【文章內(nèi)容簡介】 模塊火焰?zhèn)鞲衅髂K水泵模塊 系統(tǒng)設(shè)計方案框圖 小車的方案設(shè)計與論證方案1：自己制作電動車，自己制作車體，組裝合適的電機及電機驅(qū)動板，自制探測器，并利用開發(fā)板做控制驅(qū)動小車。但自己制作的小車，車體會比較粗糙，車身重量、平衡，小車的電路設(shè)計，這些都較難良好地實現(xiàn)。方案2：購買專用電動車，購買專用電動車具有組裝完整的車架車輪，甚至有完整的電機裝配和電機驅(qū)動板。用自制探測器或購買完整探測模塊，并用開發(fā)板控制小車運動。這種專用電動車裝配緊湊，各種所需電路的安裝十分方便，看起來也比較美觀。而且，用專用電動車具有完整的電機裝配和電機驅(qū)動，這用就省去了對電機傳動和電機驅(qū)動的設(shè)計和實現(xiàn)。綜合考慮，本設(shè)計中選定了方案2作為初步方案。 各模塊的選定 驅(qū)動電機模塊的選定方案1：采用步進電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機，利用步進電機的準確定長步進性能方便的實現(xiàn)調(diào)速和方向的偏轉(zhuǎn)，且能準確的測量速度、路程以及時間，簡化編程和硬件連接的工作量。但步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度的系統(tǒng)。方案2：采用直流電機作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機，直流電機的控制方法比較簡單，只需給電機的兩根控制線加上適當(dāng)?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉(zhuǎn)動起來，電壓越高則電機轉(zhuǎn)速越高。而且改變正負極可方便的改變電機轉(zhuǎn)動的方向，方便改變小車的行進狀態(tài)。對于直流電機的速度調(diào)高，可以采用改變電壓的方法，也可采用PWM調(diào)速方法。PWM調(diào)速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié) [4]。與其它調(diào)速系統(tǒng)相比，PWM調(diào)速系統(tǒng)有下列優(yōu)點：1. PWM從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。2. 對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點3．由于電力電子器件只工作在開關(guān)狀態(tài)，主電路損耗較小，裝置效率較高。4．主電路簡單，所用功率元件少。5．低速性能好，穩(wěn)定精度高，調(diào)速范圍寬。綜合考慮，本設(shè)計采用了方案2。 避障模塊的選定方案1：采用超聲波檢測模組，超聲波模組能夠在主控單片機控制下發(fā)射超聲波并接收遇到障礙物時反射的超聲波，通過單片機內(nèi)部定時器計數(shù)，來計算小車距離障礙物的距離，通過比較計算使小車躲避障礙物。此方案較復(fù)雜，需要單片機編程來計算距離，靈敏度較低。方案2：采用光電開關(guān)探頭，光電開關(guān)原理簡單，自行發(fā)射紅外線，當(dāng)一定距離內(nèi)有障礙物時，自身能夠檢測到電平的變化，單片機端口接收電平的變化從而判斷是否附近有障礙物，從而實現(xiàn)避障功能 [5]。此方案優(yōu)點是設(shè)備簡單、成本低、穩(wěn)定性高，速度快。缺點是檢測距離短。根據(jù)以上分析我們采用方案2。 火焰?zhèn)鞲衅髂K的選定方案1：采用兩個熱敏電阻作為核心的傳感器，實驗中發(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 [6]。方案2：采用兩個光敏電阻作為核心的傳感器，利用光敏電阻對不同距離及不同強度的光照均有較好的光敏特性來將外界光信號轉(zhuǎn)換成電信號，提供給單片機進行相關(guān)判斷操作。實驗中我們發(fā)現(xiàn)這種方案有很大的缺點，抗干擾能力極差，而且誤差偏大，不能準確測定火源位置。方案3：采用紅外接收二極管，紅外接收二極管將外界紅外光的變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過 A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號反映為0～1023范圍內(nèi)的數(shù)字信號。外界紅外光越強，數(shù)值越小，根據(jù)數(shù)值的變化能判斷紅外光線的強弱,從而能大致判別出火源的遠近。紅外火焰?zhèn)鞲衅骺梢杂脕硖綔y火源或其它一些波長在760納米～1100納米范圍內(nèi)的熱源，探測角度達60度，其中紅外光波長在940納米附近時，其靈敏度達到最大。實驗中發(fā)現(xiàn)如果環(huán)境中紅外干擾比較少的時候本方案能比較準確的檢測到火源。鑒于以上3種方案的比較，我們選擇方案3。 水泵模塊的選定由于風(fēng)扇體積比較大，而本設(shè)計中車體又比較小，故作中選擇了水泵抽水滅火。利用一個直流小電機帶動抽水進行簡單的滅火。這種方案有兩個子方案。方案1：芯片控制。電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向都不需要控制，只要在一定范圍內(nèi)轉(zhuǎn)的越開越好。因此采用這種方案有點麻煩，而且還會浪費時間和精力。方案2：場效應(yīng)管驅(qū)動電路。直接利用場效應(yīng)管驅(qū)動。將電機放在三極管的漏極，然后控制柵源之間電壓正負即可驅(qū)動電機正常工作，這種方案不僅電路簡單、易實現(xiàn)，會減少很多電路上不必要的麻煩，而且驅(qū)動效率也大大提高，不僅如此其維修性也很強，出現(xiàn)故障能及時快速維修。鑒于以上2種方案的比較，我們選擇方案2。 電源模塊的選定在本系統(tǒng)中，需要用到的電源有單片機的5V，L293N芯片的電源5V和電機的電源6～11V。所以需要對電源的提供必須正確和穩(wěn)定可靠。方案1：采用UT3W提供的電源方案為電機供電，采用UT3W提供的電源接口為單片機提供電源。優(yōu)點：簡單方便。方案2：用六節(jié)鋰電池為整個系統(tǒng)供電，再轉(zhuǎn)換為電機和單片機需要的電壓。基于系統(tǒng)的穩(wěn)定性考慮，我選擇了方案2。 單片機控制模塊的選定考慮到整個系統(tǒng)的簡單、方便性，控制模塊采用C8051F320作為主控制芯片，該芯片有足夠的存儲空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要，該芯片提供了兩個計數(shù)器中斷，對于本作品系統(tǒng)已經(jīng)足夠，采用該芯片可以比較靈活的選擇各個模塊控制芯片，能夠準確的計算出時間，有很好的實時性。而且C8051F320有很強的擴展性，使用簡單，靈活性高且價廉。所以本設(shè)計中直接采用C8051F320作為主控芯片。 最終方案經(jīng)過反復(fù)論證，我們最終確定了如下方案：1．車體是購買專用電動車。2．采用C8051F320單片機作為控制核心。3．采用六節(jié)干電池供電。4．采用光電開關(guān)作為避障傳感器。5．采用紅外接收管作為紅外火源傳感器。6．采用場效應(yīng)管作為驅(qū)動電機模塊。避障光電開關(guān)紅外火焰?zhèn)鞲衅餍≤囆凶卟檎蚁乱粋€火源開啟水泵是否找到火源C 8 0 5 1 F 3 2 0控制芯片否是圖 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖第 3 章 系統(tǒng)硬件設(shè)計硬件部分的作用是以各模塊構(gòu)建出基本的系統(tǒng)，為軟件運行提供基礎(chǔ)平臺。本次滅火機器人作為救災(zāi)設(shè)施，系統(tǒng)要求能夠準確測量信號的位置并智能化地根據(jù)測量結(jié)果判斷執(zhí)行動作，并進行處理及顯示。根據(jù)系統(tǒng)的原理，本設(shè)計選用了16位單片機C8051F320進行編程控制，利用C8051F320 較強的運算處理能力、超低功耗及豐富的片上外圍設(shè)備等優(yōu)點，實現(xiàn)了較高精度的運行系統(tǒng)。以下將詳細介紹系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成及各主要電路的設(shè)計原理與實現(xiàn)。 系統(tǒng)工作原理及功能簡介本系統(tǒng)利用單片機C8051F320 單片機作為本系統(tǒng)的主控模塊，我們采用反射式紅外傳感器識別黑線軌跡，用遠紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火源，由單片機對傳感器識別到的信號加以分析和判斷，并通過對直流電機的控制來實現(xiàn)自動尋跡并滅火，系統(tǒng)工作原理框圖如。避障光電開關(guān)紅外火焰?zhèn)鞲衅鲉纹瑱C穩(wěn)壓供電水泵驅(qū)動電機驅(qū)動水泵穩(wěn)壓供電直流電機 （ L ）電機穩(wěn)壓供電直流電機 （ R ）C 8 0 5 1 F 3 2 0控制芯片滅火 系統(tǒng)工作原理框圖 系統(tǒng)硬件總體概述 總體框圖在本設(shè)計中，另外加入了測速模塊以便隨時檢測速度；加入光電耦合電路模塊，保護小車底板；加入液晶顯示模塊，顯示車速、電源電壓等。最終本設(shè)計的硬件結(jié)構(gòu)大體可以分成九個部分：火焰?zhèn)鞲衅髂K，避障電路模塊，報警模塊，穩(wěn)壓芯片模塊，光電耦合模塊，水泵電機驅(qū)動模塊，測速模塊，主控制器CPU模塊，LCD液晶顯示模塊，各供電電源模塊。： C 8 0 5 1 F 3 2 0火焰?zhèn)鞲衅髂K避障電路模塊5 V 穩(wěn)壓模塊水泵驅(qū)動電路模塊液晶顯示模塊測速模塊光耦與電機驅(qū)動電路模塊報警模塊圖 總體系統(tǒng)框圖 元器件的選擇經(jīng)過反復(fù)的篩選，所選用的器件即考慮到經(jīng)濟成本，又考慮到其精度問題，主要用到以下器件：集成塊主要包括單片機 C8051F3非門 CD4043V 穩(wěn)壓芯片 TPS789穩(wěn)壓芯片 L780液晶顯示器 MzLH041286BAT54C 二極管、火焰?zhèn)鞲衅?R286光電開關(guān)E3F3DS50N槽型光電開關(guān)、電壓比較器 LM33水泵、光電耦合器等。另外還有超聲波探頭以及各場效應(yīng)管，三級管，電阻電容等。 小車底盤的選擇一、功能概述滅火小車底盤結(jié)構(gòu)主要有：四個獨立的電機，增大了驅(qū)動力和轉(zhuǎn)彎的靈活性； L293D電機驅(qū)動芯片，增加了PWM電機調(diào)速功能； 測速碼盤（安裝在第一級輸出），提高了轉(zhuǎn)速測量精度；開關(guān)量轉(zhuǎn)速測量傳感器接口；外部電源接口和電池盒接口，方便了小車用電選擇；電壓選擇端口，可以使用干電池或充電電池供電（干電池供電時電壓選擇端跳線拿掉）；運動方向和轉(zhuǎn)速指示燈，控制時更直觀；電源和控制端口等。二、參數(shù)說明 [7]成品尺寸：231220(cm) ；車體：四電機/兩路電機驅(qū)動；供電：電池（2）；工作電壓：DC：；擴展電路3V；工作電流：運動時：～；帶水泵2A～3A；最大運行速度：60cm/s；三、電路接口說明電機控制部分，選用了最常見的 L293D 芯片作為驅(qū)動芯片。控制端口定義如下：VCC:電源輸出端；EN2:第二路驅(qū)動使能端/PWM 輸入端；EN1:第一路驅(qū)動使能端/PWM 輸入端；IN4/IN3:電機方向控制端；IN2/IN1:電機方向控制端；S2:第一路測速傳感器接口；S1:第二路測速傳感器接口；GND:地；： 表 小車底盤的邏輯狀態(tài)表EN1/PWM1 IN1 IN2 狀態(tài) EN2/PWM2 IN3 IN4 狀態(tài)0 0 停止 0 0 停止0 1 正轉(zhuǎn) 0 1 正轉(zhuǎn)1 0 反轉(zhuǎn) 1 0 反轉(zhuǎn)11 1 ——11 1 ——0 1/0 1/0 停止 0 1/0 1/0 停止簡單測試：從小車板子上引出電源VCC和地線GND 給IN1/IN2 或IN3/IN4 送以1/0 或0/1信號，或者使用單片機編寫簡單程序，按照上面的邏輯狀態(tài)控制表進行測試。 滅火機器人的硬件組成 火焰?zhèn)鞲衅髂K一、火焰?zhèn)鞲衅鞯脑砘鹧鎮(zhèn)鞲衅鱎2868能夠探測到波長在700納米～1000納米范圍內(nèi)的紅外光，探測角度為60,其中紅外光波長在880納米附近時的靈敏度達到最大。集成遠紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化。外界紅外光越強，數(shù)值越?。环粗畡t越大。再將火焰?zhèn)鞲衅餍盘柖俗鳛殡妷罕容^器輸入端，與某一電壓比較，使得在一定距離以內(nèi)，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火源時，比較器輸出端都為低電壓 [8]。所示：圖 火焰?zhèn)鞲衅骷罢{(diào)理電路圖二、火焰?zhèn)鞲衅鞯墓δ苷f明火焰?zhèn)鞲衅鲗ｉT用來搜索火源，當(dāng)然也可以用來檢測光線的亮度?；鹧?zhèn)鞲衅骼眉t外線對火焰非常敏感的特點，使用特制的紅外線接收管來檢測火焰，然后把火焰的亮度轉(zhuǎn)化為高低變化的電平信號 [9]，輸入到中央處理器CPU中，CPU根據(jù)信號變化做出相應(yīng)的處理。此外，遠紅外火焰探頭探測角度為60176。下面為火焰?zhèn)鞲衅鲗崪y數(shù)據(jù)，一根蠟燭為火源，所示。表 火焰?zhèn)鞲衅鲗崪y結(jié)果04cm 8cm 10cm 20cm 40cm 50cm 60cm 80cm 90cm 100cm 120cm 報警模塊一、蜂鳴器的介紹蜂鳴器是一種一體化結(jié)構(gòu)的電子訊響器，采用直流電壓供電，廣泛應(yīng)用與計算機、打印機、復(fù)印機、報警器、電子玩具、汽車設(shè)備、電話機、定時器等電子產(chǎn)品中做發(fā)生器件。蜂鳴器主要分為壓電式蜂鳴器和電磁式蜂鳴器兩種類型。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA” 表示。二、蜂鳴器的結(jié)構(gòu)原理1．壓電式蜂鳴器壓電式蜂鳴器主要由多諧振蕩器、壓電蜂鳴片、阻抗匹配器及共鳴箱、外殼等組成。有的壓電式蜂鳴器外殼上還裝有發(fā)光二極管。多諧振蕩器由晶體管或集成電路構(gòu)成。當(dāng)接通電源后（～15V 直流工作電壓），多諧振蕩器起振，～，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。壓電蜂鳴片由鋯鈦酸鉛或鈮鎂酸鉛壓電陶瓷材料制成。在陶瓷片的兩面鍍上銀電極，經(jīng)極化和老化處理后，再與黃銅片或不銹鋼片粘在一起。2．電磁式蜂鳴器 電磁式蜂鳴器由振蕩器、電磁線圈、磁鐵、振動膜片及外殼等組成。接通電源后，振蕩器產(chǎn)生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產(chǎn)生磁場。振動膜片在電磁線圈和磁鐵的相互作用下，周期性的振動發(fā)聲。在滅火機器人找到火源時，需要有聲音提示人們已經(jīng)找到火源，所以要設(shè)置報警系統(tǒng)，在本次設(shè)計中，用一個蜂鳴器來實現(xiàn)報警功能。：圖 蜂鳴器電路圖，當(dāng)單片機發(fā)出信號，蜂鳴器接通時就會發(fā)出聲音進行報警提示。 避障模塊機器人要避開障礙物，就需要一雙“眼睛”，這個功能主要由傳感器及相關(guān)控制完成。我們可以稱這種用于避障的傳感器為避障