【文章內(nèi)容簡介】 要由火焰采集模塊和避障模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了滅火機(jī)器人的對各類參數(shù)的采集 ，是控制器核心部分 ； （ 2） 信息處理單元，用單片機(jī)作為信息處理單元，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的采樣及數(shù)據(jù)分析運(yùn)算，并發(fā)出控制指令 ； 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 9 ??????????????? ??????????（ 3） 人機(jī)交互單元，由按鍵，顯示燈組成。按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；可以提供豐富、直觀、友好的信息界面 ； （ 4） 控制模塊，控制模塊主要由電機(jī)驅(qū)動電路、滅火模塊等組成，實(shí)現(xiàn)對驅(qū)動電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及開啟風(fēng)扇滅火 。 圖 22 滅火機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖 22中，數(shù)據(jù)采集模塊對障礙物方位、火焰數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)送給 MCU進(jìn) 行數(shù)據(jù)處理。 MCU根據(jù)接收的信息發(fā)出控制指令控制電機(jī)或風(fēng)扇工作， 按鍵用于用戶啟動滅火機(jī)器人。 避障及火焰測量是滅火機(jī)器人最重要部分之一，它是實(shí)現(xiàn)其他功能的基本條件，這一部分性能好壞將關(guān)系到整個系統(tǒng)的性能，所以設(shè)計(jì)一個成本低、可靠性高、滅火效率高、調(diào)試簡便的測量方案是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 避障模塊 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 10 方案 1： 用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理如圖 3所示：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機(jī)。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用 [2]。但是超聲波傳感器需要 40KHz的方波信號來工作，因?yàn)槌?聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在 1％內(nèi)，所以用模擬電路來做方波發(fā)生器比較 難以實(shí)現(xiàn)。而用單片機(jī)來作方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)資源。因此我們考慮其他的方案，如圖 23所示。 圖 23 超聲波傳感器原理圖 方案 2： 用紅外光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工作原理如圖 4 所示：根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此作出判斷反應(yīng)，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。紅外光電開關(guān)操作簡單，使用方便。當(dāng)有光線 反射回來時，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時，輸出高電平 [4][7]。 考慮到本系統(tǒng)只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復(fù)雜的環(huán)境。為超聲波傳感器障礙物發(fā)射波回波單片機(jī)陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 11 了使用方便，便于操作和調(diào)試，我們最終選擇了方案 2。 圖 2 4 紅外光電開關(guān)測量原理圖 火焰檢測方案 火焰檢測有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器以及 CCD 傳感器。綜合論證這幾種傳感器，因本設(shè)計(jì)使用蠟燭模擬火源，對環(huán)境溫度影響小，煙霧少，排除了煙霧傳感器?？紤]到易用性，排除了 CCD 傳感器，從而主要考慮以下三種方案。 ? NTC 熱敏電阻和光敏晶體管測量方案 如圖 25所示，利用熱敏或光敏電阻的阻值隨溫度光亮變化的特性，將熱敏或光敏電阻與線性電阻構(gòu)成分壓電路，當(dāng)溫度光亮變化時其阻值變化，進(jìn)而分壓變化，然后將這電壓信號經(jīng)過運(yùn)放放大調(diào)理成0— 5V的電壓信號，經(jīng) A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號送給單片機(jī)。 實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在一定距離范圍內(nèi)，空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生任何變化。光敏電阻在燈光下，易受干擾 在一定范圍內(nèi)空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生變化，光敏電阻受外界干擾比較大，抗干擾能力極差，誤差偏大，不能準(zhǔn)確測定火源位置 [5][6]。 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 12 ? 使用紫外線傳感器識別火焰 方案 1 u F1 M ΩU VA / D轉(zhuǎn) 換器顯示 圖 26 紫外線傳感器識別方案 紫外線傳感器只對 185～ 260nm狹窄范圍內(nèi)的紫外線進(jìn)行響應(yīng)，而對其它頻譜范圍的光線不敏感，利用它可以對火焰中的紫外線進(jìn)行檢測。具有靈敏度高，檢測及時準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是價格是紅外傳感器的 810倍。 ? 紅外接收二極管識別火焰方案 圖 27 紅外接收二極管原理圖 紅外接收二極管可以用來探測波長在 700nm ~ 1000nm范圍內(nèi)的紅外線， 其中紅外線波長在 880nm附近時，其靈敏度達(dá)到最大。紅外火焰探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，通過電位比較器來反應(yīng)高低電平的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越?。患t外光越弱，數(shù)值越大。經(jīng)驗(yàn)證 紅外接受二極管檢測距離遠(yuǎn)，線性度好，檢測準(zhǔn)確，紅外接收二極管與電阻分壓電路電位器比較電壓 單片機(jī)陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 13 且體積較小 在機(jī)器人設(shè)計(jì)中，紅外火焰探頭起著非常重要的作用，它可以用作機(jī)器人的眼睛來尋找火源或其他物體。利用它可以制作滅火機(jī)器人、足球機(jī)器人等。 綜合考慮此處選用紅外接受二極管。 同時 在火焰?zhèn)鞲衅髂K的設(shè)計(jì)中，在車體的前頭離地大約 10－15cm（相當(dāng)于火焰高度）處安裝 5個遠(yuǎn)紅 外火焰?zhèn)鞲衅?，各個傳感器之間呈 45度角隔開。由于火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測距離很遠(yuǎn)，為了避免小車判斷不了火焰的遠(yuǎn)近的情況出現(xiàn)，我們設(shè)計(jì)了一路近距離火焰?zhèn)鞲衅?。只有?dāng)這路檢測到火焰，滅火電機(jī)才啟動。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)工作穩(wěn)定 。 通過以上三個方案對比，方案三相對比較適合。 滅火機(jī)器人的方案設(shè)計(jì)與論證 方案 1：自己制作電動小車（包括車體），組裝合適的電機(jī)及驅(qū)動板，自制探測器，利用開發(fā)板做控制驅(qū)動小車。但自己制作的小車，平衡不能保證，車的性能不好，重量不均。小車的一體電路設(shè)計(jì)，比較難良好地實(shí)現(xiàn)。 方案 2：購買專用 用帶有萬向輪的小車。曾經(jīng)用過該類型小車，萬向輪方向存在不確定性。 方案 3：購買專用履帶小車，具有組裝完整的車架車輪，和完整的電機(jī)裝配以及電機(jī)驅(qū)動板。用自制模塊或購買完整傳感器模塊，用自制單片機(jī)最小系統(tǒng)板控制小車運(yùn)動。專用電動車裝配緊湊，運(yùn)行穩(wěn)定，承重高，底盤低重心低。安裝電路板方便且規(guī)整，美觀。我們不用在考慮電機(jī)裝配和電機(jī)驅(qū)動的設(shè)計(jì)。 綜合考慮，我們選定方案 3 作為我們的第一步方案。 陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 14 機(jī)器人各模塊介紹 電源模塊 本系統(tǒng)中，需要用到