灭火小车控制系统毕业设计论文文档格式.docx
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通过它可以使学生将理论与实践紧密地结合起来,提高学生的动手能力、创造能力、协作能力和综合能力。
目前国家所提倡的素质教育中,能力培养是核心。
灭火小车提供了一个对学生的能力进行培养的大舞台。
对推动高校的科技创新和产学研一体化产生了积极作用,也为提高我国在智能机器领域的国际地位做出了积极贡献。
1.2 国内国际研究现状
我国的机器人研究开发工作始于20世纪70年代初,到现在已经历了30年的历程。
前10年处于研究单位自行开展研究工作状态,发展比较缓慢。
1985年后开始列入国家有关计划,发展比较快。
在机器人基础技术方面:
诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究,机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究,机器人内外部传感器的研究与开发,具有多传感器控制系统的研究,离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展,并在实际工作中得到应用。
在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面:
诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压(气动)元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。
但这些元部件距批量化生产还有一段距离。
我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现,并给用户带来显著效益。
随着我国工业企业自动化水平的不断提高,机器人自动化线的市场也会越来越大,并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。
我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步,而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期,这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。
据预测,目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等,年需求此类自动化线就达300多条,产值约为上百亿元人民币。
我国消防装备研究部门从1997年开始对消防灭火机器人进行科研开发,2002年6月,由公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海消防局三家单位共同承担的国家863项目"
履带式、轮式消防灭火机器人"
研制成功并顺利通过国家验收。
消防灭火机器人,又称自行式水-泡沫消防炮,是一种结合多种消防灭火手段为一体的新型消防装备。
2002年9月8日,灭火机器人参加公安消防部队北京协作区反恐演习中受到公安部消防局陈家强局长的高度评价;
2002年我国云南、湖北省相继配备灭火机器人;
2003年9月,灭火机器人在湖北省首次投入实战;
2003年10月,我国江苏省、香港地区、马来西亚开始大规模配备消防灭火机器人。
我国灭火小车科研事业从实验室走向生产车间最终战斗在火场一线,为我国消防装备的发展注入了新鲜血液,填补了国内空白。
消防的社会意义在于它将对人类生存安全作为终极关怀,消防装备作为一种重要的火灾扑救手段,已经在消防灭火救援中显示越来越重要的作用。
消防装备科研应始终贯彻"
从火场中来,到火场中去"
的指导思想,贴近火场一线,急火场之所急。
不仅在我国,在世界上消防工作也是一个大难题,各国政府都千方百计地将火灾的损失降到最低点。
1984年11月,在日本东京的一个电缆隧道内发生了一起火灾,消防队员不得不在浓烟和高温的危险环境下在隧道内灭火。
这次火灾之后,东京消防部开始对能在恶劣条件下工作的消防机器人进行研究,目前已有五种用途的消防机器人投入使用。
遥控消防机器人1986年第一次使用了这种机器人。
当消防人员难于接近火灾现场灭火时,或有爆炸危险时,便可使用这种机器人。
这种机器人装有履带,最大行驶速度可达10公里/小时,每分钟能喷出5吨水或3吨泡沫。
喷射灭火机器人这种机器人于1989年研制成功,属于遥控消防机器人的一种,用于在狭窄的通道和地下区域进行灭火。
机器人高45厘米,宽74厘米,长120厘火焰,喷嘴将水流转变成高压水雾喷向火焰。
消防侦察机器人消防侦察机器人诞生于1991年,用于收集火灾现场周围的各种信息,并在有浓烟或有毒气体的情况下,支援消防人员。
机器人有4条履带,一只操作臂和9种采集数据用的采集装置,包括摄像机、热分布指示器和气体浓度测量仪。
1.3灭火小车控制系统的目标
本设计开发的智能灭火小车控制系统应用范围十分广泛,设计的灭火小车应该能够实现自动避障、检测火源、吹风灭火、报警等功能,可通过光电传感器的监控来进行设定小车是否前进。
本设计具有很好的开发前景,将会受到广大安全防护人员的欢迎。
第2章 灭火小车控制系统介绍
2.1 灭火小车控制系统功能概述
经过开题期间的文献查阅和实际情况调研,了解到目前的消防车的研究与设计一般采用的方案大都为两种方案:
1、通过人为报警,再由消防人员开着小车去灭火。
那样消防人员会随时面临着危险。
通过自己的想法。
采用的方案为:
通过火焰传感器、检测到火灾发生地点的温度的因素与其标准区间值不符,系统会自动派出无人消防车进行灭火等操作。
2、遥控小车过去把火源吹灭,此方法实现操作简单。
第一种控制系统的最大特点:
1.结构简单
2.体积小、功率低
3.信号无干扰,传输准确度高
4.成本低廉
5.安全
系统各个功能模块简介:
1.避障模块:
主要用来给小车做导航避开障碍物前进用。
2.电源模块:
主要用来分别区分给单片机与电机、水泵驱动模块供电。
3.火焰模块:
主要用来对火焰传感器给单片机传值的功能。
4.电机驱动模块:
主要用来驱动两个减速直流电机,实现小车的前进、后退、前左转、前右转、后左转、后右转、停车等功能。
5.风扇驱动模块:
主要是用来控制风扇是否吹风,来实现小车灭火功能。
图2-1灭火小车控制系统整体模块图
2.2系统工作原理
1、在灭火小车控制系统的设计中,工作原理:
首先小车检测灭火传感器,是否有火焰信号,如果没有,小车往前行走。
在行走的过程中光电对干电路检测是否遇到障碍物,若遇到障碍物,通过单片机控制系统驱动电机绕开障碍物,若无信号,继续前行。
当在行走的过程中检测到火焰信号时,单片机控制小车停止,同时驱动风扇控制电路,将火吹灭。
2、首先确定火源位置,利用蓝牙模块跟手机端匹配,用手机控制小车走到火源处,把火吹灭,这过程风扇是不停的转动的。
2.3主要设计内容
用单片机作为控制核心,设计一个灭火小车控制系统。
设计包括以下内容:
(1)当小车探测到前进前方的障碍物时,可以自动报警调整,躲避障碍物,从无障碍区通过。
小车通过障碍区后,能够自动循迹。
(2)当小车到达火源地后,自动停车同时启动灭火风扇进行灭火,灭掉火源后,小车继续运动。
(3)另一个版本就是遥控设计,通过小车蓝牙模块跟手机之间的通讯,通过遥控小车到达火源点,把火源吹灭。
2.4本章小结
本章结合目前的智能灭火小车控制系统对当前的控制系统进行了概述,系统具备的功能以及系统控制的工作原理,通过阅读本章内容可对该系统有一个总体的了解。
第3章 系统硬件设计
3.1 硬件设计框图
本控制系统硬件设计框图3-1如下所示:
图3-1 硬件设计框图
在灭火小车控制系统的设计中,以单片机为控制核心,用了一片L298N用于驱动两个减速电机。
12V电源单独给电机供电,5V给单片机供电。
首先单片机根据火焰检测电路是否有火焰信号,来判断小车是否前进。
如果没有该信号,则一直等待。
当产生信号驱动小车前进,若遇到障碍物,单片机根据程序设计的要求做出相应的判断送给电机驱动模块,让小车来实现前进、左转、右转、停车等基本功能。
到达火灾地点时,单片机通过晶闸管导通风扇控制电路,驱动风扇灭火。
另一个版本就是蓝牙模块跟手机匹配遥控小车道火源点灭火。
3.2 硬件设计及主控芯片介绍
在灭火小车控制系统的设计中,共用了一片AT89C52单片机作为本控制系统的主控芯片,硬件设计模块共分为:
避障模块、电机驱动模块、蓝牙模块、电源模块、火焰检测模块、风扇模块。
3.2.1 AT89C52主控芯片介绍
AT89C52简介
本系统的核心部件AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位单片机,片内含2k字节的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128字节的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产,兼容标准MCS-51指令系统,片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元,具有较高的性价比。
设计本着应用性,因此选择AT89C52单片机作为本控制系统的中央处理器。
AT89C52包括:
(1)一个8位微处理器CPU。
(2)片内数据存储器RAM和特殊功能寄存器SFR。
(3)片内程序存储器ROM。
(4)两个定时/计数器T0、T1,可用作定时器,也可用以
对外部脉冲进行计数。
(5)四个8位可编程的并行I/O端口,每个端口既可作输
入,也可作输出。
(6)一个串行端口,用于数据的串行通信。
(7)中断控制系统。
(8)内部时钟电路。
AT89C52单片机的基本组成如图3-2所示。
图3-2 AT89C52单片机基本结构
AT89C52具有如下特点:
40个引脚,8kBytesFlash片内程序存储器,256bytes的随机存取数据存储器(RAM),32个外部双向输入/输出(I/O)口,5个中断优先级2层中断嵌套中断,2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口,看门狗(WDT)电路,片内时钟振荡器。
此外,AT89C52设计和配置了振荡频率可为0Hz并可通过软件设置省电模式。
空闲模式下,CPU暂停工作,而RAM定时计数器串行口,外中断系统可继续工作,掉电模式冻结振荡器而保存RAM的数据,停止芯片其它功能直至外中断激活或硬件复位。
同时该芯片还具有PDIP、TQFP和PLCC等三种封装形式以适应不同产品的需求。
AT89C52芯片的40个引脚功能为:
1.Vcc:
电源电压。
2.GND:
地。
3.P0口(P0.0~P0.7):
该端口为漏极开路的8位准双向口,它为外部低8位地址线和8位数据线复用端口,驱动能力为8个LSTTL负载。
P1口(P1.0~P1.7):
它是一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口,P1口的驱动能力为4个LSTTL负载。
P2口(P2.0~P2.7):
它为一个内部带上拉电阻的8位准双向I/O口,P2口的驱动能力也为4个LSTTL负载。
在访问外部程序存储器时,作为高8位地址线。
P3口(P3.0~P3.7):
为内部带上拉电阻的8位准
双向I/O口,P3口除了作为一般的I/O口使用之外,每个引脚都具有第二功能。
图3-3AT89C52管脚图
P3口还用于实现AT89C52的各种功能,如下表3-1所示。
表3-1 P3口各功能对照表
4.RST:
复位输入。
RST一旦变成高电平,所有的I/O引脚就复位到“1”。
当振荡器正在运行时,持续给出RST引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。
每一个机器周期需12个振荡器或时钟周期。
5.XTAL1:
作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。
6.XTAL2:
作为振荡器反相放大器的输出。
3.2.2 避障模块方案设计
3.2.2.1 用红外对管电路的设计
1、模块描述
该传感器模块对环境光线适应能力强,其具有一对红外线发射与接收管,发
射管发射出一定频率的红外线,当检测方向遇到障碍物(反射面)时,红外线反
射回来被接收管接收,经过比较器电路处理之后,绿色指示灯会亮起,同时信号
输出接口输出数字信号(一个低电平信号),可通过电位器旋钮调节检测距离,
有效距离范围2~80cm,工作电压为3.3V-5V。
该传感器的探测距离可以通过电
位器调节、具有干扰小、便于装配、使用方便等特点,可以广泛应用于机器人避
障、避障小车、流水线计数及黑白线循迹等众多场合。
2、模块参数说明
1当模块检测到前方障碍物信号时,电路板上绿色指示灯点亮电平,同时
OUT端口持续输出低电平信号,该模块检测距离2~80cm,检测角度35°
,检测距
离可以通过电位器进行调节,顺时针调电位器,检测距离增加;
逆时针调电位器,
检测距离减少。
2、传感器主动红外线反射探测,因此目标的反射率和形状是探测距离的关键。
其
中黑色探测距离最小,白色最大;
小面积物体距离小,大面积距离大。
3、传感器模块输出端口OUT可直接与单片机IO口连接即可,也可以直接驱动一
个5V继电器;
连接方式:
VCC-VCC;
GND-GND;
OUT-IO
4、比较器采用LM393,工作稳定;
5、可采用3-5V直流电源对模块进行供电。
当电源接通时,红色电源指示灯点亮;
6、具有3mm的螺丝孔,便于固定、安装;
7、电路板尺寸:
3.1CM*1.5CM
8、每个模块在发货已经将阈值比较电压通过电位器调节好,非特殊情况,请勿
随意调节电位器。
3、模块接口说明(3线制)
1VCC外接3.3V-5V电压(可以直接与5v单片机和3.3v单片机相连)
2GND外接GND
3OUT小板数字量输出接口(0和1)
红外对管模块
3.2.3 驱动电机系统方案设计
方案1:
采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。
L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片,它相应频率高,一片L298N可以分别控制两个直流电机,而且还带有控制使能端。
用该芯片作为电机驱动,操作方便,稳定性好,性能优良。
L298N是SGS公司的产品,内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器,即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器,接收标准TTL逻辑电平信号,可驱动46V、2A以下的电机。
其引脚排列如图3-7中U4所示,1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器,形成电流传感信号。
L298可驱动2个电机,OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。
5、7、10、12脚接输入控制电平,控制电机的正反转,ENA,ENB接控制使能端,控制电机的停转。
也利用单片机产生PWM信号接到ENA,ENB端子,对电机的转速进行调节。
1L298N的逻辑功能:
表3-2SHARPGP2D12实物图
2外形及封装:
图3-7L298N实物图
方案2:
对于直流电机用分立元件构成驱动电路。
由分立元件构成电机驱动电路,结构简单,价格低廉,在实际应用中应用广泛。
但是这种电路工作性能不够稳定。
因此我们选用了方案1。
驱动电路的设计如图3-8所示:
图3-8 驱动电机模块原理图
3.2.4 火焰检测系统设计
火焰传感器是模拟传感器。
它利用红外敏感型元件AC4067对红外信号强度的检测并将其转换为机器人可以识别的信号,从而来检测火焰信号。
如下图为火焰传感器电路。
图3-10火焰传感电路
火焰传感器可以用来探测波长在700nm~1000nm范围内的红外线,探测角度为60&
ordm;
,其中红外线波长在880nm附近时,其灵敏度达到最大。
红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化,通过A/D转换器反映为0~255范围内数值的变化。
外界红外光越强,数值越小;
红外光越弱,数值越大。
在机器人设计中,红外火焰探头起着非常重要的作用,它可以用作机器人的眼睛来寻找火源或其他物体。
利用它可以制作灭火机器人、足球机器人等。
3.2.5 车体方案设计
购买玩具电动车。
购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。
但是一般的说来,玩具电动车具有如下缺点:
首先,这种玩具电动车由于装配紧凑,使得各种所需传感器的安装十分不方便。
其次,这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动,不能适应该题目的方格地图,不能方便迅速的实现原地保持坐标转90度甚至180度的弯角。
再次,玩具电动车的电机多为玩具直流电机,力矩小,空载转速快,负载性能差,不易调速。
而且这种电动车一般都价格不菲。
因此我们放弃了此方案。
自己制作电动车。
经过反复考虑论证,我制定了左右两轮分别驱动,前万向轮转向的方案。
即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动,车体前部装一个万向轮。
这样,当两个直流减速电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转,由此可以轻松的实现小车坐标不变的90度和180度的转弯。
在安装时我保证两个驱动电机同轴。
当小车前进时,左右两驱动轮与前万向轮形成了三点结构。
这种结构使得小车在前进时比较平稳,可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。
为了防止小车重心的偏移,前万向轮起支撑作用。
对于车架材料的选择,我们经过比较选择了有机玻璃。
用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固,比铁制小车更轻便,美观。
综上考虑,我们选择了方案2。
3.2.6 风扇模块设计
灭火风扇的驱动电路如图3-12所示。
其中Port接到单片机的P2.5接口上。
单片机输出Port控制信号用以驱动灭火电机动作。
由于选用的是增强型MOS管,所以,当Port信号为高时,MOS管在VGS下开始工作,MOS导通,风扇开始动作,进行灭火;
当Port信号为低时,由于增强型MOS管特点,VGS=0时,iD=0。
此时,MOS截止,风扇不动作。
图3-11风扇控制电路
3.3 本章小结
本章通过框图的形式介绍了各个系统模块的设计,将避障模块、驱动电机模块、火焰检测模块、风扇控制等几部分的设计思路作了详细分析,通过阅读本章内容可对本智能灭火小车控制系统的硬件设计全面了解。
第4章 系统软件设计
对于一个完整控制系统来说,除了要有一个完整的硬件控制以外,还应该有一个能充分发挥硬件功能的软件系统来支持它,本章将详细介绍避障模块、电机驱动、火焰检测模块、风扇驱动的软件实现方法。
4.1 软件设计思路
根据总体设计的思想及本系统实现的功能,在软件设计中完成以下功能。
图4-1系统软件图
1.避障模块主程序:
由是否遇到障碍物产生信号的操作,信号返回到单片机,再通过单片机来实现相应的功能。
2.电机驱动模块主程序:
主要用来控制两个直流减速电机,实现前进、后退、前左转、前右转、后左转、后右转、停车等功能。
3.火焰检测模块主程序:
主要通过火焰传感器探测是否有火源。
4.风扇模块程序:
主要用来控制一个报警器和风扇,实现报警、吹风等功能。
5.蓝牙模块:
通过小车蓝牙模块跟手机匹配,达到手机遥控小车灭火的目的
4.2 系统程序流程图
根据软件的总体设计思想及本系统所要实现的功能,进行其系统程序流程图设计,本系统程序流程图共分为:
避障程模块序流程图、电机驱动模块程序流程图、火焰检测模块程序流程图、风扇模块程序流程图。
图4-2系统功能流程图
4.2.1 避障模块程序流程图
在小车前进的过程中,分布在小车前,左后,右后的三个传感器不停地进行扫描,若有一个方位遇到障碍物,通过单片机驱动电机控制电路,实现左转,右转,后退等功能。
程序跳转到对应的位置执行,从而绕开障碍物,继续朝着火源的方向继续前进。
其寻迹模块程序流程图如下图4-1所示:
图4-3 避障模块程序流程图
4.2.2 驱动电机模块程序流程图
程序运行后,首先进行初始化将AT89C52单片机的P1口全部置0,等到有火源信号时,然后就通过单片机控制电机驱动电路前进。
具体如下图4-4和表4-1所示:
图4-4 驱动电机模块程序流程图
表4-1 驱动电机模块程序功能对照表
接收真值表(前左,后右)
对应功能
1-1
前进
0-0
停车
1-0
左转
0-1
右转
4.2.3灭火流程图
灭火子程序的流程图如图4-5所示。
当机器人检测到火焰时,由于有障碍物的存在,需要对不同坐标上的火焰分别进行判断。
由于设计中使用一个风扇,安装在机器人的正前方,没有使用舵机的方案,风扇只能朝前方吹风。
为了提高灭火的准确度,我们要让机器人正面对准火焰,否则,可能会出现长时间灭不了火的现象。
对火时让机器人走到火焰附近,判断左右两边火焰强度,左边火焰强,左转一点,右边火焰强,右转一点,每对一次火,前进一点。
4.2.4风扇模块程序流程图
该模块程序与驱动电机模块采用的驱动电路是一样的。
都是用L298N。
针对该模块程序流程的相应调用而执行的模块。
如下图4-5所示:
图4-5 水泵风扇模块程序流程图
4.3软件实现
章介绍了此次毕业设计使用的编程工具KeiluVision4,介绍了主要的控制模块程序,编写相应的控制程序,主要是寻线控制程序和灭火控制程序。
4.3.1.软件开发平台介绍
编程语言选用C语言。
汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言,具有执行效率高的优点,但其本身是低级语言,编程效率较低,可移植性和可读性差,维护极不方便。
而C语言以其结构化,容易维护,容易移植的优势满足开发的需要。
MCS-51是支持C语言编程的编译器,它主要有两种:
FranklinC51编译器和KeilC51编译器,我们简称C51。
C51是专为MCS-51开发的一种高性能的C编译器。
由C51产生的目标代码的运行速度极高,所需存储空间极小,完全可以和汇编语言媲美。
Keil软件公司提供的专用8051嵌入式
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