灭火机器人论文Word格式文档下载.doc
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本题目小车能到消防场地任意地点进行灭火。
以蜡烛模拟火源随机分布在场地中,机器人小车自主进行寻火,灭火,反库,用时尽量少。
关键词:
超声波测距;
智能消防小车;
火源传感器
一、设计任务:
1.基本要求
(1)在场地中随机放置一只蜡烛。
消防车从车库启动,计时开始,消防车同时发出出库声音提示。
消防车从车库出口驶出车库,自动行走到距离火源10cm以内区域,发出火警声音提示,停车3秒钟。
(2)消防车执行灭火工作,灭火完毕后,发出火灭声音提示。
(3)消防车经由车库出口自动返回到车库,停稳后,发出返库声音提示,计时结束。
(4)上述过程用时尽可能少。
2.发挥部分
(1)在场地中随机放置三只蜡烛。
消防车从车库出口驶出车库。
(2)消防车能够找到一个火源,并自动行走到距离火源10cm以内区域,发出火警声音提示,停车3秒钟。
然后消防车执行灭火工作,灭火完毕后,发出火灭声音提示。
(3)再寻找下一个火源,重复过程
(2),直到三个火源都被扑灭。
(4)扑灭三个火源后,消防车经由车库出口自动返回到车库,停稳后,发出返库声音提示,计时结束。
(5)上述过程用时尽可能少。
(6)其他。
3.创新设计
1.小车整体结构构架好,自主设计,小车采用两层结构,分放不同模块,每个接线都贴签,进行调试修改容易。
2.自制灭火风扇,并采用三极管放大电路供电,最大限度加快电机转动速度。
3.以7805芯片为核心稳压设计,使用L298N为核心的电机驱动设计,确保系统的稳定性。
4.从出库到寻到火源期间一直在寻找火源,出库转弯后,在第5竖线,第3横线交口处原地旋转360度寻找火源,如果找到,终止旋转,没找到便搜索障碍物后方火源。
确保除车库及障碍物以外场地内任意地点寻到火源。
5.寻迹、寻火采用闭环系统,保证寻火的稳定性。
二、方案比较与论证:
2.1总体设计方案
总体方案为:
整个电路分为电源模块、单片机控制模块、电机驱动模块、寻迹传感器模块、火源传感器模块、超声波模块、风扇模块主要共七个模块。
利用对TCRT5000对路面信号进行探测,利用火源传感器检测火源信号,经过处理后,将其信号传给单片机控制模块进行处理分析,输出相应信号给驱动电机模块驱动电机转动来控制小车的整体运动。
系统方案框图如图2-1所示。
单片机控制系统
电机驱动电路
蜂鸣器模块
风扇模块
火源传感器模块
寻迹传感器模块
超声波模块
5V电源模块
7V电源模块
图2-1系统方案框图
2.1.1小车的方案设计与论证
方案1:
自己制作电动小车(包括车体),组装合适的电机及驱动板,自制探测器,利用开发板做控制驱动小车。
但自己制作的小车,平衡不能保证,车的性能不好,重量不均。
小车的一体电路设计,比较难良好地实现。
方案2:
购买专用用带有万向轮的小车。
曾经用过该类型小车,万向轮方向存在不确定性。
方案3:
购买专用履带小车,具有组装完整的车架车轮,和完整的电机装配以及电机驱动板。
用自制模块或购买完整传感器模块,用自制单片机最小系统板控制小车运动。
专用电动车装配紧凑,运行稳定,承重高,底盘低重心低。
安装电路板方便且规整,美观。
我们不用在考虑电机装配和电机驱动的设计。
综合考虑,我们选定方案3作为我们的第一步方案。
2.1.2电源模块
本系统中,需要用到的电源有单片机最小系统5V,L298N芯片的电源5V,超声波电源5V和电机的电源7-20V。
所以电源的提供必须准确和稳定可靠。
用三块蓄电池给超声波和小车供电,和单片机及其它模块供电,用蓄电池需要买充电器,整体需要高的价钱,为降低成本,不选该方案。
由于超声波模块输入输出是方波模拟量,其他模块对其干扰特别大,用四节干电池为超声波供电,用八节干电池为电机单独供电,免去了分压,而且模块间干扰小,八节干电池通过AM1117,进行降压到5V,能够保证单片机和其它模块的持续供电,电量充足。
通过方案分析对比,考虑降低成本,选择方案2。
2.1.3单片机控制模块
采用ARM芯片,运行速度快,功能强大。
团队ARM技术水平初级,控制不好。
采用STC89C52作为主控制芯片,该芯片有足够存储空间,可以方便的在线下载程序,反复烧写达十万次,方便。
该芯片使用简单灵活性高且价廉。
降低成本。
技术广泛,成熟。
2.1.4电机驱动模块
采用步进电机作为该系统的驱动电机步进电机的输出力矩较低,随转速的升高而下降,在较高转速时会急剧下降,其转速较低,不适合小车等有一定速度的系统。
采用直流电机作为该系统的驱动电机直流电机的控制方法比较简单,只需给电机的两个控制线加上合适的电压即可使电机转动起来,电压越高电机转速则越高。
改变正负极可方便的改变电机转动的方向,方便改变小车的运行状态。
综合考虑,本设计采用了方案2。
2.1.5寻迹传感器模块
采用光敏电阻和二极管配合,受外界干扰比较大,对地面平整要求较高。
采用红外对管,由于只分辨黑白,红外光电对管利用白色反光,黑色吸光原理,并且红外光直线性强,稳定性高,速度快,电路简单成本低,方便操作。
综合分析,我们采用方案2.。
2.1.6火源传感器模块
采用热敏电阻,和光敏电阻作为传感器,在一定范围内空气温度变化非常小,热敏电阻几乎不发生变化,光敏电阻受外界干扰比较大,抗干扰能力极差,误差偏大,不能准确测定火源位置。
采用红外接受二极管,红外接收二极管将外界红外光的变化转变为电流的变化,利用LM324进行电压比较,后输出数字开关量。
红外火焰传感器可以用来探测火源或其他一些波长在760nm~1100nm范围内热源,谈成为角度达60度,红外光波长在940nm近时,其灵敏度最大。
比较两种方案,方案2,受外界干扰小,容易探测到火源,因此我们选用方案2。
2.1.7超声波模块
方案1:
红外避障,对障碍物要求近距离。
用超声波传感器进行避障。
超声波传感器的原理是:
超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后,遇到障碍物便反射回来,再被超声波传感器接收。
然后将这信号放大后送入单片机。
超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。
超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作,超声波传感器对工作频率要求较高,偏差在1%内,所以用单片机作方波发生器方便有效。
2.1.8风扇模块
采用电机驱动模块来驱动会使得结构复杂,故障率高,维修不方便。
直接利用三极管驱动直流电机。
将电机放在三极管的射极,然后再基极加上一个限流电阻即可驱动电机正常工作,方案电路简单,容易实现,减少器件使用,降低故障率。
同时驱动效率大,稳定性好。
如果想放大更多,可以采用多个三极管并联供电的方式。
综合考虑,选用方案2。
2.2最终方案确定
经过反复论证,确定方案如下:
1.车体是购买专用履带电动车。
2.采用3+4+8节干电池供电。
3.采用STC89C52单片机为控制器。
4.用红外探测传感器作为寻迹传感器。
5.用火源传感器来寻火源。
6.采用三极管放大电路驱动风扇模块。
三、硬件设计分析与计算
3.1系统技术路线及功能简介
本系统利用单片机STC89C52单片机作为系统的主控模块,采用反射式红外传感器识别黑线轨迹,用红外火源传感器检测火源,超声波传感器测量规定区域,由单片机对传感器识别到的信号加以分析和判断,通过对直流电机的控制来实现自动寻迹并灭火,系统工作技术路线图如图3-1所示:
图3-1系统工作技术路线图
3.2电源模块
用为保证单片机正常工作,所以用4节干电池为系统供电。
再用三端稳压管转换为电机和单片机需要的电压,单片机需要5V的电压,所以使用7805为其供电。
电动机使用8V的电压,6个干电池串联直接为其供电。
超声波5V,3个干电池直接为其供电。
3.3红外寻迹传感器
该智能灭火小车在路过黑线的路面上时,由于黑线和路面对光线的反射系数不同,可以根据接收到反射红外线的强弱来判断黑线。
在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法------红外探测法。
经过多次测试、比较,发现把TCRT5000传感器安装在距离检测物表面6~8mm时,检测效果最好,因为5mm以下是它的检测盲区,而大于10mm则很容易受另外的光电管的干扰。
红外寻迹传感器原理图如图3-2所示:
图3-2红外寻迹传感器原理图
图中可调电位器阻值来调节比较器的门限电压,可方便的调节传感器的灵敏度。
用此电路作为传感器检测与调理电路。
3.4L298N电机驱动
JP1为逻辑输入端,为IN1\IN2\IN3\IN4,其中IN1、IN2控制电机M1:
IN3、IN4控制电机M2。
UIA-UID为TLP521-4光隔离,保护因电机启动停止瞬间产生的尖峰脉冲对主控制器的影响。
RN1、RN2为上下拉电阻.D1-D8为续流二极管IN4007。
驱动电路如图3-3所示:
图3-3电机驱动电路
3.5红外火源传感器
远红外火源传感器能够探测到波长在700nm~1100nm范围内的红外光,探测角度为60,其中红外光波长在900nm附近时,其灵敏度达到最大。
原理如3-4所示:
图3-4红外火源传感器模块原理图
3.6风扇模块
灭火风扇的驱动电压为+7V,为了增强驱动能力,我们用三极管8550做驱动电路用来加大驱动电流。
在IN处接单片机的IO口,通过IO口输出高低电平来控制灭火风扇的启动和停止。
灭火风扇驱动电路如图3-5所示:
图3-5灭火风扇驱动电路
四、软件设计
在进行微机控制系统设计时,我们根据单片机的具体情况使用KeilC51软件,采用主流
初始化
测距停车3S,风扇灭火,回库
直走3线左转90°
直走4线左转90°
直走2线原地360°
直走1线左转90°
有火吗
出库铃响
开始
结束
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