滅火機(jī)器人總結(jié)報告

./信息工程學(xué)院CDIO指導(dǎo)老師：申小頌組員：建、白蘭、曉曦、勛、湯泉、馬娜、艷鵬20.摘要本題設(shè)計一個智能滅火小車,以宏晶公司生產(chǎn)的STC12C5A60S2芯片為核心,輔助必要的外圍電路〔包括舵機(jī)控制、電機(jī)控制、紅外接收、驅(qū)動,利用C語言編程,實現(xiàn)了智能車自動尋找火源〔以下簡稱自動模式以及由遙控方式尋找火源〔以下簡稱遙控模式兩種滅火模式,在自動模式下,小車能夠自己尋找火源并主動向火源靠近；在遙控模式下,小車能由遙控者控制尋找火源并進(jìn)行滅火。關(guān)鍵詞：滅火STC12C5A.目錄1系統(tǒng)方案11.1電源模塊11.2舵機(jī)驅(qū)動模塊11.3電機(jī)驅(qū)動的論證與選擇11.3主控芯片的論證與選擇21.4火源尋找模塊的論證與選擇31.5遙控模塊的論證與選擇32系統(tǒng)理論分析與計算32.1電機(jī)控制電路的分析32.1.1電機(jī)驅(qū)動控制的分析3脈沖寬度的分析42.2舵機(jī)原理的分析42.2.1舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度原理42.3紅外編碼原理的分析52.3.1編碼原理53電路與程序設(shè)計63.1電路的設(shè)計6系統(tǒng)總體框圖6單片機(jī)系統(tǒng)框圖與電路原理圖6電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)框圖與電路原理圖7紅外接收原理圖8電源93.2程序的設(shè)計9程序功能描述與設(shè)計思路9程序流程圖9附錄1：系統(tǒng)電路原理圖13.智能滅火機(jī)器人1系統(tǒng)方案本系統(tǒng)主要由電源模塊、電機(jī)驅(qū)動模塊、舵機(jī)驅(qū)動模塊、火源尋找模塊、遙控模塊、主控芯片組成,下面分別論證這幾個模塊的選擇。1.1電源模塊方案一：采用1117穩(wěn)壓芯片將電池7.8V電壓穩(wěn)到5V供給單片機(jī)、紅外及舵機(jī)。此方案設(shè)計簡單,成本低。但是1117芯片最大承受電流不到1A,不能穩(wěn)定供給給紅外及舵機(jī)。方案二：采用2596芯片制作的開關(guān)電源為整個系統(tǒng)供電,2596芯片最大輸出電流達(dá)3A,可以供給整個系統(tǒng)足夠電流。但是此電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜,成本高。且用一個電源芯片會造成相互影響。特別是舵機(jī)、電機(jī)轉(zhuǎn)動可能導(dǎo)致對單片機(jī)供電不穩(wěn)定。方案三：采用雙電源供電,利用1117芯片只跟單片機(jī)供電。電機(jī)模塊、舵機(jī)模塊以及紅外模塊通過7805線性電源芯片為其供電。此方案電路結(jié)構(gòu)簡單,成本適中,并且減小了各個模塊間的相互影響,增強(qiáng)系統(tǒng)穩(wěn)定性。綜上所述,分析各個方案有確定及實際應(yīng)用情況,我們選擇方案三作為電源模塊方案。1.2舵機(jī)驅(qū)動模塊舵機(jī)轉(zhuǎn)動自身會產(chǎn)生微弱電流,反饋給電源模塊造成電壓不穩(wěn)定。所以不能與單片機(jī)用同一個電源芯片,我們在電源模塊選擇時選擇雙電源供電,解決了這一問題。舵機(jī)直接由7805線性電源芯片供電。1.3電機(jī)驅(qū)動的論證與選擇方案一：采用L298N驅(qū)動直流電動機(jī),該芯片是利用TTL電平進(jìn)行控制,對電機(jī)的操作方便,通過改變芯片控制端的輸入電平,即可以對電機(jī)進(jìn)行正反轉(zhuǎn)操作,很方便單片機(jī)的操作,亦能滿足直流減速電機(jī)的要求。采用L298N少占用的空間且不容易產(chǎn)生信號干擾<電機(jī)驅(qū)動如圖1.3所示>。圖1.3電機(jī)驅(qū)動電路方案二：采用分立元件組成的平衡式驅(qū)動電路,這種電路可以由單片機(jī)直接對其進(jìn)行操作,但由于分立元件占用的空間比較大,容易產(chǎn)生信號干擾,且還要配上兩個繼電器,考慮到小車運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性問題,此方案不夠理想。綜合考慮采用方案一：采用L298N驅(qū)動直流電動機(jī)。1.3主控芯片的論證與選擇方案一：采用Atmel公司的AT89c52RC單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。單片機(jī)算術(shù)運(yùn)算功能強(qiáng),軟件編程靈活,可用軟件較簡單的實現(xiàn)各種算術(shù)和邏輯控制,并且由于其成本低,體積小和功耗低等優(yōu)點,使其在各個領(lǐng)域應(yīng)用廣泛；另外,由于本設(shè)計中會用到較多的算術(shù)運(yùn)算,所以對本系統(tǒng)來說非常適合利用單片機(jī)作為控制器。方案二：采用Atmel公司的STC12C5A60S2單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制器。綜合考慮,本系統(tǒng)所需處理的信息量比較大,并且要用到AD采集模塊,所以采用方案二作為本系統(tǒng)控制芯片。1.4火源尋找模塊的論證與選擇方案一：采用溫度傳感器作為火源尋找模塊的主要傳感器,利用火源外圍溫度比常溫高這一特點尋找火源。此方案雖然易于理解但是溫度傳感器穩(wěn)定性差,在不同室溫下門限值要求不同,適應(yīng)性差。并且火源外圍溫度變化圍窄,不適合遠(yuǎn)距離尋找火源。方案二：采用紅外接收頭作為火源尋找模塊的主要傳感器,利用接收紅外光的不同尋找火源,經(jīng)試驗,紅外接收頭在對準(zhǔn)火源時電阻變化很大,很利于信號采集。而且電路結(jié)構(gòu)簡單,編程容易。缺點在于適應(yīng)性差,等熱光源對其影響較大。綜合考慮所有因素,我們選擇方案二作為火源尋找模塊的方案。1.5遙控模塊的論證與選擇 方案一：采用24L01無線射頻收發(fā)芯片作為遙控模塊主芯片,此芯片有效距離長并且外界對其干擾小。但是成本高,需要兩塊芯片作為發(fā)送和接受,并且電路復(fù)雜,編程困難。不容易調(diào)試,出問題不易找出問題所在。 方案二：利用紅外編碼遙控,此方案結(jié)構(gòu)簡單,只需一個普通紅外遙控器及0038接收頭就能實現(xiàn)遙控,成本低,編程容易,調(diào)試方便。缺點在于外界影響比較大。 綜合考慮兩種方案的優(yōu)缺點以及實際情況,我們選擇方案二作為最終方案。2系統(tǒng)理論分析與計算2.1電機(jī)控制電路的分析電機(jī)驅(qū)動控制的分析L298N是SGS公司的產(chǎn)品,部含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機(jī)專用驅(qū)動器,即含二個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,可以驅(qū)動46V、2A一下的電機(jī)。表1LIN1IN2ENA電機(jī)狀態(tài)XX0停止101順時針011逆時針000停止110停止脈沖寬度的分析脈沖寬度調(diào)制〔PWM是一種對模擬信號電平進(jìn)行數(shù)字編碼的方法。通過高分辨率計數(shù)器的使用,方波的占空比被調(diào)制用來對一個具體模擬信號的電平進(jìn)行編碼。PWM信號仍然是數(shù)字的,因為在給定的任何時刻,滿幅值的直流供電要么完全有<ON>,要么完全無<OFF>。電壓或電流源是以一種通<ON>或斷<OFF>的重復(fù)脈沖序列被加到模擬負(fù)載上去的。通的時候即是直流供電被加到負(fù)載上的時候,斷的時候即是供電被斷開的時候。只要帶寬足夠,任何模擬值都可以使用PWM進(jìn)行編碼。2.2舵機(jī)原理的分析舵機(jī)轉(zhuǎn)動角度原理控制電路板接受來自信號線的控制信號〔具體信號待會再講,控制電機(jī)轉(zhuǎn)動,電機(jī)帶動一系列齒輪組,減速后傳動至輸出舵盤。舵機(jī)的輸出軸和位置反饋電位計是相連的,舵盤轉(zhuǎn)動的同時,帶動位置反饋電位計,電位計將輸出一個電壓信號到控制電路板,進(jìn)行反饋,然后控制電路板根據(jù)所在位置決定電機(jī)的轉(zhuǎn)動方向和速度,從而達(dá)到目標(biāo)停止。舵機(jī)的基本結(jié)構(gòu)是這樣,但實現(xiàn)起來有很多種。例如電機(jī)就有有刷和無刷之分,齒輪有塑料和金屬之分,輸出軸有滑動和滾動之分,殼體有塑料和鋁合金之分,速度有快速和慢速之分,體積有大中小三種之分等等,組合不同,價格也千差萬別。例如,其中小舵機(jī)一般稱作微舵,同種材料的條件下是中型的一倍多,金屬齒輪是塑料齒輪的一倍多。需要根據(jù)需要選用不同類型。舵機(jī)的輸入線共有三條,紅色中間,是電源線,一邊黑色的是地線,這輛根線給舵機(jī)提供最基本的能源保證,主要是電機(jī)的轉(zhuǎn)動消耗。電源有兩種規(guī)格,一是4.8V,一是6.0V,分別對應(yīng)不同的轉(zhuǎn)矩標(biāo)準(zhǔn),即輸出力矩不同,6.0V對應(yīng)的要大一些,具體看應(yīng)用條件；另外一根線是控制信號線,Futaba的一般為白色,JR的一般為桔黃色。另外要注意一點,SANWA的某些型號的舵機(jī)引線電源線在邊上而不是中間,需要辨認(rèn)。但記住紅色為電源,黑色為地線,一般不會搞錯。舵機(jī)的控制信號為周期是20ms的脈寬調(diào)制〔PWM信號,其中脈沖寬度從0.5ms-2.5ms,相對應(yīng)舵盤的位置為0－180度,呈線性變化。也就是說,給它提供一定的脈寬,它的輸出軸就會保持在一個相對應(yīng)的角度上,無論外界轉(zhuǎn)矩怎樣改變,直到給它提供一個另外寬度的脈沖信號,它才會改變輸出角度到新的對應(yīng)的位置上。舵機(jī)部有一個基準(zhǔn)電路,產(chǎn)生周期20ms,寬度1.5ms的基準(zhǔn)信號,有一個比較器,將外加信號與基準(zhǔn)信號相比較,判斷出方向和大小,從而產(chǎn)生電機(jī)的轉(zhuǎn)動信號。由此可見,舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器,轉(zhuǎn)動圍不能超過180度,適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅(qū)動當(dāng)中。2.3紅外編碼原理的分析2.3.1編碼原理WD6122所發(fā)射的一幀碼含有一個引導(dǎo)碼,16位的用戶編碼和8位的鍵數(shù)據(jù)碼、鍵數(shù)據(jù)碼的反碼也同時被傳送。碼型結(jié)構(gòu)如下：引導(dǎo)碼由一個9ms的載波波形和4.5ms的關(guān)斷時間構(gòu)成,它作為隨后發(fā)射的碼的引導(dǎo),這樣當(dāng)接收系統(tǒng)是由微處理器構(gòu)成的時候,能更有效地處理碼的接收與檢測及其它各項控制之間的時序關(guān)系。編碼采用脈沖位置調(diào)制方式〔PPM。利用脈沖之間的時間間隔來區(qū)分"0”和"1”。每次83電路與程序設(shè)計3.1電路的設(shè)計系統(tǒng)總體框圖系統(tǒng)總體框圖如圖所示主系統(tǒng)板主系統(tǒng)板紅外接收遙控接收舵機(jī)驅(qū)動電機(jī)驅(qū)動遙控板系統(tǒng)總體框圖單片機(jī)系統(tǒng)框圖與電路原理圖1、單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖單片機(jī)最小系統(tǒng)采用宏晶公司的STC12C5A60S2單片機(jī),核心板采用5V輸入,采用12M有源晶振。核心板13只I/O口引出,便于與外圍器件的連接及系統(tǒng)擴(kuò)展。單片機(jī)最小系統(tǒng)框圖如圖圖1：單片機(jī)系統(tǒng)原理圖電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)框圖與電路原理圖

L298N部包含4信道邏輯驅(qū)動電路,是一種二相和四相步進(jìn)電機(jī)的專用驅(qū)動器,可同時驅(qū)動2個二相或1個四相步進(jìn)電機(jī),含二個H-Bridge的高電壓、大電流雙全橋式驅(qū)動器,接收標(biāo)準(zhǔn)。TL邏輯準(zhǔn)位信號,可驅(qū)動46V、2A以下的步進(jìn)電機(jī),且可以直接透過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓從而控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。原理圖如圖2所示。圖2：電機(jī)驅(qū)動原理圖紅外接收原理圖本系統(tǒng)一共設(shè)置了2個紅外接收頭,左右各一個用于火源尋找。圖3：紅外接收原理圖電源1117電源：7805電源：3.2程序的設(shè)計程序功能描述與設(shè)計思路1、程序功能描述程序包括舵機(jī)角度控制,電機(jī)轉(zhuǎn)速控制,紅外解碼,紅外接收等功能模塊。實現(xiàn)兩種尋火模式。在遙控模式下,紅外接收模塊停止工作,機(jī)器人只由遙控者控制前往火源出進(jìn)行滅火。在自動模式下,機(jī)器人自主尋找火源,自主前往火源處,此時遙控者隨時可以中斷自動模式改為遙控模式。程序流程圖1、主程序流程圖啟動啟動初始化遙控模式自動模式模式選擇遙控器控制小車滅火紅外接收模塊控制小車停止.附錄1：系統(tǒng)電路原理圖系統(tǒng)電路PCB紅外接模塊PCB驅(qū)動模塊PCB附件二：程序代碼.#include<reg51.h>#include<intrins.h>#defineucharunsignedchar#defineuintunsignedintsfrP1ASF=0X9D;//P1口選擇功能寄存器sfrADC_CONTR=0XBC;//ADC控制寄存器sfrADC_RES=0XBD;//ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器高sfrADC_RESL=0XBE;//ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果寄存器低sfrAUXR1=0XA2;//ADC轉(zhuǎn)換結(jié)果調(diào)整位sfrCMOD=0xD9;//PCA工作模式寄存器sfrCCON=0xD8;//PCA控制寄存器//sfrCR=CCON^6;sfrCCAPM0=0xDA; //PCA0比較捕獲寄存器sfrCCAPM1=0xDB;//PCA1比較捕獲寄存器sfrCL=0xE9;//PCA的十六位計數(shù)器低八位CLsfrCH=0xF9; //PCA的十六位計數(shù)器高八位CHsfrCCAP0L=0xEA; //PCA捕捉比較寄存器sfrCCAP1L=0xEB;sfrCCAP0H=0xFA;sfrCCAP1H=0xFb;sfrPCA_PWM0=0xF2;//PCA模塊PWM寄存器sfrPCA_PWM1=0xF3;//PCA模塊PWM寄存器ucharLCD_ID_1[16]={"miehuoxiaoche"};ucharLCD_ID_2[16]={"IRCODE:--H"};uintADC_Result[3]; //AD轉(zhuǎn)換結(jié)果存儲ucharCYCLE; //定義周期ucharPWM_ON=0; //定義低電平時間ucharIRCOM[7];ucharkeys=0xff,x;intmie=0;voidPWM_Init<void>;voidADC_init0<void>; //P1.0口AD轉(zhuǎn)換初始化voidADC_init1<void>;//P1.1口AD轉(zhuǎn)換初始化voidADC_init2<void>; //P1.2口AD轉(zhuǎn)換初始化voidDelay<uintx>;//延時函數(shù)voiddelay<ucharx>;//x*0.14MSvoiddelay1<intms>;voidDelay<uintz>;//延時函數(shù)voiddang<>;sbitdj1in1=P1^3; //電機(jī)接口1IN1sbitdj1in2=P1^4; //電機(jī)接口1IN2sbitpz1=P3^2; //碰撞開關(guān)接口1sbitpz2=P3^4; //碰撞開關(guān)接口2sbitIRIN=P3^3;//紅外接收器數(shù)據(jù)線sbitPWM=P3^6; //定義舵機(jī)的控制端口sbitfeng=P2^0;sbitE=P2^7; //1602使能引腳sbitRW=P2^6; //1602讀寫引腳sbitRS=P2^5; //1602數(shù)據(jù)/命令選擇引腳sbitring=P2^4;voidqian<>;voidhou<>;voidzuo<>;voidyou<>;voidstop<>;voidzidong<>;voidmiehuokai<>;voidmiehuoguan<>;/*********************************************************************名稱:delay<>*功能:延時,延時時間大概為140US。*輸入:無*輸出:無***********************************************************************/voidDelay2<>{ inti,j; for<i=0;i<=10;i++> for<j=0;j<=2;j++>;}/*********************************************************************名稱:enable<uchardel>*功能:1602命令函數(shù)*輸入:輸入的命令值*輸出:無***********************************************************************/voidenable<uchardel>{ P0=del; RS=0; RW=0; E=0; Delay2<>; E=1; Delay2<>;}/*********************************************************************名稱:write<uchardel>*功能:1602寫數(shù)據(jù)函數(shù)*輸入:需要寫入1602的數(shù)據(jù)*輸出:無***********************************************************************/voidwrite<uchardel>{ P0=del; RS=1; RW=0; E=0; Delay2<>; E=1; Delay2<>;}/*********************************************************************名稱:L1602_init<>*功能:1602初始化,請參考1602的資料*輸入:無*輸出:無***********************************************************************/voidL1602_init<void>{ enable<0x01>; enable<0x38>; enable<0x0c>; enable<0x06>; enable<0xd0>;}/*********************************************************************名稱:L1602_char<ucharhang,ucharlie,charsign>*功能:改變液晶中某位的值,如果要讓第一行,第五個字符顯示"b",調(diào)用該函數(shù)如下 L1602_char<1,5,'b'>*輸入:行,列,需要輸入1602的數(shù)據(jù)*輸出:無***********************************************************************/voidL1602_char<ucharhang,ucharlie,charsign>{ uchara; if<hang==1>a=0x80; if<hang==2>a=0xc0; a=a+lie-1; enable<a>; write<sign>;}/*********************************************************************名稱:L1602_string<ucharhang,ucharlie,uchar*p>*功能:改變液晶中某位的值,如果要讓第一行,第五個字符開始顯示"abcdef",調(diào)用該函數(shù)如下 L1602_string<1,5,"abcdef;">*輸入:行,列,需要輸入1602的數(shù)據(jù)*輸出:無***********************************************************************/voidL1602_string<ucharhang,ucharlie,uchar*p>{ uchara; if<hang==1>a=0x80; if<hang==2>a=0xc0; a=a+lie-1; enable<a>; while<1> { if<*p=='\0'>break; write<*p>; p++; }}voidTime0<void>{ TMOD|=0x01; //定時器設(shè)置1msin12Mcrystal TH0=<65536-250>/256; TL0=<65536-250>%256;//定時0.25mS //打開中斷 TR0=1; //定時器打開}voidTime1<void>{ TMOD|=0x01; //定時器設(shè)置1msin12Mcrystal TH0=<65536-250>/256; TL0=<65536-250>%256;//定時0.25mS //打開中斷 TR0=1; //定時器打開}/*******************************************************************/main<>{ Time0<>;IE=0x86;//允許總中斷中斷,使能INT1外部中斷TCON=0x10;//觸發(fā)方式為脈沖負(fù)邊沿觸發(fā) CYCLE=81; PWM=0;IRIN=1;//I/O口初始化 feng=0;delay1<10>;//延時L1602_init<>;//初始化LCD L1602_string<1,1,LCD_ID_1>; 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TH0=<65536-250>/256; TL0=<65536-250>%256;//定時1mS if<count==PWM_ON> { PWM=1; //直流電機(jī)轉(zhuǎn) } count++; if<count==CYCLE> { count=0; if<PWM_ON!=0>//如果左右時間是0保持原來狀態(tài) { PWM=0;//直流電機(jī)不轉(zhuǎn) } }}/**********************************************************/voiddelay<unsignedcharx>//x*0.14MS{unsignedchari,j;while<x-->{for<j=0;j<12;j++>{for<i=0;i<13;i++>{}}}}/**********************************************************/voiddelay1<intms>{unsignedchary;while<ms-->{for<y=0;y<250;y++>{_nop_<>;_nop_<>;_nop_<>;_nop_<>;}}}voidqian<>{ PWM_ON=73;CCAP0H=CCAP0L=x; CCAP1H=CCAP1L=0xff;}voidhou<>{ CCAP1H=CCAP1L=x; CCAP0H=CCAP0L=0xff;}voidyou<>{ PWM_ON=71;}voidzuo<>{ PWM_ON=75;}voidstop<>{ CCAP0H=CCAP0L=0xff; CCAP1H=CCAP0L=0xff;}voidzidong<>{ CCAP0H=CCAP1L=0x50; CCAP1H=CCAP1L=0xff; ADC_init0<>; _nop_<>; _nop_<>; ADC_init1<>; _nop_<>; _nop_<>; ADC_init2<>; _nop_<>; _nop_<>; CCAP0H=CCAP0L=0x50; CCAP1H=CCAP1L=0xff; if<ADC_Result[0]>ADC_Result[1]+50> { PWM_ON=75; ring=0; } elseif<ADC_Result[1]>ADC_Result[0]+50> { PWM_ON=71; ring=0; } else { PWM_ON=73; } /*if<<ADC_Result[2]>ADC_Result[1]>&&<ADC_Result[2]>ADC_Result[0]>> { PWM_ON=71; }*/}voidPWM_Init<void> //PWM初始化程序{ CCON=0; CL=0; CH=0; CMOD=0x02; //計數(shù)模式、計數(shù)時鐘選擇 CCAP0H=CCAP0L=0Xff; CCAPM0=0x42; //使能PCA模塊工作在PWM模塊 CCAP1H=CCAP1L=0Xff; //PCA_PWM1=0x03; CCAPM1=0x42; //使能PCA模塊工作在PWM模塊 CCON=0X40;} /**************P1.0口AD初始化程序***********************************/voidADC_init0<void> //AD轉(zhuǎn)換初始化{ uintADC_Result1,ADC_Result2,a; ADC_RES=0; ADC_RESL=0; for<a=0;a<20;a++>; P1ASF=0X07;//X選擇P1.0作為ADC轉(zhuǎn)換輸入通道 ADC_CONTR=0X80; //打開ADC轉(zhuǎn)換電源 _nop_<>; _nop_<>; AUXR1=0X04; //將高兩位存放在寄存器ADC_RES,低八位存放在寄存器ADC_RESL中 ADC_CONTR|=0