家庭滅火機(jī)器人設(shè)計報告

1、 名稱：家庭滅火機(jī)器人設(shè)計報告名稱：家庭滅火機(jī)器人設(shè)計報告 學(xué)學(xué) 院：電子與信息工程學(xué)院院：電子與信息工程學(xué)院 指導(dǎo)老師：李東指導(dǎo)老師：李東 班班 級：電氣二班級：電氣二班 姓姓 名：曾凡名：曾凡 時時 間：間：2013.6.232013.6.23 1 目錄目錄 第一第一章章 緒論緒論.1 1.1 課題背景.1 1.2 實(shí)現(xiàn)功能 .1 第二第二章章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計系統(tǒng)整體方案設(shè)計.2 2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 .2 2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 .2 第三第三章章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計.3 3 3.1 電源管理模塊.3 3.1.1 電源模塊電路原理圖 .3 3.2 電機(jī)驅(qū)動芯片 l298n .4 3.2.1

2、.l298n 電路原理圖： .5 3.3 避障檢測傳感器 hs0038 .5 3.3.1 hs0038 簡介： .5 3.3.3 檢測原理： .5 3.3.4 hs0038 與單片機(jī)連接原理圖： .6 3.4 地面灰度檢測傳感器 st188 .6 3.4.2 檢測原理： .6 3.4.3 應(yīng)用范圍： .6 3.4.5 st188 原理圖： .7 3.5 火焰?zhèn)鞲衅?7 3.5.1 火焰?zhèn)鞲衅魇褂?.7 第四第四章章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計.8 8 4.1 滅火機(jī)器人行進(jìn)路線分析 .8 4.2 軟件流程圖 .9 第五第五章章 調(diào)試記錄調(diào)試記錄.1010 5.1 調(diào)試記錄 .10 第六章 實(shí)驗(yàn)心得.10

3、 參考文獻(xiàn)參考文獻(xiàn).1212 附錄附錄 1:1: 程序清單程序清單 .1313 附錄附錄 2:2: 滅火機(jī)器人實(shí)物圖及滅火場地滅火機(jī)器人實(shí)物圖及滅火場地 .2626 滅火機(jī)器人設(shè)計 第 0 頁 共 26 頁 第一章第一章 緒論緒論 1.1 課題背景 隨著社會的進(jìn)步，機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展使得機(jī)器人的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展，從以往多應(yīng)用于工業(yè) 領(lǐng)域而漸漸融入人們的生活。滅火機(jī)器人作為消防部隊(duì)中的新興力量，加入了搶險救災(zāi)的行列。滅火 機(jī)器人是一個集信號檢測、傳輸、處理和控制于一體的控制系統(tǒng)，代表了智能機(jī)器人系統(tǒng)的發(fā)展方向。 1.2 實(shí)現(xiàn)功能 制造一個自主控制的機(jī)器人在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運(yùn)動，找到一根蠟

4、燭并盡快將它熄滅，這 個工作受地面摩擦、機(jī)器人慣性、機(jī)器人電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)差、齒輪箱與輪子的摩擦、電壓變化等多個因素 影響，它模擬了現(xiàn)實(shí)家庭中機(jī)器人處理火警的過程，蠟燭代表家里燃起的火源，機(jī)器人必須找到并熄 滅它。 第二章第二章 系統(tǒng)整體方案設(shè)計系統(tǒng)整體方案設(shè)計 2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計 本次設(shè)計的目的是設(shè)計一個在規(guī)定區(qū)域能自主搜索火源并實(shí)施滅火的智能機(jī)器人小車，本次設(shè)計 使用的主控芯片使用了 stc89c52 單片機(jī)，所以設(shè)計重點(diǎn)在傳感器和電機(jī)驅(qū)動上。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如 圖 mcu 小車電 機(jī)驅(qū)動 傳感器 模塊 傳感器 模塊 電源部分 風(fēng)扇 電機(jī) 圖 2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計框圖 2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計 軟

5、件設(shè)計方案是以上述硬件電路為基礎(chǔ)的，包括電機(jī)控制模塊、傳感器模塊的程序設(shè)計與實(shí)現(xiàn)。 程序設(shè)計采用 c 語言編寫，編程環(huán)境是集成 keil c51 編譯器的集成編譯環(huán)境。滅火機(jī)器人設(shè)計的軟件 設(shè)計結(jié)構(gòu)框圖如圖 2.2 所示。 滅火機(jī)器人設(shè)計 第 1 頁 共 26 頁 前進(jìn)子程序 轉(zhuǎn)彎子程序 st188 子程序序 4 序 hs0038 子程序 火焰子程序 停止子程序 圖 2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖 第三章第三章 硬件設(shè)計硬件設(shè)計 3.1 電源管理模塊 電源是任何一個系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的前提條件，為了使機(jī)器人運(yùn)行穩(wěn)定，單片機(jī)和電機(jī)的供電系統(tǒng)采 用獨(dú)立供電的方法。 3.1.1 電源模塊電路原理圖 由于單片機(jī)及

6、所有的傳感器系統(tǒng)供電采用的是 5v 的電源，而車體要良好的運(yùn)行電機(jī)的供電電壓應(yīng) 該達(dá)到 12v，所以在電源的處理上采用了穩(wěn)壓芯片 7805cv 和 7812cv。 圖 3.1 電源部分電路圖 3.2 電機(jī)驅(qū)動芯片 l298n 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，接收標(biāo)準(zhǔn) ttl 邏輯電平信號，可驅(qū)動 46v、2a 以下 的電機(jī)。其引腳排列如圖 1 中 u4 所示，1 腳和 15 腳可單獨(dú)引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感 信號。l298 可驅(qū)動 2 個電機(jī)，out1、out2

7、和 out3、out4 之間分別接 2 個電動機(jī)。5、7、10、12 腳接 輸入控制電平，控制電機(jī)的正反轉(zhuǎn)，ena，enb 接控制使能端，控制電機(jī)的停轉(zhuǎn)。也利用單片機(jī)產(chǎn)生 pwm 信號接到 ena，enb 端子，對電機(jī)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行調(diào)節(jié)。 3.2.1 l298n 的邏輯功能： 表 3-3 sharp gp2d12 實(shí)物圖 滅火機(jī)器 人系統(tǒng)軟 件 電機(jī)控 制模塊 傳感器 模塊 滅火機(jī)器人設(shè)計 第 2 頁 共 26 頁 3.2.2 l298n 電路原理圖： 由于一片 l298n 可以直接驅(qū)動兩個電機(jī)，但是為了加大驅(qū)動力，我們采用兩路并聯(lián)的方式來驅(qū)動 電機(jī)。 圖 3.3 l298n 電路圖 3.3 避障

8、檢測傳感器 hs0038 3.3.1 hs0038 簡介： hs0038b -系列微型接收機(jī)紅外遙控器控制系統(tǒng)。 pin 二極管和前置上組裝引線框架，環(huán)氧包被 設(shè)計成紅外過濾器。該解調(diào)輸出信號可直接解碼的微處理器。hs0038b 是標(biāo)準(zhǔn)的紅外遙控接收器系列， 支持所有主要傳輸代碼。 滅火機(jī)器人設(shè)計 第 3 頁 共 26 頁 3.3.2 檢測原理： 紅外發(fā)射管發(fā)射出經(jīng)過調(diào)制過的 38khz 的紅外光，當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時，接收器收不到紅外光， 相反當(dāng)前方有障礙物時，接受器可以收到紅外光。根據(jù)此原理，機(jī)器人可以感知前方的路況從而決定 是否前行。 3.3.3 hs0038 與單片機(jī)連接原理圖： 圖 3

9、.3 h0038 電路圖 hs0038 內(nèi)部集成了紅外接收運(yùn)放驗(yàn)波電路帶通濾波（中心頻率）整形電路驅(qū)動 電路，通過加入 38k 的調(diào)制信號可使該電路抗干擾能力增強(qiáng)，減少了自然光的影響。其實(shí)在紅外發(fā)射 和 vcc 之間有一變位器,阻值為 25 歐左右此圖沒標(biāo)上. 3.4 地面灰度檢測傳感器 st188 3.4.1 檢測原理： st188 是紅外收發(fā)一體的器件，發(fā)射管發(fā)射出紅外光線，接收管就可以根據(jù)接收的紅外光線的強(qiáng) 弱，感知地面的灰度。由于此模擬房間的地面被處理成為黑白兩種顏色，通過比較器設(shè)置灰度的門限 值，可以很方便的感知地面的顏色，從而做出相應(yīng)的決策。 3.4.2 st188 原理圖： 12

10、3456 a b c d 654321 d c b a title numberr evisions ize b date:18-oct-2008s heet of f ile:c :pr ogr am f iles des ign e xplor er 99 s eexam ples m ydesign.ddbdrawn b y: u1 s t188 r 1 120r r 2 10k r 5 r es 2 r 3 1k vc c 1 2 67 8 u2a lm 324 116 2 r 4a 10k d1 led vc c vc c port vc c 圖 3-6 st188 電路圖 滅火機(jī)器

11、人設(shè)計 第 4 頁 共 26 頁 圖 3-7 l324 圖 lm324 是四運(yùn)放集成電路，它采用 14 腳雙列直插塑料封裝，外形如圖所示。它的內(nèi)部包含四組形式完 全相同的運(yùn)算放大器，除電源共用外，四組運(yùn)放相互獨(dú)立。 3.5 火焰?zhèn)鞲衅?此傳感器本品可廣泛應(yīng)用于滅火機(jī)器人比賽中測量火焰值、足球比賽時，用于確定足球的方向。 下圖為火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)物圖。 圖 3.8 火焰?zhèn)鞲衅鲗?shí)物圖 3.5.1 火焰?zhèn)鞲衅鞯氖褂?此傳感器具有優(yōu)良的火焰探測性能，可根據(jù)可見光、紅外光強(qiáng)弱變化輸出電平的大小。其輸出端 口是一個四針的插頭，其中黑色線為地線、紅色線為電源線（+5v） 、黃色線為信號線，用于輸出測量 的紅外光強(qiáng)

12、度電平、棕色線為信號線，用于輸出可見光強(qiáng)度電平。 第四章第四章 軟件設(shè)計軟件設(shè)計 4.1 滅火機(jī)器人行進(jìn)路線分析 當(dāng)小車處于起點(diǎn)，小車要開始搜索房間有兩種路徑可以選擇，一是不過臺階，繞著 4 號房間向外 搜索。二是直接過臺階，然后開始搜索。顯然直接過臺階可以節(jié)省很多的時間，路徑更短，因?yàn)槲覀?制作的小車為履帶結(jié)構(gòu)，結(jié)合我們小車的特點(diǎn)和前面分析，我們選擇過臺階。 過臺階后，小車處于 3 號和 4 號房間中間，由圖可知，沿著右走的方案比較好，因此我們采用是 右手規(guī)則，首先搜索的是 3 號房間，如圖中的紅色箭頭。當(dāng)在 3 號房間發(fā)現(xiàn)火源時，小車進(jìn)入房間并 滅火機(jī)器人設(shè)計 第 5 頁 共 26 頁 滅

13、火，滅火后按原路返回；如沒有發(fā)現(xiàn)火源，小車?yán)^續(xù)按右手規(guī)則搜索房間，直到搜索 4 號房間，不 管有沒有搜索到火源，從 4 號房間出來都繞著 4 號房間返回起點(diǎn)，因?yàn)榛丶疫^程中的時間不記入總時 間，而繞行比較安全，小車比較好控制。 1 2 3 4 滅滅火火路路線線回回家家路路線線 圖 4.1 滅火機(jī)器人行進(jìn)路線 滅火機(jī)器人設(shè)計 第 6 頁 共 26 頁 4.24.2 軟件流程圖軟件流程圖 開開始始 搜搜索索3 3號號房房間間 是是否否有有火火 搜搜索索2 2號號房房間間 是是否否有有火火 搜搜索索1 1號號房房間間 是是否否有有火火 搜搜索索4 4號號房房間間 是是否否有有火火 滅滅火火 火火已已

14、滅滅 3 3號號房房間間回回家家 4 4號號房房間間回回家家 停停止止 滅滅火火 火火已已滅滅 2 2號號房房間間回回家家 滅滅火火 火火已已滅滅 3 3號號房房間間回回家家 滅滅火火 火火已已滅滅 3 3號號房房間間回回家家 是 是 是 是 否 否 否 否 否 否 否 否 是 是 是 是 圖 4.2 滅火小車軟件設(shè)計流程圖 第五章第五章 調(diào)試記錄調(diào)試記錄 5.15.1 調(diào)試記錄調(diào)試記錄 前方傳感器檢測最佳距離 12cm ，500r 的電位器逆時鐘旋轉(zhuǎn)可加大發(fā)射管的發(fā)射功率，檢測距離 可變遠(yuǎn)。 地面灰度傳感器：測試距離 2.5cm,黑地面輸出電壓 1.3-1.5v；白紙輸出 3.8-4.5v；

15、 滅火機(jī)器人設(shè)計 第 7 頁 共 26 頁 前方火焰?zhèn)鞲衅髯钸h(yuǎn)測試距離 2.5m，此次使用有效距離 0.8m，輸出電壓 0.6v，探測角度+30。 轉(zhuǎn)彎： 動作延時常數(shù)動作延時常數(shù) 原地右轉(zhuǎn) 90 18 原地左轉(zhuǎn) 90 19 右后轉(zhuǎn) 180 37 左后轉(zhuǎn) 180 37 電池電壓:5v 供電的電壓不得低于 7.2v。 第五章第五章 實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)總結(jié)總結(jié) 通過滅火機(jī)器人的制作，我對機(jī)器人的組成和原理,傳感器有了全新的認(rèn)識。本次的滅火機(jī)器人 小車設(shè)計主要涉及到單片機(jī)開發(fā)、機(jī)器人組成和原理、電機(jī)與驅(qū)動、傳感器知識及程序算法設(shè)計等。 使用最多的是傳感器，傳感器是機(jī)器人的眼睛，只有傳感器正確的識別道路，機(jī)器人

16、才能正確搜尋房 間。因此傳感器的設(shè)置很重要，須多次調(diào)試得出最佳參數(shù)值，如電壓值、測試距離、探測角度等。在 整個實(shí)驗(yàn)過程中是最關(guān)鍵、最麻煩的就是系統(tǒng)的整體調(diào)試，我要調(diào)節(jié)各個參數(shù)，保證車子能正常完成 各個功能。同時還要考慮出現(xiàn)的各種不良因素，這要求制作的機(jī)器人的適應(yīng)能力好,到達(dá)現(xiàn)場時需要調(diào) 整的參數(shù)越少越好。 在控制機(jī)器人小車精確轉(zhuǎn)彎時一定要使用相關(guān)硬件器件進(jìn)行控制，比如指南針或者采用好的算法 不需要進(jìn)行精確轉(zhuǎn)彎。還要考慮機(jī)器人的行走路徑的選擇，因?yàn)槲覀冎谱鞯男≤嚍槁膸ЫY(jié)構(gòu)，結(jié)合我 們小車的特點(diǎn)和前面分析，我們選擇過臺階直接過臺階，然后開始搜索。顯然直接過臺階可以節(jié)省很 多的時間，路徑更短。通過本

17、次設(shè)計，將我把所學(xué)的理論知識真正應(yīng)用到實(shí)際當(dāng)中，不僅加深了對理 論知識的理解，同時還進(jìn)行了拓展、發(fā)散。在整個過程中，我體會到了知識的無窮力量。 參考參考工具工具 1 國際賽制機(jī)器人滅火比賽規(guī)則.pdf 2 李全利、遲榮強(qiáng). 單片機(jī)原理及接口技術(shù). 北京：高等教育出版社，2004.1 3 譚浩強(qiáng). c 程序設(shè)計(第二版). 北京：清華大學(xué)出版社，1999.12 4 童詩白、華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版). 北京：高等教育出版社，2003.12 滅火機(jī)器人設(shè)計 第 8 頁 共 26 頁 5 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分(第四版). 北京： 高等教育出版社，1900.1 6 黃智偉. 全國

18、大學(xué)生電子設(shè)計競賽電路設(shè)計. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.12 7 黃智偉. 全國大學(xué)生電子設(shè)計競賽系統(tǒng)設(shè)計. 北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2006.12 8 文艷、譚鴻. protel 99 se 電子電路設(shè)計. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.8 百度等等 附錄附錄 1:1: 程序清單程序清單 #include #define uchar unsigned char #define uint unsi sbit led1=p15; /紅外發(fā)射管 sbit led2=p16; gned int / sbit led3=p37; sbit s1=p11; /紅外接收管 sbit

19、s2=p12; sbit s3=p14; /sbit s4=p13; /sbit s5=p14; sbit styou=p00; sbit stzu sbit huo=p20; o=p01; sbit feng=p07; sbit en1=p22; /電機(jī) 1 /* l298 的 enable a */ sbit en2=p25; /電機(jī) 2 sbit in1_1=p23; /* l298_1 的 input 1 *左* */ sbit in1_2=p24; /* l298_1 的 input 2 */ sbit in2_1=p26; /* l298_2 的 input 1 *右* */ sb

20、it in2_2=p27;/* l298_2 的 input 2 */ uchar t=0; /* pwm 調(diào)速中斷計數(shù)器 */ uchar suozuo=100; /* 電機(jī)速度值 參數(shù)：0100 */ uchar suoyou=54; 滅火機(jī)器人設(shè)計 第 9 頁 共 26 頁 uchar i=0 ; uchar k=0; /房間標(biāo)志變量 uchar h=0; uchar m=0; void stop(); void tiaoyou(); void tiaozuo(); void qian(); void delay(uint); void zuo(); void you(); void si(); void tiaohuo(); void pao(); void init(); void dus(uchar); void tiaohui(); void hui1(); void hui2(); void hui3(); void hui4(); void zhao(); void qian() in1_1=1; in1_2=0; in2_1=1;