智能灭火小车论文.docx
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智能灭火小车论文.docx
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智能灭火小车论文
摘要
本次设计CPU采用Atmel公司的AVR系列单片机中的Atmega16L。
完成的是学校组织的灭火机器人大赛。
完成的作品基本功能要求在规定的场地中尽快寻找到火源,然后在尽可能短的时间内作出灭火动作。
本作品使用AVR产生PWM波,控制小车的直流电动机,利用红处开关管探测障碍物,使得小车能够避开障碍,找到火源,从而做出灭火动作。
同时使用液晶显示各个阶段小车的任务,使得我们对小车的运行有一个很好的了解。
关键词:
Atmega16L智能小车光电开关PWM液晶显示
智能灭火机器人
一设计目的与设计要求
此次比赛的场地如下图1所示,图中的H区为小车的起始地区域,蜡烛在图中圆形的区域内,中间的黑色线条表示场地中的木板,整个场地的场面为黑色,其中起跑线为白线,另外在火灾区的入口以及蜡烛之前的半圆处也各有一条白线。
场地中各处的尺寸如图中所标(单位均为mm),设计要求小车能够避开障碍物(木板),在最短时图1灭火机器人比赛场地
间内找到火源所在的区域,然后将火吹灭,要求小车整体外形尺寸限制在30cm×30cm×30cm之内,包括机器人的触角、探测物及装饰物。
二方案设计与论证
根据设计的目的与要求,经过讨论我们一致选定左手法则,即小车一直延左墙走,当遇到障碍物就右转,直到进入火灾区时检测到白线改为右手走法,再利用蜡烛前面的白线检测火源。
因此设计的小车要求能够及时调节前进的方向,以避开障碍物,顺利找到火源。
1.直流调速系统
鉴于价格和功能的考虑,我们选择了直流电机,通过PWM控制小车的速度以及方向。
电机驱动部分有以下两种方案:
方案一:
使用MOSFET构成H桥式驱动电路,利用PWM波形来控制小车的速度,再用单片机两个I/O口控制电机旋转方向,此电路驱动功率比较大,小车的转速比较快。
方案二:
使用直流电机驱动芯片L298N来驱动小车的电机。
L298N作为集成芯片,一块芯片能够输出两路PWM波形,控制两个电机,相对于由MOSFET构成的H桥式驱动电路来说具有电路焊接简单,焊接完成后不易出差错的优点。
二者价格上差别不大,所以我们优先选择了方案二。
2.避障电路的设计
为了能够使小车快速地找到火源所在的房间,就要求避障系统比较灵敏,遇到障碍物迅速躲避,对于避障电路有以下三种方案:
方案一:
使用红外开关管ST168来避障
方案二:
使用光电开关E3F3-DS5ON1
方案三:
使用超声波避障电路
由于ST168的探测距离太近,而小车的速度不能太慢,ST168那一系列的红外开关管不能够满足要求。
方案二中的光电开关,探测距离能够达到1m,而且抗干扰能力比较强,而超声波电路比较麻烦,做出来的电路精确调节不方便,因此方案二成为了最佳选择。
3.检测白线电路的设计
白线检测电路,可以将ST168放在车的底盘上,这样检测比较精准,只是考虑到比赛场地的地面不一定完全黑白分明,所以在连接电
路时,要做成可以调节探测距离的电路,完成之后调节传感器使得小车能够准确探测到白线,从而做出正确的动作。
4.显示部分设计
为了能够随时了解小车的运行情况,我们加上了显示部分,显示部分可以用数码管,1602液晶,还有诺基亚5110液晶三种。
由于数码管只能显示数字,不能够很直观地反应小车的行进情形,而1602体积太大,重量也比较大,而诺基亚5110体积小,功耗低,比较省电,故最后选择使用诺基亚5110作为液晶显示器件,实时显示小车的当前任务。
5.灭火部分设计
最后小车找到火源,用什么方法来灭火,最直接的方法是用风扇,而这也是最有可能实现的办法。
定下的方案是用继电器控制风扇,当检测到蜡烛前面的白线时继电器合上,使得风扇开始旋转灭火。
火灭之后,风扇再停止。
6.电源部分设计
电源部分,可以使用几节5号电池串联,但是这样电池使用效率比较低,而且5号电池功率不够大,容量也太小,不能长时间供电,最后决定使用11V锂电池(3.7V锂电池串联而成),为电机和风扇供电,再利用CD2940来产生5V的直流电压,为电路中的各个芯片提供工作电压。
三硬件电路设计
1.Atmega16L单片机资源分配
此次设计主要使用了Atmega16L芯片的I/O口用于检测外部传感器的信号,TC1用来产生两路PWM波,引脚使用情况如下表:
表1Atmega16L单片机I/O口及内部资源分配
PA0~PA2
光电开关输出信号
PD0
风扇开关控制位
PA3~PA4
ST168采线输出信号
PD4~PD5
两路PWM输出端口
PB4~PB7
电机方向控制位
TC1
产生1.5KHz占空比可调的PWM波
PC0~PC4
液晶显示控制线及数据线
2.电机驱动电路
使用L298N驱动小车的电机,电路图如下:
图2电机驱动电路
图中二极管IN5817用于吸收电机反转时产生的电流,L298N的ENA和ENB两端口接单片机输出的PWM波,而IN1、IN2控制电机1(对应着OUT1、OUT2)的旋转方向,IN3、IN4对应着另一个电机的旋转方向。
单片机通过控制PWM的占空比,来控制电机的转速,通过IN1~IN4控制电机的转向进而控制小车的前进方向。
小车转弯时,可
以用差动转弯,即一个电机转速增加,而加一个电机转速减小,这样是弧度转弯,另一种方法是让一个电机正转,另一个电机反转,这样转弯速度比较快,但是小车行走不如前一种方式平稳。
具体使用哪一种方法,经过调试之后再选择。
3.避障电路
避障电路使用的是光电开关,型号为E3F3-DS5ON1,为NPN常开型开关管,其内部有集成电路,探测距离可达到1m以外,原理是通电时,光电开关内部的发射管发射红外线,遇到能够反射红外线的障碍物接收反射回来的红外线,此时接收部分(PN结)导通,输出相应的信号。
光电开关有三根引出线,棕色接电源正极,兰色接电源负极,黑色为信号输出端,送给单片机,使单片机作出相应的判断,从而控制小车作出正确的动作。
4.白线检测电路
白线检测电路使用ST168,其典型接法如下图所示:
图3白线检测电路
当检测到白线时,ST168中的PN结导通,LM324此处作为比较器用,其负极此时为低电平,输出为低电平。
单片机可以利用此信号,
没有检测到白线时,LM324输出为高电平,检测到时变为低电平,而当单片机第一次检测到低电平时左转,进入比赛场地,第二次检测到低电平时右转(使用右手法则),第三次检测到低电平时,小车停下,打开风扇,同时小车在一定范围内旋转,直到吹灭蜡烛。
5.光电开关分布
这次设计使用了三个光电开关,其分布如下图所示:
图4传感器分布
传感器这样分布之后,只要前面或者前面和左边同时检测到障碍物时,小车立即右转,而当小车没有检测到障碍物时小车向左转回到左手走法,如此,小车可以比较顺利地跑完整个赛道。
6.液晶显示电路
诺基亚5110工作电压为3.3V或者5V,其引脚如下表:
表2诺基亚5110液晶引脚
1脚
RST复位
5脚
CLK时钟信号
2脚
CE片选信号
6脚
VCC电源正极
3脚
DC数据/指令
7脚
BL背光端
4脚
DIN串行数据发送口
8脚
GND电源负极
液晶的前五个引脚分别依次接到PORTC的PC0到PC4口上,6脚和7脚接+5V电源的正极,8脚接+5V电源的负极。
7.
风扇控制电路
面风扇的控制使用电磁继电器来实现,当检测到三根白线以后,单片机的PD0口送出高电平,使得电磁继电器中接风扇的一路开关闭合,风扇开始旋转,电路图如下。
图5风扇控制电路
上图中1,2两引脚接风扇的两端,当检测到了三条白线时,PD0输出高电平,三极管导通,此时电磁继电器的开关打到另外的端口,风扇开始旋转。
四软件设计
程序流程图如下:
N
Y
结束
五.调试与结果分析
小车第一次在场地跑时,由于电池电量不足没能成功,当时使用的是若干节干电池串联组成的电池组构成的电源,后来改为3.7V锂电池板串联而成的电池组,为整个电路供电。
但是小车的电机承受尖峰电流的能力太弱,所以烧坏了几个电机,只能降低PWM占空比,然后再进行调试。
在正式跑赛道时,车底盘上的传感器灵敏度太高,刚刚从出发点出发就显示检测到三根白线,开始进行灭火动作,后来经过调节传感器距离地面的高度,使得ST168只能够检测到纯白色的部分,其余灰色或非纯白色的部分LM324的输出电平都不会发生变化,经过调整后小车能够完成基本功能。
同时诺基亚5110能够实时显示小车当下执行的操作。
六.总结
这次比赛从9月下旬开始正式筹划,从买元件,模型再到焊接电路,组装小车,中间出现了诸多让人意料不到的事情,最开始的第一个模型车体太小,装上风扇以后重心不好平衡,硬件电路基本没有问题,但是小车的电机总是出现一些这样或那样的问题,最终第一辆小车的两个电机差速过大,很不好调节两轮的PWM占空比,从而使小车转过固定的角度,或者使小车走直线,无奈之下只好再寻一辆车模。
真正的调试程序时间并没有几天,大部分时间都花在了小车模型本身上面,小车的电机总是出现问题,所以这也让我们有了一个教训,下次再做智能小车时,模型一定要选好。
通过这次智能小车的制作,我们将AVR系列单片机的资源以及一些基本功能掌握地比较牢固,另外在模块化编程方面也有了上些心得体会,有了一定的收获。
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