电气工程与自动化毕业论文：灭火机器人的设计

电气工程与自动化毕业论文：灭火机器人的设计内容摘要：

多优秀的特性，在制作机器人时也时常能看到它的应用。 舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不能超过 180 度，适用于那些需要角 度不断变化并可以保持的驱动当中。 比方说机器人的关节、飞机的舵面等。 直流电机能够较好的满足系统的要求，控制方便，因此我选择以直流电机做为机器人行进驱动电机，用舵机来做机器人的驱动转向电机。 传感器 火焰传感器 用热释电红外测温传感器，热释电红外传感器 TTS1000 和 TTS2020 系列是根据 LiTaO3 的热释电效应设计的，用作检测器的热释电材料具有自发极化，其晶面能俘获大气中的自由电荷，从而保持中性，当晶面温度稍有变化即引起自发极化强度的变化，从而使晶面电荷量发生相应的变化。 由于它是非接触 式测温，用于测量火焰温度非常方便。 寻迹传感器 用 ST178 型光电对管。 ST178 为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。 它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大， 410mm 可用。 ST178 的示意图和特性曲线如图所示。 当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。 此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。 图 23 ST178 的示意图和特性曲线 (a) ST178 示意图 (b) ST178 特性表 图 23 ST178 的示意图和特性曲线 . 避障传感器 考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。 为了使用方便，便于操作和调试。 用红外光电开关 ST178 进行避障。 光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。 光电对管 ST178 操作简 单，使用方便。 当有光线反射回来时，输出低电平。 当没有光线反射回来时，输出高电平。 硬件总体设计方案 经过反复比较论证，我最终确定了如下方案： 手工制作模拟机器人。 采用 Atmega128 单片机作为主控制器。 用 ST178 型光电对管进行避障。 热释电红外测温传感器作为本系统的火焰传感器。 L298 作为直流电机的驱动芯片。 使用蜂鸣器进行灭火报警。 图 24 为系统结构框图 软件总体设计方案 传感器组把测得温度分别通过模数转换传给单 片机，单片机通过一定的处理，比较得出温度最高的三个传感器，根据能量在自由空间的衰减规律可知，火源与传感器的距离与传感器测得温度的大小呈负相关，温度越高，距离火源越近，所以，火源即在这三个传感器所对的那个方向上。 具体的方位可以通过相应的公式计算出来，调整机器人方向并通过避障传感器避障前进到火源位置驱动灭火风扇进行灭火。 3 硬件单元电路设计 本章主要讲述了以 AT89S52 为主控制器，设计相关的硬件电路。 主要硬件电路有：寻线与控制电路、电机驱动模块、火焰检测电路、灭火风扇驱动电路以及声音报警电路。 电 源电路 ATMEGA128 需要 直流电压、 150mA 的峰值电流，在考虑到其它外围芯片的供电电压和功耗，最终选择 LM2940 这种专为大功率供电使用的 芯片提供 5V 供电，电源电路如图 31。 ST178 光电对管寻迹 灭火风扇 火焰传感器 声音报警模块 L298 驱动直流电机 Atmega128控制芯片 光电开关避障模块 （ 31） 图 31 微控制器模块的设计 ATmega128 单片机介绍 ATMEL 公司的 8 位系列单片机的最高配置的一款单片机，应用极其广泛 ATmega128 主要特性如下： 高性能、低功耗的 AVR 8 位 微处理器 先进的 RISC 结构 – 133 条指令 – 大多数可以在一个时钟周期内完成 – 32 x 8 通用工作寄存器 + 外设控制寄存器 – 全静态工作 – 工作于 16 MHz 时性能高达 16 MIPS – 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性的程序和数据存储器 – 128K 字节的系统内可编程 Flash 寿命 : 10,000 次写 / 擦除周期 – 具有独立锁定位、可选择的启动代码区 通过片内的启动程序实现系统内编程 真 正的读 修改 写操作 – 4K 字节的 EEPROM 寿命 : 100,000 次写 / 擦除周期 – 4K 字节的内部 SRAM – 多达 64K 字节的优化的外部存储器空间 – 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 – 可以通过 SPI 实现系统内编程 JTAG 接口 ( 与 IEEE 标准兼容 ) – 遵循 JTAG 标准的边界扫描功能 – 支持扩展的片内调试 – 通过 JTAG 接口实现对 Flash, EEPROM, 熔丝位和锁定位的编程 外设特点 – 两个具有独立的预分频器和比较器功能的 8 位定时器 / 计数器 – 两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的 16 位定时器 / 计数器 – 具有独立预分频器的实时时钟计数器 – 两路 8 位 PWM – 6 路分辨率可编程（ 2 到 16 位）的 PWM – 输出比较调制器 – 8 路 10 位 ADC 8 个单端通道 7 个差分通道 2 个具有可编程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 – 面向字节的两线接口 – 两个可编程的串行 USART – 可工作于主机 / 从机模式的 SPI 串行接口 – 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 – 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 – 上电复位以及可编程的掉电检测 – 片内经过标定的 RC 振荡器 – 片内 / 片外中断源 – 6 种睡眠模式 : 空闲模式、 ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、 Standby 模式以及 扩展的 Standby 模式 – 可以通过软件进行选择的时钟频率 – 通过熔丝位可以选择 ATmega103 兼容模 式 – 全局上拉禁止功能 I/O 和封装 – 53 个可编程 I/O 口线 – 64 引脚 TQFP 与 64 引脚 MLF 封装 工作电压 – ATmega128L – ATmega128 速度等级 – 0 8 MHz ATmega128L ATmega128 单片机最小系统电路 Atmega128 单片机最小系统电路如图 32 所示。 主要包括复位电路、 晶振电路 、低通滤波器电路以及各种滤波电容 电机驱动电路的设计 用 L298 芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，从稳定性方面考虑，采用电机驱动芯片 L298 作为电机驱动。 L298 是 SGS 公司的产品， 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片， 内部 包含二个 H 桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 图 33 LM298 内部 H 桥原理图 46 伏、 2 安培以下的电机，工作温度范围从－ 25 度到 130 度。 它相应频率高，一片 L298 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。 其内部的H 桥原理图如图 33 所示。 EnA 是控制使能端，控制 OUTl和 OUT2 之间电机的停转， IN IN2 脚接入控制电平，控制 OUTl 和 OUT2 之间电机的转向。 当使能端 EnA 有效， IN1 为低电平 IN2 为高电平时，三极管 2， 3 导通， 1， 4 截止，电机反转。 当 IN1 和 IN2 电平相同时，电机停转。 如表 31 是 L298 使能引脚 、 输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系 表 31 电机运行逻辑关系 EnA IN1 IN2 电机转向 H H L 正转 H L H 反转 H 同 IN2 同 IN1 停止 L X X 停止 驱动电路的设计如图 34 所示。 电池由 VIN 接入，通过 转化为 5v 作为信号电源 VCC。 电机由 L298 供电，由全桥进行泻流。 对电机的控制信号由 Atmega128 直接输入， M1_DIR 与 M1_PWM 为 M1 电机的控制信号， （ 34） M2_DIR 与 M2_PWM 为 M2 电机的控制信号 ,其中 INPUT 2 与 INPUT 4 的信号是由输入INPUT INPUT 3 的信号反向后输入。 通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的正反转。 L298 控制直流电机加减速的 89c51 单片机 C 程序： include include define uchar unsigne。