基于火焰传感器的灭火机器人毕业论文（可编辑）

1、 taiyuan university of science technology毕业设计论文题目基于火焰传感器的灭火机器人太原科技大学毕业设计论文任务书由指导教师填写发给学生学院直属系 电子学院 时间 学 生 姓 名 指 导 教 师设计论文题目基于火焰传感器的灭火机器人主要研究内容学习和掌握单片机的基本原理利用单片机及其扩展电路设计一种可检测火源并能够灭火的机器人并能够通过液晶显示机器人的速度等运动状态能够实现避障等基本功能从而更好的把所学的专业知识运用到实践中去研究方法理论分析硬件设计实验室调试主要技术指标 或研究目标 用单片机实现具有特定功能的机器人能够检测火源并能够通过水泵实现灭火的功

2、能主要参考文献1 陈寅多传感器信息融合技术及其在智能机器人系统中的应用研究d学位论文 博士 上海交通大学20002 四驱版diy竞赛小车使用手册 m3 王化祥张淑英 传感器原理及应用m 天津天津大学出版社2oo24 何希才邹炳强通用电子电路应用400例 m北京电子工业出版社20055 光电开关e3f3-ds50m使用手册 m6 王远模拟电子技术 m机械工业出版社2000说明一式两份一份装订入学生毕业设计论文内一份交学院直属系目 录摘要ivabstractv第1章绪论111机器人的发展概述112基于火焰传感器的灭火机器人概述1com国外现状1com国内现状113本课题的目标及内容2第2章灭火机器

3、人逻辑设计与原理分析321灭火机器人设计要求3com设计任务3com设计要求3com创新设计422设计内容分析4com灭火机器人4com设计内容423总体设计方案524小车的方案设计与论证625各模块的选定6com驱动电机模块的选定6com避障模块的选定7com火焰传感器模块的选定7com水泵模块的选定8com电源模块的选定8com单片机控制模块的选定926最终方案9第3章系统硬件设计1031系统工作原理及功能简介1032系统硬件总体概述11com总体框图11com元器件的选择11com小车底盘的选择1233灭火机器人的硬件组成13com火焰传感器模块13com报警模块14com避障模块15c

4、om稳压芯片模块16com光电耦合电路模块16com水泵电机驱动模块18com测速模块19com按键电路模块2134主控单片机系统21comc8051f320单片机主要特性22comspi总线介绍2335lcd显示电路24com液晶显示模块2436电源电路26com33v电源方案26com5v电源系统27com电源监控2737灭火机器人整体设计28com整体结构28comcpu引脚的设定28第4章系统的软件设计2941灭火机器人系统总体流程图2942程序流程图30com小车灭火的主程序软件流程图30com小车避障模块程序软件流程图30com火源模块程序软件流程图3143液晶显示的编程32com

5、spi总线工作原理32com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 sensorabstractthe main control cpu of the design is one

6、 of the 51 series microcontroller c8051f320the 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 actionthis robot make c8051f320 generate double road pwm waves controlling the direct-

7、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 be

8、tter understand of the running car key words c8051f320 flame sensor photoelectric switches pwm liquid crystal 绪论机器人的发展概述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基于火焰传感器的灭火机器人概述 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

9、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 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 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

10、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灭火机

11、器人逻辑设计与原理分析灭火机器人设计要求 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21所示图21 模拟灭火场地图 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 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

12、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设计内容分析 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

13、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 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正常行走无障碍物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

14、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收集探测数据包括碰撞检测数据和光强检测数据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

15、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 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22所示图22 系统设计方案框图 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

16、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作为初步方案各模块的选定 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

17、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4主电路简

18、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 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 火焰传感器模块的选定方案1采用两个热敏电阻

19、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 ad转换器将模拟信号反映为01023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

20、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 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

21、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 电源模块的选定在本系统中需要用到的电源有单片机的5vl293n芯片的电源5v和电机的电源611v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 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

22、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c8051f320作为主控芯片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23所示图23 系统总体结构框图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

23、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 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31所示图31 系统工作原理框图 系统硬件总体概述 总体框图在本设计

24、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32所示 图32 总体系统框图 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cd40493v稳压芯片tps78930稳压芯片l7805液晶显示器mzlh04-12864bat54c二极管火焰传感器r2868光电开关e3f3-ds

25、50n1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 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231220 cm 车体四电机两路电机驱动供电电池两节锂电池4232工作电压dc底盘与水泵846v扩展电路3v工

26、作电流运动时不带水泵02a08a带水泵2a3a最大运行速度60cms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in4in3电机方向控制端in2in1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31所示表31 小车底盘的逻辑状态表en1pwm1in1in2状态en2pwm2in3in4状态100停止100停止01正转01正转10反转10反转111101010停止01010停止3简单测试从小车板子上引出电源vcc和地线g

27、nd 给in1in2 或in3in4 送以10 或01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 灭火机器人的硬件组成 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33所示图33 火焰传感器及调理电路图二火焰传感器的功能说明火

28、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表32 火焰传感器实测结果0-4cm006-01v8cm011v10cm018v20cm118v40cm154v50cm213v60cm254v80cm343v90cm445v100cm465v120cm496v 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

29、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多谐振荡器由晶体管或集成电路构成当接通电源后1515v直流工作电压多谐振荡器起振输出1525khz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

30、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34所示图34 蜂鸣器电路图如图34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 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红外传感器红外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

31、使用方便等特点可以广泛应用于机器人避障流水线计件等众多场合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 有效 生产线货物自动计数设备多功能提醒器走迷宫机器人 图35 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vccgndout它是npn型光电开关输出状态是01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 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65v40v5v输出电

32、流最大可以承受15a11稳压芯片接线原理图如图36所示图36 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 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

33、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

34、 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图37 光耦合电路图 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33所示自吸式小型水泵数据表电压v617891011电流a174177187231261265表33 水泵电机参数测试表电机原理图及其驱动电路如图38所示图38电机驱动电路图如图所示在mcu处接单片机的io口通过io口输出高低电平来控制水泵的启动和停止 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

35、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39所示图39 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8250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1pwm简介脉

36、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4pwm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pwm控制单极性调制和双极性调制两种方

37、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14h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310所示图310 电机驱动电路图311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

38、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311所示当p17口为低电平p16口为高电平此时q1q4导通q2q3截止电动机正常工作改变p16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 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15ad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

39、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311所示图 311 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silabs

40、ide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33v供电工作电流20ma以下可谓是低功耗单片机 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

41、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 ram2561k1k usb fifo 硬件实现的smbusi2c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 2521个端口 io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

42、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 27v-36v 的电压工作端口 io 和rst 引脚都容许 5v的输入信号电压7 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

43、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io引脚选择多个从器件其原理图及所用到的寄存器如图312所示图 312 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

44、才能将spi总线信号引出单片机引脚16spi所使用的有四个信号引脚mosisckmisonss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lcd显示电路 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12864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

45、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313为mzlh04-12864模块中的结构尺寸示意图图313 lcd结构尺寸图314为mzlh04-12864模块中的引脚分布示意图图314 模块引脚分布示意图lcd的接线相对简单如图315所示图315 lcd接线图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33v供电部分为5v供电这就需要我们设计一定的电源电路

46、来实现不同电压的输出 33v电源方案33v电源选用ti公司的tps78930稳压芯片其应用电路如图316所示 图316 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s1bat54c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

47、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12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0005ua 电源信号经过01uf电容的去耦分别供给33v稳压芯片tps78930和5v升压电路751tps78930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

48、端输入范围是4v到10v2为gnd3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33v的稳定电压 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 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灭火机器人整体设计 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

49、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 cpu引脚的设定cpu的p10comcomwm信号控制小车电机的转速p04p20p21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p12p13为光电开关输入信号具体接口如图317所示图317 单片机接口示意图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

50、点又具有低级语言的许多特点应用十分广泛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41所示图41 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程序流程图 小车灭火的主程序软件流程图如图42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

51、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42所示图42 主程序软件流程图 小车避障模块程序软件流程图避障模块程序首先采集光电开关传回的信号判断当前小车周围是否有障碍物通过车头的两个光电开关判断是否有障碍物避障模块程序流程图如图43所示图43 避障模块 火源模块程序软件流程图如果火焰传感器的信号显示火焰在小车的前方则小车继续前进一段距离启动水泵灭火如果检测到火焰在小车的左方则小车左转90度启动水泵灭火如果小车检测到火焰在小车的

52、右方则小车右转90度启动水泵灭火若没有检测到火源则继续前进火焰传感器模块程序流程图如图44所示图44 判断火源位置模块液晶显示的编程 spi总线工作原理数模转换和液晶显示都用到了spi总线的编程所以对spi的编程介绍如下spi总线上的所有数据传输都由spi主器件启动通过将主允许标志mstenspi0cfg6置 1 将 spi0置于主方式当处于主方式时向 spi0数据寄存器spi0dat写入一个字节时是写发送缓冲器如果 spi 移位寄存器为空发送缓冲器中的数据字节被传送到移位寄存器数据传输开始spi0 主器件立即在 mosi 线上串行移出数据同时在 sck上提供串行时钟在传输结束后 spifsp

53、i0cn7标志被置为逻辑 1如果中断被允许在 spif 标志置位时将产生一个中断请求在全双工操作中当 spi 主器件在 mosi 线向从器件发送数据时被寻址的 spi 从器件可以同时在 miso 线上向主器件发送其移位寄存器中的内容因此spif 标志既作为发送完成标志又作为接收数据准备好标志从从器件接收的数据字节以 msb 在先的形式传送到主器件的移位寄存器当一个数据字节被完全移入移位寄存器时便被传送到接收缓冲器处理器通过读 spi0dat 来读该缓冲器 液晶编程对于液晶的编程有相应的控制指令字如下所示表41液晶命令字表命令功能命令功能命令功能80清屏01绘点07显示ascii81设置asci

54、i02画直线08显示汉字82汉字类型03矩形框0b显示uchar83设置绘图色04矩形0cushort89字符覆盖模式05圆框0e位图显示8a背光亮度06圆注以上数字均为16进制数如果相对lcd进行操作只需对相应控制字进行更改即可读取数字亦是如此mzlh04模块有一个复位引脚可以对该引脚输入一个低电平的脉冲使模组复位复位需要低电平输入持续至少2ms在恢复高电平后需要等待10ms后方可以对模组进行显示的控制操作如果模组复位不正常时将无法正常工作另外lcd使用spi通信指令其时钟频率不得高于2mhz系统实现在灭火场地点燃蜡烛载入程序将小车放在场地上打开小车的电源让小车自主发现火源 蜡烛 并让小车自动将火灭掉共进行10次试验其中4次小车能够躲避障碍物灭掉全部4根蜡烛2次小车能够基本躲避障碍物并灭掉部分蜡烛2次小车不能够避开障碍物中途运动到了死角1次由于水泵角度不合适导致小车停在火源附近一直喷水1次由于小车中途电量不足停在半路测试显示在小车的直线运行过程中小车会出现左右摇摆的现象如下所示1小车是初始角度的测试显示小车的初始角度偏移越小小车在运行中就越稳定2通过用pwm调速结果显示小车的