機(jī)電一體化畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)產(chǎn)品 題 目： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 班 級(jí)： 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 年 月 日 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 0 頁(yè) 目錄目錄 目錄目錄.1 第一章第一章 緒論緒論.3 1.1 機(jī)器人產(chǎn)生的背景.3 1.2. 滅火機(jī)器人的發(fā)展.3 第第 2 章章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案比較系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案比較.5 2.1 整體方案設(shè)計(jì).5 2.2 硬件實(shí)現(xiàn)方案.6 2.2.1 mcu 的選擇.6 2.2.2 電機(jī)選擇.6 2.2.3 傳感器的選擇.7 2.2.4 硬件總體設(shè)計(jì)方案.8 2.3 軟件總體設(shè)計(jì)方案.8 第第 3 章章 硬件單元電路設(shè)計(jì)硬件單元電路設(shè)計(jì).9 3.1 電源電路.9 3.2

2、微控制器模塊的設(shè)計(jì).9 3.2.1 atmega128 單片機(jī)介紹.9 3.2.2 atmega128 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路.11 3.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì).12 3.4 尋線電路的設(shè)計(jì).14 3.5 火焰檢測(cè)電路的設(shè)計(jì).17 3.6 聲音報(bào)警與滅火.17 3.6.1 滅火驅(qū)動(dòng)電路.17 3.6.2 聲音報(bào)警電路.18 第第 4 章章 軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn).19 4.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹.19 4.2 主程序流程圖.19 4.3 尋線程序流程圖.20 4.4 滅火程序流程圖.20 第第 5 章章 系統(tǒng)功能調(diào)試系統(tǒng)功能調(diào)試.21 5.1 測(cè)試儀器及設(shè)備.21 5.2 功能測(cè)試.21 平頂山 工業(yè) 職

3、 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 1 頁(yè) 5.2.1 驅(qū)動(dòng)電路部分.21 5.2.2 尋線部分.21 5.2.3 滅火效果部分.22 5.3 調(diào)試心得.22 結(jié)結(jié) 論論.23 參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).24 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 2 頁(yè) 第一章第一章 緒論緒論 1.1 機(jī)器人產(chǎn)生的背景機(jī)器人產(chǎn)生的背景 首先我介紹一下機(jī)器人產(chǎn)生的背景，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說(shuō)是一個(gè)科學(xué)技術(shù)發(fā)展 共同的一個(gè)綜合性的結(jié)果，也同時(shí)，為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個(gè)重大影響的一門科學(xué)技術(shù)， 它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國(guó)加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國(guó)的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身

4、發(fā)展的必然結(jié)果，那么人 類的發(fā)展隨著人們這種社會(huì)發(fā)展的情況，人們?cè)絹?lái)越不斷探討自然過(guò)程中，在改造自然過(guò)程 中，認(rèn)識(shí)自然過(guò)程中，實(shí)現(xiàn)人們對(duì)不可達(dá)世界的認(rèn)識(shí)和改造，這也是人們?cè)诳萍及l(fā)展過(guò)程中 的一個(gè)客觀需要。 那么什么是機(jī)器人呢？人們一般的理解來(lái)看，機(jī)器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電 子裝置，或者叫自動(dòng)化裝置，它仍然是個(gè)機(jī)器，它有三個(gè)特點(diǎn)，一個(gè)是有類人的功能，比如 說(shuō)作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動(dòng)作，它還有一個(gè)特點(diǎn)是根據(jù)人的編程能 自動(dòng)的工作，這里一個(gè)顯著的特點(diǎn)，就是它可以編程，改變它的工作、動(dòng)作、工作的對(duì)象， 和工作的一些要求，它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。但從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)

5、器人定義來(lái) 看，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來(lái)機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、 情感和對(duì)外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)器。那么這給機(jī)器人提出來(lái)更高層次的要求，展望 21 世紀(jì)，機(jī)器人將是一個(gè)與 20 世紀(jì)計(jì)算機(jī)的普及一樣，會(huì)深入地應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，在 21 世紀(jì)的前 20 年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個(gè)重要時(shí)期，也是智能機(jī)器人發(fā)展 的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)期。 剛才我們用了短暫的時(shí)間，講了機(jī)器人的發(fā)展以及我們對(duì)機(jī)器人的看法，進(jìn)行了簡(jiǎn)單地 介紹，相信大家在今后的學(xué)習(xí)中，能夠加入到我們研究機(jī)器人這個(gè)行列中。 1.2. 滅火機(jī)器人的發(fā)展滅火機(jī)器人的發(fā)展 近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大

6、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(shí)，不能快速高效的滅火。為了解決這一問(wèn)題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 3 頁(yè) 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(kāi)始，世界許多國(guó)家都進(jìn)行了消防機(jī)器人的研究。美國(guó)和蘇聯(lián)最早 進(jìn)行消防機(jī)器人的研究，而后日本、英國(guó)、法國(guó)等國(guó)家都紛紛開(kāi)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(chǎng)合。 我國(guó)從八十年代末期開(kāi)始消防機(jī)器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機(jī)器

7、人的研究中取得了大量的成果，自行式消防炮已經(jīng)投入市場(chǎng)，履帶輪式消防滅火偵察機(jī) 器人也于 2000 年 6 月通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收。但是，我國(guó)消防機(jī)器人的研究還處在初級(jí)階段，還 有許多有待研究的問(wèn)題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時(shí)，消防人員不可能在短時(shí)間內(nèi)到達(dá)高處 的火災(zāi)發(fā)生地點(diǎn)，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴(kuò)散，消防人員不容易快速 的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時(shí)，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時(shí)極易中 毒。研制能夠用于這些場(chǎng)合的偵察滅火機(jī)器人，協(xié)助消防人員進(jìn)行火災(zāi)的定位和滅火，將有 極大的社會(huì)意義。 基于人工智能的不斷發(fā)展，各項(xiàng)高新技術(shù)的不斷成熟，在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，消防機(jī)器人在 功能上

8、會(huì)更具多樣特點(diǎn)，在較多危險(xiǎn)區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。同時(shí) 也應(yīng)該看到，我國(guó)在研究消防機(jī)器人方面較國(guó)外同行已落后太多，存在技術(shù)差異和代溝，消 防機(jī)器人的不斷研制、生產(chǎn)和裝備過(guò)程，應(yīng)堅(jiān)持自主研制為主，引進(jìn)為輔，提高我國(guó)消防部 隊(duì)消防裝備現(xiàn)代化的水平,并及時(shí)裝備消防部隊(duì)，提高消防部隊(duì)打贏大仗、惡仗、硬仗和特 殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊(duì)在處置大型復(fù)雜火災(zāi)和應(yīng)急救援的作戰(zhàn)效能, 提高消防部隊(duì)的 自我防護(hù)能力,減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保衛(wèi)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 4 頁(yè) 第第 2 章章 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案比較系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案比較 根據(jù)課題設(shè)計(jì)的要求和課題目標(biāo)，

9、我制定出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)比較論證，選擇 合適的器件。最終確定手工制作小車，采用 atmega128 單片機(jī)作為主控制器，用 st178 型光電對(duì)管進(jìn)行避障，tts 型熱釋電非接觸式溫度傳感器作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅?，l298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片的設(shè)計(jì)方案。 2.1 整體方案設(shè)計(jì)整體方案設(shè)計(jì) 課題要求設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)易滅火機(jī)器人模型，能到指定區(qū)域進(jìn)行滅火工作（以蠟燭模擬火源， 分布在小車行走的場(chǎng)地中） 。小車必須通過(guò)內(nèi)部設(shè)備采集現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境情況進(jìn)行分析并做出相應(yīng) 的動(dòng)作，以達(dá)到小車智能滅火的目的。 根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動(dòng)模塊、避障傳 感器模塊、避障模塊、

10、火焰?zhèn)鞲衅?、滅火系統(tǒng)及其驅(qū)動(dòng)模塊等模塊構(gòu)成，本系統(tǒng)的方框圖如 圖 2-1 所示。 圖 2-1 系統(tǒng)方框圖 為較好的實(shí)現(xiàn)各模塊的功能，我分別設(shè)計(jì)了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 5 頁(yè) 2.2 硬件實(shí)現(xiàn)方案硬件實(shí)現(xiàn)方案 2.2.1 mcu 的選擇的選擇 近年來(lái)，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，為智能裝置的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)帶來(lái)了很大的便利。但在開(kāi) 發(fā)設(shè)計(jì)中選擇合適的 mcu 帶來(lái)了很大的困難。 方案 2：采用凌陽(yáng)公司的 16 位單片機(jī)，它是 16 位控制器，具有體積小、驅(qū)動(dòng)能力高、 集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。處理速度高， 尤其適用于語(yǔ)音處理

11、和識(shí)別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽(yáng)單片機(jī)應(yīng)用語(yǔ)音處理和辨識(shí)時(shí)，由于其占用 的 cpu 資源較多而使得凌陽(yáng)單片機(jī)同時(shí)處理其它任務(wù)的速度和能力降低。 本系統(tǒng)主要是進(jìn)行避障和火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測(cè)以及電機(jī)的控制，兼有聲音報(bào)警。如果單純 的使用凌陽(yáng)單片機(jī)，在語(yǔ)音播報(bào)的同時(shí)小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性 和編程的簡(jiǎn)潔性考慮，我放棄了單純使用凌陽(yáng)單片機(jī)而考慮其它的方案。 2.2.2 電機(jī)選擇電機(jī)選擇 本系統(tǒng)為智能電動(dòng)車，對(duì)于電動(dòng)車來(lái)說(shuō)，其驅(qū)動(dòng)電機(jī)的選擇就顯得十分重要。下面我們 分析了幾種常見(jiàn)電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)由于其轉(zhuǎn)過(guò)的角度可以精確的定位，可以實(shí)現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。 雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，

12、步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高 轉(zhuǎn)速時(shí)會(huì)急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。 直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)力矩大，體積小，重量輕，裝配簡(jiǎn)單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速 電動(dòng)機(jī)提供原始動(dòng)力，帶動(dòng)變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。 舵機(jī)，顧名思義是控制舵面的電動(dòng)機(jī)。舵機(jī)的出現(xiàn)最早是作為遙控模型控制舵面、油門 等機(jī)構(gòu)的動(dòng)力來(lái)源，但是由于舵機(jī)具有很多優(yōu)秀的特性，在制作機(jī)器人時(shí)也時(shí)常能看到它的 應(yīng)用。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動(dòng)器，轉(zhuǎn)動(dòng)范圍一般不能超過(guò) 180 度，適用于那些需要角 度不斷變化并可以保持的驅(qū)動(dòng)當(dāng)中。比方說(shuō)機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。 直流電機(jī)能夠較好的滿足系

13、統(tǒng)的要求，控制方便，因此我選擇以直流電機(jī)做為小車行進(jìn) 驅(qū)動(dòng)電機(jī)，用舵機(jī)來(lái)做小車的驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)向電機(jī)。 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 6 頁(yè) 2.2.3 傳感器的選擇傳感器的選擇 火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x擇火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x擇 火焰檢測(cè)有紫外傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器以及 ccd 圖像傳感器。 用光敏電阻作為傳感器。所謂光敏，就是對(duì)光反應(yīng)敏感。光敏電阻在光照條件下電阻值 隨外界光照強(qiáng)弱（明暗）變化而變化的組件，光越強(qiáng)阻值越小，光越弱阻值越大。cds 光 敏電阻，靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及 值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫、多濕的惡 劣環(huán)境下，仍能保持其高度的穩(wěn)定性和可靠性，廣泛應(yīng)用于光探測(cè)和光

14、自控領(lǐng)域中。但自然 光對(duì)光敏電阻影響較大，因此我們不采用此方案。 尋跡傳感器尋跡傳感器 用 st178 型光電對(duì)管。st178 為反射取樣式紅外線對(duì)管作為核心傳感器件。它采用高發(fā) 射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，以非接觸檢測(cè)方式，檢測(cè)距離可調(diào)整范 圍大，4-10mm 可用。st178 的示意圖和特性曲線如圖 2-3 所示。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反 射回來(lái)時(shí)，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對(duì)管調(diào)理電路簡(jiǎn)單，工作性能穩(wěn)定。因此我選擇 了方案 3。 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 7 頁(yè) (a) st178 示意圖示意圖 (b) st178 特性表特性表 圖 2-3 st178 的示意

15、圖和特性曲線 避障傳感器的選擇避障傳感器的選擇 用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā) 出后，遇到障礙物便反射回來(lái)，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號(hào)放大后送入單片機(jī)。 超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用。但是超聲波傳感器需要 40khz 的方波信號(hào)來(lái)工 作，因?yàn)槌暡▊鞲衅鲗?duì)工作頻率要求較高，偏差在 1內(nèi)，所以用模擬電路來(lái)做方波發(fā)生 器比較難以實(shí)現(xiàn)。而用單片機(jī)作為方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)資源。因此我考慮其他的方案。 2.2.4 硬件總體設(shè)計(jì)方案硬件總體設(shè)計(jì)方案 經(jīng)過(guò)反復(fù)比較論證，我最終確定了如下方案： 1、手工制作車體。 2、采用 atmega128 單

16、片機(jī)作為主控制器。 3、用 st178 型光電對(duì)管進(jìn)行避障。 4、熱釋電紅外測(cè)溫傳感器作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳌?5、l298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)芯片。 6、使用蜂鳴器進(jìn)行滅火報(bào)警。 2.3 軟件總體設(shè)計(jì)方案軟件總體設(shè)計(jì)方案 傳感器組把測(cè)得溫度分別通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過(guò)一定的處理，比較 得出溫度最高的三個(gè)傳感器，根據(jù)能量在自由空間的衰減規(guī)律可知，火源與傳感器的距離與 傳感器測(cè)得溫度的大小呈負(fù)相關(guān)，溫度越高，距離火源越近，所以，火源即在這三個(gè)傳感器 所對(duì)的那個(gè)方向上。具體的方位可以通過(guò)相應(yīng)的公式計(jì)算出來(lái)，調(diào)整小車方向并通過(guò)避障傳 感器避障前進(jìn)到火源位置驅(qū)動(dòng)滅火風(fēng)扇進(jìn)行滅火。 平頂山 工

17、業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 8 頁(yè) 第第 3 章章 硬件單元電路設(shè)計(jì)硬件單元電路設(shè)計(jì) 本章主要講述了以 at89s52 為主控制器，設(shè)計(jì)相關(guān)的硬件電路。主要硬件電路有：尋線與控制電路、 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、火焰檢測(cè)電路、滅火風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)電路以及聲音報(bào)警電路。 3.1 電源電路電源電路 atmega128 需要 4.5 - 5.5v 直流電壓、150ma 的峰值電流，在考慮到其它外圍芯片的供電電壓和功 耗，最終選擇 lm2940 這種專為大功率供電使用的芯片提供 5v 供電，電源電路如圖 3-1。 （3-1） 3.2 微控制器模塊的設(shè)計(jì)微控制器模塊的設(shè)計(jì) 3.2.1 atmega128 單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹

18、 atmel 公司的 8 位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片機(jī)，應(yīng)用極其廣泛 atmega128 主要特性如下： 高性能、低功耗的 avr 8 位微處理器 先進(jìn)的 risc 結(jié)構(gòu) 133 條指令 大多數(shù)可以在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成 32 x 8 通用工作寄存器 + 外設(shè)控制寄存器 全靜態(tài)工作 工作于 16 mhz 時(shí)性能高達(dá) 16 mips 只需兩個(gè)時(shí)鐘周期的硬件乘法器 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器 128k 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 flash 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 9 頁(yè) 壽命: 10,000 次寫(xiě)/ 擦除周期 具有獨(dú)立鎖定位、可選擇的啟動(dòng)代碼區(qū) 通過(guò)片內(nèi)的啟動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 真正的讀

19、- 修改- 寫(xiě)操作 4k 字節(jié)的 eeprom 壽命: 100,000 次寫(xiě)/ 擦除周期 4k 字節(jié)的內(nèi)部 sram 多達(dá) 64k 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲(chǔ)器空間 可以對(duì)鎖定位進(jìn)行編程以實(shí)現(xiàn)軟件加密 可以通過(guò) spi 實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 jtag 接口( 與 ieee 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容) 遵循 jtag 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試 通過(guò) jtag 接口實(shí)現(xiàn)對(duì) flash, eeprom, 熔絲位和鎖定位的編程 外設(shè)特點(diǎn) 兩個(gè)具有獨(dú)立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 兩個(gè)具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器 具有獨(dú)立預(yù)分頻器的實(shí)時(shí)時(shí)鐘計(jì)數(shù)器 兩路

20、 8 位 pwm 6 路分辨率可編程（2 到 16 位）的 pwm 輸出比較調(diào)制器 8 路 10 位 adc 8 個(gè)單端通道 7 個(gè)差分通道 2 個(gè)具有可編程增益（1x, 10 x, 或 200 x）的差分通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個(gè)可編程的串行 usart 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的 spi 串行接口 具有獨(dú)立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 10 頁(yè) 片內(nèi)模擬比較器 特殊的處理器特點(diǎn) 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測(cè) 片內(nèi)經(jīng)過(guò)標(biāo)定的 rc 振蕩器 片內(nèi)/ 片外中斷源 6 種睡眠模式: 空閑模式、adc 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、standby 模式以

21、及 擴(kuò)展的 standby 模式 可以通過(guò)軟件進(jìn)行選擇的時(shí)鐘頻率 通過(guò)熔絲位可以選擇 atmega103 兼容模式 全局上拉禁止功能 i/o 和封裝 53 個(gè)可編程 i/o 口線 64 引腳 tqfp 與 64 引腳 mlf 封裝 工作電壓 2.7 - 5.5v atmega128l 4.5 - 5.5v atmega128 速度等級(jí) 0 - 8 mhz atmega128l 0 - 16 mhz atmega128 3.2.2 atmega128 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)最小系統(tǒng)電路 atmega128 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 3-2 所示。主要包括復(fù)位電路、晶振電路、低通濾 波器電路以及各

22、種濾波電容 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 11 頁(yè) 3.33.3 電機(jī)電機(jī) 驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) 電路電路 的設(shè)的設(shè) 計(jì)計(jì) 用 l298 芯片 作為 電機(jī) 驅(qū)動(dòng)， 操作 方便， 穩(wěn)定 性好， 性能 優(yōu)良， 從穩(wěn) 定性 方面 考慮，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片 l298 作為電機(jī)驅(qū)動(dòng)。 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 12 頁(yè) l298 是 sgs 公司的產(chǎn)品，是一個(gè)具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動(dòng)芯片，內(nèi)部 包含二個(gè) h 橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動(dòng)器，接收標(biāo)準(zhǔn) ttl 邏輯電平信號(hào)，可驅(qū)動(dòng) 圖 3-3 lm298 內(nèi)部 h 橋原理 圖 46 伏、2 安培以 下的電 機(jī)，工 作溫度 范圍從 25 度到 130 度。

23、它相應(yīng)頻率高，一片 l298 可以分別控制兩個(gè)直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。其內(nèi)部的 h 橋原理圖如圖 2-2 所示。ena 是控制使能端，控制 outl 和 out2 之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)， in1、in2 腳接入控制電平，控制 outl 和 out2 之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)使能端 ena 有效，in1 為低電平 in2 為高電平時(shí)，三極管 2，3 導(dǎo)通，1，4 截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng) in1 和 in2 電平相 同時(shí)，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 如表 3-1 是 l298 使能引腳、輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關(guān)系 表 3-1 電機(jī)運(yùn)行邏輯關(guān)系 enain1in2 電機(jī)轉(zhuǎn)向 hhl 正轉(zhuǎn) hlh 反轉(zhuǎn) h 同 in2

24、同 in1停止 lxx 停止 驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)如圖 3-4 所示。電池由 vin 接入，通過(guò) lm2940imp-5.0 轉(zhuǎn)化為 5v 作為信號(hào)電源 vcc。 電機(jī)由 l298 供電，由全橋進(jìn)行瀉流。 對(duì)電機(jī)的控制信號(hào)由 atmega128 直接輸入，m1_dir 與 m1_pwm 為 m1 電機(jī)的控制信號(hào)， 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 13 頁(yè) （3-4） m2_dir 與 m2_pwm 為 m2 電機(jī)的控制信號(hào),其中 input 2 與 input 4 的信號(hào)是由輸入 input 1、input 3 的信號(hào)反向后輸入。通過(guò)對(duì)單片機(jī)的編程就可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 3.4 尋線電

25、路的設(shè)計(jì)尋線電路的設(shè)計(jì) 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，我并沒(méi)有選用 adc 而是選用 lm339 電壓比較器的方案，設(shè)計(jì)出來(lái)的電 路緊湊且穩(wěn)定性好。 lm339 作為一款典型的電壓比較器，內(nèi)部有四個(gè)獨(dú)立的電壓比較器，其的特點(diǎn)是： 1、失調(diào)電壓小，典型值為 2mv； 2、電源電壓范圍寬，單電源為 2 - 36v，雙電源為1v - 18v； 3、對(duì)比較信號(hào)源的內(nèi)阻限制較寬； 4、共模范圍很大，為 0 -（vcc - 1.5v）vo； 5、差動(dòng)輸入電壓范圍較大，最大可以等于電源電壓值； 6、輸出端電平可靈活方便地選用。 lm339 類似于增益不可調(diào)的運(yùn)算放大器。每個(gè)比較器有兩個(gè)輸入端和一個(gè)輸出端。一 個(gè)稱為同相輸入

26、端（+） ，另一個(gè)稱為反相輸入端（-） 。用作兩個(gè)電壓的比較時(shí)，任意一個(gè)輸 入端加一個(gè)固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 lm339 輸入共模范圍的任何 一點(diǎn)） ，另一端加一個(gè)待比較的信號(hào)電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時(shí)，輸出管截止，相當(dāng)于 輸出端開(kāi)路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時(shí)，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個(gè)輸入端 電壓差別超過(guò) 10mv 就可確保輸出能夠從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)。因此，把 lm339 用在弱信號(hào)檢測(cè)等場(chǎng)合是比較理想的。 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 14 頁(yè) lm339 的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體管，在使用時(shí)輸出端到正電源一般

27、 需接一只上拉電阻（選 3-15k） 。選不同阻值的上拉電阻會(huì)影響輸出端高電位的值。因?yàn)楫?dāng) 輸出晶體三極管截止時(shí)，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。 lm339 的單相比較器電路及傳輸特性如圖 3-5 所示。圖 a 給出了一個(gè)基本單限比較器。 輸入信號(hào) uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個(gè)參考電壓（門限電 平）ur。當(dāng)輸入電壓 uinur 時(shí)，輸出為高電平 uoh。圖 b 為其傳輸特性。 圖 3-5 lm339 的單相比較器電路及傳輸特性 紅外線對(duì)管典型應(yīng)用電路如圖 3-6 所示。 圖 3-6 紅外線對(duì)管典型應(yīng)用電路 其中，ie是紅外線接收管的導(dǎo)通后的發(fā)射極電

28、流。輸出電壓為： 2 *riu eout r1為發(fā)射管的限流電阻，r2是輸出分壓電阻，vcc是發(fā)射管供電電壓，vref 是輸出信 號(hào)的參考電壓，vout 是輸出信號(hào)。工作時(shí)，發(fā)射管 d 發(fā)射出的波長(zhǎng)約為 940nm 的紅外線信 號(hào)經(jīng)反射面?zhèn)魉偷浇邮展苌?，反射信?hào)的強(qiáng)度隨反射面的材料和顏色的不同而不同，接收管 的導(dǎo)通電阻 rgb 隨接收到的反射信號(hào)強(qiáng)弱而改變，信號(hào)越強(qiáng)電阻越小，信號(hào)越弱電阻越大。 導(dǎo)通電阻和下拉電阻對(duì) vref 分壓之后輸出 vout 的模擬電壓信號(hào)送至 lm339 電壓比較器的 輸入端實(shí)現(xiàn)模數(shù)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。 設(shè)計(jì)出的電路原理圖如圖 3-7 所示。 r1 r2 d vcc vre

29、f vou t ie 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 15 頁(yè) 圖 3-7 尋線傳感器模塊原理圖 小車位置示意圖如圖 3-8 所示。 尋線的原理：若小車在運(yùn)動(dòng)時(shí)，小車中軸線位于地面引導(dǎo)線上，位置狀態(tài)=010，使小車 前進(jìn)；若小車中軸線位于地面引導(dǎo)線的右側(cè)，位置狀態(tài)=100，使小車左轉(zhuǎn)；若小車中軸線位 于地面引導(dǎo)線的左側(cè)，位置狀態(tài)=001，使小車右轉(zhuǎn)。 圖 3-8 行進(jìn)路徑示意 從上面的分析可得：在尋線時(shí)，選用 3 只反射式紅外傳感器就可以實(shí)現(xiàn)小車沿曲線行走。 位置狀態(tài)=010位置狀態(tài)=100位置狀態(tài)=001 vcc 4.7k r2 r1 u1 st178 200 r3 4.7k r4 gn

30、d output2 4 5 312 u2a lm339n vcc 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 16 頁(yè) 當(dāng)機(jī)器人偏離白線時(shí)，根據(jù)在白線上光電管的分布情況來(lái)調(diào)整機(jī)器人的行進(jìn)姿態(tài)。 3.5 火焰火焰檢測(cè)電路的設(shè)計(jì)檢測(cè)電路的設(shè)計(jì) tts1000 和 tts2000 系列熱釋電體兩面的電極之間連接高阻抗負(fù)荷，為了將溫度變化引起的表面電 荷量的變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化，內(nèi)部裝場(chǎng)效應(yīng)晶體管，同時(shí)加上阻抗匹配的電路，其結(jié)構(gòu)如圖 ，特 性參數(shù)如表格 。 圖 3-9 表格 3-2 量程 /c 工作溫度 /c 負(fù)載阻抗 /k 功率 /mw 耐溫性 /（%） 響應(yīng)頻率 /hz 電壓 /vdc 電流 /ma

31、電壓靈敏度 /（v/w） -1001200-206010 025 5 03100 520250400 信號(hào)采集是系統(tǒng)通過(guò)紅外測(cè)溫傳感器來(lái)測(cè)溫度,如圖 4-4 所示,左邊為紅外傳感器組,是信 號(hào)的原始采集部分，它由八個(gè)紅外測(cè)溫傳感器組成。傳感器測(cè)得的信號(hào)直接輸入到 atmega128 單片機(jī) a/d 轉(zhuǎn)換器的模擬信號(hào)輸入端口。電路圖如圖 3-x 所示。 3.6 聲音報(bào)警與滅火聲音報(bào)警與滅火 3.6.1 滅火驅(qū)動(dòng)電路滅火驅(qū)動(dòng)電路 滅火風(fēng)扇的驅(qū)動(dòng)電路如圖 3-10 所示。其中 port1，port2 分別接到單片機(jī)的 p0.5、p0.6 接口上。單片機(jī)輸出 port1，port2 控制信號(hào)用以驅(qū)動(dòng)滅

32、火電機(jī)動(dòng)作。由于選用 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 17 頁(yè) 的是增強(qiáng)型 mos 管，所以，當(dāng) port 信號(hào)為高時(shí)，mos 管在 vgs下開(kāi)始工作，mos 導(dǎo)通，風(fēng)扇 開(kāi)始動(dòng)作，進(jìn)行滅火；當(dāng) port 信號(hào)為低時(shí)，由于增強(qiáng)型 mos 管特點(diǎn)，vgs=0 時(shí)，id=0。此時(shí)， mos 截止，風(fēng)扇不動(dòng)作。 圖 3-10 滅火驅(qū)動(dòng)電路 3.6.2 聲音報(bào)警電路聲音報(bào)警電路 控制信號(hào)為“speak” ，接至單片機(jī)的 i/o 口的 p1.6 腳。當(dāng)“speak”為高電平時(shí)，三極 管基級(jí)為高電平，此時(shí)，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不工作；當(dāng)“speak”為低電平時(shí)， 三極管處于放大工作狀態(tài)，驅(qū)動(dòng)蜂鳴

33、器，開(kāi)始發(fā)聲，蜂鳴器工作。 gnd vcc d1d2 m b1 m b1 q1 mosfet-n q2 mosfet-n 104 c1 104 c2 port2port1 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 18 頁(yè) 第第 4 章章 軟件實(shí)現(xiàn)軟件實(shí)現(xiàn) 4.1 軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹 編程語(yǔ)言選用 c 語(yǔ)言。匯編語(yǔ)言作為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的編程語(yǔ)言，具有執(zhí)行效率高的 優(yōu)點(diǎn)，但其本身是低級(jí)語(yǔ)言，編程效率較低，可移植性和可讀性差，維護(hù)極不方便。而 c 語(yǔ) 言以其結(jié)構(gòu)化，容易維護(hù)，容易移植的優(yōu)勢(shì)滿足開(kāi)發(fā)的需要。 mcs-51 是支持 c 語(yǔ)言編程的編譯器，它主要有兩種：franklin c51

34、 編譯器和 keil c51 編譯器，我們簡(jiǎn)稱 c51。c51 是專為 mcs-51 開(kāi)發(fā)的一種高性能的 c 編譯器。由 c51 產(chǎn)生的目 標(biāo)代碼的運(yùn)行速度極高，所需存儲(chǔ)空間極小，完全可以和匯編語(yǔ)言媲美。 keil 軟件公司提供的專用 8051 嵌入式應(yīng)用開(kāi)發(fā)工具套件，可以編譯 c 源文件、匯編源 文件、連接定位目標(biāo)模塊和庫(kù)、生成并調(diào)試目標(biāo)程序，為實(shí)際的每一種 8051 及其派生系列 產(chǎn)品生成嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。keil c51 交叉編譯器兼容 ansi（美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)）c 編譯器， 專用于為 8051 微控制器系列生成快速緊湊的目標(biāo)代碼。使用 keil 8051 開(kāi)發(fā)工具套件，以 工程的形式組

35、織各種文件，工程開(kāi)發(fā)周期與任何其他軟件開(kāi)發(fā)工程的周期大致相同。 vision2 ide 是 keil 公司提供的用于開(kāi)發(fā) mcs-51 系列芯片的匯編語(yǔ)言與 c 程序的集 成開(kāi)發(fā)環(huán)境，是標(biāo)準(zhǔn)的 windows 應(yīng)用程序，同其他 windows 應(yīng)用程序一樣，vision2 ide 環(huán)境包括菜單、工具條、編輯及顯示多種窗口。vision2 ide 支持使用的 keil c51 工具， 包括 c 編譯器、宏匯編器、連接定位器、目標(biāo)代碼到 hex 的轉(zhuǎn)換器。 4.2 主程序流程圖主程序流程圖 主程序流程圖如圖 4-1 所示。 用左手法則搜索整個(gè)房間，可以容易地檢測(cè)到房間各個(gè)角落，避免出現(xiàn)檢測(cè)盲區(qū)。在

36、小 車行進(jìn)過(guò)程中檢測(cè)火焰，一旦發(fā)現(xiàn)火焰則切換到趨光程序，計(jì)算火焰位置，準(zhǔn)確定位并啟動(dòng) 風(fēng)扇滅火，滅火后檢測(cè)火焰是否被撲滅，確定火焰被撲滅后計(jì)數(shù)并回到發(fā)現(xiàn)火焰的位置繼續(xù) 搜索房間，直至撲滅所有火焰后啟動(dòng)回家程序，回到原始位置。 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 19 頁(yè) 4.3 尋線程序流程圖尋線程序流程圖 尋線的程序流程圖如圖 4-2 所示： 小車尋線時(shí)，由 st178 紅外對(duì)管檢測(cè)地面引導(dǎo)線，反射光越強(qiáng)，值越大；發(fā)射光越弱， 值越小。程序開(kāi)始，先將小車放在引導(dǎo)線上，測(cè)得引導(dǎo)線與地面背景的值，求出平均值作為 閥值。若檢測(cè)值大于閥值，則對(duì)應(yīng)的是白色引導(dǎo)線，若檢測(cè)值小于閥值，則對(duì)應(yīng)的是深色背 景

37、。通過(guò)比較三個(gè)尋線傳感器的結(jié)果，來(lái)得出小車的位置狀態(tài)，從而控制小車做出響應(yīng)的動(dòng) 作，避免小車脫離引導(dǎo)線運(yùn)動(dòng)。 小車的控制：小車前進(jìn)時(shí)，兩個(gè)電機(jī)速度相同；小車左轉(zhuǎn)，左輪速度降低，右輪保持不 變；小車右轉(zhuǎn)，右輪速度降低，左輪保持不變；小車后退，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)的速度采用延時(shí) 控制電機(jī)繞組電壓接通與斷開(kāi)的時(shí)間，這樣即可改變電機(jī)的平均電壓達(dá)到調(diào)速的目的。 4.4 滅火程序流程圖滅火程序流程圖 滅火子程序的流程圖如圖 4-3 所示。 當(dāng)小車檢測(cè)到火焰時(shí)，由于有障礙物的存在，需要對(duì)不同坐標(biāo)上的火焰分別進(jìn)行判斷。 由于設(shè)計(jì)中使用一個(gè)風(fēng)扇，安裝在小車的正前方，沒(méi)有使用舵機(jī)的方案，風(fēng)扇只能朝前 方吹風(fēng)。為了提高滅

38、火的準(zhǔn)確度，我們要讓機(jī)器人正面對(duì)準(zhǔn)火焰，否則，可能會(huì)出現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間 滅不了火的現(xiàn)象。對(duì)火時(shí)讓機(jī)器人走到火焰附近，判斷左右兩邊火焰強(qiáng)度，左邊火焰強(qiáng)，左 轉(zhuǎn)一點(diǎn)，右邊火焰強(qiáng)，右轉(zhuǎn)一點(diǎn)，每對(duì)一次火，前進(jìn)一點(diǎn)。 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 20 頁(yè) 第第 5 章章 系統(tǒng)功能調(diào)試系統(tǒng)功能調(diào)試 5.1 測(cè)試儀器及設(shè)備測(cè)試儀器及設(shè)備 表 5-1 測(cè)試儀器設(shè)備清單 儀器名稱型號(hào)用途數(shù)量 pc 機(jī)聯(lián)想調(diào)試及下載程序 1 數(shù)字萬(wàn)用表mastech my65測(cè)量各電路工作情況 1 秒表記錄時(shí)間 1 5.2 功能測(cè)試功能測(cè)試 先將底盤上的減速電機(jī)位置固定，連接 l298 電路，在給固定的 ttl 信號(hào)，使底盤能夠

39、 向直線行走和轉(zhuǎn)彎，分別調(diào)試紅外尋線板和紅外避障電路，使有反射光接收到后使信號(hào)輸出 為一個(gè)高電平，供單片進(jìn)行檢測(cè)。在安裝好以上模塊后，再檢查一次，保證位置合理，能正 常得檢測(cè)到外部情況。 然后是用開(kāi)發(fā)板和電池來(lái)調(diào)整重心，使重心在中軸線上，在所有模塊都安裝好后，再布 好線路。進(jìn)行總體調(diào)試。 5.2.1 驅(qū)動(dòng)電路部分驅(qū)動(dòng)電路部分 調(diào)試中遇到的問(wèn)題和經(jīng)驗(yàn)：由于急于求成，很快的速度焊好電路，但加電調(diào)試時(shí)，無(wú)法 正常運(yùn)行，斷電細(xì)查后，才發(fā)現(xiàn)，原來(lái)把穩(wěn)壓管方向接反。在電路焊接好，編制好程序調(diào)試 時(shí)，出現(xiàn) 2 個(gè)電機(jī)一個(gè)能正常轉(zhuǎn)動(dòng)，但是另外一個(gè)電機(jī)卻不按照程序控制，自行無(wú)規(guī)律亂動(dòng) 的情況，并且在檢查軟件程序

40、無(wú)誤的情況下，還是不能控制小車的右電機(jī)正常動(dòng)作，后來(lái)細(xì) 心的研讀程序，一項(xiàng)一項(xiàng)的查找問(wèn)題所在，最后，檢查到，原來(lái)是在焊接的時(shí)候，由于不夠 仔細(xì)，把一路線走來(lái)與焊盤焊點(diǎn)短路，造成了硬件電路的錯(cuò)誤。 5.2.2 尋線部分尋線部分 將光電管 st178 分別對(duì)準(zhǔn)黑線和白線進(jìn)行測(cè)試，所測(cè)結(jié)果如表 5-2 所示。從所測(cè)數(shù)據(jù)我 平頂山 工業(yè) 職 業(yè)技術(shù) 學(xué)院 第 21 頁(yè) 們可以看出，當(dāng)光電管檢測(cè)黑線時(shí)輸出低電壓，檢測(cè)到白線時(shí)輸出高電壓，通 過(guò) lm338 電壓比較器比較之后，分別輸出低電平和高電平，供單片機(jī)作控制信號(hào)。 5.2.3 滅火效果部分滅火效果部分 系統(tǒng)已經(jīng)實(shí)現(xiàn) mos 管對(duì)滅火電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，可以在檢測(cè)到光源的時(shí)候，電機(jī)動(dòng)作，以表 示滅火過(guò)程。同時(shí)，檢測(cè)到火源的時(shí)候，蜂鳴器發(fā)聲，完成“報(bào)警”功能。 5.3 調(diào)試心得調(diào)試心得 最好