【文章內(nèi)容簡介】 ，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。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]。 ? 使用紫外傳感器識別火焰方案 1 u F1 M ΩU VA / D轉(zhuǎn) 換器顯示 圖 6 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。 武漢工程大學(xué)綜合設(shè)計報告 第 6 頁 共 50 頁 ? 紅外接收二極管識別火焰方案 圖 7 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，探測角度為 60176。 ；，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)值越小；紅外光越弱，數(shù)值越大。 經(jīng)驗證 紅外接受二極管檢測距離遠(yuǎn)，線性度好，檢測準(zhǔn)確，且體積較小 在機(jī)器人 設(shè)計 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)計中，在車體的前頭離地大約 15－ 20cm（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)實驗驗證，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。 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)武漢工程大學(xué)綜合設(shè)計報告 第 7 頁 共 50 頁 第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 控制電路 本設(shè)計要實現(xiàn)對路徑的準(zhǔn)確定位和精確測量采用直流減速電 機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機(jī)提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。我們所選用的直流電機(jī)減速比為 1：74，減速后電機(jī)的轉(zhuǎn)速為 100r/min。我們的車輪直徑為 6cm，因此我們的小車的最大速度可以達(dá)到 V=2πrv=2***100/60=能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求；實現(xiàn)滅火工作的是采用 12V直流風(fēng)扇，試驗所采用的火源為小蠟燭產(chǎn)生的火焰，火勢較小，直流風(fēng)扇產(chǎn)生的風(fēng)力足夠在幾秒內(nèi)滅火。 電機(jī)控制 電路 電機(jī)控制電路由 L298 電機(jī)驅(qū)動芯片、 7805 芯片、電機(jī)等組成。 L298 驅(qū)動芯片結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。 圖 8 L298 驅(qū)動芯片 L298N 是 SGS 公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含 4 通道邏輯驅(qū)動電路，是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個 H 橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接受標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，即可驅(qū)動 46V、 2A 以下的電機(jī)。 武漢工程大學(xué)綜合設(shè)計報告 第 8 頁 共 50 頁 VCC9VC4OUT12OUT23OUT313OUT414IS INA1IS ISB15IN15IN27IN310IN412INA6INB11GND8U6L298D13 D14 D15 D16D21 D22 D23 D249V5VGNDGND12J9JP212J10JP2GND GNDD25 D26D20D19PWMAPWMB123456J4JP6PWMAPWMB5V1kR191kR201kR211kR221 2J312J8D17LED 貼片1kR235VGNDIN1IN2IN3IN4電機(jī)驅(qū)動模塊 圖 9 電機(jī)控制原理圖 如圖 9 所示， OUT1 和 OUT2， OUT3 和 OUT4 分 別接 2 個直流電機(jī)， IN ININ IN4 引腳從單片機(jī)接輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)， ENA、 ENB 接控制器使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)， L298 的邏輯功能表如表 1 所示： 表 1 電機(jī)轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 電動車運(yùn)行狀態(tài) IN1 IN2 IN3 IN4 1 0 1 0 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行 1 0 0 1 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 1 0 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn) 0 1 1 0 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 1 1 1 0 停 正轉(zhuǎn) 以右電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn) 0 1 0 1 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退 對于電機(jī)的調(diào)速，我們采用 PWM 調(diào)速的方法，其原理就是開關(guān)管在一個周期內(nèi)的導(dǎo)通時間為 t，周期為 T，則電機(jī)兩端的平均電壓 U=Vcc*(t/T)=aVcc。其中， a=t/T（占空比）， Vcc 是電源電壓，電機(jī)的轉(zhuǎn)速與電機(jī)兩端的電壓成正比例，而電機(jī)兩端的電壓與控制波形的占空比成正比，因此電機(jī)的速度與占空比成比例，占空比越大，電機(jī)轉(zhuǎn)的越快。在硬件電路的連接上，我們將單片機(jī)的 IO 口分別連接到 L298 的 IN1 和 IN2 上，通過改變單片機(jī) IO 口上的高低電平變化以控制小車的前進(jìn)方向，通過改變單片機(jī) IO 口上 的高低電平的占空比以控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速 [8]。 PWM 配合橋式驅(qū)動電路 L298N 實現(xiàn)直流電機(jī)調(diào)速，非常簡單，且調(diào)速范圍大。 另外本設(shè)計特別在直流電機(jī)的電樞兩端并聯(lián)一個 的瓷片電容，以穩(wěn)定電機(jī)，不至于對單片機(jī)造成干擾，實際的使用效果不錯，省掉了通過光耦隔離 TPL521 實現(xiàn)單片機(jī)輸出信號與電機(jī)驅(qū)動信號隔離的環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本。 滅火驅(qū)動電路 如圖 10 所示，滅火電機(jī)驅(qū)動采用 B772 三極管驅(qū)動，單片機(jī) 口接三極管 Q1武漢工程大學(xué)綜合設(shè)計報告 第 9 頁 共 50 頁 基極，當(dāng)單片機(jī)給低電平信號時，三極管導(dǎo)通，接通滅火電機(jī)的電源，開啟風(fēng)扇 滅火。 圖 10 滅火電機(jī)驅(qū)動 火焰測量電路 火焰測量電路用來檢測火源點(diǎn)，該設(shè)計采用紅外接收二極管，它 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，其靈敏度達(dá)到最大。 紅外接收二極管 將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化，通過電壓反應(yīng) 數(shù)值的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越?。患t外光越弱，數(shù)值越大。 紅外接收二極管結(jié) 構(gòu)如圖 13所示： 圖 13 紅外接收二極管 紅外接收二極管又叫紅外光電二極管 ， 也可稱紅外光敏二極管 ,英文名 Infrared receiverdiode。它廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中 ， 如音響、 彩色電視機(jī) 、空調(diào)器、 VCD視盤機(jī)、 DVD視盤機(jī)以及錄像機(jī)等。 它廣泛用于各種家用電器的遙控接收器中，如 音響 、彩色電視機(jī)、空調(diào)器、 VCD視盤機(jī)、 DVD視盤機(jī)以及錄像機(jī)等。紅外接收二極管能很好地接收 紅外發(fā)光二極管 發(fā)射的波長為 940nm的紅外光信號，而對于其他波長的光線則不能接收。因而保證了接收的準(zhǔn)確性和靈敏度 [12]。 紅外接收二極管的結(jié)構(gòu)如圖 13所示。最常用的型號為 RPM301B。 武漢工程大學(xué)綜合設(shè)計報告 第 10 頁 共 50 頁 紅外接收管是一種光敏二極管。在實際應(yīng)用中要給紅外接收二極管加反向偏壓，它才能正常工作，亦即紅外接收二極管在電路中應(yīng)用時是反向運(yùn)用，這樣才能獲得較高的靈敏度。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。 由于紅外發(fā)光二極管的發(fā)射功率一般都較?。?100mW 左右），所以 紅外接收二極管 接收到的信號比較微弱，因此就要增加高增益放大電路。前些年常用 μPC1373H、CX20216A 等紅 外接收專用放大電路。最近幾年不論是業(yè)余制作還是正式產(chǎn)品，大多都采用成品 紅外接收頭 。 如表 2所示， 下面為 紅外接收二 極管 實測數(shù)據(jù)，一根蠟燭為火源，室內(nèi)正常日光燈環(huán)境實測 結(jié)果。 表 2 火焰?zhèn)鞲衅鲗崪y結(jié)果 無火源時，對著日光燈 10cm 20cm 30cm 40cm 50cm 60cm 70cm 80cm 90cm 100cm 10KR6D2hwjs5mmVCCGNDGNDVCCGNDOUT1ADCJ1by1D1LED 貼片10kR42kR2104C1CAPT452123U1ALM3395V5V火源檢測模塊 圖 14 火焰測量電路原理圖 在該電路中，當(dāng)火焰?zhèn)鞲衅鳑]有檢測到火焰時，火焰?zhèn)鞲衅鞑粚?dǎo)通而使得火焰?zhèn)鞲衅鞯年枠O上拉電阻 R4 上拉為高電平，經(jīng)電壓器比較器比較后輸出低電平， LED 燈亮。當(dāng)檢測到火焰時，火焰?zhèn)鞲衅鲗?dǎo)通，電壓比較器輸出高電平， LED 燈滅。經(jīng)試驗驗證，本電路工作性能穩(wěn)定，能耗較低，能夠較好的滿足題目的需要。因此我們選擇此電路作為我們 的傳感器檢測與調(diào)理電路。 武漢工程大學(xué)綜合設(shè)計報告 第 11 頁 共 50 頁 避障模塊 如圖 15 所示，本設(shè)計對障礙物的檢測采用 E18D50NK 型號的紅外傳感器。E18D50NK 傳感器是一種紅外線反射式接近開關(guān)傳感器，用于物體的反射式檢測，該傳感器具有體積小，功耗低，應(yīng)用方便，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。輸出信號為數(shù)字量，不需要進(jìn)行 A/D 轉(zhuǎn)換，可直接與單片機(jī)的 I/O 口相連，檢測到目標(biāo)時信號線輸出是低電平，正常狀態(tài)時為高電平。為能讓對測量距離的調(diào)節(jié)，在信號輸出端需外接一個 1KΩ上拉電阻，調(diào)節(jié)電位器，即可調(diào)節(jié)測量的距離。 圖 15 E18D50NK 紅 外傳感器 光電開關(guān) E18D50NK 的技術(shù)參數(shù) : 輸出電流 DC/SCR/繼電器 Control output： 100mA/5V供電 消耗電流 DC25mA 響應(yīng)時間 2ms 指向角：≤ 15176。 ,有效距離 350CM 可調(diào) 檢測物體：透明或不透明體 工作環(huán)境溫度： 25℃ ~+55℃ 標(biāo)準(zhǔn)檢測物體：太陽光 10000LX 以下 白熾燈 3000LX 以下 圖 16 避障原理 原理分析如圖 16 所示， E18D50NK 紅外光電開關(guān)發(fā)射出紅外線，被物體阻斷或部分反射， E18D50NK 內(nèi)部紅 外接收管接收到反射回來的紅外線，然后有一個由高到低的電壓變化， E18D50NK 內(nèi)部電壓比較器根據(jù)這個電壓的變化輸出數(shù)電信號給單片機(jī)處理。當(dāng)有光線反射回來時 E18D50NK 信號腳輸出低電平 [11]。避障模塊接口電路如圖17。 武漢工程大學(xué)綜合設(shè)計報告 第 12 頁 共 50 頁 123P13PORT123P23PORT5V5VGNDGNDP20P21避障模塊 圖 17 避障模塊接口電路 避障模塊的安裝 在避障傳感器的設(shè)計中，我們在車體底盤的前端裝有二個避障傳感器，用來起到避開障礙物的作用。兩個傳感器微微向兩邊傾斜一點(diǎn)，防止有障礙物時擦邊。具體的安裝位置實物圖如圖 18 所示： 圖 18 避障傳感器安裝實物圖 液晶顯 示模塊 顯示電路是滅火機(jī)器人與用戶交互的接口，用戶通過顯示來觀察滅火次數(shù)和小車行進(jìn)狀態(tài)。 為了顯示更人性化和美觀化，選擇 LCD1602 液晶， 工業(yè)字符型液晶，能夠同時顯示 16*02 即 32 個字符 ， 微功耗、體積小、顯示內(nèi)容豐富、超薄輕巧，常用在袖珍式儀表和低功耗應(yīng)用系統(tǒng)中。 1602 液晶也叫 1602 字符型液晶，它是一種專門用來顯示字母、數(shù)字、符號等的 點(diǎn)陣 型液晶模塊。它由若干個 5X7 或 者 5X11 等 點(diǎn)陣 字符位組成，每個點(diǎn)陣字符位都可以顯示一個字符，每位之間有一個點(diǎn)距的間隔，每行之間也有間隔，起到了字符間距和行間距的作用，正因為如此所以它不能很好地顯示圖形（用自定義CGRAM，顯示效果也不好）。 武漢工程大學(xué)綜合設(shè)計報告 第 13 頁 共 50 頁 1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16 個字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 目前市面上字符液晶絕大多數(shù)是基于 HD44780 液晶芯片的，控制原理 是完全相同的，因此基于 HD44780 寫的控制程序可以很方便地應(yīng)用