基于单片机的灭火机器人模型的设计(编辑修改稿)

基于单片机的灭火机器人模型的设计(编辑修改稿)内容摘要：

内空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生变化，光敏电阻受外界干扰比较大，抗干扰能力极差，误差偏大，不能准确测定火源位置 [5][6]。  使用紫外传感器识别火焰方案 1 u F1 M ΩU VA / D转 换器显示 图 6 紫外线传感器识别方案 紫外线传感器只对 185～ 260nm 狭窄范围内的紫外线进行响应，而对其它频谱范围的光线不敏感，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。 具有灵敏度高，检测及时准确、抗 干扰性强的特点。 主要缺点是价格是红外传感器的 810 倍。 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 6 页 共 45 页  红外接收二极管识别火焰方案 图 7 红外接收二极管原理图 红外接收二极管 可以用来探测波长在 700nm ~ 1000nm 范围内的红外线，探测角度为 60176。 ；，其中红外线波长在 880nm 附近时，其灵敏度达到最大。 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，通过 电位比较器来反应高低电平的变化。 外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。 经验证 红外接受二极管检测距离远，线性度好，检测准确，且体积较小 在机器人 设计 中，红外火焰探头起着非常重要的作 用，它可以用作机器人的眼睛来寻找火源或 其他物体。 利用它可以制作灭火机器人、足球机器人等。 综合考虑此处选用红外接受二极管。 同时 在火焰传感器模块的设计中，在车体的前头离地大约 15－ 20cm（相当于火焰高度）处安装 5 个远红外火焰传感器，各个传感器之间呈 45 度角隔开。 由于火焰传感器的检测距离很远，为了避免小车判断不了火焰的远近的情况出现，我们设计了一路近距离火焰传感器。 只有当这路检测到火焰，灭火电机才启动。 经实验验证，系统工作稳定。 红外接收二极管与电阻分压电路电位器比较电压 单片机常州大学本科生毕业设计（论文） 第 7 页 共 45 页 3 系统硬件电路设计 控制电路 本设计 要实现对路径的准确定位和精确测量采用直流减速电机。 直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。 由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。 我们所选用的直流电机减速比为 1：74，减速后电机的转速为 100r/min。 我们的车轮直径为 6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到 V=2πrv=2***100/60=能够较好的满足系统的要求；实现灭火工作的是采用 12V 直流风扇，试验所采用的火源为小蜡烛产生的火焰，火势较小，直流风扇产生的 风力足够在几秒内灭火。 电机控制电路 电机控制电路由 L298 电机驱动芯片、 7805 芯片、电机等组成。 L298 驱动芯片结构如图 8 所示。 图 8 L298 驱动芯片 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，接受标准 TTL 逻辑电平信号，即可驱动 46V、 2A 以下的电机。 VCC9VC4OUT12OUT23OUT313OUT414IS INA1IS ISB15IN15IN27IN310IN412INA6INB11GND8U6L298D13 D14 D15 D16D21 D22 D23 D249V5VGNDGND12J9JP212J10JP2GND GNDD25 D26D20D19PWMAPWMB123456J4JP6PWMAPWMB5V1kR191kR201kR211kR221 2J312J8D17LED 贴片1kR235VGNDIN1IN2IN3IN4电机驱动模块 图 9 电机控制原理图 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 8 页 共 45 页 如图 9 所示 ， OUT1 和 OUT2， OUT3 和 OUT4 分别接 2 个 直流 电机， IN ININ IN4 引脚从单片机接输入控制电平，控制电机的正反转， ENA、 ENB 接控制器使能端，控制电机的停转， L298 的逻辑功能表如表 1 所示： 表 1 电机转动状态编码 左电机 右电机 左电机 右电机 电动车运行状态 IN1 IN2 IN3 IN4 1 0 1 0 正转 正转 前行 1 0 0 1 正转 反转 左转 1 0 1 1 正转 停 以左电机为中心原地左转 0 1 1 0 反转 正转 右转 1 1 1 0 停 正转 以右电机为中心原地左转 0 1 0 1 反转 反转 后退 对于电机的调速，我们采用 PWM 调速的方法，其原理就是开关管在一个周期内的导通时间为 t，周期为 T，则电机两端的平均电压 U=Vcc*(t/T)=aVcc。 其中， a=t/T（占空比）， Vcc 是电源电压，电机的转速与电机两端的电压成正比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转的越快。 在硬件电路的连接上，我们将单片机的 IO 口分别连接到 L298 的 IN1 和 IN2 上，通过改变单片机 IO 口上的高低电平变化以 控制小车的前进方向，通过改变单片机 IO 口上的高低电平的占空比以控制电机的转速 [8]。 PWM 配合桥式驱动电路 L298N 实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。 另外本设计特别在直流电机的电枢两端并联一个 的瓷片电容，以稳定电机，不至于对单片机造成干扰，实际的使用效果不错，省掉了通过光耦隔离 TPL521 实现单片机输出信号与电机驱动信号隔离的环节，节约了成本。 灭火驱动电路 如图 10 所示， 灭火电机驱动采用 B772 三极管 驱动，单片机 口接三极管 Q1基极，当单片机给低电平信号时，三 极管导通，接通灭火电机的电源 ，开启风扇灭火。 图 10 灭火电机驱动 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 9 页 共 45 页 灭火风扇的安装 灭火风扇固定一根弯曲的铝合金长条上，可以上下搬动控制灭火风扇的角度。 灭火风扇的安装实物图如图 11 和图 12 所示： 图 11 灭火风扇安装实物前视图 图 12 灭火风扇俯视图 火焰测量电路 火焰测量电路用来检测火源点，该设计采用红外接收二极管，它 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，其灵敏度达到最大。 红外接收二极管 将外界红外光的强弱变化转化 为电流的变化，通过电压反应 数值的变化。 外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。 红外接收二极管结 构如图 13所示： 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 10 页 共 45 页 图 13 红外接收二极管 红外接收二极管又叫红外光电二极管 ， 也可称红外光敏二极管 ,英文名 Infrared receiverdiode。 它广泛用于各种家用电器的遥控接收器中 ， 如音响、 彩色电视机 、空调器、 VCD视盘机 、 DVD视盘机以及录像机等。 它广泛用于各种家用电器的遥控接收器中，如 音响 、彩色电视机、空调器、 VCD视盘机、 DVD视盘机以及录像机等。 红外接收二极管能很好地接收 红外发光二极管 发射的波长为 940nm的红外光信号，而对于其他波长的光线则不能接收。 因而保证了接收的准确性和灵敏度 [12]。 红外接收二极管的结构如图 13所示。 最常用的型号为 RPM301B。 红外接收管是一种光敏二极管。 在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。 红外接收二极管一般有圆形和方形两种。 由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（ 100mW 左右），所以 红外接收二极管 接收到的信号比较微弱，因此就要增加高增益放大电路。 前些年常用 μPC1373H、CX20206A 等红外接收专用放大电路。 最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多都采用成品 红外接收头。 如表 2所示， 下面为 红外接收二 极管 实测数据，一根蜡烛为火源，室 内正常日光灯环境实测 结果。 表 2 火焰传感器实测结果 无火源时，对着日光灯 10cm 20cm 30cm 40cm 50cm 60cm 70cm 80cm 90cm 100cm 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 11 页 共 45 页 10KR6D2hwjs5mmVCCGNDGNDVCCGNDOUT1ADCJ1by1D1LED 贴片10kR42kR2104C1CAPT452123U1ALM3395V5V火源检测模块 图 14 火焰测量电路原理图 在该电路中，当火焰传感器没有检测到火焰时，火焰传感器不导通而使得火焰传感器的阳极上 拉电阻 R4 上拉为高电平，经电压器比较器比较后输出低电平， LED 灯亮。 当检测到火焰时，火焰传感器导通，电压比较器输出高电平， LED 灯灭。 经试验验证，本电路工作性能稳定，能耗较低，能够较好的满足题目的需要。 因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。 避障模块 如图 15 所示，本设计对障碍物的检测采用 E18D50NK 型号的红外传感器。 E18D50NK 传感器是一种红外线反射式接近开关传感器，用于物体的反射式检测，该传感器具有体积小，功耗低，应用方便，稳定可靠等优点。 输出信号为数字量，不需要进行 A/D 转换，可直接与单片机的 I/O 口相连，检测到目标时信号线输出是低电平，正常状态时为高电平。 为能让对测量距离的调节，在信号输出端需外接一个 1KΩ上拉电阻，调节电位器，即可调节测量的距离。 图 15 E18D50NK 红外传感器 光电开关 E18D50NK 的技术参数 : 输出电流 DC/SCR/继电器 Control output： 100mA/5V 供电 消耗电流 DC25mA 响应时间 2ms 指向角：≤ 15176。 ,有效距离 350CM 可调 检测物体：透明或不透明体 工作环境温度： 25℃ ~+55℃ 标准检测物体：太阳光 10000LX 以下 白炽灯 3000LX 以下 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 12 页 共 45 页 图 16 避障原理 原理分析如图 16 所示， E18D50NK 红外光电开关发射出红外线，被物体阻断或部分反射， E18D50NK 内部红外接收管接收到反射回来的红外线，然后有一个由高到低的电压变化， E18D50NK 内部电压比较器根据这个电压的变化输出数电信号给单片机处理。 当有光线反射回来时 E18D50NK 信号脚输出 低电平 [11]。 避障模块接口电路如图17。 123P13PORT123P23PORT5V5VGNDGNDP20P21避障模块 图 17 避障模块接口电路 避障模块的安装 在避障 传感器的设计中，我们在车体底盘的前端装有二个避障传感器，用来起到避开障碍物的作用。 两个传感器微微向两边倾斜一点，防止有障碍物时擦边。 具体的安装位置实物图如图 18 所示： 常州大学本科生毕业设计（论文） 第 13 页 共 45 页 图 18 避障传感器安装实物图 液晶显示模块 显示电路是灭火机器人与用户交互的接口，用户通过显示来观察灭火次数和小车行进状态。 为了显示更人性化和美观化，选择 LCD1602 液晶， 工业字符型液晶，能够同时显示 16*02 即 32 个字符 ， 微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。 1602 液晶也叫 1602 字 符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的 点阵 型液晶模块。 它由若干个 5X7 或者 5X11 等 点阵 字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好 地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。 1602LCD 是指显示的内容为 16X2,即可以显示两行，每行 16 个字符液晶模块（显示字符和数字）。 目前市面上字符液晶绝大多数是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理是完全相同。