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第一章绪论
1.1智能移动探测装置的意义及作用
自从第一个机器人的诞生,便标志着人类在智能方面的探索将是一个新的开始,是人类探索智能方面的伟大突破,也是人类新思想的呈现之作。
人类将会不断探索,研究,以制造出更为理想的,并能为人类提供更多服务、帮助的智能机器。
这个目标也是人类的一个长期的目标。
随着机器人在智能方面的迅速发展,机器人所实现的功能也越发的强大,这些功能的实现离不开其自身的传感器。
现如今,较为先进的机器人会携带各种类型的传感器,其中视觉传感器更为突出,它的携带让机器人如同有了人类的眼睛。
促使智能机器人的表现更为灵活,能为人类提供更多的现场的信息。
而这些信息的传递将会为人类探索机器人所在环境提供方便。
当然这样的传感器的出现也是比较难的,它是需要许多复杂的电路和程序运作才能实现的,它的核心是摄像管具有自动聚焦功能的,是仿照人类眼睛的,所以在市场上这样的传感器价格是比较贵的。
机器人要代替人类就必须完成最基本的两个功能自动行走和避障的功能,这两个功能的实现将会是机器人完成其他功能的前提。
避障控制方面可以以小车为载体,让小车实现避障功能以完成它的顺利行走进而去探测更多的现场环境的数据。
1.2智能移动探测装置的前景
随着现代科技和工业以及各行业发展的需求,智能探测装置的发展迫在眉睫,尤其在石油,煤炭开采,海洋探索,太空探索等高压危险环境这种智能探测装置更是尤为重要的。
至此产生了许多的探测装置,比如鱼群声纳探测装置,红外成像探测装置,地下管道涂层破损点及与金属体接触点的探测装置,脉冲编码体制的探测装置,电气化铁道故障点探测装置等等。
智能探测移动装置可以运用于事故现场,有毒有害现场等,人短时间无法进入或无法判断现场是否存在对人体有害的物质。
使用智能小车进入现场对现场环境进行检测以及搜索现场是否有幸存者。
然后将现场环境检测的数据和现场的图像资料传回到安全位置的指挥员手中,方便指挥员评估风险以及实施救援。
智能探测移动装置在科学领域探测也有较好的前景。
特别在一些恶劣的环境中,如在南北极极地环境。
还有一些人类短时间无法涉足的地方,如在地外星体地表上。
科学家都不适宜长期冒着高风险工作,就可以使用类似的智能移动探测装置,带着相关探测的传感器工作,将有价值的信息通过无线通信传回便可。
1.3本设计工作简介
该智能移动探测装置可以作为机器人的典型代表以实现机器人的功能,在限定的可行路线上,寻找到一氧化碳浓度最高的点,并报警。
本智能移动探测机器人采用四轮小车为主体,为了控制方便,左方前后两轮用同一PWM波控制,右方前后两轮用另一路PWM波控制。
本系统的避障采用四个个红外传感器模块完成,分别安装在小车最前方的左中右,中间的红外检测前方是否有黑线,左右红外检测两边是否有黑线。
一氧化碳检测一氧化碳模块完成。
最后一氧化碳浓度,当一氧化碳浓度时将会出现报警。
智能移动探测装置的动力系统,是由直流电机充当,主要控制小车的行驶速度。
单片机驱动直流电机一般有两种方案:
传统方案是由软件模拟PWM输出调制,此方案难以精确调速并且浪费很多单片机的资源,但可供选择单片机的型号较多。
本设计选择直接拥有PWM功能的STC89C52单片机,不但不需占用单片机资源,而且可以实现精确调速。
第二章一氧化碳检测机器人硬件设计
2.1系统总体设计
单片机负责检测车身周围的环境。
首先在系统初始化打开STC89C52单片机自带的8通道,10位精度的AD和内置的两项独立可调的PWM。
将AD用于采集MQ-7一氧化碳检测模块输出的电压。
然后,驱动超声波检测小车到周围障碍物的距离,将数据处理后,通过驱动L298芯片和调制PWM控制小车的动作和车速。
最后将以上测得数据存储单片机。
基于系统的可靠性设计,我们将红外避障模块和接近开关添加到单片机的外部扩展中断中。
当中断触发后,通过检测触发的引脚,判断小车的状态,从而决定小车下一步动作。
单片机接收到的数据整理后,驱动人机交互设备LCD12864液晶显示屏,显示小车所处环境的温度,一氧化碳的浓度和小车到周围黑线的情况。
并对温度值和CO浓度值与设定值进行比较,如果超过预定值,驱动蜂鸣器进行声音报警。
图2-1系统框图
智能移动探测装置采用四轮小车为主体,为了控制方便,左方前后两轮用同一PWM波控制,右方前后两轮用同一PWM波控制。
本系统的避障采用三个红外传感器模块完成,分别安装在小车最前方的左中右,中间的红外检测前方障碍物,左右红外检测两边的障碍物,三个超声测距模块分别配合红外显示与障碍物的距离,并有效避障。
小车的右上方安装一接近开关,防止红外失灵不能避开障碍物时以进行的保护措施。
一氧化碳检测,温度检测分别通过一氧化碳模块,DS18B20模块完成。
当一氧化碳浓度,温度超过设定值时将会出现报警。
所以,本设计分为x子模块:
一氧化碳检测模块(MQ-7模块)、核心控制模块(STC89C52单片机模块)、报警模块、红外巡迹模块、L298驱动模块、PWM调速模块。
由于PWM调速模块直接集成在单片机内部的,和报警模块实现得相对简单,下面详细介绍一下几个模块的实现。
2.2一氧化碳检测模块实现
2.2.1气敏传感器的原理
1、气敏传感器是一种将检测到的气体成分和浓度转换为电信号的传感器。
在检测和自动控制系统中,传感器处于研究对象与测控系统的接口位置,是感知、获取与检测信息的窗口,对系统的功能起了决定性的作用。
因此,只有根据系统要求,选择合适的传感器,才能得到精确可靠的信号处理和控制电路。
2、气敏传感器的工作原理
半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触,造成半导体性质变化来检测特定气体浓度的。
设计中选用N型半导体气敏传感器MQ-7对一氧化碳浓度进行检测。
平时,气敏元件的A、B两极间电阻很大,当有气体泄漏时,其两极间的电阻值随接触的气体浓度的不同而发生变化,气敏传感器的特性曲线如图2-2所示。
气体浓度越高极间电阻值越小,而气敏元件负载两端的电压则会增大。
如此,气敏元件就将气体的浓度转化成了电压信号。
为了加快气敏管的反应速度,需通过热丝对敏感元件进行加热。
图2-2气敏传感器的特性曲线
3、气敏元件主要性能参数
⑴电阻R0和Rs
固有电阻R0表示气敏元件在正常空气条件下的阻值;
而工作电阻Rs代表气敏元件在一定浓度的检测气体中的阻值。
实验发现,工作电阻与各种检测气体浓度C都具有如下关系:
(2-1)
式中,m、n是由传感器元件、测量气体种类等因素决定的常数,且m=1。
⑵灵敏度:
气敏元件的灵敏度k通常用气敏元件在一定浓度的检测气体中的电阻与正常空气中的电阻值之比来表示:
(2-2)
⑶响应时间tres:
把从元件接触一定浓度的被测气体开始到其阻值达到该浓度下稳定阻值的时间定义为响应时间。
⑷恢复时间trsc:
把气敏元件从脱离检测气体开始,到其阻值恢复到正常空气中阻值的时间定义为恢复时间[4]。
2.4.2MQ-7一氧化碳传感器介绍
选择一氧化碳传感器主要考虑以下的性能指标:
(1)输入和输出之间成比例,直线性好、灵敏度高、分辨力强、测量范围宽。
(2)滞后、漂移误差小
(3)动态特性好
(4)功耗小
(5)时间老化特性优良
(6)与被测体匹配良好,既不因接入传感器而使得被测对象受到影响,受被测量之外的影响小。
(7)体积小、重量轻、价格低廉。
(8)故障率低,易于校准和维护。
(9)由于传感元件的输出信号一边比较小,为了便于能够驱动控制电路,在传感器电路中还应该包括放大器。
[2]
鉴于以上选择要点,本文中用到的传感器必须具备良好的测量效果、功耗小、动态特性良好和体积小、重量轻、价格低廉等几个主要特性。
为此我们选择了MQ-7系列传感器。
半导体一氧化碳传感器MQ-7所使用的气敏材料是在清洁空气中电导率较低的二氧化锡(SnO2)。
采用高低温循环检测方式低温(1.5V加热)检测一氧化碳,传感器的电导率随空气中一氧化碳气体浓度增加而增大,高温(5.0V加热)清洗低温时吸附的杂散气体。
使用简单的电路即可将电导率的变化,转换为与该气体浓度相对应的输出信号。
MQ-7气体传感器对一氧化碳的灵敏度高,这种传感器可检测多种含一氧化碳的气体,是一款适合多种应用的低成本传感器。
主要特点及应用:
对一氧化碳的高灵敏度。
长寿命,低成本。
简单的驱动电路即可
家用气体泄漏报警器
工业用一氧化碳报警器
便携式气体检测器
MQ-7气敏元件的结构和外形如图2-7所示,由微型Al2O3陶瓷管、SnO2敏感层,测量电极和加热器构成的敏感元件固定在塑料或不锈钢制成的腔体内,为了改善传感器的选择性,传感器气室用活性炭过滤层与外界隔开。
加热器为气敏元件提供了必要的工作条件。
封装好的气敏元件有6只针状管脚,其中4个用于信号取出,2个用于提供加热电流。
图2-3MQ-7实物图
MQ-7型气敏元件的主要性能参数见表2-1
表2-1MQ-7主要性能表
灵敏度
分辨率
响应时间(s)
恢复时间(s)
测试条件
极间电压
UAB
热丝电压
负载电阻
k≥3
S≥5
≤10
≤60
0~10V
5V
2KΩ
图2-4气敏传感器的测量电路
MQ-7型气敏元件在应用中大多采用单电源供电,其电路如图2-4。
2.3核心控制模块实现
本设计采用的处理器是我们学习中触手可及的51系列的单片机。
2.3.1单片机的功能特性描述
单片机又称单片微控制器,它不是完成某一个逻辑功能的芯片,而是把一个计算机系统集成到一个芯片上。
概括的讲:
一块芯片就成了一台计算机。
它的体积小、质量轻、价格便宜。
单片机内部也有和电脑功能类似的模块,比如CPU,内存,并行总线,还有和硬盘作用相同的存储器件。
单片机是一种集成电路芯片,采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU随机存储器RAM、只读存储器ROM、多种I/O口和中断系统、定时器/计时器等功能(可能还包括显示驱动电路、脉宽调制电路、模拟多路转换器、A/D转换器等电路)集成到一块硅片上构成的一个小而完善的计算机系统。
本设计选择了STC公司的生产的STC89C52单片机。
STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器,是带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器。
一个芯片上拥有8位CPU,并且在系统可编程Flash。
STC89C52提供给为众多嵌入式控制应用系统高灵活、超有效的解决方案。
STC89C52具有以下标准功能:
8k字节Flash,512字节RAM,32位I/O口线,看门狗定时器,内置4KBEEPROM,两个16位定时器/计数器,一个6向量2级中断结构,全双工串行口。
此外,空闲模式下,CPU停止工作,允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。
掉电保护方式下,RAM内容被保存,振荡器被冻结,单片机一切工作停止,直到下一个中断或硬件复位为止。
表2.2STC89C52单片机和AT89S52单片机的对比
STC89C52单片机
AT89S52单片机
序存储空间
8K字节
数据存储空间
512字节
256字节
EEPROM存储空间
内带4K字节
无
是否可以直接使用串口下载
可以
不可以
2.3.2晶振电路
在STC89S52单片机上内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器,引脚XTAL1和XTAL2分别是此放大器的输入端和输出端。
时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。
在1和XTAL2引脚上外接定时元件,内部振荡器就产生自激振荡。
定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。
从XTAL1接入,如图2-5所示。
由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的,所以对外部时钟信号的占空比没有要求。
本设计选用的是12MHZ无源晶振、2个22pF电容,使得一个机器周期是1μs。
晶振的作用是为系统提供基本的时钟信号,而两个电容则是起到并联谐振的作用,如果没电容,振荡电路会因为没有回路而停振,电路不能正常工作。
图2-5单片机晶振电路图
2.3.3复位电路
复位电路的作用是在上电或复位过程中,控制CPU的复位状态:
这段时间内让CPU保持复位状态,而不是一上电或刚复位完毕就工作,防止CPU发出错误的指令、执行错误操作,也可以提高电磁兼容性能。
89系列单片机的复位信号是从RST引脚输入到芯片内的施密特触发器中的。
施密特触发电路是一种波形整形电路,当任何波形的信号进入电路时,输出在正、负饱和之间跳动,产生方波或脉波输出。
不同于比较器,施密特触发电路有两个临界电压且形成一个滞后区,可以防止在滞后范围内之噪声干扰电路的正常工作。
如遥控接收线路,传感器输入电路都会用到它整形。
当系统处于正常工作状态时,且振荡器稳定后,如果RST引脚上有一个高电平并维持2个机器周期(24个振荡周期)以上,则CPU就可以响应并将系统复位。
本设计采用的电容值为10μF的电容和电阻采用1.5KΩ和200Ω的电阻。
如图2-6所示上电后,由于电容充电,使RST持续一段高电平时间。
当单片机已在运行之中时,按下复位键也能使RST持续一段时间的高电平,从而实现上电且开关复位的操作。
图2-6单片机复位电路图
2.4红外巡迹模块实现
2.4.1红外巡迹原理
红外巡迹原理,就是利用黑线对红外线不同的反射能力通过光敏二极管或光敏三极管,接收反射回的不同光强信号,把不同光强转换为电流信号,最后通过电阻,转换为单片机可识别的高低电平。
光电传感器实现巡迹的基本电路如图2-7所示。
图2-7巡迹传感器电路图
巡迹传感器工作原理:
TC端是传感器工作控制端,为高电平时,发光二极管不工作,传感器休眠,为低电平时,传感器启动。
Signal端为检测信号输出,当遇到黑线,黑线吸收大量的红外线,反射的红外线很弱,光敏三极管不导通,Signal输出高电平;
当遇到白线,与黑线相反,反射的红外线很强,使光敏三极管导通,Signal输出低电平。
这种探测方法,即利用红外线在不同颜色的表面特征,具有不同的反射性能,汽车行驶过程中接收地面的红外光。
当红外光遇到白色路线,地板发生漫反射,安装在小型车的反射光接收器接收;
如果是遇到黑色路线,红外光将被黑线吸收,安装在小车上的接收管没有收到红外光。
控制器会根据是否收到反射的红外光为判断依据来确定的黑线的位置和小车的路线。
红外探测器距离通常是不应超过15厘米的。
红外发射和接收红外线感应器,可以使自己或直接使用集成红外探头。
调整左右传感器之间的距离,两探头距离约等于黑线宽度最合适,选择宽度为3–5厘米的黑线。
该传感器的灵敏度是可调的,传感器有时遇到黑线却不能送出相应的信号,通过调节传感器上的可调电阻,适当的增大或减小可改变灵敏度。
另外,巡迹传感器的放置也是有讲究的,有两种方法,一种是两个都是放置在黑线内侧紧贴黑线边缘,第二种是都放置在黑线的外侧,同样紧贴黑线边缘。
本设计采用第二种方法。
单片机烧录程序后,就可以执行巡迹指令了。
如果小车向前行驶时向左偏离了黑线,那么右边传感器会产生一个高电平,单片机判断这个信号,然后向右拐回到黑线。
两传感器输出信号为低电平时,小车前进。
如果小车向右偏离黑线,左边传感器产生一个高电平,单片机判断这个信号,然后向左拐。
这样,小车一定不会偏离黑线。
若两个光电传感器同时输出的信号为高电平,即单片机判断的都为高电平时,小车向前直走。
2.4.2传感器分布
传感器通过信号采集,向单片机提供信息。
因此传感器合理的布局很重要,传感器布局需要考虑小车行驶过程中信息检测的准确度和前瞻性,能使在相同数量的传感器下,获得更多的数据。
传感器的布局一般有以下三种:
一字型布局,M型布局和活动型布局。
一字型布局即所有传感器在同一直线上。
一字型布局分为等距排布型和非等距排布型。
等距排布型不利于采集准确的弯道信息。
考虑到弧度信息采集的连贯性,非等距排布采用等角原则,即在垂直平分线上方处某点,以等角的引射线与直线的交点就是传感器的分布点,此种方法检测连贯简单,更容易控制小车。
M型布局即传感器的布局成M型,M型布局最适合检测多弯道的轨迹。
由于传感器不在同一直线上,故小车转弯时,左右两边后部的传感器有较大的采样空间,两边前端的传感器则对采集的信号有更好的前瞻性,M型中间底部的传感器择更好的确定小车的位置。
整个布局有利于在弯道处提高小车速度。
但相对一字型布局,M型布局容易产生不稳定信号,从而产生信号震荡,影响小车行驶的稳定性。
活动型布局采用矩阵模式,将传感器排布成矩阵形状,通过对不同位置传感器采集到信息的选择来适应各种不同的跑道。
这样对不同路况有更强的适应性。
此种方案可调性大,但此种方法需要较多传感器,冗余较大,比较笨重,增加小车的重量,不利于小车的加减速。
最终决定采用M型布局方法来对4个传感器进行布局,这种布局方法的前瞻性最好。
2.5L298驱动模块实现
表3.3L298N引脚编号与功能
引脚编号
名称
功能
1
电流传感器A
在该引脚和地之间接小阻值电阻可用来检测电流
2
输出引脚1
内置驱动器A的输出端1,接至电机A
3
输出引脚2
内置驱动器A的输出端2,接至电机A
4
电机电源端
电机供电输入端,电压可达46V
5
输入引脚1
内置驱动器A的逻辑控制输入端1
6
使能端A
内置驱动器A的使能端
7
输入引脚2
内置驱动器A的逻辑控制输入端2
8
逻辑地
9
逻辑电源端
逻辑控制电路的电源输入端为5V
10
输入引脚3
内置驱动器B的逻辑控制输入端1
11
使能端B
内置驱动器B的使能端
12
输入引脚4
内置驱动器B的逻辑控制输入端2
13
输出引脚3
内置驱动器B的输出端1,接至电机B
14
输出引脚4
内置驱动器B的输出端2,接至电机B
15
电流传感器B
2.5.1电机驱动原理
电路的形状很像字母H。
四个三极管就是H桥的四条垂直线,而电机就是H中的横线。
图2.7L298N内部H桥驱动电路
图2-8为一个典型的直流电机的控制电路。
被命名为“H桥驱动电路”主要是因为电路的形状很像字母H。
如图所示,H桥电机驱动电路包含四个三极管和一个电机。
电机运转,必须遵循导通对角线上的一对三极管。
基于不同三极管对的导通情况可以控制电机的转向,电流可可以从左至右流过电机,也可以从右至左流过电机。
如图2-8所示,当Q1管和Q4管导通时,电流就从电源正极经Q1从左至右流过电机,然后再经Q4回到电源负极,该流向的电流将驱动电机顺时针转动。
下面分析另一对三极管Q2和Q3,当两个三极管同时导通的情况下,电流将从右至左流过电机。
从而驱动电机沿逆时针方向转动。
驱动电机时,保证H桥上两个同侧的三极管不会同时导通非常重要。
如果三极管Q1和Q2同时导通,那么电流就会从正极穿过两个三极管直接回到负极。
此时,电路中除了三极管外没有其他任何负载,因此电路上的电流就可能达到最大值,该电流仅受电源性能限制,可能烧坏三极管。
基于上述原因,在实际驱动电路中通常要用硬
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