【正文】 ............................... 29 致 謝 ........................................................................................................................................ 30 參考文獻(xiàn) .................................................................................................................................. 31 附件一 ...................................................................................................................................... 32 附 件二 ...................................................................................................................................... 33 1 1 引 言 課題的 開(kāi)發(fā)背景 火災(zāi)在現(xiàn)實(shí)生活中是非常普遍的，它被稱為三大自然災(zāi)害之一。 一旦發(fā)生災(zāi)害事故，消防員面對(duì)高溫、黑暗、有毒和濃煙等危害環(huán)境時(shí)，若沒(méi)有相應(yīng)的設(shè)備貿(mào)然沖進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，不僅不能完成任務(wù)，還會(huì)徒增人員傷亡，這方面公安消防部隊(duì)已歷經(jīng)諸多血的教訓(xùn)。消防部隊(duì)將面對(duì)的火災(zāi)和應(yīng)急救援的形勢(shì)相當(dāng)復(fù)雜。 課題的研究現(xiàn)狀 智能小車方面：智能小車，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)。 機(jī)器人技術(shù)方面：目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了多種類型機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)及垂直關(guān)節(jié)和平面關(guān)節(jié)多種。同時(shí)機(jī)器人機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。目前重點(diǎn)研究開(kāi)放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，具有良好的語(yǔ)言及圖形編輯界面。 機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)控制，絕對(duì)位置反饋。 課題的研究意義 智能避障滅火 機(jī)器人 實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全防護(hù)的質(zhì)的提高，也大大地減低了消防人員的危險(xiǎn)。 自動(dòng)滅火避障智能小車可以理解為機(jī)器人的一種特例，它是一種能夠通過(guò)編程手段完成特 定任務(wù)的小型化機(jī)器人。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 2 頁(yè) 共 45 頁(yè) 課題任務(wù) 根據(jù)自動(dòng)控制的基本要求，自動(dòng)滅火避障智能小車必須在無(wú)人干預(yù)的情況下依靠處理器自動(dòng)完成所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。自動(dòng)避障通過(guò)紅外光電開(kāi) 關(guān)感應(yīng)前方的障礙物，程序判斷處理控制小車轉(zhuǎn)彎避開(kāi)障礙物。 6. 通過(guò)單片機(jī)控制小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)小車的滅火避障； 7. 利用 1602 液晶的工作狀態(tài)顯示； 8. 通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的模塊化設(shè)計(jì)； 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 3 頁(yè) 共 45 頁(yè) ??????????????? ??????????2 系統(tǒng) 基本原理 與總體 方案設(shè)計(jì) 滅火機(jī)器人的基本原理 滅火機(jī)器人滅火原理如 圖 1 所示。 單片機(jī)火 焰 檢 測(cè) 模 塊避 障 模 塊滅 火 模 塊電 機(jī) 驅(qū) 動(dòng) 模 塊顯 示 模 塊 圖 1 系統(tǒng)原理方框圖 滅火機(jī)器人的整體設(shè)計(jì) 滅火機(jī)器人由四部分組成： 數(shù)據(jù)采集模塊 ，主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(duì)各類參數(shù)的采集，是控制器核心部分。 人機(jī)交互單元，由按鍵及顯示單元組成。 控制模塊，控制模塊主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、滅火模塊等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及開(kāi)啟風(fēng)扇滅火。 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，顯示單元可顯示當(dāng)前滅火的次數(shù)和行進(jìn)狀態(tài)。 滅火機(jī)器人模型的測(cè)量方案 避障及火焰測(cè)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(gè)系統(tǒng)的性能，所以設(shè)計(jì)一個(gè)成本低、可靠性高、滅火效率高、調(diào)試簡(jiǎn)便的測(cè)量方案是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。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(lái)，再被超聲波傳感器接收。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用 [2]。而用單片機(jī)來(lái)作方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)資源。 圖 3 超聲波傳感器原理圖 方案 2: 用紅外光電開(kāi)關(guān)進(jìn)行避障。紅外光電開(kāi)關(guān)操作簡(jiǎn)單，使用方便。當(dāng)沒(méi)有光線反射回來(lái)時(shí)，輸出高電平 [4][7]。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，我們最終選擇了方案 2。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(duì)環(huán)境溫度影響小，煙霧少，排除了煙霧傳感器。 ? NTC 熱敏電阻和光敏晶體管測(cè)量方案 熱 敏電 阻電 路光 敏電 阻電 路A / D轉(zhuǎn) 換器單片機(jī) 圖 5 NTC 熱敏電阻和光敏電阻測(cè)量系統(tǒng)圖 如圖 5 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(shí) 其 阻值變化， 進(jìn)而 分壓變化，然后將這電壓信號(hào)經(jīng)過(guò)運(yùn)放放大調(diào)理成 0— 5V 的電壓信號(hào)，經(jīng) A/D 轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)。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(cè)定火源位置 [5][6]。 具有靈敏度高，檢測(cè)及時(shí)準(zhǔn)確、抗 干擾性強(qiáng)的特點(diǎn) 。 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 6 頁(yè) 共 45 頁(yè) ? 紅外接收二極管識(shí)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(lái)探測(cè)波長(zhǎng)在 700nm ~ 1000nm 范圍內(nèi)的紅外線，探測(cè)角度為 60176。 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(guò) 電位比較器來(lái)反應(yīng)高低電平的變化 。 經(jīng)驗(yàn)證 紅外接受二極管檢測(cè)距離遠(yuǎn)，線性度好，檢測(cè)準(zhǔn)確，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(lái)尋找火源或 其他物體 。 綜合考慮此處選用紅外接受二極管。由于火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測(cè)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?cè)O(shè)計(jì)了一路近距離火焰?zhèn)鞲衅?。?jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，系統(tǒng)工作穩(wěn)定。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。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。v=2***100/60=能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求；實(shí)現(xiàn)滅火工作的是采用 12V 直流風(fēng)扇，試驗(yàn)所采用的火源為小蠟燭產(chǎn)生的火焰，火勢(shì)較小，直流風(fēng)扇產(chǎn)生的 風(fēng)力足夠在幾秒內(nèi)滅火。 L298 驅(qū)動(dòng)芯片結(jié)構(gòu)如圖 8 所示。 VCC9VC4OUT12OUT23OUT313OUT414IS INA1IS ISB15IN15IN27IN310IN412INA6INB11GND8U6L298D13 D14 D15 D16D21 D22 D23 D249V5VGNDGND12J9JP212J10JP2GND GNDD25 D26D20D19PWMAPWMB123456J4JP6PWMAPWMB5V1kR191kR201kR211kR221 2J312J8D17LED 貼片1kR235VGNDIN1IN2IN3IN4電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊 圖 9 電機(jī)控制原理圖 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 8 頁(yè) 共 45 頁(yè) 如圖 9 所示 ， OUT1 和 OUT2， OUT3 和 OUT4 分別接 2 個(gè) 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(dòng)狀態(tài)編碼 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 電動(dòng)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(duì)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(kāi)關(guān)管在一個(gè)周期內(nèi)的導(dǎo)通時(shí)間為 t，周期為 T，則電機(jī)兩端的平均電壓 U=Vcc*(t/T)=aVcc。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(guò)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(guò)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]。 另外本設(shè)計(jì)特別在直流電機(jī)的電樞兩端并聯(lián)一個(gè) 的瓷片電容，以穩(wěn)定電機(jī)，不至于對(duì)單片機(jī)造成干擾，實(shí)際的使用效果不錯(cuò)，省掉了通過(guò)光耦隔離 TPL521 實(shí)現(xiàn)單片機(jī)輸出信號(hào)與電機(jī)驅(qū)動(dòng)信號(hào)隔離的環(huán)節(jié)，節(jié)約了成本。 圖 10 滅火電機(jī)驅(qū)動(dòng) 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 9 頁(yè) 共 45 頁(yè) 滅火風(fēng)扇的安裝實(shí)物圖如圖 11 和圖 12 所示： 圖 11 滅火風(fēng)扇安裝實(shí)物前視圖 圖 12 滅火風(fēng)扇俯視圖 火焰測(cè)量電路 火焰測(cè)量電路用來(lái)檢測(cè)火源點(diǎn)，該設(shè)計(jì)采用紅外接收二極管，它 能夠探測(cè)到波長(zhǎng)在700納米～ 1000納米范圍內(nèi)的紅外光，探測(cè)角度為 60，其中紅外光波長(zhǎng)在 880納米附近時(shí)，其靈敏度達(dá)到最大。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越?。患t外光越弱，數(shù)值越大。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(pán)機(jī) 、 DVD視盤(pán)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(zhǎng)為 940nm的紅外光信號(hào)，而對(duì)于其他波長(zhǎng)的光線則不能接收。 紅外接收二極管的結(jié)構(gòu)如圖 13所示。 紅外接收管是一種光敏二極管。紅外接收二極管一般有圓形和方形兩種。前些年常用 μPC1373H、CX20xx6A 等紅外接收專用放大電路。 如表 2所示， 下面為 紅外接收二 極管 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，一根蠟燭為火源，室 內(nèi)正常日光燈環(huán)境實(shí)測(cè) 結(jié)果。當(dāng)檢測(cè)到火焰時(shí)，火焰?zhèn)鞲衅鲗?dǎo)通，電壓比較器輸出高電平， LED 燈滅。因此我們選擇此電路作為我們的傳感器檢測(cè)與調(diào)理電路。E18D50NK 傳感器是一種紅外線反射式接近開(kāi)關(guān)傳感器，用于物體的反射式檢測(cè)，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)。為能讓對(duì)測(cè)量距離的調(diào)節(jié)，在信號(hào)輸出端需外接一個(gè) 1KΩ上拉電阻，調(diào)節(jié)電位器，即可調(diào)節(jié)測(cè)量的距離。 ,有效距離 350CM 可調(diào) 檢測(cè)物體：透明或不透明體 工作環(huán)境溫度： 25℃ ~+55℃ 標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)物體：太陽(yáng)光 10000LX 以下 白熾燈 3000LX 以下 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 12 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 16 避障原理 原理分析如圖 16 所示， E18D50NK 紅外光電開(kāi)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(lái)的紅外線，然后有一個(gè)由高到低的電壓變化， E18D50NK 內(nèi)部電壓比較器根據(jù)這個(gè)電壓的變化輸出數(shù)電信號(hào)給單片機(jī)處理。避障模塊接口電路如圖17。 避障模塊的安裝 在避障 傳感器的設(shè)計(jì)中，我們?cè)谲圀w底盤(pán)的前端裝有二個(gè)避障傳感器，用來(lái)起到避開(kāi)障礙物的作用。具體的安裝位置實(shí)物圖如圖 18 所示： 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 13 頁(yè) 共 45 頁(yè) 圖 18 避障傳感器安裝實(shí)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(guò)顯示來(lái)觀察滅火次數(shù)和小車行進(jìn)狀態(tài)。 1602 液晶也叫 1602 字 符型液晶，它是一種專門(mén)用來(lái)顯示字母、數(shù)字、符號(hào)等的 點(diǎn)陣 型液晶模塊。 1602LCD 是指顯示的內(nèi)容為 16X2,即可以顯示兩行，每行 16 個(gè)字符液晶模塊（顯示字符和數(shù)字）。 液晶結(jié)構(gòu) 如圖 19 圖 20 所示： 圖 19 1602 液晶結(jié)構(gòu)圖 圖 20 LCD1602 引腳圖 管腳功能如表 3 所示： 常州大學(xué)本科生畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 第 14 頁(yè) 共 45 頁(yè) 表 3 引腳接口說(shuō)明表 編號(hào) 符號(hào) 引腳說(shuō)明 編號(hào)