基于单片机的粮库巡检小车的设计Word格式.docx
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基于单片机的粮库巡检小车的设计Word格式.docx
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检测报警
1引言
1.1研究背景和意义
我国拥有14亿人口,每年粮食的存储和消耗是个大问题,直接关乎国家与个人。
据相关调查,全国各地每年都存在着不同程度的粮食变质,严重制约了社会发展,由此可见必须要保证粮食的存储安全。
科学的储粮不仅可以有效应对各类事件,而且能为国家发展提供可靠保障。
根据国家规定,要完全把控粮食的存储质量[1],做到严密排查不放过一丝一毫的问题,按时将粮库检测情况汇总上报。
粮食经过好几道工序处理后,方可放入粮库封装储存。
存储时极易受温、湿度的影响,正常存储时水分不会太高,温度也不易发生变化;
当密封出现问题时,水分就极易进入粮食中,促使粮食代谢加快,呼吸发热使局部粮食温度升高,不仅会造成粮食的腐烂变质,而且局部温度过高极易引发大面积火灾等问题,损失大量粮食。
目前我国粮库建设取得了很大进展,基本实现大规模现代化,但检测技术迟迟得不到突破,大型检测设备仍需高价进口。
国内大多粮库仍使用人工检测,检测设备极易损坏,检测结果也无法与机器相比。
再加上粮库规模太大、检测点数量多,大大加重了员工的工作量,检测效率极低,特别容易出现遗漏问题,导致许多粮库无法按时完成检测任务,粮食白白烂在粮库里。
为保证粮库检测工作的正常进行,拟设计一套低成本高效率的粮库巡检小车,取代传统人工检测。
该小车处理器选用单片机,与各检测器件配合使用,组成一个自主移动的实时检测系统。
检测的数据可由蓝牙传输到接收板的显示器,实现采集、传输、实时显示和报警于一体,及时发现粮库内的安全隐患,保障粮食的存储质量。
巡检小车将实现移动式采集,减少人员和成本投入。
检测效率与传统检测系统更高更快,使用起来更加方便、快捷。
1.2国内外的研究现状
1.2.1粮库检测系统研究现状
国外很早就开始对粮库检测系统进行研究,以英法美为首的发达国家特别重视粮食存储。
他们经过不断研究,在早期使用较为简单的智能检测系统对粮库进行管理,取得了不错的效果。
70年代以来,伴随着机器人行业的发展,大量发达国家开始投入对机器人的研发与应用,许多粮库开始使用机器人进行工作,工作效率跟以前相比快了不止一倍。
我国的检测技术落后于国外,但近年来也有重大突破。
最早期是使用人工进行粮食检测,将特制的温度计、湿度计插在固定检测点,工作人员按规定时间读取温湿度,根据读数的高低决定是否需要降温除湿。
这种方法只能为一时之用,检测结果得不到可靠保证,粮食腐烂时常发生。
到70年代,电阻式检测设备的应用使检测效率有所提高,但结果容易被干扰,所以检测效果仍然不够理想。
再后来到了90年代,大量新式传感器大批投入到粮库环境的使用,检测效率越来越高,粮食的存储质量越来越好。
现在随着单片机芯片高度集成,各大行业开始大规模使用。
目前粮库检测系统使用单片机作为主控[2],效率翻了好几倍。
单片机与传感器实现了远程检测和控制,我国的粮库检测系统开始迈入了新阶段。
1.2.2巡检小车研究现状
巡检小车最早出现在国外,发展到现在已经有好几十年。
美国在1972年研究出第一台移动机器人,取名Shakey。
Shakey的问世引发了世界各国的广泛研究。
这之后的几十年,智能机器人的研究进入崭新的面貌,共经历了三个主要阶段,从功能单一的机器人发展到具有感知功能的机器人。
以美国、日本为首的国家研究进展远超其他国家,像美国研制的无人驾驶侦查小车,日本研发的ASIMO等,充分说明了这一领域开始面向实际应用。
关于智能机器人的研究,我国从开始就一直向国外学习,差距也在慢慢拉近。
从80年代开始,国内很多学校成立了专门的科研团队,并取得了不错的进展[3]。
有的学校制作出了避障机器人,更有学校研究出了自动驾驶的智能小车。
自从进入了21世纪,许多高校开始注重巡检小车的设计[4],比较出名的像东北大学研究的寻迹小车,使用红外传感器来感知路径;
沈阳理工大学设计出了超声波避障小车等,这都是非常成功的例子。
随着功能的不断完善,巡检小车正逐渐走出实验室向实用方向发展。
包括了医疗、探测、通信等领域,可以无人作业远程监控,能够进入危险环境探测工作。
巡检小车近几年又在向声控方面发展,是目前社会发展的一个重要领域。
1.3研究目标及主要内容
据调查,我国每年因各种原因造成的粮食变质问题严重,主要是温湿度的变化。
粮库工作注重很多方面,不仅要做到防潮、防腐,而且要特别注意虫蚁的啃食,稍有不慎就会严重影响粮食的质量,采用科学的方法存储粮食才是明智之举。
鉴于国内绝大多数粮库环境仍使用传统检测设备,为保障粮食质量和人员安全,保证粮库检测工作照常进行,本文设计了一款对粮库环境实时检测的巡检小车[5]。
该车可在粮库中自动寻迹避障[6],能有效检测粮库环境的温湿度、烟雾情况。
该车包括检测小车与数据接收板两部分,数据传输通过蓝牙完成,主要实现对粮库环境温湿度的采集、传输、显示与报警,及时消除粮库的安全隐患。
从选题到器件选择、组装焊接,再到软硬件编程及调试,本设计分以下几部分进行介绍:
1.解国内外粮库检测和巡检小车的研究进展,明确研究方向
2.掌握各类传感器、STC单片机的原理和智能小车相关知识
3.用STC单片机作为处理器,设计粮库检测小车和数据专用接收板
4.根据设计需求选择合适器件,对巡检小车进行组装焊接
5.对小车和接收板分别进行程序编写与功能调试
6.实现小车采集、蓝牙传输和接收板的显示、报警
7.对巡检小车进行实际测试,找出存在问题并解决
8.完成本设计所有内容
2巡检小车系统结构
2.1巡检小车总体设计
巡检小车总体框图如图2-1所示,总共包括两个大的部分,通过蓝牙实现连接,各个模块共同配合来完成粮库环境检测工作。
图2-1巡检小车结构框图
2.1.1车体结构的选择
移动机器人按用途和种类可分为多种,其中轮式机器人的研究和应用比较广泛,行驶时速度稳定且宜于操作,适合在粮库环境的使用,所以本设计选用轮式结构制作巡检小车。
轮式小车结构如下表2-1所示,主要分为以下四种结构,轮子越多功能相对越多,稳定性越好。
为减轻小车重量方便使用,且降低成本,本设计使用亚克力板制作三轮小车,包括两个动力轮和一个万向轮。
动力轮使用DC电机驱动,后边采用万向轮来提高小车的稳定性,方便小车进行转弯调头,通过两边车轮输入不同电平即可实现。
表2-1车轮结构
轮子数量
2
3
4
6
结构图
特点描述
两轮差分驱动
三个全向动力轮
三个接触点,两轮差分驱动
后边两轮单独驱动前轮转向
有两个全向轮两个动力轮
四轮均为全向动力轮
转向电机负责转向驱动电机负责驱动
六轮单独驱动,前后四轮用来转向
六轮单独驱动,性能优越
2.1.2电源与复位
没有电源的巡检小车就像一个玩具车,通电以后才能够正常工作。
为方便进行供电,本设计统一使用直流5V来为小车和接收板各模块供电,包括控制电路、驱动电路和其他电路,小车通过电源开关一键启动。
在小车的运行过程中可能会因为操作不当或其他原因造成小车故障,导致检测工作无法正常进行。
为避免出现这种情况,使用复位电路来使小车重启。
小车经过一键复位恢复到初始化状态,保证检测工作持续进行,复位电路见下图2-2。
图2-2复位电路
2.2控制模块的选择
小车的所有功能都要通过单片机配合实现,所选单片机数据处理要快。
本设计使用STC12C5A60S2和STC89C52单片机分别来控制小车和接收板。
2.2.1小车控制模块
小车使用的是如图2-3的STC12C5A60S2芯片[7],是8051单片机的升级版。
功能在8051的基础上指令代码并没有发生变化,但是运行速度更加流畅。
与传统51相比处理能力更快,可以直接进行编程使用,适合多种不同的工作环境。
STC12C5A60S2芯片性能如下:
内部Flash可直接进行编程;
具有256字节的独立运存;
具有32位输入输出端口和一个6向量2级中断;
具有2个看门狗和4个16位定时器/计数器;
全双工串行口高精度的AD转换;
具有2路PWM和2个数据指针;
内部可自行提供时钟晶振;
工作电压最低3.3V最高5.5V。
图2-3芯片引脚图
2.2.2接收板控制模块
接收板使用的是如图2-4的STC89C52芯片[8],处理能力优于传统51芯片,引脚与传统51完全相同。
该单片机同样可以直接进行编程使用,能够为不同的环境提供不同的方案。
STC89C52芯片具有以下性能:
片内晶振及时钟电路;
Flash可进行编程;
另外,STC89C52使用时可以在0Hz时进行操作,提供节电操作。
图2-4芯片引脚图
2.2.3时钟晶振电路
时钟晶振是开展所有工作的前提,对于巡检小车来说必不可少[9]。
根据使用需求不同,时钟又分为内部与外部时钟晶振。
本设计中小车与接收板均使用内部时钟,在单片机的两个引脚之间接上石英晶体和两个30pF电容,电路见图2-5。
(a)小车晶振(b)接收板晶振
图2-5时钟电路
2.2.4LM358运算放大器
本设计将LM358运算放大器在寻迹行驶时当作比较器使用,对反射红外信号的高低电平进行比较。
LM358双运放可以在两种不同电源使用。
在本设计中LM358连接直流5V电源,LM358引脚见下图2-6。
图2-6LM358引脚图
2.3本章小结
本章构造了巡检小车的整体结构框图。
首先对车体结构与电源复位的选用进行了介绍,然后介绍了检测小车与数据接收板控制核心、时钟电路与比较器的选择,为下一章设计做准备。
3巡检小车系统的硬件设计
3.1检测小车硬件组成
检测小车的硬件组成主要包括电机驱动、温湿度检测、寻迹避障模块和烟雾检测等,负责对粮库环境的温湿度、气体烟雾情况实时检测。
3.1.1电机驱动模块
小车使用直流电机驱动[10],通过I/O控制实现转弯或调头来躲避障碍物,因此选择L298N芯片。
L298N芯片与其他驱动相比工作比较稳定,不易出现问题。
内部包括两个H桥,工作时峰值电压可达46V,正常工作只需要提供2A电流。
使用逻辑规范电平进行驱动;
有四个输入端和一个接地端;
有两个使能端和一个逻辑电源;
有四个输出端和一个电机电源;
逻辑电源和电机电源分别对芯片和电机进行供电;
有两个电流检测端,接地反馈信号。
L298N方便使用且易于驱动,可以根据使用环境的不同分别对直流、步进电机进行驱动,使用时输出电压可随意调节,满足了不同的使用需求。
图3-1为L298N芯片,其引脚功能详见表3-1。
图3-1L298芯片的引脚图
表3-1L298N芯片引脚功能表
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- 基于 单片机 粮库 巡检 小车 设计