基于火焰传感器的灭火机器人毕业论文.doc

毕业设计 论文 毕业设计 论文 题题目 基于火焰目 基于火焰传传感器的感器的灭灭火机器人火机器人 目 录 摘要 IV ABSTRACT V 第 1 章绪论 1 1 1机器人的发展概述 1 1 2基于火焰传感器的灭火机器人概述 1 1 2 1国外现状 1 1 2 2国内现状 1 1 3本课题的目标及内容 2 第 2 章灭火机器人逻辑设计与原理分析 3 2 1灭火机器人设计要求 3 2 1 1设计任务 3 2 1 2设计要求 3 2 1 3创新设计 4 2 2设计内容分析 4 2 2 1灭火机器人 4 2 2 2设计内容 4 2 3总体设计方案 5 2 4小车的方案设计与论证 6 2 5各模块的选定 6 2 5 1驱动电机模块的选定 6 2 5 2避障模块的选定 7 2 5 3火焰传感器模块的选定 7 2 5 4水泵模块的选定 8 2 5 5电源模块的选定 8 2 5 6单片机控制模块的选定 9 2 6最终方案 9 第 3 章系统硬件设计 10 3 1系统工作原理及功能简介 10 3 2系统硬件总体概述 11 3 2 1总体框图 11 3 2 2元器件的选择 11 3 2 3小车底盘的选择 12 3 3灭火机器人的硬件组成 13 3 3 1火焰传感器模块 13 3 3 2报警模块 14 3 3 3避障模块 15 3 3 4稳压芯片模块 16 3 3 5光电耦合电路模块 16 3 3 6水泵电机驱动模块 18 3 3 7测速模块 19 3 3 8按键电路模块 21 3 4主控单片机系统 21 3 4 1C8051F320 单片机主要特性 22 3 4 2SPI 总线介绍 23 3 5LCD 显示电路 24 3 5 1液晶显示模块 24 3 6电源电路 26 3 6 13 3V 电源方案 26 3 6 25V 电源系统 27 3 6 3电源监控 27 3 7灭火机器人整体设计 28 3 7 1整体结构 28 3 7 2CPU 引脚的设定 28 第 4 章系统的软件设计 29 4 1灭火机器人系统总体流程图 29 4 2程序流程图 30 4 2 1小车灭火的主程序软件流程图 30 4 2 2小车避障模块程序软件流程图 30 4 2 3火源模块程序软件流程图 31 4 3液晶显示的编程 32 4 3 1SPI 总线工作原理 32 4 3 2液晶编程 33 第 5 章系统实现 34 第 6 章总结 35 参考文献 36 致谢 37 附 录 38 基于火焰传感器的灭火机器人 摘要 本次设计主控 CPU 采用新华龙公司的 51 系列单片机中的 C8051F320 设计的基本功 能要求在规定的场地中尽快寻找到火源 然后在尽可能短的时间内作出灭火动作 本作品使用 C8051F320 单片机内部产生双路 PWM 波 控制小车的直流电动机 利用 光电开关管探测障碍物 使得小车能够避开障碍 利用火焰传感器探测火源 找到火源 进而使单片机控制水泵电路并做出灭火动作 同时使用液晶显示小车速度 使得我们对 小车的运行状态有一个更好的了解 关键词关键词 C8051F320 火焰传感器 光电开关 PWM 液晶 Based on the flame of the fire fighting robot sensor Abstract The main control CPU of the design is one of the 51 series microcontroller C8051F320 The basic function of the design requires the robot find fire as soon as possible in the stipulated field and then within the shortest possible time to make fire fighting action This robot make C8051F320 generate double road PWM waves controlling the direct current motor of the car using photoelectric switch tube detect obstacles making the car can avoid obstacles using flame sensor probe fire finding the fire and the single chip microcomputer controls the circuit of the pump At the same time use liquid crystal display vehicle speed making us have a better understand of the running car Key words C8051F320 Flame sensor Photoelectric switches PWM Liquid crystal 第 1 章 绪论 1 1 机器人的发展概述 机器人技术是一项综合性的学科 涉及机械 电子 计算机 人工智能等领域 智能 机器人技术应用了信息技术中的感测技术 传感技术 控制技术等 是信息技术课程和相 关科技活动的良好载体 一些发达国家已经看好智能机器人教育对未来高科技社会的作 用和影响 在中小学的信息技术教育中都不同程度地对学生进行智能机器人知识的教育 1 自从人类创造了第一台机器人以后 机器人就显示出它极大的生命力 在几十年间 机器人技术得到迅速发展 1 2 基于火焰传感器的灭火机器人概述 1 2 1 国外现状 消防机器人的研究开发及应用 日本最为领先 其次是美国 英国和俄罗斯等发达 国家 国际上对消防机器人的研究 在控制技术上可分为三个阶段 第一代是遥控消防 机器人 第二代是具有感觉功能的计算机辅助遥控消防机器人 第三代是自适应智能化 消防机器人 第一代和部分第二代消防机器人已开始服役 但其结构和功能在各个国家 都各有特点和独到之处 目前发达国家正在加快开发不同功能的第二代实用型消防机器 人 而第三代智能型消防机器人尚在探索之中 日本 美国和英国已开始进入预研和论 证阶段 2 1 2 2 国内现状 近年来 我国的消防机器人研究已在机器人感觉识别技术 操作移动技术 人机接 口技术 系统化技术等方面取得了可喜的成就 但这些成果主要应用于工业装配 焊接 喷涂 搬运 探伤 水下作业 过程测量等方面 而适用于在有毒有害 尤其是在火场 等恶劣环境中进行特殊作业的消防机器人的研究尚属起步阶段 1 3 本课题的目标及内容 本文围绕火焰传感器灭火机器人技术的实现 详细地分析和叙述了系统硬件和软件 各部分的组成及设计原理 并分析误差的形成原因和解决办法 本论文主要由以下几个 部分构成 第 1 章 绪论 分析了研究灭火机器人的意义 介绍了国内外灭火机器人的发展与现 状 第 2 章 灭火机器人逻辑设计与原理分析 简述灭火机器人的设计要求及项目内容 分析了基于火焰传感器的灭火机器人原理以及具体设计方案 介绍了具体实现方式 第 3 章 系统硬件设计 详细介绍各电路模块的工作原理以及所选器件的性能 第 4 章 系统软件设计 系统软件设计部分采用 C 语言进行编写 对软件部分各个 组成模块的软件运行流程作以详尽的介绍 阐述了各部分的功能及设置 第 5 章 系统实现 介绍了灭火机器人的安装 校验调整过程 分析了产生系统误差 的原因 讨论了解决的具体方法 第 6 章 总结 对论文完成的内容和得出的数据进行了总结 给出了系统的实现结果 第 2 章灭火机器人逻辑设计与原理分析 2 1 灭火机器人设计要求 2 1 1 设计任务 设计制作一个基于火焰传感器的灭火小车模型 能到指定区域进行灭火工作 以蜡 烛模拟火源 随机分布在场地中 模拟灭火场地如图2 1所示 火源 火源 火源 入口 出口 火源 图2 1 模拟灭火场地图 2 1 2 设计要求 1 智能灭火小车手动启动后 自动躲避障碍物 2 智能灭火小车能够检测到火源 3 智能灭火小车检测到火源后能启动水泵喷水灭火 4 若有则继续灭火 若无则由出口结束本次任务 2 1 3 创新设计 1 小车车体结构好 完全自主设计 小车采用三层结构 分放不同模块的元件 调 试过程和修改过程相对简单 2 根据小车需要和实际情况 自行设计传感器 不仅花费较少 而且使用效果好 3 自制蓄水池 水泵采用三极管放大电路供电 最大限度的加大电机转速 4 使用以7805芯片为核心的稳压设计 以L293为核心的电机驱动设计 保证系统的 稳定性 2 2 设计内容分析 2 2 1 灭火机器人 在机器人灭火设计中 要求机器人实现在场地里迅速找到蜡烛将其熄灭 在寻找过 程中要避免碰撞墙壁与蜡烛 并且在找到蜡烛后控制机器人将其熄灭 最后由出口出来 所用时间最少为最佳 所以灭火机器人必须实现以下功能 1 由于在实验场地中 任何地方都有可能摆放蜡烛 所以机器人必须能够实现搜索 任意位置 在行走过程中不允许碰撞墙壁 而且尽可能快的完成行进路线 不走重复的 路程 2 机器人在行走过程中要不断的判断是否有火源 如有 还要判断火源在机器人的 哪个方位 离机器人的距离等 3 找到火源后 通过灭火装置迅速将火熄灭 根据以上要求 设计机器人灭火逻辑 并在在线编程环境下 编辑机器人行为控制程序 下载并反复调试控制程序 实现机器 人灭火实验 2 2 2 设计内容 在场地内任意一个地方里点上蜡烛 让机器人像消防队员一样 自己能找到火源 蜡烛 并完成一系列灭火动作 这个设计主要由3部分组成 即避障 找火 灭火 1 避障 机器人在行走过程中必须能避开障碍物 所以在考虑 行走 时必须分两种情况 1 正常行走 无障碍物 2 避障行走 有障碍物 对于第一种情况 无需在硬件上添加任何传感器 只需要对单片机编程就可以达到 目的 但当遇到第二种情况时 我们就需要采取措施 在硬件上需要添加两组光电开关 进而对其进行编程控制 让机器人在遇到障碍物时能够及时避开 以便顺利前进寻找火 源 2 找火 为了找到火源 必须有探测火源的装置 所以本设计中选用火焰传感器 火焰探头 是至关重要的 在寻找火源时机器人的左前 右前 正前3个方向各装上一个火焰探头 以提高探火效率 找火 分成3部分 1 确定机器人感应到 火 时的光强临界值 包括感觉到或找到火光的临界值和 机器人处在合适灭火位置的临界值 2 收集探测数据 包括碰撞检测数据和光强检测数据 3 对收集的数据和基准值进行比较 从而控制机器人的找火行为和灭火行为 3 灭火 在机器人能很好地 行走 找火 之后 要解决的问题就是怎样去 灭火 了 要想灭火 就得采用合适的灭火方法 灭火方法有很多种 可以喷水或用化学物质 灭火 也可以用风扇来灭火 由于本次设计以水作为灭火剂比较方便多次试验 故在设 计中采用了水泵抽水的方式来灭火 在 找火 过程中 完成了机器人灭火的合适定位 当火焰探头检测的数据都近似 于灭火定位的基准值时 调用灭火函数 开启灭火装置 一边用水泵抽水灭火 一边通 过前方火焰探头检测火光强度 当探测值大于 无火 临界值时 调用前进函数 关闭 灭火装置 本设计以多进程来实施 具体实施时进程间是同步并行的 但有些资源不允许同时 使用 所以进程间还是有优先级的 优先级由高到低为 避障 找火 灭火 只有这样 才能保证机器人找到火源并把火熄灭 2 3 总体设计方案 总体方案为 整个电路分为电机驱动模块 光电开关避障模块 火焰传感器模块 水泵模块 电源模块 报警模块 单片机控制模块六个模块 3 系统总体方案框图如图2 2所示 C8051F320 驱动电机模块 电源模块 避障模块 火焰传感器 模块 水泵模块 图2 2 系统设计方案框图 2 4 小车的方案设计与论证 方案1 自己制作电动车 自己制作车体 组装合适的电机及电机驱动板 自制探测 器 并利用开发板做控制驱动小车 但自己制作的小车 车体会比较粗糙 车身重量 平衡 小车的电路设计 这些都较难良好地实现 方案2 购买专用电动车 购买专用电动车具有组装完整的车架车轮 甚至有完整的 电机装配和电机驱动板 用自制探测器或购买完整探测模块 并用开发板控制小车运动 这种专用电动车装配紧凑 各种所需电路的安装十分方便 看起来也比较美观 而且 用专用电动车具有完整的电机装配和电机驱动 这用就省去了对电机传动和电机驱动的 设计和实现 综合考虑 本设计中选定了方案2作为初步方案 2 5 各模块的选定 2 5 1 驱动电机模块的选定 方案1 采用步进电机作为该系统的驱动电机 利用步进电机的准确定长步进性能方 便的实现调速和方向的偏转 且能准确的测量速度 路程以及时间 简化编程和硬件连 接的工作量 但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的系统 方案2 采用直流电机作为该系统的驱动电机 直流电机的控制方法比较简单 只需 给电机的两根控制线加上适当的电压即可使电机转动起来 电压越高则电机转速越高 而且改变正负极可方便的改变电机转动的方向 方便改变小车的行进状态 对于直流电 机的速度调高 可以采用改变电压的方法 也可采用PWM调速方法 PWM调速就是使加在 直流电机两端的电压为方波形式 通过改变方波的占空比实现对电机转速的调节 4 与 其它调速系统相比 PWM调速系统有下列优点 1 PWM从处理器到被控系统信号都是数字形式的 无需进行数模转换 2 对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点 3 由于电力电子器件只工作在开关状态 主电路损耗较小 装置效率较高 4 主电路简单 所用功率元件少 5 低速性能好 稳定精度高 调速范围宽 综合考虑 本设计采用了方案2 2 5 2 避障模块的选定 方案1 采用超声波检测模组 超声波模组能够在主控单片机控制下发射超声波并接 收遇到障碍物时反射的超声波 通过单片机内部定时器计数 来计算小车距离障碍物的 距离 通过比较计算使小车躲避障碍物 此方案较复杂 需要单片机编程来计算距离 灵敏度较低 方案2 采用光电开关探头 光电开关原理简单 自行发射红外线 当一定距离内有 障碍物时 自身能够检测到电平的变化 单片机端口接收电平的变化从而判断是否附近 有障碍物 从而实现避障功能 5 此方案优点是设备简单 成本低 稳定性高 速度快 缺点是检测距离短 根据以上分析我们采用方案2 2 5 3 火焰传感器模块的选定 方案1 采用两个热敏电阻作为核心的传感器 实验中发现在一定距离范围内 空气 温度变化非常小 热敏电阻几乎不发生任何变化 6 方案2 采用两个光敏电阻作为核心的传感器 利用光敏电阻对不同距离及不同强度 的光照均有较好的光敏特性来将外界光信号转换成电信号 提供给单片机进行相关判断 操作 实验中我们发现这种方案有很大的缺点 抗干扰能力极差 而且误差偏大 不能 准确测定火源位置 方案3 采用红外接收二极管 红外接收二极管将外界红外光的变化转化为电流的变 化 通过 A D转换器将模拟信号反映为0 1023范围内的数字信号 外界红外光越强 数 值越小 根据数值的变化能判断红外光线的强弱 从而能大致判别出火源的远近 红外火 焰传感器可以用来探测火源或其它一些波长在760纳米 1100纳米范围内的热源 探测角 度达60度 其中红外光波长在940纳米附近时 其灵敏度达到最大 实验中发现如果环境 中红外干扰比较少的时候本方案能比较准确的检测到火源 鉴于以上3种方案的比较 我们选择方案3 2 5 4 水泵模块的选定 由于风扇体积比较大 而本设计中车体又比较小 故作中选择了水泵抽水灭火 利用一个直流小电机带动抽水进行简单的灭火 这种方案有两个子方案 方案1 芯片控制 电机的转速和转向都不需要控制 只要在一定范围内转的越开越 好 因此采用这种方案有点麻烦 而且还会浪费时间和精力 方案2 场效应管驱动电路 直接利用场效应管驱动 将电机放在三极管的漏极 然 后控制栅源之间电压正负即可驱动电机正常工作 这种方案不仅电路简单 易实现 会 减少很多电路上不必要的麻烦 而且驱动效率也大大提高 不仅如此其维修性也很强 出现故障能及时快速维修 鉴于以上2种方案的比较 我们选择方案2 2 5 5 电源模块的选定 在本系统中 需要用到的电源有单片机的5V L293N芯片的电源5V和电机的电源 6 11V 所以需要对电源的提供必须正确和稳定可靠 方案1 采用UT 3W提供的电源方案为电机供电 采用UT 3W提供的电源接口为单片 机提供电源 优点 简单方便 方案2 用六节锂电池为整个系统供电 再转换为电机和单片机需要的电压 基于系统的稳定性考虑 我选择了方案2 2 5 6 单片机控制模块的选定 考虑到整个系统的简单 方便性 控制模块采用C8051F320作为主控制芯片 该芯片 有足够的存储空间 可以方便的在线ISP下载程序 能够满足该系统软件的需要 该芯片 提供了两个计数器中断 对于本作品系统已经足够 采用该芯片可以比较灵活的选择各 个模块控制芯片 能够准确的计算出时间 有很好的实时性 而且C8051F320有很强的扩 展性 使用简单 灵活性高且价廉 所以本设计中直接采用C8051F320作为主控芯片 2 6 最终方案 经过反复论证 我们最终确定了如下方案 1 车体是购买专用电动车 2 采用C8051F320单片机作为控制核心 3 采用六节干电池供电 4 采用光电开关作为避障传感器 5 采用红外接收管作为红外火源传感器 6 采用场效应管作为驱动电机模块 系统的结构框图如图2 3所示 避障光电开关 红外火焰 传感器 小车行走 查找下一个 火源 开启水泵 是否找到火源 C8051F320 控制芯片 否 是 图 2 3 系统总体结构框图 第 3 章 系统硬件设计 硬件部分的作用是以各模块构建出基本的系统 为软件运行提供基础平台 本次灭 火机器人作为救灾设施 系统要求能够准确测量信号的位置并智能化地根据测量结果判 断执行动作 并进行处理及显示 根据系统的原理 本设计选用了16位单片机C8051F320 进行编程控制 利用C8051F320较强的运算处理能力 超低功耗及丰富的片上外围设备等 优点 实现了较高精度的运行系统 以下将详细介绍系统的硬件结构组成及各主要电路 的设计原理与实现 3 1 系统工作原理及功能简介 本系统利用单片机C8051F320单片机作为本系统的主控模块 我们采用反射式红外传 感器识别黑线轨迹 用远红外火焰传感器检测火源 由单片机对传感器识别到的信号加 以分析和判断 并通过对直流电机的控制来实现自动寻迹并灭火 系统工作原理框图如 图3 1所示 避 障 光 电 开 关 红 外 火 焰 传 感 器 单片机稳压供电 水泵驱动 电机驱动 水泵稳压 供电 直流电机 L 电机稳压供电 直流电机 R C8051F320 控制芯片 灭火 图3 1 系统工作原理框图 3 2 系统硬件总体概述 3 2 1 总体框图 在本设计中 另外加入了测速模块以便随时检测速度 加入光电耦合电路模块 保 护小车底板 加入液晶显示模块 显示车速 电源电压等 最终本设计的硬件结构大体可以分成九个部分 火焰传感器模块 避障电路模块 报警模块 稳压芯片模块 光电耦合模块 水泵电机驱动模块 测速模块 主控制器CPU 模块 LCD液晶显示模块 各供电电源模块 系统框图如图3 2所示 C8051F320 火焰传感器模块 避障电路模块 5V稳压模块 水泵驱动电路模块 液晶显示模块 测速模块 光耦与电机驱动电路 模块 报警模块 图 3 2 总体系统框图 3 2 2 元器件的选择 经过反复的筛选 所选用的器件即考虑到经济成本 又考虑到其精度问题 主要用 到以下器件 集成块主要包括单片机 C8051F320 非门 CD4049 3V 稳压芯片 TPS78930 稳压芯 片 L7805 液晶显示器 MzLH04 12864 BAT54C 二极管 火焰传感器 R2868 光电开关 E3F3 DS50N1 槽型光电开关 电压比较器 LM339 水泵 光电耦合器等 另外还有超声波探头以及各场效应管 三级管 电阻电容等 3 2 3 小车底盘的选择 一 功能概述 灭火小车底盘结构主要有 四个独立的电机 增大了驱动力和转弯的灵活性 L293D电机驱动芯片 增加了PWM电机调速功能 测速码盘 安装在第一级输出 提高 了转速测量精度 开关量转速测量传感器接口 外部电源接口和电池盒接口 方便了小 车用电选择 电压选择端口 可以使用干电池或充电电池供电 干电池供电时电压选择 端跳线拿掉 运动方向和转速指示灯 控制时更直观 电源和控制端口等 二 参数说明 7 成品尺寸 23 12 20 cm 车体 四电机 两路电机驱动 供电 电池 两节锂电池4 23 2 工作电压 DC 底盘与水泵8 46V 扩展电路3V 工作电流 运动时 不带水泵0 2A 0 8A 带水泵2A 3A 最大运行速度 60cm s 三 电路接口说明 1 电机控制部分 选用了最常见的 L293D 芯片作为驱动芯片 控制端口定义如下 VCC 电源输出端 EN2 第二路驱动使能端 PWM 输入端 EN1 第一路驱动使能端 PWM 输入端 IN4 IN3 电机方向控制端 IN2 IN1 电机方向控制端 S2 第一路测速传感器接口 S1 第二路测速传感器接口 GND 地 2 逻辑状态控制表如表3 1所示 表 3 1 小车底盘的逻辑状态表 EN1 PWM1IN1IN2 状态 EN2 PWM2IN3IN4 状态 00 停止 00 停止 01 正转 01 正转 10 反转 10 反转 1 11 1 11 01 01 0 停止 01 01 0 停止 3 简单测试 从小车板子上引出电源VCC和地线GND 给IN1 IN2 或IN3 IN4 送以1 0 或0 1信号 或者使用单片机编写简单程序 按照上面的逻辑状态控制表进行测试 3 3 灭火机器人的硬件组成 3 3 1 火焰传感器模块 一 火焰传感器的原理 火焰传感器R2868能够探测到波长在700纳米 1000纳米范围内的红外光 探测角度 为60 其中红外光波长在880纳米附近时的灵敏度达到最大 集成远红外火焰探头将外界 红外光的强弱变化转化为电压的变化 外界红外光越强 数值越小 反之则越大 再将 火焰传感器信号端作为电压比较器输入端 与某一电压比较 使得在一定距离以内 火 焰传感器检测到火源时 比较器输出端都为低电压 8 电路原理图及其调理电路如图3 3 所示 图 3 3 火焰传感器及调理电路图 二 火焰传感器的功能说明 火焰传感器专门用来搜索火源 当然也可以用来检测光线的亮度 火焰传感器利用红 外线对火焰非常敏感的特点 使用特制的红外线接收管来检测火焰 然后把火焰的亮度 转化为高低变化的电平信号 9 输入到中央处理器CPU中 CPU根据信号变化做出相应的 处理 此外 远红外火焰探头探测角度为60 下面为火焰传感器实测数据 一根蜡烛为火源 室内正常日光灯环境实测结果如表3 2 所示 表 3 2 火焰传感器实测结果 0 4cm0 06 0 1V 8cm0 11V 10cm0 18V 20cm1 18V 40cm1 54V 50cm2 13V 60cm2 54V 80cm3 43V 90cm4 45V 100cm4 65V 120cm4 96V 3 3 2 报警模块 一 蜂鸣器的介绍 蜂鸣器是一种一体化结构的电子讯响器 采用直流电压供电 广泛应用与计算机 打印机 复印机 报警器 电子玩具 汽车设备 电话机 定时器等电子产品中做发生 器件 蜂鸣器主要分为压电式蜂鸣器和电磁式蜂鸣器两种类型 蜂鸣器在电路中用字母 H 或 HA 表示 二 蜂鸣器的结构原理 1 压电式蜂鸣器 压电式蜂鸣器主要由多谐振荡器 压电蜂鸣片 阻抗匹配器及共鸣箱 外壳等组成 有的压电式蜂鸣器外壳上还装有发光二极管 多谐振荡器由晶体管或集成电路构成 当接通电源后 1 5 15V直流工作电压 多 谐振荡器起振 输出1 5 2 5kHZ的音频信号 阻抗匹配器推动压电蜂鸣片发声 压电蜂鸣片由锆钛酸铅或铌镁酸铅压电陶瓷材料制成 在陶瓷片的两面镀上银电极 经极化和老化处理后 再与黄铜片或不锈钢片粘在一起 2 电磁式蜂鸣器 电磁式蜂鸣器由振荡器 电磁线圈 磁铁 振动膜片及外壳等组成 接通电源后 振荡器产生的音频信号电流通过电磁线圈 使电磁线圈产生磁场 振 动膜片在电磁线圈和磁铁的相互作用下 周期性的振动发声 在灭火机器人找到火源时 需要有声音提示人们已经找到火源 所以要设置报警系 统 在本次设计中 用一个蜂鸣器来实现报警功能 蜂鸣器的电路原理图如图3 4所示 图 3 4 蜂鸣器电路图 如图3 4所示 当单片机发出信号 蜂鸣器接通时就会发出声音进行报警提示 3 3 3 避障模块 机器人要避开障碍物 就需要一双 眼睛 这个功能主要由传感器及相关控制完 成 我们可以称这种用于避障的传感器为避障传感器 本设计中应用了两个红外传感器 红外避障传感器是一种集发射与接收于一体的光电传感器 检测距离可以根据要求 进行调节 该传感器具有探测距离远 受可见光干扰小 价格便宜 易于装配 使用方 便等特点 额定工作电压为5V 可以广泛应用于机器人避障 流水线计件等众多场合 10 数字量输出 不需要进行AD转换 可直接单片机的IO口 通过后面的可调电位器调整距 离 前方30cm范围内有效 可应用于生产线货物自动计数设备 多功能提醒器 走迷宫 机器人等 电路模块引脚图如图3 5所示 图 3 5 避障传感器引脚图 如图所示 本红外避障传感器引出三条接口线 棕色 蓝色 黑色分别对应 VCC GND OUT 它是NPN型光电开关 输出状态是0 1 即数字电路中的高电平和 低电平 检测到目标是低电平输出 正常状态是高电平输出 输出外加一个1K左右上拉 电阻即可连接到单片机IO口上 3 3 4 稳压芯片模块 由于本设计中 水泵需要6V以上供电才能达到最佳状态 而小车及其他模块供电只 需要5V 因此引入了稳压芯片 稳压芯片只要输入电压在6 5V 40V之间就可以将输出电压稳定在5V 输出电流最大 可以承受1 5A 11 稳压芯片接线原理图如图3 6所示 图 3 6 稳压电路图 如上图所示 接线成功的稳压芯片 可将水泵接在其输入端供 其他模块接在稳压 芯片的输出端进行供电 3 3 5 光电耦合电路模块 光耦合器 optical coupler 英文缩写为 OC 亦称光电隔离器 简称光耦 光耦合器 以光为媒介传输电信号 它对输入 输出电信号有良好的隔离作用 所以 它在各种电 路中得到广泛的应用 目前它已成为种类最多 用途最广的光电器件之一 光耦合器一般由三部分组成 光的发射 光的接收及信号放大 输入的电信号驱动 发光二极管 LED 使之发出一定波长的光 被光探测器接收而产生光电流 再经过进 一步放大后输出 这就完成了电 光 电的转换 从而起到输入 输出 隔离的作用 由于光耦合器输入输出间互相隔离 电信号传输具有单向性等特点 因而具有良好的电 绝缘能力和抗干扰能力 又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件 因而具 有很强的共模抑制能力 所以 它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信 噪比 12 在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件 可以大大增加计算 机工作的可靠性 光耦合器的主要优点是 信号单向传输 输入端与输出端完全实现了电气隔离 输 出信号对输入端无影响 抗干扰能力强 工作稳定 无触点 使用寿命长 传输效率高 光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件 现已广泛用于电气绝缘 电平转换 级间耦合 驱动电路 开关电路 斩波器 多谐振荡器 信号隔离 级间隔离 脉冲放大电路 数 字仪表 远距离信号传输 脉冲放大 固态继电器 SSR 仪器仪表 通信设备及微机接 口中 在单片开关电源中 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路 通过调节控制端电 流来改变占空比 达到精密稳压目的 光耦合电路原理图如图 3 7 所示 图 3 7 光耦合电路图 3 3 6 水泵电机驱动模块 由于风扇体积比较大 不易装车且效率不是很好 本次设计中选用了水泵灭火 所 用电机参数表格如表3 3所示 表 3 3 水泵电机参数测试表 电机原 理图及其 自吸式小型水泵数据表 电压 V 6 17891011 电流 A 1 741 771 872 312 612 65 驱动电路如图3 8所示 图 3 8 电机驱动电路图 如图所示 在mcu处接单片机的I O口 通过I O口输出高低电平来控制水泵的启动和 停止 3 3 7 测速模块 一 测速原理及计算方法 本次设计中测速部分由槽型光电开关配合码盘完成 槽型光电开关其实质是将一个光发射器面对面地装在一个槽的两侧 发射器能发出 红外光或可见光 在无阻情况下接收器能收到光 但当被检测物体从槽中通过时 光被 遮挡 光电开关便动作 输出一个开关控制信号 切断或接通负载电流 从而完成一次 控制动作 槽型开关的检测距离因受整体结构的限制一般只有几厘米 13 电路原理图如 图3 9所示 图 3 9 测速电路图 如图所示 槽型光电开关的槽中是否有光通过可以通过高低电平判断 进而提供给 单片机 使其显示速度 测速原理如下 小车底盘的齿轮减速比是8 250 即电机转动250圈 车轮只转动8圈 而光电码盘是 六槽的 故通过单片机测量测速传感器接收端的单位时间内电平变化就能测出电机转动 了多少圈 从而根据转速比测出速度 二 采用PWM调速的直流电机 1 PWM简介 脉宽调制的全称为 Pulse WidthModulator 简称PWM 由于它的特殊性能 常被用 于直流负载回路中 灯具调光或直流电动机调速 脉冲宽度调制 PWM 是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法 通过高分辨率 计数器的使用 方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码 4 PWM 信号仍然是数字的 因为在给定的任何时刻 满幅值的直流供电要么完全有 1 要么完 全无 0 电压或电流源是以一种通 1 或断 0 的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的 通的时候即是直流供电被加到负载上的时候 断的时候即是供电被断开的时候 只要带 宽足够 任何模拟值都可以使用PWM进行编码 脉宽调制 PWM 控制方式就是采用脉冲宽度调制技术 其工作原理是 通过改 变 接通脉冲 的宽度 使直流电机电枢上的电压的 占空比 改变 从而改变电枢电 压的平均值 控制电机的转速 因此 我们可以通过单片机 生成固定频率的脉冲信号 通过改变脉冲信号中的 占空比 来控制电机的转速 PWM控制可分为单极性调制和双极性调制两种方式 为了实现直流伺服系统的H型单 极模式同频PWM可逆控制 一般需要产生四路驱动信号来实现电机的正反转切换控制 当PWM控制电路工作时 其中H桥一侧的两路驱动信号的占空比相同但相位相反 同时随 控制信号改变并具有互锁功能 而另一侧上臂为低电平 下臂为高电平 2 H型电机驱动 直流电机的驱动电路采用H型PWM电路 用单片机控制驱动电路 使之工作在占空 比可调的开关状态 精确调整电动机转速 14 H型电路可以实现转速和方向的控制 采 用PWM进行直流电机调速 其实就是把波形作用于电机驱动电路的使用端 因此下面对 电机驱动电路进行介绍 驱动电路如图3 10所示 图 3 10 电机驱动电路 图3 11所示的是一个简单的直流电机控制电路 电路中 H桥式电机驱动电路包括4 个三极管和一个电机 要使电机运转 必须导通对角线上的一对场效应管 根据不同场 效应管对的导通情况 电流可能会从左至右或从右至左流过电机 从而控制电机的转向 如图3 11所示 当P1 7口为低电平 P1 6口为高电平 此时Q1 Q4导通 Q2 Q3截 止 电动机正常工作 改变P1 6口高电平周期 即改变PWM调制脉冲占空比 可以实现精 确调速 3 3 8 按键电路模块 为了更好的控制机器人的启动 停止以及节省能量 本设计中应用了拨码开关 3 4 主控单片机系统 该系统选用 C8051F320 单片机 相比传统的 51 单片机而言 其内部有丰富的资源 在本次设计中 单片机的内部资源也得到了充分的应用 15 AD 转换和 LCD 显示用到了 SPI 总线模式 超声波接收电路的比较部分用到了单片机的可编程比较器 而时间计数部 分用到了 PCA 可编程计数阵列和两个定时 计数器 两个外部中断对系统运行的快速性也 起到了积极的作用 以下对 SPI 及内部比较器做详细介绍 其内部原理图如图 3 11 所示 图 3 11 C8051F320 单片机内部资料分配图 Silicon Laboratories 公司的 C8051F320 单片机是完全集成的混合信号系统级芯片 SOC 具有与 MCS 51 完全兼容的指令集 该系列单片机机器周期由标准 8051 的 12 个 系统时钟周期降为 1 个系统时钟周期 大大提高了单片机的速度 能在执行指令期间预 处理下一条指令 提高了处理能力 C8051320F320 单片机具有片内 C2 调试模式 通过 JTAG 接口可以对板上器件进行非侵入式 全速的系统调试 SilabsIDE 软件支持观察和 修改存储器 寄存器 支持断点运行 堆栈指示器和单步执行 调试时不占用 MCU 的其 它资源 并且所有的模拟和数字外设都正常地工作 当 MCU 单步执行或遇到断点而停止 运行时 所有的外设 ADC 除外 都停止运行 以保持同步 令外 该单片机采用 3 3V 供 电 工作电流 20mA 以下 可谓是低功耗单片机 3 4 1 C8051F320 单片机主要特性 高速 流水线结构的 8051 兼容的微控制器内核 可达 25MIPS 全速 非侵入式的在系统调试接口 片内 通用串行总线 USB 功能控制器 有 8 个灵活的端点管道 集成收发器和 1K FIFO RAM 电源稳压器 5V 至 3V 真正 10 位 200ksps 的 17 通道单端 差分 ADC 带模拟多路器 片内电压基准和和温度传感器 片内电压比较器 两个 高精度可编程的 12MHz 内部振荡器和 4 倍时钟乘法器 16KB 可在系统编程的 FLASH 存储器 2304 字节片内 RAM 256 1K 1K USB FIFO 硬件实现的 SMBus I2C 增强型 UART 和增强型 SPI 串行接口 4 个通用的 16 位定时器 具有 5 个捕捉 比较模块和看门狗定时器功能的可编程计数器 定时器阵列 PCA 片内上电复位 VDD 监视器和时钟丢失检测器 25 21 个端口 I O 容许 5V 输入 C8051f320 是真正能独立工作的片上系统 FLASH 存储器还具有在系统重新编程能 力 可用于非易失性数据存储 并允许现场更新 8051 固件 用户软件对所有外设具有 完全的控制 可以关断任何一个或所有外设以节省功耗 片内 Silicon Labs 二线 C2 开发接口允许使用安装在最终应用系统上的产品 MCU 进行非侵入式 不占用片内资源 全速 在系统调试 调试逻辑支持观察和修改存储器 和寄存器 支持断点 单步 运行和停机命令 在使用 C2 进行调试时 所有的模拟和数 字外设都可全功能运行 两个 C2 接口引脚可以与用户功能共享 使在系统调试功能不 占用封装引脚 每种器件都可在工业温度范围 45 到 85 内用 2 7V 3 6V 的电压 工作 端口 I O 和 RST 引脚都容许 5V 的输入信号电压 7 3 4 2 SPI 总线介绍 其中我们所用到的 SPI0 总线是增强性外设接口 SPI0 提供访问一个全双工同步串行 总线的能力 SPI0 可以作为主器件或从器件工作 可以使用 3 线或 4 线方式 并可以同 一总线上支持多个主器件和从器件 从选择信号 NSS 可被配置为输入以选择工作在从 方式的 SPI0 或在多主环境中禁止主方式操作 以避免两个以上主器件试图同时进行数 据交换时发生 SPI 总线冲突 NSS 可以被配置为片选 输出 在主方式 或在 3 线操作 时被禁止 在主方式 可以用其他通用端口 I O 引脚选择多个从器件 其原理图及所用到 的寄存器如图 3 12 所示 图 3 12 SPI 总线工作原理图 由原理图可知 若要正常使用 SPI 就必须对时钟速率寄存器 SPI0CKR 配置寄存器 SPI0CFG 控制寄存器 SPI0CN 进行配置 另外 320 单片机的端口为采用浮动的交叉开 关配置型的 在使用之前必须对其进行配置 才能将 SPI 总线信号引出单片机引脚 16 SPI 所使用的有四个信号引脚 MOSI SCK MISO NSS 其中 MOSI 为主输出从 输入信号 SCK 为串行时钟信号 MISO 为主输入从输出信号 NSS 的功能取决于 NSSMD1 与 NSSMD0 位的设置 3 5 LCD 显示电路 3 5 1 液晶显示模块 LCD在电路中主要起到一个显示的功能 其通信协议与AD7795一样 也是SPI总线形 式 其具体特性如下所述 一 特点 MzLH04 12864为一块128 64点阵的LCD显示模组 模组自带两种字号的汉字库 包含一 二级汉字库 以及两种字号的ASCII码西文字库 并且自带基本绘图功能 包 括画点 画直线 矩形 圆形等 此外该模块特色的地方就是还自带有直接数字显示 17 模组为串行SPI接口 接口简单 操作方便 与各种MCU均可进行方便简单的接口操作 二 结构及引脚图 图3 13为MzLH04 12864模块中的结构尺寸示意图 图3 13 LCD结构尺寸 图3 14为MzLH04 12864模块中的引脚分布示意图 12864液晶 CS NC SDA VDD SCK RST GND 图 3 14 模块引脚分布示意图 LCD 的接线相对简单 如图 3 15 所示 图 3 15 LCD 接线图 3 6 电源电路 作为一个系统 电源是必不可少的电路 是一切工作的前提 在目前 锂离子电池 技术已经比较成熟 大量应用于手机等便携电子设备里 并且有体积小 容量大 放电稳等 多种优点 所以本次我们选用 4 节可充锂离子电池作为能量源 但在该设计中 电源要 经过稳压芯片稳压后才能为电路供电 部分电路为 3 3V 供电 部分为 5V 供电 这就需 要我们设计一定的电源电路来实现不同电压的输出 3 6 1 3 3V 电源方案 3 3V 电源选用 TI 公司的 TPS78930 稳压芯片 其应用电路如图 3 16 所示 图 3 161 按键开关及 3V 电源电路 该电路分两部分 一部分为开关控制电路另一部分为稳压电路 其中 BAT54C 内部 是两个二极管 内部电路为 其作用相当于一个或门电路 在开关电路中 当系统处于关机状态 此时按下按键 S1 BAT54C 的 1 脚得电 使 三极管处于饱合状态 此时 三极管的集电极为低电平 从而使 FDN336 场效应管导通 主控得电 当主控得电后 由 POW CTRL 输出高电平 代替 S1 作用 此时 S1 弹起 而 FDN336 持续导通 供后续电路用电 在开机状态下如要断电 只须再次按下 S1 单片机检测到 POW INT 的高电平信号 通过内部程序处理 延时 100ms 以使各模块完成正在进行的工作 使 POW CTRL 输出低 电平 此时 BAT54C 的 1 2 都为低电平 三极管截止 集电极为高电平 从而使场效 应管截止 使后续电路断电 另外 POW INT 除了做中断信号的检测外 通过 47K 与 100K 的分压 把它接在 AD 的输入端 又可以对电池的电量进行检测 以确保电池不会过放 保护电池 此按键设计 主要参考瑞芯微 MP4 电源方案设计 体积小巧 而且功耗极低 经测 量关断情况下漏电流为 0 005uA 电源信号经过 0 1uF 电容的去耦 分别供给 3 3V 稳压 芯片 TPS78930 和 5V 升压电路 MAX751 TPS78930 是一个低电压稳压器 充许最大电流 100mA 对于我们的系统足以维持工 作 共有 5 个引脚 1 为 IN 是电源的输入端 输入范围是 4V 到 10V 2 为 GND 3 为 EN 该引脚是芯片的使能端口 当接低电平时芯片正常工作 当接高电平时 芯片处于 低功耗状态 4 为 BYPASS 为外部偏置电容的输入端 和一个内部电阻相连 组成一个 低通滤波器以减小电源的噪声 5 为 OUT 稳压的输出端 输出 3 3V 的稳定电压 3 6 2 5V 电源系统 5v 供电电源即可选用四节电池经过稳压芯片稳压后的电压 3 6 3 电源监控 为了不影响灭火机器人行走 需要随时了解电池的耗电量和可用量 为此我们设定 了电源监控 用单片机内部 AD 测量电源电压 并通过液晶显示 3 7 灭火机器人整体设计 3 7 1 整体结构 灭火小车的第一层扩展板结构主要有 火焰传感器3个 车头的中间及左右各有一个 LM339电压比较器电路 5V稳压芯片电路 水泵电机驱动电路 光耦驱动电路 电源 检测电路 电源端口等 灭火小车的第二层扩展板结构主要有 避障电路 单片机控制电路等 灭火小车的第三层扩展板结构主要有 盛水器及其喷头 液晶显示器等 3 7 2 CPU 引脚的设定 CPU的P1 0 P1 1控制小车的左侧电机 P1 4 P1 5控制小车的右侧电机 P3 0输出 PWM信号 控制小车电机的转速 P0 4 P2 0 P2 1为火焰传感器输入信号 分别为左 中 右侧的火焰传感器的信号 P1 2 P1 3为光电开关输入信号 具体接口如图3 17所示 图 3 172 单片机接口示意图 第 4 章 系统的软件设计 在进行微机控制系统设计时 我们根据单片机的具体情况使用 Silicon Laboratories IDE 软件 采用主流设计语言 C 语言对单片机进行编程实现各项功能 C 语言功能丰富 表达能力强 目标程序效率高 可移植性好 既具有高级语言的优点 又具有低级语言 的许多特点 应用十分广泛 4 1 灭火机器人系统总体流程图 此部分是小车运行的核心部分 起着控制小车所有运行状态的作用 具有导向和决 策的功能 程序控制流程图如图 4 1 所示 判断是否有火源 小车初始化 结束 开始 调整方向 否 是 灭火 继 续 前 进 图 4 1 控制流程图 系统总体流程是 小车进入驱动后 由入口进入场地 能够避开障碍物前进 一旦 检测到有火源 就由单片机控制启动水泵电机 进行灭火 灭火完成后 继续前进 重 复刚才的过程 直至小车由出口出来结束本次任务 18 在此过程中 各个模块彼此配合 完成各自的功能 在一个周期完成后 为防止在工作过程中电池过放 此时再进行一次 电量检测 至此 一个完整的工作过程就完了 4 2 程序流程图 4 2 1 小车灭火的主程序软件流程图 如图 4 2 所示 首先对小车进行初始化 在这个阶段让小车检测火源 确定自己的 位置 接着小车前进 前进的同时能够避开障碍物 并能够检测火源 如果检测到火源 存在 停止前进 调整车头位置 启动水泵喷水灭火 接着再判断是否将火灭掉 如果 火已经熄灭 则小车继续前进寻找下一个火源 如果没有熄灭则水泵继续开启 19 主程 序流程图如图 4 2 所示 是否有火源 小车初始化 结束 开始 灭火 是否找到火源 壁障模块程序 是否成功灭火 否 否 否