全程實(shí)例應(yīng)用

1、10.5全程實(shí)例應(yīng)用之智能滅火機(jī)器人 10.5.1概述 最近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于 這些建筑的特殊性，發(fā)生火災(zāi)時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題， 盡快救助火災(zāi)中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機(jī)器人研究 被提到了議事日程。而機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也為這一要求的實(shí)現(xiàn)提供了技術(shù)上的 保證，使得消防機(jī)器人應(yīng)運(yùn)而生。 從二十世紀(jì)八十年代開始，世界許多國家都進(jìn)行了消防機(jī)器人的研究。美 國和蘇聯(lián)最早進(jìn)行消防機(jī)器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開 展了消防機(jī)器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機(jī)器人用于各種火災(zāi)場 合。 本設(shè)計中智能滅火機(jī)器人采

2、用兩塊SPCE061A單片機(jī)作為檢測和控制的核 心，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的智能控制，包括尋找火源、躲避障礙接近火源、啟用風(fēng)扇滅 火等功能?；鹪刺綔y使用紅外傳感器，障礙物判斷采用集成紅外傳感器，電機(jī) 采用直流電機(jī)。電機(jī)控制核心采用SPCE061A單片機(jī)，控制系統(tǒng)與電路用光電 耦合器完全隔離以避免干擾。實(shí)現(xiàn)的功能是：從安全區(qū)出發(fā)，自動尋找火源并 選擇路線滅火，避開障礙接近火源，啟用風(fēng)扇吹滅火源后結(jié)束。 10.5.2總體設(shè)計 1總體設(shè)計的任務(wù)和要求 設(shè)計制作一個智能滅火機(jī)器人的模型，能在指定區(qū)域進(jìn)行滅火工作。以蠟 燭模擬火源，隨機(jī)分布在場地中，場地如圖所示： 圖10.5.1滅火實(shí)驗(yàn)場地 根據(jù)要求為設(shè)計確定了以

3、下目標(biāo)： 1 ）智能滅火機(jī)器人啟動后能自行尋找到火源。 2）發(fā)現(xiàn)火源后，避開障礙物接近火源。 3）到達(dá)滅火距離時停止移動，啟動風(fēng)扇開始滅火。 智能滅火機(jī)器人系統(tǒng)總體方案設(shè)計 本系統(tǒng)大體上分為7個基本模塊，它們的關(guān)系如圖10.5.2所示 圖10.5.2系統(tǒng)模塊示意圖 方案一：在智能滅火機(jī)器人的兩側(cè)安裝兩個輪子并由兩個普通直流電機(jī)帶 動，前后各安裝一個萬向輪，方便智能滅火機(jī)器人拐彎并起平衡支撐作用。在 智能滅火機(jī)器人兩側(cè)各安裝一個火焰?zhèn)鞲衅骱鸵粋€風(fēng)扇，傳感器輸出信號經(jīng)比 較器來判斷火源的遠(yuǎn)近，左側(cè)通過放大可探測到距離較遠(yuǎn)的火源，右側(cè)傳感器 沒有接放大器，只可檢測到近距離內(nèi)的火源。另外在中間安裝兩個

4、傳感器，左 右距離比前后兩對傳感器大一些，主要起定位功能。智能滅火機(jī)器人從安全區(qū) 出發(fā)后直走到達(dá)中線后左拐，開啟左側(cè)傳感器探測左側(cè)半個場地內(nèi)火源的情 況，發(fā)現(xiàn)火源則在下一路口左拐若此時正好在障礙物所處的兩條線上則智能滅 火機(jī)器人后退到前一個路口再左拐，然后兩側(cè)傳感器均開啟，哪一側(cè)檢測到火 源就開啟哪一側(cè)的風(fēng)扇將火源吹滅。然后回到中線上繼續(xù)前行探測火源，到達(dá) 邊線后原地轉(zhuǎn)180度對右側(cè)的半個場地進(jìn)行探測，程序與左半側(cè)基本相同?；?源全部滅完后，智能滅火機(jī)器人沿中線返回安全區(qū)。這種方案硬件簡單，軟件 實(shí)現(xiàn)起來思路也比較清晰，但并沒有真正起到避障的效果，現(xiàn)在是已知障礙物 的位置所以能避開，若臨時改變

5、障礙物的位置，貝U這一方案就不能實(shí)現(xiàn)避障， 也就無法完成滅火任務(wù)。 方案二：車身設(shè)計與方案一相同，在智能滅火機(jī)器人前方增加一個紅外障 礙物探測傳感器，在智能滅火機(jī)器人兩側(cè)各安裝一個火焰?zhèn)鞲衅骱鸵粋€風(fēng)扇， 傳感器輸出信號經(jīng)電容濾波進(jìn)入比較器來判斷火源的遠(yuǎn)近，通過調(diào)節(jié)變阻器能 調(diào)節(jié)比較器的參考電壓，從而將火源的距離分成遠(yuǎn)近兩檔。左側(cè)為遠(yuǎn)距離檔可 探測到105cm以內(nèi)的火源，右側(cè)傳感器可檢測到 30cm以內(nèi)的火源，為近距離 檔。另外在中間安裝兩個傳感器，左右距離比前后兩對傳感器稍大一些，主要 起定位作用。智能滅火機(jī)器人從安全區(qū)出發(fā)后直走到達(dá)中線后左拐，開啟左側(cè) 傳感器探測左側(cè)半個場地內(nèi)火源的情況，若

6、發(fā)現(xiàn)火源則在下一路口左拐，然后 兩側(cè)傳感器均開啟，哪一側(cè)檢測到火源就開啟哪一側(cè)的風(fēng)扇將火源吹滅。然后 繼續(xù)前行探測火源，到達(dá)邊線后原地轉(zhuǎn)180度對右側(cè)的半個場地進(jìn)行探測，程 序與左半側(cè)基本相同。經(jīng)考慮這個方案比較合適，所以采用方案二。 (2智能滅火機(jī)器人各模塊方案選擇 一、控制器模塊 單片機(jī)控制模塊在本系統(tǒng)中處于核心地位。其工作包括處理鍵盤輸入、顯 示模塊控制、響應(yīng)傳感器中斷、控制電機(jī)運(yùn)行等。對單片機(jī)控制模塊的基本要 求是具有較高的速度、資源配置滿足要求。 方案一：采用傳統(tǒng)的8位89C51單片機(jī)作為運(yùn)動物體的控制中心。經(jīng)典 51 單片機(jī)具有價格低廉，使用簡單等特點(diǎn)，但其運(yùn)算速度低，功能單一，R

7、AM、 ROM空間小、不穩(wěn)定等缺點(diǎn)。本題目要求有較大的RAM，由于智能滅火機(jī)器 人的顛簸需要比較穩(wěn)定的系統(tǒng)，若采用89C51需要做RAM，ROM來擴(kuò)展其內(nèi) 存空間，其硬件工作量必然大大增多。而高檔的MCS-51系衍生產(chǎn)品價格昂 貴、冗余資源較多、使用范圍較窄。采用 89C51 單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，單片機(jī)軟件編程 自由度大，可用編程實(shí)現(xiàn)各種控制算法和邏輯控制。但是 89C51 需外接模數(shù)轉(zhuǎn) 換器來滿足數(shù)據(jù)采樣，硬件電路相對復(fù)雜。另外， 51 單片機(jī)在線操作不易掌 握，需要用仿真器來實(shí)現(xiàn)軟硬件調(diào)試，過于復(fù)雜，所以這個方案不予采用。 方案二：采用 FPGA 作為系統(tǒng)控制器。 FPGA 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯

8、功 能，規(guī)模大，集成度高，體積小，穩(wěn)定性好，并且可利用 EDA 軟件進(jìn)行仿真和 調(diào)試。 FPGA 采用并行工作方式，提高了系統(tǒng)的處理速度，常用于大規(guī)模實(shí)時 性要求較高的系統(tǒng)。在本設(shè)計中智能滅火機(jī)器人的行走速度不能過快， FPGA 的高速處理能力得不到充分發(fā)揮，所以決定不考慮這個方案。 方案三：采用 PHILIPS 公司的 LPC213X-ARM 系列為控制器核心。高集 成度的 32 位嵌入式 ARM 控制器核心功能強(qiáng)大速度快，邏輯功能處理能力強(qiáng)。 并可以進(jìn)行JTAG在線仿真，支持ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境，內(nèi)置 USB接口，具 有良好的控制與通信功能。內(nèi)部 PLL 電路可調(diào)整系統(tǒng)時鐘可使 CPU

9、 時鐘最大 達(dá)到 60M 赫茲，運(yùn)算速度很高。用于較高的系統(tǒng)及操作系統(tǒng)，適用于 32 位 ARM 嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。作為控制智能滅火機(jī)器人的核心部件顯得資源的運(yùn)用 效率很低，而且 ARM 的價格比較貴，程序的要求也比較高。 方案四 :采用 16 位單片機(jī) SPCE061A 作為智能滅火機(jī)器人運(yùn)動的控制中 心。SPCE061A具有豐富的資源：RAM，ROM空間大、指令周期短、運(yùn)算速度 快、低功耗、低電壓、可編程音頻處理，單片機(jī)SPCE061A 的晶振頻率為 32.768KHZ，有32K的FLASH，3.3V供電，32位可編程并行I/O 口，兩個十六 位可編程定時 /計數(shù)器，可以自動設(shè)置預(yù)設(shè)初值。

10、易于編寫和調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。尤其 在復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，其運(yùn)算速度快，精度高，在控制步進(jìn)電機(jī)時運(yùn)行速度比一 般 51 單片機(jī)快。采用 16 位 SPCE061A 單片機(jī)。此單片機(jī)功能較強(qiáng)、兼容性 好、性價比高；具有體積小、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗小以及具有 較高的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力，系統(tǒng)最高時鐘頻率可達(dá)49MHz，運(yùn)行速度快；而 且由于凌陽SPCE061A單片機(jī)內(nèi)部集成了 A/D、D/A轉(zhuǎn)換器，不需外加 A/D、 D/A器件。通過采樣取樣，結(jié)合內(nèi)部A/D、D/A，構(gòu)成閉環(huán)反饋調(diào)整控制。此 種方案既能實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)，簡化硬件電路，提高測量精度，同時也能利用 軟件對測量誤差進(jìn)行補(bǔ)償，這給調(diào)試、維護(hù)

11、和功能的擴(kuò)展、性能的提高，帶來 了極大的方便。 按照設(shè)計要求，控制器主要接收和辨識紅外傳感器傳來的信號，處理尋 線?；鹪磦鞲衅鞯男盘柼幚磉\(yùn)算。兩個電機(jī)的動作控制，滅火風(fēng)扇電機(jī)的控 制，以及躲避障礙物到達(dá)火源處滅火且智能滅火機(jī)器人速度，同時系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)比 較穩(wěn)定?；谝陨戏桨笇Ρ?，及其資源的利用、運(yùn)算速度等各個方面的綜合考 慮，我們采用方案四。 二、火源探測模塊 火源探測模塊是本設(shè)計中比較重要的一部分，因?yàn)橐怪悄軠缁饳C(jī)器人發(fā) 揮作用，自行滅火，就必須先找到火源，這樣才能決定智能滅火機(jī)器人的滅火 行進(jìn)路線。如果火源探測模塊出現(xiàn)問題，會使智能滅火機(jī)器人在火源的定位上 出現(xiàn)偏差或無法找到火源，導(dǎo)致整個設(shè)

12、計的失敗，找不到火源就無法完成任 務(wù)。因此考慮了以下兩種方案。 方案一：采用一個火焰?zhèn)鞲衅鬟M(jìn)行火源探測 用一個火焰?zhèn)鞲衅?，安裝在智能滅火機(jī)器人前方，從火焰?zhèn)鞲衅鞯玫降男?號經(jīng)整流放大，再通過 AD 轉(zhuǎn)換接單片機(jī)由程序?qū)⒒鹧婢嚯x分為遠(yuǎn)近兩檔，遠(yuǎn) 距離測到火焰可確定智能滅火機(jī)器人的基本行進(jìn)方向，進(jìn)入近距離檔后調(diào)整方 向?qū)?zhǔn)火源，開啟風(fēng)扇將其吹滅。這個方案在硬件選擇使用上比較簡單方便， 但增加了程序編寫的難度，并且 AD轉(zhuǎn)換不夠穩(wěn)定，誤差較大，故決定不考慮 方案二：使用兩個火焰?zhèn)鞲衅骷跋嚓P(guān)外圍電路進(jìn)行火源探測。 用兩個傳感器分別安裝在智能滅火機(jī)器人的兩側(cè)進(jìn)行遠(yuǎn)近距離的定位檢 測，火焰?zhèn)鞲衅鞣答伒男盘?/p>

13、經(jīng)電容濾波，再通過比較器后，輸入到單片機(jī)的I/O A端口，通過調(diào)節(jié)變阻器大小改變比較器的參考電壓，從而將火焰距離分為兩 個檔，近距離檔和遠(yuǎn)距離檔，該方案優(yōu)點(diǎn)是工作電壓低，擇向性好，遠(yuǎn)近距離 的定位準(zhǔn)確，能消除火源放置的各種特殊情況，而不存在盲區(qū)。所需器件相對 價廉，方向精確度可以利用圓筒小孔定位，使方向精度提高，準(zhǔn)確尋找到火 源。經(jīng)過考慮此方案比較實(shí)用，所以決定采用。 經(jīng)過比較，決定采用方案二，使用兩個火焰?zhèn)鞲衅骷跋嚓P(guān)外圍電路進(jìn)行火 源探測。 三、尋線前進(jìn)模塊 光電檢測模塊是用以實(shí)現(xiàn)智能滅火機(jī)器人沿著場地上標(biāo)出的細(xì)線運(yùn)動的， 且不能偏離該軌跡。設(shè)計中路徑是一條細(xì)窄的白色亮線，周圍場地是黑色膠

14、皮，所以可以利用傳感器來決定前進(jìn)軌跡，考慮以下多種方案。 方案一：使用可見光發(fā)光二極管與光敏二極管組成的發(fā)射-接收電路。這種 方案的缺點(diǎn)在于其他環(huán)境光源會對光敏二極管的工作產(chǎn)生很大干擾，對環(huán)境的 要求比較高。一旦外界光亮條件改變，很可能造成誤判和漏判，即使是采用超 高亮發(fā)光二極管可以降低一定的干擾，但這將增加額外的功率損耗，因此決定 否定這個方案。 方案二：采用一左一右兩個紅外發(fā)射接收對管。電路如圖1.2.2.3a所示， 在該電路中，加比較器LM311的目的，是使模擬量轉(zhuǎn)化為開關(guān)量，便于處理。 為使發(fā)射有一定的功率，發(fā)射回路要求不小于20mA的電流。根據(jù)公式 故可選擇R仁150Q。啟動時，智能

15、滅火機(jī)器人跨騎在白色膠紙上。兩個紅 外發(fā)射接收對管，安裝在智能滅火機(jī)器人兩側(cè)，輸出為低電壓，當(dāng)智能滅火機(jī) 器人走偏，偏離白線時，輸出為高電壓。這個方案在效果上感覺比較合適，但 由于電路設(shè)計方面比較復(fù)雜，運(yùn)行耗電量比較大，也不很穩(wěn)定，受電源，環(huán)境 影響比較大，以及造價成本多方面考慮，并不合適。 圖10.5.3紅外發(fā)射接收對管處理電路 方案三：采用顏色傳感器。目前顏色傳感器的應(yīng)用，越來越廣泛，效果也 可以。但相對復(fù)雜的處理電路，并且還需要光源，對周圍環(huán)境光源也有要求， 如果環(huán)境光源發(fā)生變化，就會造成一定的影響。所以決定不考慮這個方案。 方案四：采用光電傳感器。當(dāng)光線照射到下方場地上時會發(fā)生反射，由

16、于 黑色膠皮和白色膠紙的反射系數(shù)不同，光電傳感器可根據(jù)接收到的反射光強(qiáng)弱 來判斷是否偏離白線。使用六個集成的反射式光電傳感器，其中四個傳感器位 于智能滅火機(jī)器人的四個角上，呈矩形分布，中間兩傳感器左右距離大一些， 前后四個傳感器主要是用來為前進(jìn)和后退導(dǎo)向的，而中間兩個則是為了精確定 位的，看智能滅火機(jī)器人中心是否到達(dá)路口，根據(jù)傳感器狀態(tài)的變化來判斷智 能滅火機(jī)器人偏離膠紙的情況以及路口的不同情況，從而調(diào)整智能滅火機(jī)器人 的運(yùn)動。智能滅火機(jī)器人上傳感器的安裝位置如圖1.2.2.3b所示。 經(jīng)過考慮，決定選用方案四，不易受外界干擾，并且比較容易實(shí)現(xiàn)。 四、障礙物檢測躲避模塊 障礙物檢測模塊是用來判

17、斷智能滅火機(jī)器人前方是否有障礙物并確定智能 滅火機(jī)器人與障礙物之間的距離、障礙物的位置。為了確保智能滅火機(jī)器人在 行駛過程中避免撞到障礙物，系統(tǒng)需要利用測距傳感器檢測出障礙物與智能滅火 機(jī)器人之間的距離，或記錄下障礙物所在線路，使智能滅火機(jī)器人做出正確的動 作，避免與障礙物相撞。躲避障礙物的模塊有以下幾種方案。 方案一：采用激光傳感器測距，激光傳感器能非常準(zhǔn)確地測出智能滅火機(jī) 器人與障礙物的距離，采用激光傳感器檢測距離，是利用光的反射原理進(jìn)行距離 的測量.激光具有方向性強(qiáng),亮度高，單色性好，傳輸速度快（C=3X 108m/s等優(yōu)點(diǎn), 因此激光傳感器具有抗干擾強(qiáng)，測量精度高，反應(yīng)速度快等特點(diǎn)但由

18、于激光是以 光速傳播的，距離與時間的關(guān)系滿足：2S=CX T1,在本系統(tǒng)中障礙物離智能滅火機(jī) 器人的距離最大不超過2m,所以T1,即s=344t/2.但是附近的障礙也能反射超聲波形成干擾，測量距離誤 差比較大，而且近距離測量的精度也不是很高，所以暫不考慮。 方案三：采用兩個紅外傳感器。紅外傳感器是目前使用比較普遍的一種避 障傳感器，其處理電路如圖1.2.1.4b所示，通過調(diào)節(jié)R23、R24兩個電位器，可 調(diào)節(jié)兩個紅外傳感器的檢測距離為10 80cm，開關(guān)量輸出，即輸出為 TTL電 平。但電路比較復(fù)雜，不易實(shí)現(xiàn)，而且環(huán)境里的其他熱源比如人、煙頭、電源 等能熱源都能影響到其工作的穩(wěn)定性，故排除了這

19、種方案。 圖10.5.6紅外發(fā)射及接受處理電路 方案四：采用近距離可調(diào)光電開關(guān)，當(dāng)智能滅火機(jī)器人尋線走到障礙物前 時光電開關(guān)發(fā)出信號使智能滅火機(jī)器人停下，并返回上一個路口轉(zhuǎn)彎，走一個 “弓”字避開障礙物繼續(xù)前進(jìn)。這樣很容易實(shí)現(xiàn)避障功能，造價比較低，精度 也比較高，故實(shí)現(xiàn)起來比較簡單，容易方便穩(wěn)定，滿足各方面的要求。 按照設(shè)計要求需要準(zhǔn)確識別障礙并能避開障礙，從而實(shí)現(xiàn)避障和滅火功 能。我們選擇了方案四。 五、路程測量模塊 方案一：采用開關(guān)式霍爾元件，將磁鐵固定在小汽車的車輪上，當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動 時，磁鐵也跟著轉(zhuǎn)動，霍爾元件感應(yīng)到磁場的變化時，就會產(chǎn)生通斷效果，使單片機(jī) 的定時器的輸入端產(chǎn)生高低電平的變

20、化，從而記錄智能滅火機(jī)器人車輪轉(zhuǎn)動的圈 數(shù),假設(shè)為N,并設(shè)車輪的周長為L,通過公式S=N*L 就可以計算出小汽車在一段時間內(nèi)的行程。這種測量方法的測量數(shù)據(jù)只能 是車輪周長的整數(shù)倍，路程短誤差還比較小，一旦走的路程長，拐彎、避障倒 車等因素比較多的時候誤差就會累積起來，不精確。例如：智能滅火機(jī)器人的 車輪半徑為1cm,那么這種測量方法的最小誤差也將達(dá)到6cm。不符合題目的 要求，因此在最大限度提高精度方面暫不采用此方案。 圖10.5.7透光式光電傳感器 方案二：采用透光式光電傳感器，硬件電路如圖1.2.2.5所示。在小汽車的 車輪上鉆若干小孔，設(shè)小孔的個數(shù)為n。在車輪轉(zhuǎn)動時，發(fā)光二極管發(fā)射的光

21、被沒有孔的地方遮擋時，光敏三極管不能導(dǎo)通，光敏三極管的集電極輸出為高 電平，經(jīng)CD40106反相后，單片機(jī)定時器的輸入端為低電平。在有小孔的地 方，發(fā)光二極管發(fā)射的光就會透過小孔照射到光敏三極管上，使光敏三極管導(dǎo) 通，此時光敏三極管的集電極輸出為低電平。在經(jīng)CD40106反相后，單片機(jī)定 時器的輸入為高電平。單片機(jī)定時器就會準(zhǔn)確記錄下這種高低電平的變化的次 數(shù)，即通過的小孔的個數(shù)。假設(shè)為 N,并設(shè)車輪的周長與方案一的相同也是 L， 某段時間內(nèi)的行程計算公式為 S=N*L/ n 可以看到這種測量方法的最小誤差為方案一的1/n，可較為精確地測量出小 汽車的行程。并且可以進(jìn)行誤差控制，因?yàn)榭椎膫€數(shù)與

22、誤差成反比，要想提高 準(zhǔn)確度只要增加小孔的個數(shù)就可以。 方案三：由于場地的特殊性數(shù)格數(shù)計路程，路程的測量可直接在程序中實(shí) 現(xiàn)，由于本題中場地被均勻地分成30 cm*30 cm的小方格，只要讓智能滅火機(jī) 器人走整格數(shù)并記錄格數(shù)n 1,在每個路口處做出動作 繼續(xù)前進(jìn)或拐彎）并在 原格數(shù)基礎(chǔ)上加1，則整格數(shù)部分的路程可直接由公式 s仁n 1*30cm 算出。另外不到整格數(shù)的部分可通過透光式光電傳感器來計算，其計算公 式為 s2=N*L/n 則最后總的路程可表示為 S=s1+s2= n1*30+ N*L/ n 通過對以上方案的對比，綜合考慮路程計算的精度和實(shí)現(xiàn)的難易程度，考 慮選用方案三。 六、智能滅

23、火機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動模塊 電機(jī)驅(qū)動模塊也是本系統(tǒng)的重要模塊之一，用于控制智能滅火機(jī)器人的運(yùn) 動。因?yàn)楸鞠到y(tǒng)中未設(shè)置位置傳感器，系統(tǒng)對位置的定位完全靠軟件來實(shí)現(xiàn)， 這就要求電機(jī)的控制精度必須要高，考慮了以下幾種方案。 電機(jī)驅(qū)動電路選擇 方案一:利用9012、2SC8050及電機(jī)構(gòu)成驅(qū)動電路。 圖10.5.8電機(jī)驅(qū)動電路 如果單片機(jī)控制口輸出高電平，9012截止，2SC8050截止，電機(jī)停止運(yùn) 轉(zhuǎn)。單片機(jī)控制口輸出低電平時，9012導(dǎo)通，2SC8050導(dǎo)通，電機(jī)開始運(yùn)轉(zhuǎn)。 該電路比較簡單，輸出功率足夠大，足以推動電機(jī)工作，并且電機(jī)工作時三極 管性能非常穩(wěn)定。但該方案中單片機(jī)部分和電機(jī)供電部分沒有完全隔

24、離，而電 動機(jī)在切換時會產(chǎn)生巨大的反電動勢，經(jīng)常燒壞單片機(jī)。故沒有使用該方案。 方案二：使用多個功率放大器驅(qū)動電機(jī)。通過使用不同的放大電路和不同 參數(shù)的器件，可以達(dá)到不同的放大要求，放大后能夠得到較大的功率。但由于 放大電路很難做到完全一致，當(dāng)電機(jī)的功率較大時運(yùn)行起來會不穩(wěn)定，而且電 路的制作會比較復(fù)雜。因此也沒有選擇這種方案。 方案三：使用61板上四個接口 B0、B1、B2、B3來實(shí)現(xiàn)對智能滅火機(jī)器人 上電機(jī)的控制。首先在外部智能滅火機(jī)器人前后各放一個萬向輪，兩側(cè)為雙動 力輪。61板的四個控制端口 B0、B1、B2、B3分別接左電機(jī)A接口、左電機(jī)B 接口、右電機(jī)A接口、右電機(jī)B接口。 表10

25、.1.1電機(jī)轉(zhuǎn)動狀態(tài)編碼 左電機(jī) 右電機(jī) 左電機(jī) 右電機(jī) 電動車運(yùn)行狀態(tài) B0 B1 B2 B3 0 1 0 1 正轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 前行 0 1 1 0 正轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 右轉(zhuǎn) 0 1 1 1 正轉(zhuǎn) 停 以右電機(jī)為中心原地右轉(zhuǎn) 1 0 0 1 反轉(zhuǎn) 正轉(zhuǎn) 左轉(zhuǎn) 1 1 0 1 停 正轉(zhuǎn) 以左電機(jī)為中心原地左轉(zhuǎn) 1 0 1 0 反轉(zhuǎn) 反轉(zhuǎn) 后退 由表10.1.1可知，只要通過軟件編程設(shè)定 61板的四個控制端口 B0、B1、 B2、B3的不同編碼，就可得到電動車的前進(jìn)，后退，旋轉(zhuǎn)等不同的運(yùn)行狀態(tài)。 實(shí)現(xiàn)起來比較容易，并且誤差較小。 經(jīng)過考慮，決定選用方案三。 電機(jī)類型選擇 方案一：采用減速小型直流電機(jī)。減速直

26、流電機(jī)控制精度很低，雖不能準(zhǔn) 確控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，但可控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、不轉(zhuǎn)等動作，速度均勻性好。這 已足夠我們控制智能滅火機(jī)器人前進(jìn)、拐彎、后退等簡單工作，且控制簡單， 電源要求低，易于實(shí)現(xiàn)。 方案二：采用專用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器及與其配套的步進(jìn)電機(jī)。步進(jìn)電機(jī)是數(shù) 字控制電機(jī)，用這種方案的控制精度 可控制角度）、效率和可靠性都很高，但 價格過高、重量大、占用口資源多且控制復(fù)雜對電源要求也高，所以排除這個 通過以上對比，決定選擇使用普通直流電機(jī)。 電機(jī)的選擇方案一：采用直流電機(jī)控制懸掛物體的運(yùn)動，直流電機(jī)力量 大，能獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)動速度快，但由于存在機(jī)械觸點(diǎn)，直流電機(jī)容 易產(chǎn)生噪聲，而且單獨(dú)使

27、用時不能完成位置控制，需要配以傳感器才能控制定 位。 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)控制懸掛物體的準(zhǔn)確運(yùn)動，步進(jìn)電機(jī)不需要使用傳 感器就能精確定位，而且通過給定的脈沖周期，能夠以任意速度轉(zhuǎn)動，定距運(yùn) 動較精確。雖然步進(jìn)電機(jī)不能高速轉(zhuǎn)動，但根據(jù)題目要求的時間和移動距離， 步進(jìn)電機(jī)完全能夠符合要求，是該種要求下廣泛使用的一種電機(jī)。經(jīng)過考慮， 決定選擇方案二。 七、滅火模塊 曾考慮了各種滅火方式，有放置小型滅火器、使用噴水裝置滅火等。但由 于都比較復(fù)雜，并且對智能滅火機(jī)器人的穩(wěn)定性要求很高，所以最后選擇用風(fēng) 扇將蠟燭吹滅。 用風(fēng)扇能達(dá)到要求，并且簡單方便各方面的實(shí)現(xiàn)都比較簡單，工作也比較 穩(wěn)定，調(diào)試快捷。適合

28、應(yīng)用。使用時檢測并確定火源在可吹滅的范圍內(nèi)后由單 圖10.5.9風(fēng)扇電路控制原理圖 八、電源模塊 采用普通的電池組供電就能實(shí)現(xiàn)我們的要求，我們計劃一共使用六盒電 池，兩盒6V電池分別用在智能滅火機(jī)器人電機(jī)上和紅外探障傳感器上，風(fēng)扇 采用9V電源，另外兩塊4.5V電池用在61板和傳感器的供電上。風(fēng)扇使用 9V 和智能滅火機(jī)器人電機(jī)用 6V電源是為了增加驅(qū)動能力，而智能滅火機(jī)器人的 兩個電機(jī)使用一個電源是為了使兩電機(jī)的轉(zhuǎn)速相同。 電源的選擇 方案一：所有器件都采用單一電源。這樣供電雖然比較簡單，但是由于電 動機(jī)啟動瞬間電流很大，而且給定脈沖信號驅(qū)動的電機(jī)電流波動較大，會造成 電壓不穩(wěn)、有毛刺等干擾

29、，對單片機(jī)系統(tǒng)造成嚴(yán)重的干擾，缺點(diǎn)十分明顯。 方案二：雙電源供電。將電機(jī)驅(qū)動電源 12V)和單片機(jī)的供電電源5V) 完全隔開，這樣設(shè)計可以徹底消除電機(jī)驅(qū)動所造成的干擾，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定 性?；谏鲜隹紤]，所以我們選擇方案二。 (3系統(tǒng)各模塊的最終方案 經(jīng)過仔細(xì)分析和論證，我們決定系統(tǒng) 7個模塊的最終方案如下： a控制器模塊：選擇 SPCE061A單片機(jī)作為智能滅火機(jī)器人運(yùn)動的控制中 心。 b火源探測模塊：采用雙火焰?zhèn)鞲衅骶_定位系統(tǒng)。 c尋線前進(jìn)模塊：采用 6個光電傳感器來引導(dǎo)和調(diào)整智能滅火機(jī)器人的動 作。 d障礙物檢測躲避模塊：選用了紅外傳感器避障。 e智能滅火機(jī)器人電機(jī)驅(qū)動模塊：采用普通直

30、流電機(jī)，雙驅(qū)動四接口方 式、PWM脈寬調(diào)速。 f滅火模塊：在智能滅火機(jī)器人兩側(cè)分別安裝兩個風(fēng)扇對火源進(jìn)行吹風(fēng)。 g電源模塊：直接采用電池組，分別做出 4.5V、6V和9V電池組。 10.5.3硬件設(shè)計 本題是一個光機(jī)電一體的綜合設(shè)計，在設(shè)計中應(yīng)用了檢測技術(shù)、自動技術(shù) 和電子技術(shù)。系統(tǒng)硬件可以分為控制部分、檢測部分和功能實(shí)現(xiàn)部分。 1控制部分 1）車身動力部分 電機(jī)部分采用普通直流電機(jī) PWM模式控制，PWM模式易于控制電機(jī)轉(zhuǎn)速 和拐彎的角度，并且采用雙電機(jī)驅(qū)動以利于智能滅火機(jī)器人的原地轉(zhuǎn)向、后退 等動作的完成。如原地左轉(zhuǎn)則可通過控制左側(cè)電機(jī)反轉(zhuǎn)，右側(cè)電機(jī)正傳來實(shí) 現(xiàn)。 2）單片機(jī)控制部分 單片

31、機(jī)我們選用了一塊 SPCE061A板，單片機(jī)用來接收火焰探測和路面檢 測的信號以及紅外探障信號并進(jìn)行分析后通過控制電機(jī)轉(zhuǎn)動來控制智能滅火機(jī) 器人的運(yùn)動，最終避開障礙物到達(dá)火源處滅火，作為主要控制模塊。 3）控制部分單元電路圖 a車身動力部分電路圖 VCC O JL 器2管 QI I 卿三根管&15 IOBI4 J t: Lus VJ ice i2 ICIi IS- IOBH $41 ICBif- M A K X I0A15 MIQA14 IGi13 I0A12 S- ICA11 I0AW IQA? XSLEEP VS XRQMT H&A15 OAK ICA13 H3AI3 FQA1I t&Al

32、D OA& 90- E KJQA s 建 r-d s-0- ff:iq laIQ 圖10.5.12凌陽61板接口圖 SPCE061A板具有以下性能： (1工作電壓 VDD為2.4V3.6V (232位通用可編程輸入/輸出端口，且接口電壓 VDDH為2.45.5V (32個16位可編程定時器/計數(shù)器 (42個10位DAC輸出通道 (5內(nèi)置 32K FLASH 和 2K 字 SRAM 等 POWER 08 DAC txa RESET 00 frtl A3K J KEY 圖10.5.13 61板電路原理圖 2檢測部分 這一部分是車身控制和功能實(shí)現(xiàn)部分的基礎(chǔ)，單片機(jī)通過對傳感器信號的 處理來控制電機(jī)正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)或不轉(zhuǎn)，從而控制智能滅火機(jī)器人前進(jìn)、左轉(zhuǎn)、右 轉(zhuǎn)、后退、原地轉(zhuǎn)等動作，基本原理可用下圖來表示 傳感器 貿(mào)出信號彳單片機(jī) 嚴(yán)制信號彳電動車電機(jī) 圖10.5.14傳感器檢測部分方框圖 1）傳感器檢測部分又包括紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測、紅外障礙物檢測和光電 尋線傳感器檢測三大塊。 火焰探測我們利用了溫度變化對紅外傳感器電流的影響，同時距