家庭灭火机器人设计报告.doc

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1、 名称：家庭灭火机器人设计报告 学 院：电子与信息工程学院 指导老师：李东 班 级：电气二班 姓 名：曾凡 时 间：2013.6.23 目录第一章 绪论11.1课题背景11.2 实现功能1第二章 系统整体方案设计22.1 系统硬件设计22.2 系统软件设计2第三章 硬件设计33.1电源管理模块33.1.1电源模块电路原理图33.2电机驱动芯片 L298N4 3.2.1.L298N电路原理图：53.3避障检测传感器 HS003853.3.1 HS0038简介：53.3.3 检测原理：53.3.4 HS0038与单片机连接原理图：63.4地面灰度检测传感器 ST18863.4.2 检测原理：63.

2、4.3 应用范围：63.4.5 ST188原理图：73.5火焰传感器73.5.1火焰传感器使用7第四章 软件设计84.1 灭火机器人行进路线分析84.2 软件流程图9第五章 调试记录105.1 调试记录10第六章 实验心得10参考文献12附录1: 程序清单13附录2: 灭火机器人实物图及灭火场地26 第一章 绪论1.1课题背景随着社会的进步，机器人技术的不断发展使得机器人的应用领域不断扩展，从以往多应用于工业领域而渐渐融入人们的生活。灭火机器人作为消防部队中的新兴力量，加入了抢险救灾的行列。灭火机器人是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统，代表了智能机器人系统的发展方向。1.2 实

3、现功能制造一个自主控制的机器人在一间平面结构房子模型里运动，找到一根蜡烛并尽快将它熄灭，这个工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、电压变化等多个因素影响，它模拟了现实家庭中机器人处理火警的过程，蜡烛代表家里燃起的火源，机器人必须找到并熄灭它。第二章 系统整体方案设计2.1 系统硬件设计本次设计的目的是设计一个在规定区域能自主搜索火源并实施灭火的智能机器人小车，本次设计使用的主控芯片使用了STC89C52单片机，所以设计重点在传感器和电机驱动上。系统总体设计框图如图MCU小车电机驱动传感器模块传感器模块电源部分风扇电机图2.1 系统总体设计框图2.2 系统软件设计软

4、件设计方案是以上述硬件电路为基础的，包括电机控制模块、传感器模块的程序设计与实现。程序设计采用C语言编写，编程环境是集成Keil C51编译器的集成编译环境。灭火机器人设计的软件设计结构框图如图2.2所示。转弯子程序灭火机器人系统软件电机控制模块传感器模块前进子程序停止子程序ST188子程序序4序HS0038子程序火焰子程序图2.2 系统软件设计框图第三章 硬件设计3.1电源管理模块电源是任何一个系统稳定运行的前提条件，为了使机器人运行稳定，单片机和电机的供电系统采用独立供电的方法。3.1.1电源模块电路原理图由于单片机及所有的传感器系统供电采用的是5V的电源，而车体要良好的运行电机的供电电压

5、应该达到12V，所以在电源的处理上采用了稳压芯片7805CV和7812CV。图3.1 电源部分电路图3.2电机驱动芯片 L298N 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1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

6、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。3.2.1 L298N的逻辑功能：表3-3 SHARP GP2D12实物图3.2.2 L298N电路原理图：由于一片L298N可以直接驱动两个电机，但是为了加大驱动力，我们采用两路并联的方式来驱动电机。图3.3 L298N电路图 3.3避障检测传感器 HS00383.3.1 HS0038简介：HS0038B -系列微型接收机红外遥控器控制系统。 PIN二极管和前置上组装引线框架，环氧包被设计成红外过滤器。该解调输出信号可直接解码的微处理器。HS0038B是标准的红外遥控接收器系列，支持所有主要传输代码。3.3.2 检测原理：红

7、外发射管发射出经过调制过的38KHZ的红外光，当前方没有障碍物时，接收器收不到红外光，相反当前方有障碍物时，接受器可以收到红外光。根据此原理，机器人可以感知前方的路况从而决定是否前行。3.3.3 HS0038与单片机连接原理图：图3.3 H0038电路图HS0038内部集成了红外接收运放验波电路带通滤波（中心频率）整形电路驱动电路，通过加入38k的调制信号可使该电路抗干扰能力增强，减少了自然光的影响。其实在红外发射和VCC之间有一变位器,阻值为25欧左右此图没标上.3.4地面灰度检测传感器 ST1883.4.1 检测原理：ST188是红外收发一体的器件，发射管发射出红外光线，接收管就可以根据接

8、收的红外光线的强弱，感知地面的灰度。由于此模拟房间的地面被处理成为黑白两种颜色，通过比较器设置灰度的门限值，可以很方便的感知地面的颜色，从而做出相应的决策。3.4.2 ST188原理图：图3-6 ST188电路图图3-7 L324图LM324是四运放集成电路，它采用14脚双列直插塑料封装，外形如图所示。它的内部包含四组形式完全相同的运算放大器，除电源共用外，四组运放相互独立。 3.5火焰传感器此传感器本品可广泛应用于灭火机器人比赛中测量火焰值、足球比赛时，用于确定足球的方向。下图为火焰传感器实物图。图3.8 火焰传感器实物图3.5.1火焰传感器的使用此传感器具有优良的火焰探测性能，可根据可见光

9、、红外光强弱变化输出电平的大小。其输出端口是一个四针的插头，其中黑色线为地线、红色线为电源线（+5V）、黄色线为信号线，用于输出测量的红外光强度电平、棕色线为信号线，用于输出可见光强度电平。 第四章 软件设计 4.1 灭火机器人行进路线分析当小车处于起点，小车要开始搜索房间有两种路径可以选择，一是不过台阶，绕着4号房间向外搜索。二是直接过台阶，然后开始搜索。显然直接过台阶可以节省很多的时间，路径更短，因为我们制作的小车为履带结构，结合我们小车的特点和前面分析，我们选择过台阶。过台阶后，小车处于3号和4号房间中间，由图可知，沿着右走的方案比较好，因此我们采用是右手规则，首先搜索的是3号房间，如图

10、中的红色箭头。当在3号房间发现火源时，小车进入房间并灭火，灭火后按原路返回；如没有发现火源，小车继续按右手规则搜索房间，直到搜索4号房间，不管有没有搜索到火源，从4号房间出来都绕着4号房间返回起点，因为回家过程中的时间不记入总时间，而绕行比较安全，小车比较好控制。图4.1 灭火机器人行进路线4.2 软件流程图图4.2 灭火小车软件设计流程图 第五章 调试记录5.1 调试记录n 前方传感器检测最佳距离12cm ，500R的电位器逆时钟旋转可加大发射管的发射功率，检测距离可变远。n 地面灰度传感器：测试距离2.5cm,黑地面输出电压1.3-1.5V；白纸输出3.8-4.5V；n 前方火焰传感器最远

11、测试距离2.5m，此次使用有效距离0.8m，输出电压0.6V，探测角度+30。n 转弯：动作延时常数动作延时常数原地右转9018原地左转9019右后转18037左后转18037n 电池电压:5V供电的电压不得低于7.2V。 第五章 实验总结 通过灭火机器人的制作，我对机器人的组成和原理,传感器有了全新的认识。本次的灭火机器人小车设计主要涉及到单片机开发、机器人组成和原理、电机与驱动、传感器知识及程序算法设计等。使用最多的是传感器，传感器是机器人的眼睛，只有传感器正确的识别道路，机器人才能正确搜寻房间。因此传感器的设置很重要，须多次调试得出最佳参数值，如电压值、测试距离、探测角度等。在整个实验过

12、程中是最关键、最麻烦的就是系统的整体调试，我要调节各个参数，保证车子能正常完成各个功能。同时还要考虑出现的各种不良因素，这要求制作的机器人的适应能力好,到达现场时需要调整的参数越少越好。在控制机器人小车精确转弯时一定要使用相关硬件器件进行控制，比如指南针或者采用好的算法不需要进行精确转弯。还要考虑机器人的行走路径的选择，因为我们制作的小车为履带结构，结合我们小车的特点和前面分析，我们选择过台阶直接过台阶，然后开始搜索。显然直接过台阶可以节省很多的时间，路径更短。通过本次设计，将我把所学的理论知识真正应用到实际当中，不仅加深了对理论知识的理解，同时还进行了拓展、发散。在整个过程中，我体会到了知识

13、的无穷力量。参考工具1 国际赛制机器人灭火比赛规则.PDF2 李全利、迟荣强. 单片机原理及接口技术. 北京：高等教育出版社，2004.13 谭浩强. C程序设计(第二版). 北京：清华大学出版社，1999.124 童诗白、华成英. 模拟电子技术基础(第三版). 北京：高等教育出版社，2003.12 5 康华光. 电子技术基础 数字部分(第四版). 北京： 高等教育出版社，1900.16 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛电路设计. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.127 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.12 8 文艳、谭鸿. Prot

14、el 99 SE电子电路设计. 北京：机械工业出版社，2006.8百度等等附录1: 程序清单 #include #define uchar unsigned char #define uint unsi sbit led1=P15; /红外发射管sbit led2=P16; gned int /sbit led3=P37;sbit s1=P11; /红外接收管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

15、=P22; /电机1 /* L298的Enable A */sbit en2=P25; /电机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* */ sbit in2_2=P27;/* L298_2的Input 2 */ uchar t=0; /* pwm调速中断计数器 */ uchar suozuo=100; /* 电机速度值 参数：0100 */ uchar suoyou=54;uchar i=0 ;uch

16、ar k=0; /房间标志变量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=

17、1;in2_2=0; void xun1()in1_1=0;in1_2=1;in2_1=1;in2_2=0;delay(15);while (m=0)if(styou=1)|(stzuo=1) m+; if (huo=1) stop(); delay(1); feng=1; delay(20); feng=0; h=1; si(); else qian();delay(1); else if(s1=1)&(s2=1) qian(); delay(1); else if(s1=0)&(s2=1)tiaozuo();else if(s1=1)&(s2=0)tiaoyou();elsetiaoyou

18、(); void zhao() if(k=2)&(m=0) xun1(); else pao();void si() in1_1=1;in1_2=0;in2_1=0;in2_2=1;delay(12);void tiaohuo() in1_1=0;in1_2=1;in2_1=1;in2_2=0;delay(1);void zuo() /90in1_1=0;in1_2=1;in2_1=1;in2_2=0;delay(18); /更改参数可调节角度void you() /90in1_1=1;in1_2=0;in2_1=0;in2_2=1;delay(19); /更改参数可调节角度 附录2: 灭火机器人实物图及灭火场地