8 百度等等 附录附录 1 1 程序清单程序清单 include define uchar unsigned char define uint unsi sbit led1 P1 5 红外发射管 sbit led2 P1 6 gned int sbit led3 P3 7 sbit s1 P1 1 红外接收管 sbit s2 P1 2 sbit s3 P1 4 sbit s4 P1 3 sbit s5 P1 4 sbit styou P0 0 sbit stzu sbit huo P2 0 o P0 1 sbit feng P0 7 sbit en1 P2 2 电机 1 L298 的 Enable A sbit en2 P2 5 电机 2 sbit in1 1 P2 3 L298 1 的 Input 1 左 sbit in1 2 P2 4 L298 1 的 Input 2 sbit in2 1 P2 6 L298 2 的 Input 1 右 sbit in2 2 P2 7 L298 2 的 Input 2 uchar t 0 pwm 调速中断计数器 uchar suozuo 100 电机速度值 参数 0 100 uchar suoyou 54 灭火机器人设计 第 9 页 共 26 页 uchar i 0 uchar k 0 房间标志变量 uchar h 0 uchar m 0 void stop void tiaoyou void tiaozuo void qian void delay uint void zuo void you void si void tiaohuo void pao void init void dus uchar void tiaohui void hui1 void hui2 void