基于单片机的智能灭火小车设计开题报告
2020-05-17 21:21:39
1. 研究目的与意义(文献综述包含参考文献)
文 献 综 述
1.引言
火灾在现实生活中是非常普遍的,它被称为三大自然灾害之一。消防人员时时刻刻冲到第一线,面临生命危险,在这种背景下,智能寻迹灭火系统应运而生,实现了对安全防护的质的提高,也大大地减低了消防人员的危险。在智能灭火系统中应用单片机来代替人的思考,还可以实现自动化控制,简化了灭火的工作流程,使单片机代替多余的消防人员,节省了国家不必要的支出,减低了危险。随着社会与国家的发展,在经济迅速增长的同时,各种危险场所不可避免的火灾频繁出现,给社会安全造成了很多隐患,于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题,救火早一刻就少一分损失,消防救援人员固然速度已经很快,但也需要一段不小的时间,而且进入救火现场还有生命危险的可能,于是消防机器小车的理念诞生了。
我国的机器人研究开发工作始于20世纪70年代初,到现在已经历了30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态,发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划,发展比较快。在机器人基础技术方面:诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究,机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究,机器人内外部传感器的研究与开发,具有多传感器控制系统的研究,离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展,并在实际工作中得到应用。
在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面:诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压(气动)元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现,并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高,机器人自动化线的市场也会越来越大,并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步,而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期,这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。据预测,目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等,年需求此类自动化线就达300多条,产值约为上百亿元人民币。我国消防装备研究部门从1997年开始对消防灭火机器人进行科研开发, 2002年6月,由公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海消防局三家单位共同承担的国家863项目"履带式、轮式消防灭火机器人"研制成功并顺利通过国家验收。消防灭火机器人,又称自行式水-泡沫消防炮,是一种结合多种消防灭火手段为一体的新型消防装备。
2002年9月8日,灭火机器人参加公安消防部队北京协作区反恐演习中受到公安部消防局陈家强局长的高度评价;
2002年我国云南、湖北省相继配备灭火机器人;
2003年9月,灭火机器人在湖北省首次投入实战;
2003年10月,我国江苏省、香港地区、马来西亚开始大规模配备消防灭火机器人。
我国灭火小车科研事业从实验室走向生产车间最终战斗在火场一线,为我国消防装备的发展注入了新鲜血液,填补了国内空白。消防的社会意义在于它将对人类生存安全作为终极关怀,消防装备作为一种重要的火灾扑救手段,已经在消防灭火救援中显示越来越重要的作用。消防装备科研应始终贯彻"从火场中来,到火场中去"的指导思想,贴近火场一线,急火场之所急。
不仅在我国,在世界上消防工作也是一个大难题,各国政府都千方百计地将火灾的损失降到最低点。1984年11月,在日本东京的一个电缆隧道内发生了一起火灾,消防队员不得不在浓烟和高温的危险环境下在隧道内灭火。这次火灾之后,东京消防部开始对能在恶劣条件下工作的消防机器人进行研究,目前已有五种用途的消防机器人投入使用。
遥控消防机器人 1986年第一次使用了这种机器人。当消防人员难于接近火灾现场灭火时,或有爆炸危险时,便可使用这种机器人。这种机器人装有履带,最大行驶速度可达10公里/小时,每分钟能喷出5吨水或3吨泡沫。
喷射灭火机器人 这种机器人于1989年研制成功,属于遥控消防机器人的一种,用于在狭窄的通道和地下区域进行灭火。机器人高45厘米,宽74厘米,长120厘火焰,喷嘴将水流转变成高压水雾喷向火焰。
消防侦察机器人 消防侦察机器人诞生于1991年,用于收集火灾现场周围的各种信息,并在有浓烟或有毒气体的情况下,支援消防人员。机器人有4条履带,一只操作臂和9种采集数据用的采集装置,包括摄像机、热分布指示器和气体浓度测量仪。消防的社会意义在于它将对人类生存安全作为终极关怀,消防装备作为一种重要的火灾扑救手段,已经在消防灭火救援中显示越来越重要的作用。
2.总体设计
2.1灭火小车控制系统的主要功能
本设计主要包含以下功能:
1.首先小车检测灭火传感器,是否有火焰信号,如果没有,小车往前行走。
2.在行走的过程中光电对干电路检测是否遇到障碍物,若遇到障碍物,通过单片机控制系统驱动电机绕开障碍物,若无信号,继续前行。
3.当在行走的过程中检测到火焰信号时,单片机控制小车停止,同时驱动风扇控制电路,将火吹灭。
2.2 硬件设备组成
本设计主要包含火焰检测模块,电源模块,电机驱动模块,蜂鸣器报警模块,灭火风扇,避障模块。硬件框图如图2.1所示
图2.1:硬件框图
各模块功能如下:
1. 电源模块:主要用来分别区分给单片机与电机、水泵驱动模块供电。
2. 火焰模块:主要用来对火焰传感器给单片机传值的功能。
3. 电机驱动模块:主要用来驱动两个减速直流电机,实现小车的前进、后退、前左转、前右转、后左转、后右转、停车等功能。
4. 风扇驱动模块:主要是用来控制风扇是否吹风,来实现小车灭火功能。
5. 避障模块:主要用来给小车做导航避开障碍物前进用。
2.3 硬件设计
2.3.1电源系统方案的设计
由于本系统需要电池供电,考虑如下集中方案为系统供电。
方案1: 采用8节1.5V干电池供电,电压达到12V,给支流电机供电,然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。但电流不够大,驱动力不足。
方案2:采用3节4.2V可充电式锂电池串联共12.6V给直流电机供电,然后将12V电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足,驱动力大,并且可以充电,重复利用,因此,这种方案比较可行。
方案3:采用12V蓄电池为直流电机供电,将12V电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但蓄电池的体积过于庞大,在小型电动车上使用极为不方便。
综上考虑,选择了方案2。
2.3.2 驱动电机系统方案的设计
方案1:采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片,它相应频率高,一片L298N可以分别控制两个直流电机,而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动,操作方便,稳定性好,性能优良。
方案2:对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路,结构简单,价格低廉,在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。因此选用了方案1。
2.3.3 避障模块方案的设计
方案1:小车车头处装有三个光电开关,中间一个光电开关对向正前方,两侧的光电开关向两边各分开30度。小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线,当红外线遇到障碍物时发生漫反射,反射光被光电开关接收。小车根据三个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相Z的动作。光电开关的平均探测距离为30cm。
方案2:用红外光电开关ST178进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束,被物体阻断或部分反射,受光器最终据此做出判断反应,是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射,当检测到有障碍物的时候,光电对管就能够接收到物体反射的红外光,其物体不限于金属,对所有能反射光线的物体均能检测。光电对管ST178操作简单,使用方便。当有光线反射回来时,输出低电平。当没有光线反射回来时,输出高电平。
方案3:直流驱动红外探测器电路的设计如图所示,通过NE555第3脚输出的TTL电平可以直接驱动单片机I/O口。由于555输出信号为TTL电平,单片机检测方便。
考虑到本系统只需要检测简单障碍物,没有十分复杂的环境。为了使用方便,便于操 作和调试,最终选择了方案3。
2.3.4 火焰检测模块方案的设计
方案1:.紫外火焰检测器,直接检测火焰中180-260nm的紫外光谱,检测的目标也十分明确,响应速度也比较快。它由紫外光敏探头和放大器组成,不足之处是:灵敏度差,检测距离小于15m,不能抗雷电的干扰,存在一定的误报率,因此只能用在距离较短的封闭环境,如加热炉、工业锅炉等地方,成本也比较高。
方案2:热释放红外火焰检测器,直接检测火焰中波长为4.35#177;0.15μm的红外光谱,检测目标比较明确,成本低,它由热释放探头和放大器组成,不足之处是:这种类型的传感器具有压电性,对声音电磁波以及震动都十分敏感,所以使用的地方受到一定的限制,它的检测距离小于80m。
考虑到成本因素及本系统只需要做到简单的检测火焰即可,因此选择方案2。
2.3.5报警模块方案的设计
主要由一个蜂鸣器和一个8050三极管组成,其中蜂鸣器的正极接电源,负极接在三极管的集电极,三极管基极通过电阻R1连接单片机I/O口,发射极接地,当单片机I/O为高电平时,三极管导通,蜂鸣器响起报警。
2.3.6 风扇驱动方案的设计
方案1:采用一个PNP三极管来控制风扇的三个速度:停转、中速和高速,但驱动力有限。
方案2:风扇采用L293d模块驱动,L293D是一款单片集成的高电压、高电流、4通道电机驱动,设计用于连接标准DTL或TTL逻辑电平,驱动电感负载(诸如继电线圈、DC和步进电机)和开关功率晶体管等等。可以驱动功率较大的风扇。
由于本系统中需要功率较大的风扇,因此采用方案2。
2.3 软件设计的构想
根据总体设计的思想及本系统实现的功能,在软件设计中完成以下功能。
图 4.2 系统软件图
1. 避障模块程序:由是否遇到障碍物产生信号的操作,信号返回到单片机,再通过单片机来实现相应的功能。
2. 电机驱动模块程序:主要用来控制两个直流减速电机,实现前进、后退、前左转、前右转、后左转、后右转、停车等功能。
3. 火焰检测模块程序:主要通过火焰传感器探测是否有火源。
4. 风扇模块程序:主要用来控制一个报警器和风扇,实现报警、吹风等功能。
3 开发软件的选择
Keil,Proteus
Keil C51是美国Keil Software公司出品的51系列兼容单片机C语言软件开发系统,与汇编相比,C语言在功能上、结构性、可读性、可维护性上有明显的优势,因而易学易用。Keil提供了包括C编译器、宏汇编、连接器、库管理和一个功能强大的仿真调试器等在内的完整开发方案,通过一个集成开发环境(uVision)将这些部分组合在一起。运行Keil软件需要WIN98、NT、WIN2000、WINXP等操作系统。如果你使用C语言编程,那么Keil几乎就是你的不二之选,即使不使用C语言而仅用汇编语言编程,其方便易用的集成环境、强大的软件仿真调试工具也会令你事半功倍。
图2.2 Keil集成开发环境的界面
Proteus软件是英国Lab Center Electronics公司出版的EDA工具软件(该软件中国总代理为广州风标电子技术有限公司)。它不仅具有其它EDA工具软件的仿真功能,还能仿真单片机及外围器件。它是目前比较好的仿真单片机及外围器件的工具。虽然目前国内推广刚起步,但已受到单片机爱好者、从事单片机教学的教师、致力于单片机开发应用的科技工作者的青睐。
Proteus是世界上著名的EDA工具(仿真软件),从原理图布图、代码调试到单片机与外围电路协同仿真,一键切换到PCB设计,真正实现了从概念到产品的完整设计。是目前世界上唯一将电路仿真软件、PCB设计软件和虚拟模型仿真软件三合一的设计平台,其处理器模型支持8051、HC11、PIC10/12/16/18/24/30/DsPIC33、AVR、ARM、8086和MSP430等,2010年又增加了Cortex和DSP系列处理器,并持续增加其他系列处理器模型。在编译方面,它也支持IAR、Keil和MPLAB等多种编译器。
图2.3 Proteus开发环境的界面
3.结论
本设计开发的智能灭火小车控制系统应用范围十分广泛,设计的灭火小车应该能够实现自动避障、检测火源、吹风灭火、报警等功能,可通过光电传感器的监控来进行设定小车是否前进。本设计具有很好的开发前景,将会受到广大安全防护人员的欢迎。
参考文献
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2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案
本课题要研究的问题:
1.智能小车的避障与灭火算法实现与研究。
2.传感器的数据采集及在单片机中的处理。