灭火小车控制系统的设计.docx
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灭火小车控制系统的设计.docx
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灭火小车控制系统的设计
本科毕业设计说明书
灭火小车控制系统的设计
学生姓名
指导教师
所在学院
机械电气工程学院
专业
电气工程及其自动化
年级
2008级电气4班
2012年3月
毕业论文(设计)任务书
机电学院电气专业08年级
课题名称
灭火小车控制系统设计
毕业论文(设计)起止时间
2012年3月-6月
指导教师
职称
副教授
学生姓名
学号
任务下达日期
2012.2.28
课题内容
本选题主要针对消防机器人控制系统的制作与研究,以单片机为控制核心,加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成,其中电源电路提供系统所需的工作电源,专用电机驱动芯片驱动电机控制机器人的前进后退以及转向,光电对管完成寻迹和避障,光敏电阻传感器检测火焰,灭火风扇进行灭火。
课题任务的具体要求
1、设计说明书(包括设计要求、目的、意义,设计方案的比较与选择,控制系统的设计,仿真程序框图,控制软件及适当的注释,程序运行分析,控制系统的仿真调试过程中出现的问题分析与解决办法,参考文献,中英文摘要,收获与体会等)
2、控制软件程序框图一张,控制系统图一张。
3、仿真调试说明书一份。
拟定的工作进度(以周为单位)
1—2周,调研、资料搜集、仿真软件学习;
3—4周,系统控制方案的确定;
5—10周,控制程序编写,控制系统的仿真与调试;
11-12周,整理并撰写设计说明书。
主要参考文献
1、自动控制原理
2、现代控制理论
3、单片机原理与应用
4、传感器原理与应用
任务下达人(签字)岑红蕾日期:
年月日
任务接受人(签字)日期:
年月日
摘要
随着社会与国家的发展,在经济迅速增长的同时,各种危险场所不可避免的火灾频繁出现,给社会安全造成了很多隐患,于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题,救火早一刻就少一分损失,消防救援人员固然速度已经很快,但也需要一段不小的时间,而且进入救火现场还有生命危险的可能,于是消防机器小车的理念诞生了。
本文是对灭火小车控制系统进行了设计,采用单片机作为控制核心,这样一来,单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可以位寻址操作功能、价格低廉等优点利用其丰富的资源,实现对各模块的控制;本设计通过加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成,其中电源电路提供系统所需的工作电源,专用电机驱动芯片驱动电机控制机器人的前进后退以及转向,光电对管完成寻迹和避障,光敏电阻传感器检测火焰,灭火风扇进行灭火。
设计的工作过程是:
首先通过,光敏电阻传感器寻找火源后将信号传递给单片机,单片机根据已设定好的程序控制机器人运动,完成一系列的灭火动作。
关键词:
灭火小车,光敏电阻传感器,单片机,光电对管,
Abstract
Withthedevelopmentofsocietyandthecountry,whilerapideconomicgrowth,theinevitablefireofallkindsofdangerousplacesfrequent,causedalotofhiddendangerstothesocialsecurity,sothemodernfireremediedintimehasbecomeanimminentneedtoaddresstheproblem,thefireasearlyasthemomentexperiencelessloss,fireandrescuepersonnelofcourse,speedisalreadyveryfast,butitalsorequiresasmalltime,andenterthefirescenepossiblelife-threatening,sothefiremachinecarconceptwasborn.Thisarticleisextinguishingthecarcontrolsystemdesign,withtheMCUeightmicrocontrollerascontrolcore,andthisway,themicrocontrollercangivefullplaytoitsrichresources,morepowerfulcontrolfunctionsandbit-addressableoperationfunction,lowpriceadvantageofitsrichresources,toachievecontrolofeachmodule;thedesignthroughtothepowersupplycircuit,motordrives,photoelectricsensingcircuitofflamedetectioncircuit,firefans,andothercircuit,powercircuittoprovidetherequiredpowerdedicatedmotordriverchipdrivesthemotortocontroltherobotforwardandback,andturnedtoputoutthefire,photoelectrictubetocompletethetracingandcollisionavoidance,photoresistorsensorstodetectflame,thefire-fightingfan.Thedesignprocessis:
firstthroughthephotoresistorsensorstofindthesourceoffireaftersignalingtothemicrocontroller,themicrocontrollerhassetagoodprogramtocontroltherobottocompleteaseriesoffire-fightingaction.
Keywords:
fire-fightingcar,photoresistorsensors,MCU,photoelectrictube,
目 录
2.1 灭火小车系统功能概述3
4.3.1 软件开发平台介绍20
第1章 绪论
1.1 灭火小车控制系统的设计背景和意义
火灾在现实生活中是非常普遍的,它被称为三大自然灾害之一。
消防人员时时刻刻冲到第一线,面临生命危险,在这种背景下,智能寻迹灭火系统应运而生,实现了对安全防护的质的提高,也大大地减低了消防人员的危险。
在智能灭火系统中应用单片机来代替人的思考,还可以实现自动化控制,简化了灭火的工作流程,使单片机代替多余的消防人员,节省了国家不必要的支出,减低了危险。
随着社会与国家的发展,在经济迅速增长的同时,各种危险场所不可避免的火灾频繁出现,给社会安全造成了很多隐患,于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题,救火早一刻就少一分损失,消防救援人员固然速度已经很快,但也需要一段不小的时间,而且进入救火现场还有生命危险的可能,于是消防机器小车的理念诞生了。
灭火小车控制系统的研究除了在科学研究方面具有深远的意义,它也是一个很好的教学平台。
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。
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。
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:
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。
该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
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。
2.3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)自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中,能够自动检测预先设好的轨道,实现直道和弧形轨道的前进。
若有偏离,能够自动纠正,返回到预设轨道上来。
(2)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。
(3)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,消除火源后再原路返回起点。
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,再用7805把12V电源降压至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。
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、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 用光电对管电路的设计
我设计并论证了两种光电对管检测及调理电路,电路原理图分别如图3-4图3-5所示:
图3-4光电对管检测电路1
图3-4所示电路中,R1起限流电阻的作用,当有光反射回来时,光电对管中的三极管导通,R2的上端变为高电平,此时VT1饱和导通,三极管集电极输出低电平。
当没有光反射回来时,光电对管中的三极管不导通,VT1截至,其集电极输出高电平。
VT1在该电路中起到滤波整形的作用。
经试验和示波器验证,该电路工作性能一般,输出还有杂散干扰波的成分。
如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。
但是这种电路用电量比较大,给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。
究其原因,是因为光敏三极管和三极管VT1导通时的导通电流较大。
因此我考虑用比较器的方案。
图3-5光电对管检测电路2
在图3-5中,可调电阻R3可以调节比较器的门限电压,经示波器观察,输出波形相当规则,可以直接够单片机查询使用。
而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。
因此我选择此电路作为我的传感器检测与调理电路。
该模块在整个系统中也起到很大的作用,小车能否顺利地避开障碍物顺利到达火源处全靠避障模块的处理性能的快慢了。
通过查阅相关资料,找到了一下两种可行性方案:
3.2.2.2避障模块方案的设计
方案1:
小车车头处装有三个光电开关,中间一个光电开关对向正前方,两侧的光电开关向两边各分开30度。
小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线,当红外线遇到障碍物时发生漫反射,反射光被光电开关接收。
小车根据三个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。
光电开关的平均探测距离为30cm。
方案2:
用红外光电开关ST178进行避障。
光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束,被物体阻断或部分反射,受光器最终据此做出判断反应,是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射,当检测到有障碍物的时候,光电对管就能够接收到物体反射的红外光,其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均能检测。
光电对管ST178操作简单,使用方便。
当有光线反射回来时,输出低电平。
当没有光线反射回来时,输出高电平。
方案3:
直流驱动红外探测器电路的设计与参数计算电路如图所示。
W1和R1及V1构成简单直流发光二极管驱动电路,调节W1可以改变发光管的发光光强,从而调节探测距离,NE555及其外围元件构成施密特触发器,其触发电平可通过W2控制,接收管V2和电阻R2构成光电检测电路。
通过NE555第3脚输出的TTL电平可以直接驱动单片机I/O口。
由于555输出信号为TTL电平,单片机检测方便。
图3-6避障电路图
考虑到本系统只需要检测简单障碍物,没有十分复杂的环境。
为了使用方便,便于操作和调试,我最终选择了方案3。
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 电源系统方案设计
由于本系统需要电池供电,我考虑了如下集中方案为系统供电。
方案1:
采用8节1.5V干电池供电,电压达到12V,给支流电机供电,然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
并且电池的价格比较低。
方案2:
采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电,经过7812的电压变换后给支流电机供电,然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。
锂电池的电量比较足,并且可以充电,重复利用,因此,这种方案比较可行。
但锂
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