甲烷检测机器人.docx
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甲烷检测机器人
湖南科技大学
毕业设计(论文)
题目
作者
学院
专业
学号
指导教师
二〇〇年月日
目录
摘要III
AbstractIV
第一章绪论1
1.1课题的背景意义1
1.2甲烷检测机器人的研究前景2
1.3现场环境气体的成分与气体的爆炸极限2
1.4国家关于煤矿安全浓度的规定3
1.5甲烷检测机器人的整体结构及工作原理介绍:
3
第二章系统总体方案设计5
2.1系统总体设计方案5
2.1.1系统技术指标6
2.2.2系统防爆防潮要求6
2.2行走机构驱动方案7
2.3电机驱动方案7
2.4显示方案选择8
2.5甲烷检测方案8
2.6系统控制芯片选择9
2.7A/D转换芯片选择9
2.8避障模块选择10
第三章甲烷检测机器人硬件设计11
3.1单片机最小系统硬件设计11
3.1.1AT98C51概述11
3.1.2单片机最小应用系统11
3.2电机驱动电路硬件设计12
3.2.1两相四线步进电机概述12
3.2.2恒压恒流桥式2A驱动芯片L298N工作原理13
3.3现场气体数据采集模块14
3.3.1MQ-214简介14
3.3.2MQ-214工作条件参数14
3.3.3MQ-214典型测量电路15
3.3.4模数转换芯片A/D574A与单片机接口电路16
3.4甲烷检测机器人电源设计18
3.5避障模块硬件设计18
第四章甲烷检测机器人现场控制系统软件设计21
4.1软件总流程图21
4.2步进电机控制驱动软件设计21
4.3现场气体检测模块流程图22
4.4程序调试23
结论25
参考文献28
附录A29
附录B30
摘要
甲烷检测机器人是将移动机器人技术和甲烷检测技术有机结合起来,实现对固定甲烷气体源的自动搜索,已经成为国内外的研究热门之一。
作为智能移动机器人的一个特殊应用,甲烷检测机器人比较具体地体现了移动机器人的多项关键技术。
在具体的实现环境如煤矿,甲烷生产工厂中都能得到很好的应用。
因此,甲烷检测机器人既具有科研上的挑战性,又具有广阔的市场前景。
本文在研究了基于MQ-214光化学传感器的基础上,设计了甲烷检测模块,最后设计出智能甲烷检测机器人的硬件电路,该硬件电路实现了对甲烷气体的采样,并给出了详细的电路设计方案。
此外,以AT89C51的单片机作为智能搜索机器人的检测和控制核心,甲烷检测模块将采集到的甲烷信号送到单片机进行处理。
电机驱动模块L298N通过使电机正转、反转和停止实现小车的移动。
关键词:
单片机;甲烷检测;移动机器人;MQ-214
Abstract
RobotforMethaneDetectionunitetheMethaneDetectiontechnologyandroboticsorganicfusiontogethertoachievetheautomaticsearchoftheMethaneDetectionhasbeenreceiveddomesticandforeignresearchattentioninrecentyears.Fromatechnicalperspective,asaspecialapplicationofintelligentmobilerobot,therobotforMethaneDetectionmorespecificallyreflectthenumberofkeytechnologiesofmobilerobotsandhasastrongrepresentation.Fromtheperspectiveofmarketprospects,theMethaneDetectionsystemiswidelyusedinteleconferencing,.Therefore,thedevelopmentofindependentresearchonsoundMethaneDetectionsystemnotonlyhasresearchchallenges,butalsohasabroadmarketprospect.
FirstthispapergivesthehardwaredesignofsMethaneDetectionmodulebasedonMQ-214Sensor.Finally,thedetectionofmethaneintelligentrobotdesignedhardwarecircuitry,thehardwarecircuitofthemethanegassample,andgivesadetailedcircuitdesign.Inaddition,AT89C51microcontrollerasthecoreofdetectionandcontrolofintelligentsearchrobot,MethaneDetectionSensorinstalledabovethecaratocollecttheMethanesignalforSCMprocessing.ThemotordrivemoduleL298Nmakesthemotorforward,reverseandstop.
Keywords:
Microprocessor;MethaneDetection;roboticsorganize;MQ-214Sensor
第一章绪论
1.1课题的背景意义
近年来,全国煤气行业发展迅猛,液化气、天然气、煤制气等城市燃气作为清洁能源已在工商业和城镇居民用户中得到广泛应用,特别是随着“西气东输”工程的快速进展,燃气行业发展潜力巨大。
城市燃气的普及与应用无疑对改善城市的环境质量和提高居民的生活质量发挥了巨大的作用。
但是随着燃气的广泛应用,由于燃气泄露所引发的爆炸、中毒和火灾事故也时有发生,这在某种程度上增加了城市的不安全和不稳定因素。
这些气体在使用过程中一旦发生泄漏,且与空气混合后将会引发火灾。
由于气体本身存在的扩散性,发生泄漏之后,在外部风力作用下,可燃性气体会沿地表面迅速扩散,扩大危害区域。
一旦发生可燃气体泄漏事故,及时可靠地检测空气中可燃气体的含量,及时采取有效措施进行补救,采取正确的处置方法,减少泄漏引发的事故,是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。
家庭使用液化气、燃气等可燃气体作燃料的越来越多,但是这些气体有害、易爆炸,隐患事故多,如气体泄漏时不能及时发现和处理,会给家庭及邻居带来灾难性危害。
同时中国煤炭产量高居世界第一,国家一直把煤矿的安全生产作为重中之重,给予高度的关注。
在我国的煤矿生产事故中,瓦斯爆炸,透水事故造成的伤亡和损失成为实现安全生产的最大障碍,及时准确地检测瓦斯浓度,矿井的温度湿度和报告危险在安全生产中具有重要意义[1]。
一方面在我国,煤炭行业中的瓦斯爆炸事故以及矿井透水事故始终是煤矿安全生产的大敌,目前己成为制约煤矿安全生产的主要因素。
因此,实时检测现场环境瓦斯气体的浓度变化、温湿度的变化对矿井安全运行,人身安全及环境保护有着十分重要的作用。
而目前国内矿井中用于环境检测的设备比较落后,这些设备探测范围小,反应时间长,数据传输采用有线方式,且具有成本高、功耗高和设备庞大等特点,不适应大多数煤矿的需求,因此需要研制一种集成化、智能化、小型化、无线化的新型环境检测显示报警设备,以增强矿井的安全监测能力。
为了确保矿井的生产安全,防止瓦斯爆炸,国内外煤矿研究所在此领域进行了很长时间的研究,开发出很多种类型的环境检测仪,但目前已有的现场环境检测设备都普遍存在着体积较大、安装复杂、操作不便、智能化程度低等缺点。
因此开发研制便于携带、多功能、精度高的环境检测小车对促进煤炭行业的安全生产具有重要的现实意义。
另一方面随着天然气的大量使用,每一座居民大楼都被天然气所“笼罩”。
天然气的普及给公共生活带来了极大方便,减少了城市的污染,提高了生活质量和效率,但是同时,天然气也是潜在的“危险品”,一旦发生大面积泄漏,处置不及时就可能引发大爆炸,给居民的生命财产安全带来巨大的威胁。
面对燃气泄漏而造成的种种事故威胁,为使燃气更好地造福于民,造福于社会,减少并杜绝各种因燃气泄露而引发的爆炸及火灾事故我们需要一个解决办法。
使用智能环境检测小车是对付燃气无形杀手的重要手段之一[2]。
1.2甲烷检测机器人的研究前景
据不完全统计,1998年我国环境检测仪器仪表及监控系统产值仅11.7亿元左右,到2005年这一数值就增加到了42亿元,而到2010年将增至110亿元,其市场增长速度远远高于同期经济发展的速度,环境检测设备行业已成为环保产业新的增长点。
随着环境监管力度的加大,国家要求全国1.8万个重点污染企业要逐步安装在线连续自动检测系统。
这一领域内成熟国产仪器本身就少,而这部分产品的需求量比环境质量检测设备的需求量要大得多,其产品主要由污染企业购买,其潜在的市场有数十亿至数百亿元。
当前,我国环境检测仪器仪表行业的主要需求集中在:
环境质量检测、污染源检测和遥感遥测仪器仪表等领域。
大气环境质量检测仪器及自动监测系统、以燃煤电站或锅炉为代表的烟气分析仪表监控系统;地面水环境质量检测仪表及监控系统;以城市污水处理厂和高浓度有机废水为代表的污染源监测仪表及自控系统等仪器仪表在我国出现需求渐旺的势头[3]。
其中面向矿业的集成化、智能化、小型化、无线化的新型智能环境检测小车报警设备,增强矿井的安全监测能力,以及能更好的满足我国生产,宜居环境的强烈需求。
1.3现场环境气体的成分与气体的爆炸极限
瓦斯气体矿业开采过程中的一种有害气体的总称,它有自己的性质和特点,是可以被认识的,也是可以被控制和利用的。
矿井瓦斯是指从煤体和围岩中逸出的以及在生产过程中产生的多成分的混合气体,包括H2、CO等气体。
主要成分是甲烷、一氧化碳和二氧化碳、硫化氢等。
甲烷是矿井瓦斯的主要成分,是一种无色无味的气体,不助燃,但当与空气混合到一定浓度时,遇火能燃烧或爆炸,爆炸界限为5~16%;空气中甲烷浓度超过40%时,空气中的氧含量将下降到12%以下,此时空气与甲烷的混合气体不再发生爆炸,但将使人窒息[4]。
瓦斯爆炸须具备3个条件:
浓度、浓度及引爆温度。
瓦斯在煤体和围岩中以游离状态和吸附状态存在,一般情况下处于动态平衡,当外界温度、压力变化时,几种状态会互相转化,煤层在开采过程中,瓦斯被逸散出来,在井下积聚,造成瓦斯浓度增加,当浓度达5%~16%时具有爆炸性,浓度为9.5%时,爆炸威力最大,当浓度小于5%或大于16%时,一般不会爆炸,遇明火只会燃烧,瓦斯爆炸的上下限是可变的,当现场混合气体的温度和压力发生变化或混入煤尘及其它可燃气体时,可影响瓦斯爆炸的上下限,如空气中的煤尘含量为10~12浓度达到4%时,遇火就会爆炸。
要消除引爆火源,必须严禁明电、明火下井,禁止明火放炮,要求井下电器设备必须防爆。
所以控制瓦斯浓度是防止瓦斯爆炸的根本,实时掌握瓦斯浓度状况是煤矿安全的头等大事。
1.4国家关于煤矿安全浓度的规定
国家《煤矿安全规程》对井下各点瓦斯浓度规定如下:
矿井总回风巷或一翼回风巷风流中瓦斯浓度超过0.75%,矿总工程师必须立即查明原因,进行处理,并报告矿务局总工程师。
采区回风巷、采掘工作面回风巷风流中瓦斯浓度超过1%时,必须停止工作,撤出人员,并由矿总工程师负责采取措施,进行处理。
综合机械化、水采和煤层厚度小于8米的保护层的采煤工作面,经抽放瓦斯和增加风量已达到最高允许风速后,其回风巷风流中瓦斯浓度仍不能降低到1%以下时,经矿务局局长批准,瓦斯浓度最高不得超过1.5%,并应符合下列要求:
工作面的风流控制必须可靠;通风巷必须保持设计断面;必须制定安全措施,配有专职瓦斯检查员并安设瓦斯自动检测报警、断电装置。
采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1%时,必须停止用电钻打眼;放炮地点附近20米以内风流中的瓦斯浓度达到1%时,严禁放炮。
采掘工作面风流中瓦斯浓度达到1.5%时,必须停止工作,撤出人员,切断电源,进行处理;电动机或其开关地点附近20米以内风流中瓦斯浓度达到1.5%时,必须停止运转,撤出人员,切断电源,进行处理[5]。
采掘工作面内,体积大于0.5立方米的空间,局部积聚瓦斯浓度达到2%时,附近20米内,必须停止工作,撤出人员,切断电源,进行处理。
综合机械化采掘工作面,应在采煤机和掘进机上安设机载式断电仪,当其附近瓦斯浓度达到1%时报警,达到1.5%时必须停止工作,切断采煤机和掘进机的电源。
1.5甲烷检测机器人的整体结构及工作原理介绍:
甲烷检测机器人控制部分,采用AT89C51单片机作为系统的控制核心,进行数学逻辑运算、对瓦斯传感器、温度传感器模块、避障模块送来的信号进行处理,通过模拟SPI总线连接NRF2401将经过处理的信号发送到远程的手持单片机,以此同时现场的单片机通过接收到的远程的遥控信号控制前两轮驱动的小车行进;红外避障模块,通过红外一体化接收头接收红外线检测障碍物位置,进而调整小车的转向!
第二章系统总体方案设计
为了更好地实现无线遥控智能环境检测小车的功能本章主要进行系统的总体分析,根据要实现的功能,综合比较几种设计方法,提出了实现系统功能的最佳方案。
2.1系统总体设计方案
本设计采用甲烷传感器MQ—214、温湿度传感器DHT11、无线收发芯片NRF2401、避障模块、数码显示模块与单片机智能控制相结合的技术,对现场环境的甲烷浓度、空气温度、空气湿度、障碍物位置进行实时拾取,并把相关环境信息送入单片机,通过单片机CPU运算处理后,再发出相应的控制指令,由现场的NRF2401无线收发模块发送到手持的NRF2401接收器中并且送给单片机进行处理,在控制数码管显示现场采集到的甲烷浓度、温湿度信号,同时手持的控制系统通过按键产生控制信号,按键信号通过NRF2401发送到现场控制小车最终实现小车往返,转弯,减速行驶,全速前进等功能,以达到设计目的。
采用智能化方案具有软件编程灵活性、运算控制精确度高、自由度大、可靠性高、电路简单、体小量轻、成本低、功能易于扩展,显示直观,智能化程度高等优点。
为此,采用基于AT89C51智能化方案[6]。
系统总体框图如下:
图2-1无线智能环境检测小车体系统总体框图
2.1.1系统技术指标
无线智能环境检测小车主要完成数据采集、避障处理和无线传输,瓦斯浓度、现场环境温湿度功能,并且具有体积小、携带方便、多功能、精度高等特点,其具体技术指标上的要求如下表:
表2-1系统技术指标表
指标
项目
无线智能环境检测小系统性能指标
应用环境
煤矿气体温湿度检测
环境工作温度范围
-20~+70C
检测对象
甲烷气体空气温湿度
环境下作湿度范围
<95%RH
检测范围
甲烷0.1~2%
湿度测量范围
20-90%RH
灵敏度
0.6%
温度测量范围
0-50℃
响应时间
<30s
工作电压范围
3.5V-5.5V
功耗
≈150mw
工作电流
平均0.5mA
2.2.2系统防爆防潮要求
煤矿井下工作环境特殊,空间狭窄,温度高,湿度大,有易燃易爆的瓦斯以及煤尘,所以,煤矿环境检测设备同一般电器设备有较大的区别。
这就对煤矿检测设备有特殊要求,如体积要小,易于搬运、坚固、防潮、防水、防爆。
属于煤矿安全标志管理目录内的矿用产品应有安全标志,电气设备必须符合防爆要求,应有接地、过流、漏电保护装置。
隔爆型仪表的主要特点是有一个可靠的隔爆外壳,它将把可能产生火花和危险温度的仪表传感器、电阻电路及接线端子等,都放在隔爆外壳里,达到外壳内可能发生的爆炸不影响周围的易燃易爆物质,它的设计方法与隔爆型电器和电机基本相似。
隔爆型仪表设计必须注意如下几个方面:
根据车体的特点,专门设计与智能环境检测小车结构相适应的外壳,达到既不损害检测设备原有使用特征又经济合理的外壳,外壳腔内有细长通道,避免腔内发生压力重叠现象,外壳的材质采用新型的工程塑料和优质轻合金,结构轻巧。
隔爆型智能环境检测小车仪表设计带有接线盒的隔爆外壳,且接线盒的防爆类型为隔爆型。
由于隔爆型仪表具有低电压、小电流特点,隔爆型仪表的主腔和接线盒贯通部分,可以尽量采取橡胶密封结构,使隔爆型仪表结构简单,加工方便。
2.2行走机构驱动方案
作为无线智能环境检测小车的行走驱动机构可以采用普通电机和步进电机作为动力。
以下为二者的应用原理以及应用方法的优越性能分析:
方案一:
普通电机
普通直流电动机具有调速性能好、起动容易、能够载重起动等优点,直流电动机因其转速调节比较灵活,方法简单,易于大范围平滑调速,控制性能好等特点,一直在传动领域占有统治地位。
它广泛应用于数控机床、工业机器人等工厂自动化设备中。
调速采用单片机通过程序控制输出占空比可调的PWM波控制驱动器驱动电机,实现电机调速。
方案二:
步进电机
步进电机是一种能够将电脉冲信号转换成角位移或线位移的机电元件,它实际上是一种单相或多相同步电动机。
单相步进电动机有单路电脉冲驱动,输出功率一般很小,其用途为微小功率驱动。
多相步进电动机有多相方波脉冲驱动,用途很广。
步进电机的特点:
一般步进电机的精度为步进角的3-5%,角位移与输入脉冲个数严格成正比,没有累计误差,具有良好的跟随性。
步进电机的动态响应快,易于启停,正反转及变速。
步进电机存在振荡和失步现象,必须对控制系统和机械负载采取相应的措施。
经以上分析比较采用步进精度高的两相四线步进电机,作为行走机构的驱动动力。
2.3电机驱动方案
电动机驱动模块可以采用的方法有分立元件组成的H桥驱动电路,以及集成驱动芯片。
H桥式驱动电路包括四个三极管和一个电动机,要使电动机运转必须导通对角线上的一对三极管根据不同对三极管的导通而控制电机转向。
下为二者比较:
方案一:
集成驱动芯片
采用专门的电机驱动芯片L298N,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,静态电流小,输出电流大,电路简单,散热效果好,不容易烧坏,而且还带有控制使能端。
具有以下特点:
1、具有信号指示,2、转速可调,3、抗干扰能力强,4、具有续流保护5、可单独控制两台直流电机,6、可单独控制一台步进电机,7、PWM脉宽平滑调速(可使用PWM信号对直流电机调速)8、可实现正反转9、采用光电隔离。
采用该芯片作为电机驱动,操作方便,稳定性好,性能优良。
方案二:
分立元件组成驱动电路
用三极管分立元件来驱动,用分立元件电路较复杂,静态电流较大,需要调试参数,功率小,散热性能差,饱和导通压降小。
但是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。
经过比较,我们发现使用分立元件组成驱动H桥电路需要相应的功率管驱动电路与之配套,虽然功率较大,但电路复杂不符合本次应用的要求,故本系统采用集成电机驱动芯片L298N。
2.4显示方案选择
LED数码显示屏。
LED就是lightemittingdiode,发光二极管的英文缩写,简称LED。
它是一种通过控制半导体发光二极管的显示方式,用来显示文字、图形、图像、动画、行情、视频、录像信号等各种信息的显示屏幕。
LED显示屏按显示器件可分为LED数码显示屏和LED点阵图显示屏。
其中,LED数码显示屏为八段数码管,适于制作时钟屏、利率屏等,显示数字的电子显示屏。
LED数码管显示的优点:
单片机对其进行编程控制简单,数码管亮度够,功耗小,小型化,寿命长,耐冲击和性能稳定[7]。
缺点:
数码管的显示符号单一,仅为0~9和几个字母;当需要显示的内容较多时,需要用到较多的数码管,对于单片机对其进行控制时,会浪费I/O口的资源。
2.5甲烷检测方案
由于气体传感器的类繁多,有半导体是的气体传感器以及催化燃烧室气体传感器,以下为气体传感器的优缺点比较分析:
方案一:
半导体式气体传感器
它是利用一些金属氧化物半导体材料,一定温度下,电导率随环境气体成份变化而变化原理制造。
半导体式气体传感器可以有效用于:
甲烷、乙烷、丙烷、丁烷、酒精、甲醛、一氧化碳、二氧化碳、乙烯、乙炔、氯乙烯、苯乙烯、丙烯酸等很多气体检测。
尤其是,这种传感器成本低廉,适宜于民用气体检测需求。
缺点:
稳定性较差,受环境影响较大;尤其,每一种传感器选择性都唯一,输出参数能确定。
MQ-214可燃性气体传感器作为半导体甲烷传感,MQ-214可燃性气体传感器作为甲烷传感,是催化氧化型的一种气体传感器,具有抗气体干扰能力强、选择性好、反应速度快、灵敏度高、线性和稳定性好、功耗低、寿命长、体积小等特点。
适用于煤矿井下作业环境测量空气中的甲烷气体浓度。
方案二:
催化燃烧式气体传感器
这种传感器是白金电阻表面制备耐高温催化剂层,一定温度下,可燃性气体其表面催化燃烧,燃烧是白金电阻温度升高,电阻变化,变化值是可燃性气体浓度函数。
催化燃烧式气体传感器选择性检测可燃性气体:
凡是可以燃烧的气体,都能够检测;凡是不能燃烧,传感器都没有任何响应。
催化燃烧式气体传感器计量准确,响应快速,寿命较长。
传感器输出与环境爆炸危险直接相关,安全检测领域是一类主导位传感器。
缺点:
可燃性气体范围内,无选择性。
暗火工作,有引燃爆炸危险。
由于大部分元素有机蒸汽对传感器都有中毒作用,所以该传感器容易失灵。
经过分析比较选择针对性强的半导体式气体传感器MQ-214。
2.6系统控制芯片选择
随着计算机技术的发展,单片机因具有集成度高、体积小、速度快、价格低等特点而在许多领域如过程控制、数据采集、机电一体化、智能化仪表、家用电器以及网络技术等方面得到广泛应用。
从而使这些领域的技术水平、自动化程度。
其中最为著名的当数INTEL公司生产的MCS-51系列单片机。
由于51系列在我国使用最广且该系列的资料和能够兼容的外围芯片也比较多,特别是ATMEL公司推出的AT89C51单片机,其具有较高的性能价格比和较高的抗干扰能力。
AT89C51单片机是ATMEL公司89系列单片机中的一种,它现已广泛应用于工业控制等各领域,是80C51的增强型并且指令完全兼容[8]。
其工作温度范围宽,能够适应矿井下恶劣的环境,且具有较高的可靠性,和抗干扰能力,所以此处选用此单片机作为控制器。
2.7A/D转换芯片选择
A/D转换器(ADC)的作用就是把模拟量转换成数字量,以便于计算机进行处理。
随着超大规模集成电路技术的飞速发展,A/D转换器的新设计思想和制造技术层出不穷。
为了满足各种不同的检测及控制任务的需要,大量结构不同、性能各异的A/D转换器芯片应运而生。
对于A/D转换芯片可以采用ADC0809以及美国数模公司的AD574A。
下面对二者进行比较分析:
采用ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模—数转换的器件。
其内部有一个8通道多路开关,它可以根据地址码锁存译码后的信号,只选通8路模拟输入信号中的一个进行A/D转换。
采用AD574A是美国模拟数字公司(Analog)推出的单片高速12位逐次比较型A/D转换器,内置双极性电路构成的混合集成转换芯片,具有外接元件少,功耗低,精度高等特点,并且具有自动校零和自动极性转换功能,只需外接少量的阻容件即可构成一个完整的A/D转换器。
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