1、 PAGE14 / NUMPAGES16 名稱：家庭滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)報(bào)告 學(xué) 院：電子與信息工程學(xué)院目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc244531662第一章緒論 PAGEREF _Toc244531662 h 1HYPERLINK l _Toc2445316631.1課題背景 PAGEREF _Toc244531663 h 1HYPERLINK l _Toc2445316641.2 實(shí)現(xiàn)功能 PAGEREF _Toc244531664 h 1HYPERLINK l _Toc244531666第二章系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc244531666

2、h 2 HYPERLINK l _Toc244531667 2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc244531667 h 2 HYPERLINK l _Toc244531668 2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc244531668 h 2HYPERLINK l _Toc244531669第三章 硬件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc244531669 h 3HYPERLINK l _Toc2445316703.1電源管理模塊 PAGEREF _Toc244531670 h 3HYPERLINK l _Toc2445316723.1.1電源模塊電路原理圖 PAGEREF _Toc

3、244531672 h 3HYPERLINK l _Toc2445316733.2電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 L298N PAGEREF _Toc244531673 h 4HYPERLINK l _Toc2445316763.2.1.L298N電路原理圖： PAGEREF _Toc244531676 h 5HYPERLINK l _Toc2445316773.3避障檢測傳感器 HS0038 PAGEREF _Toc244531677 h 5HYPERLINK l _Toc2445316783.3.1 HS0038簡介： PAGEREF _Toc244531678 h 5HYPERLINK l _Toc244

4、5316803.3.3 檢測原理： PAGEREF _Toc244531680 h 5HYPERLINK l _Toc2445316813.3.4 HS0038與單片機(jī)連接原理圖： PAGEREF _Toc244531681 h 6HYPERLINK l _Toc2445316823.4地面灰度檢測傳感器 ST188 PAGEREF _Toc244531682 h 6HYPERLINK l _Toc2445316843.4.2 檢測原理： PAGEREF _Toc244531684 h 6HYPERLINK l _Toc2445316853.4.3 應(yīng)用圍： PAGEREF _Toc24453

5、1685 h 6HYPERLINK l _Toc2445316873.4.5 ST188原理圖： PAGEREF _Toc244531687 h 7HYPERLINK l _Toc2445316883.5火焰?zhèn)鞲衅?PAGEREF _Toc244531688 h 7HYPERLINK l _Toc2445316893.5.1火焰?zhèn)鞲衅魇褂?PAGEREF _Toc244531689 h 7HYPERLINK l _Toc244531690第四章 軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc244531690 h 8HYPERLINK l _Toc2445316914.1 滅火機(jī)器人行進(jìn)路線分析 PAGE

6、REF _Toc244531691 h 8HYPERLINK l _Toc2445316924.2 軟件流程圖 PAGEREF _Toc244531692 h 9HYPERLINK l _Toc244531693第五章 調(diào)試記錄 PAGEREF _Toc244531693 h 10HYPERLINK l _Toc2445316945.1 調(diào)試記錄 PAGEREF _Toc244531694 h 10第六章HYPERLINK l _Toc244531695實(shí)驗(yàn)心得 PAGEREF _Toc244531695 h 10HYPERLINK l _Toc244531696參考文獻(xiàn) PAGEREF _T

7、oc244531696 h 12HYPERLINK l _Toc244531697附錄1: 程序清單 PAGEREF _Toc244531697 h 13HYPERLINK l _Toc244531698附錄2: 滅火機(jī)器人實(shí)物圖與滅火場地 PAGEREF _Toc244531698 h 26 第一章 緒論1.1課題背景隨著社會(huì)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(xiǎn)救災(zāi)的行列。滅火機(jī)器人是一個(gè)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

8、制造一個(gè)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(dòng)，找到一根蠟燭并盡快將它熄滅，這個(gè)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(gè)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 系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)本次設(shè)計(jì)的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)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(jì)使用的主控芯片使用了STC89C52單片機(jī)，所以設(shè)計(jì)重點(diǎn)在傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)上。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖MCU小車電機(jī)驅(qū)動(dòng)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(jì)框圖2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)

9、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(jì)與實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)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(jì)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2.2所示。轉(zhuǎn)彎子程序滅火機(jī)器人系統(tǒng)軟件電機(jī)控制模塊傳感器模塊前進(jìn)子程序停止子程序ST188子程序序4序HS0038子程序火焰子程序圖2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖第三章 硬件設(shè)計(jì)3.1電源管理模塊電源是任何一個(gè)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)與所有的傳感器系統(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)

10、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(dòng)芯片 L298NL298N是SGS公司的產(chǎn)品，部包含4通道邏輯驅(qū)動(dòng)電路。是一種二相和四相電機(jī)的專用驅(qū)動(dòng)器，即含二個(gè)H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn)TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動(dòng)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(dòng)2個(gè)電機(jī)，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接2個(gè)電動(dòng)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

11、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3.2.2 L298N電路原理圖：由于一片L298N可以直接驅(qū)動(dòng)兩個(gè)電機(jī)，但是為了加大驅(qū)動(dòng)力，我們采用兩路并聯(lián)的方式來驅(qū)動(dòng)電機(jī)。圖3.3 L298N電路圖 3.3避障檢測傳感器 HS00383.3.1 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(jì)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。3.3.2 檢測原理：紅外發(fā)射管發(fā)射

12、出經(jīng)過調(diào)制過的38KHZ的紅外光，當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時(shí)，接收器收不到紅外光，相反當(dāng)前方有障礙物時(shí)，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3.3 H0038電路圖HS0038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(dòng)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 ST1883.4.1 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

13、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：圖3-6 ST188電路圖圖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。它的部包含四組形式完全一樣的運(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)鞲衅鞔藗鞲衅鞅酒房蓮V泛應(yīng)用于滅火機(jī)器人比賽中測量火焰值、足球比賽時(shí)，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)鞲衅鞯氖褂么藗鞲衅骶哂袃?yōu)良的火焰探測性能，可根據(jù)可見光、紅外光強(qiáng)弱變化

14、輸出電平的大小。其輸出端口是一個(gè)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)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 軟件設(shè)計(jì)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(shí)間，路徑更短，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。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

15、號房間發(fā)現(xiàn)火源時(shí)，小車進(jìn)入房間并滅火，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(shí)間不記入總時(shí)間，而繞行比較安全，小車比較好控制。圖4.1 滅火機(jī)器人行進(jìn)路線4.2 軟件流程圖圖4.2 滅火小車軟件設(shè)計(jì)流程圖 第五章 調(diào)試記錄5.1 調(diào)試記錄前方傳感器檢測最佳距離12cm ，500R的電位器逆時(shí)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；前方火焰?zhèn)鞲衅髯钸h(yuǎn)測試距離2.5m，此次使用有效距

16、離0.8m，輸出電壓0.6V，探測角度+30。轉(zhuǎn)彎：動(dòng)作延時(shí)常數(shù)動(dòng)作延時(shí)常數(shù)原地右轉(zhuǎn)9018原地左轉(zhuǎn)9019右后轉(zhuǎn)18037左后轉(zhuǎn)18037電池電壓:5V供電的電壓不得低于7.2V。 第五章 實(shí)驗(yàn)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(jì)主要涉與到單片機(jī)開發(fā)、機(jī)器人組成和原理、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)、傳感器知識與程序算法設(shè)計(jì)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(gè)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

17、，我要調(diào)節(jié)各個(gè)參數(shù)，保證車子能正常完成各個(gè)功能。同時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)間，路徑更短。通過本次設(shè)計(jì)，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(shí)還進(jìn)行了拓展、發(fā)散。在整個(gè)過程中，我體會(huì)到了知識的無窮力量。參考工具1 國際賽制機(jī)器人滅

18、火比賽規(guī)則.PDF2 全利、遲榮強(qiáng). 單片機(jī)原理與接口技術(shù). ：高等教育，2004.13 譚浩強(qiáng). C程序設(shè)計(jì)(第二版). ：清華大學(xué)，1999.124 童詩白、華成英. 模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)(第三版). ：高等教育，2003.12 5 康華光. 電子技術(shù)基礎(chǔ) 數(shù)字部分(第四版). ： 高等教育，1900.16 黃智偉. 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽電路設(shè)計(jì). ：航空航天大學(xué)，2006.127 黃智偉. 全國大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽系統(tǒng)設(shè)計(jì). ：航空航天大學(xué)，2006.12 8 文艷、譚鴻. Protel 99 SE電子電路設(shè)計(jì). ：機(jī)械工業(yè)，2006.8百度等等附錄1: 程序清單 #include #def

19、ine 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 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=

20、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* */ sbit in2_2=P27;/* L298_2的Input 2 */ uchar t=0; /* pwm調(diào)速中斷計(jì)數(shù)器 */ uchar suozuo=100; /* 電機(jī)速度值 參數(shù)：0100 */ uchar suoyou=54;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 h