消防機器人設計中 硬件設計案例2800字

消防機器人設計中硬件設計案例綜述目錄TOC\o"1-3"\h\u2173消防機器人設計中硬件設計案例綜述 181281.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 1262871.1.1技術特點 1193741.1.2結(jié)構(gòu)組成 239701.2單片機相關設計 2192011.2.1單片機的選擇 295331.2.2單片機最小系統(tǒng) 3192771.3檢測模塊電路的設計 4271421.1.1障礙檢測模塊電路設計 434681.1.2溫度檢測模塊電路設計 5196041.4滅火系統(tǒng)的設計 6226911.5其他模塊的電路設計 6182281.5.1電機驅(qū)動電路的設計 6145161.5.2電源模塊的電路設計 831451.5.3通信模塊的設計 8149121.5.4報警模塊的電路設計 91.1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖1.1.1技術特點本課題所研究的發(fā)射滅火彈的消防機器人是通過創(chuàng)新競賽對市場調(diào)查與資料收集所研究發(fā)現(xiàn)。首先，通過對資料的分析與研究來確認憑借專業(yè)知識能否解決；其次，設計消防機器人需要具備一定的硬件水平來進行硬件部分的設計和優(yōu)化；然后，通過單片機技術進行根據(jù)需求編寫程序來實現(xiàn)軟件部分的設計；最后，通過不斷的調(diào)試來修改相應的參數(shù)直到滿足消防機器人的需要。該課題的設計是將理論知識與實踐動手能力相結(jié)合的產(chǎn)物。1.1.2結(jié)構(gòu)組成本課題消防機器人的機構(gòu)組成（如圖1.1所示）由STM32系列單片機為控制核心、E18-D8ONK傳感器和DS18B20溫度傳感器為數(shù)據(jù)采集核心、電機驅(qū)動模塊和滅火系統(tǒng)組成了控制模塊核心、通訊模塊和圖傳模塊組成了人機交互的核心，由四個部分進行組成一共系統(tǒng)完備的消防機器人。圖1.1消防機器人的機構(gòu)組成示意圖1.2單片機相關設計1.2.1單片機的選擇1）STM32單片機的介紹根據(jù)本課題的消防機器人的設計需求，采用以STM32系列單片機（如圖1.2所示）具體為STM32F103C8T6型單片機。一方面采用ARM架構(gòu)由ST意法半導體公司開發(fā)功能豐富，且經(jīng)過市場的考驗為市面上常用的單片機型號，并且價格便宜、庫函數(shù)豐富學習資源豐富易上手等優(yōu)點，從而減小開發(fā)難度，并且外部總線豐富和功能性擴展能力強等良好性能。圖1.2STM32單片機實物圖2）STM32單片機的優(yōu)點①具有armn內(nèi)核使用單片機的用途非常廣泛；②STM32單片機具有集成了大量的接口，有各類功能豐富的模塊；③能使用的開發(fā)資料比較豐富，相應的開發(fā)工具市場也比較齊全；④STM32單片機的實時性功能比較強大，功耗控制方面技術也相對穩(wěn)定。1.2.2單片機最小系統(tǒng)STM32的最小系統(tǒng)板（如圖1.3所示）能夠根據(jù)課題的需求進行相應的功能擴展來滿足消防機器人的設計。一方面采用最小系統(tǒng)板價格便宜體積小巧，并且根據(jù)項目要求自行增加外設。另一方面，能夠快速的增加自己所需的擴展電路。圖1.3STM32單片機最小系統(tǒng)板電路圖1.3檢測模塊電路的設計1.1.1障礙檢測模塊電路設計本課題采用的障礙檢測模塊是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器E18-D8ONK（如圖1.4所示）。該傳感器可以根據(jù)需求進行調(diào)節(jié)檢測的距離，檢測距離量程遠、受外界干擾小、因此被自動化工程師喜愛的，大范圍的裝配在工業(yè)現(xiàn)場，進行物體識別流水線計數(shù)等要求，并且經(jīng)受住了高溫高壓高磁的考驗。很符合本項目的實際工作要求。通過IO口數(shù)字量的的反饋來檢測前方是否有障礙物，將信號反饋到主控芯片中加以處理。圖3-4障礙檢測模塊實物圖E18-D8ONK傳感器在電路設計（如圖1.5所示）中需要在輸出端黃線上加入一個上拉電阻，起到硬件上拉的作用，這樣的好處是可以使上電后系統(tǒng)自動檢測為高電平，當檢測為低電平時說明前方有障礙物?？梢允箶?shù)據(jù)處在一個穩(wěn)定的狀態(tài)檢測到為低電平否則為高圖1.5E18-D8ONK障礙檢測模塊電路圖1.1.2溫度檢測模塊電路設計采用的溫度傳感器為DS18B20（如圖1.6所示）。它具有強抗干擾，體積小\價格便宜和檢測精度高等優(yōu)點，但因為其單總線的緣故，所以對其進行數(shù)據(jù)接收時必須保證其正確的時許要求，否則會出現(xiàn)數(shù)據(jù)錯位的問題，因此DS18B20溫度傳感器對軟件設計是一個不小的挑戰(zhàn)。圖1.6DS18B20溫度傳感器實物圖在火災現(xiàn)場，消防機器人采用DS18B20溫度傳感器對車體周邊溫度進行采集，通過AD轉(zhuǎn)換成對應的溫度數(shù)據(jù)，消防機器人會判斷自身所處的環(huán)境是否達到耐溫的上限，并進行及時的移動來避免火災對自身的損害。同時，消防機器人會不斷的調(diào)整自身位置來鎖定前方溫度的一個最高點的地方，將發(fā)射滅火彈的炮筒對準火源，通過發(fā)射消防滅火彈來對火源進行定點滅火。主控芯片與傳感器的連接電路圖設計如圖1.7所示。圖1.7DS18B20溫度檢測模塊電路圖根據(jù)圖1.7DS18B20溫度傳感器電路原理圖可以發(fā)現(xiàn)，它與單片機只需一個I/O端口進行數(shù)據(jù)的采集。因此，DS18B20溫度傳感器需要遵守單總線通信協(xié)議。1.4滅火系統(tǒng)的設計本課題所研究的消防機器人的滅火手段是遠距離發(fā)射消防滅火彈對火源進行定點射擊達到滅火的效果，因此滅火系統(tǒng)是該消防機器人的重要技術。該滅火系統(tǒng)（如圖1.8所示）由儲彈倉、撥彈機構(gòu)、發(fā)射機構(gòu)和紅外瞄準組成，儲彈倉用來防止消防滅火彈，本課題所用的射擊為轉(zhuǎn)盤形式能夠很好的防止卡彈現(xiàn)象的出現(xiàn)；撥彈機構(gòu)通過舵機控制滅火彈精確落到發(fā)射彈道里面；發(fā)射機構(gòu)主要由摩擦輪和彈道組成，摩擦輪外層與彈丸接觸，由質(zhì)地較軟且表面摩擦力較大的材料制成，里面是電機充當動力源。圖1.8滅火系統(tǒng)示意圖1.5其他模塊的電路設計1.5.1電機驅(qū)動電路的設計消防機器人主要工作環(huán)境是火災現(xiàn)場，所以我們對于電機驅(qū)動的要求相對較高，需要能夠簡單操作、穩(wěn)定性良好、具有過熱自斷和反饋檢測等優(yōu)點，最重要的是能夠進行直流電機的大電流驅(qū)動。根據(jù)綜合考慮，選擇L298N作為電機驅(qū)動控制芯片。圖1.9L298N驅(qū)動芯片引腳圖L298N直流電機驅(qū)動芯片，是SGS公司專門為二相和四相電機的產(chǎn)品設計的專門電機驅(qū)動器。它內(nèi)部結(jié)構(gòu)含有2個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，能夠接受標準的TTL邏輯電平信號控制，并且可以驅(qū)動46V、2A以下的各種電機。電機驅(qū)動模塊L298N電路圖如圖1.10所示。圖1.10L298N電機驅(qū)動電路圖上圖可以進行四路電機的一個控制，并且根據(jù)邏輯電平的高低控制電機的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)，并且每個電機端都配有一個使能引腳來控制電機的一個工作狀態(tài)是停止還是工作。同時采用PWM進行電機轉(zhuǎn)速的一個控制，只需在主控芯片中進行引腳的預分頻器的簡單設置，便可以控制IO口的輸出電壓，從而控制每個電機的轉(zhuǎn)數(shù)。1.5.2電源模塊的電路設計本課題設計的消防機器人的電源部分主要采用了7805芯片搭建的電源模塊電路，該電路具有簡單操作、穩(wěn)定性良好、具有過熱自斷和價格便宜等優(yōu)點。并且只需提供較好的散熱條件便可向外輸出穩(wěn)定的高大1.5A的電流，能很好的滿足消防機器人的電流需求，并且芯片還具有很好的穩(wěn)壓效果，提供穩(wěn)定的電壓驅(qū)動整體設備的正常工作。電源模塊的電路設計如圖1.11所示。圖1.11電源模塊的電路圖1.5.3通信模塊的設計本課題設計的消防機器人對于通訊模塊的設計，主要分為兩個部分：遠程控制和圖像傳輸功能的設計。由于圖像傳輸技術的研究難度較大，因此選擇由RoboMaster研發(fā)的實時高清圖像采集和無線傳輸系統(tǒng)，它具有高清晰度、高幀率、低延遲的特點，接收端的圖像輸出接口為USBType-C，通過該接口和計算機連接，安裝好對應的驅(qū)動程序和顯示軟件后即可顯示實時畫面。遠程控制。遠程控制根據(jù)所需要求選擇了天地飛FT07ET16航模遙控器（如圖1.12所示）進行操作，具有高穩(wěn)定性、價格便宜以及高靈敏度等特點。圖1.12天地飛FT07ET16實物圖1.5.4報警模塊的電路設計本課題消防機器人的設計增加了一個報