智能灭火小车论文.docx
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智能灭火小车论文
题目
智能灭火机器人设计
学院
自动化学院
专业
电气工程及其自动化
班级
电气0604
成员
贺昌忠、罗海峰、李晓进、李建青
2008年11月18日
摘要
本次设计CPU采用Atmel公司的AVR系列单片机中的Atmega16L。
完成的是学校组织的灭火机器人大赛。
完成的作品基本功能要求在规定的场地中尽快寻找到火源，然后在尽可能短的时间内作出灭火动作。
本作品使用AVR产生PWM波,控制小车的直流电动机，利用红处开关管探测障碍物，使得小车能够避开障碍，找到火源，从而做出灭火动作。
同时使用液晶显示各个阶段小车的任务，使得我们对小车的运行有一个很好的了解。
关键词:
Atmega16L智能小车光电开关PWM液晶显示
智能灭火机器人
一设计目的与设计要求
此次比赛的场地如下图1所示，图中的H区为小车的起始地区域，蜡烛在图中圆形的区域内，中间的黑色线条表示场地中的木板，整个场地的场面为黑色，其中起跑线为白线，另外在火灾区的入口以及蜡烛之前的半圆处也各有一条白线。
场地中各处的尺寸如图中所标（单位均为mm），设计要求小车能够避开障碍物（木板），在最短时图1灭火机器人比赛场地
间内找到火源所在的区域，然后将火吹灭，要求小车整体外形尺寸限制在30cm×30cm×30cm之内，包括机器人的触角、探测物及装饰物。
二方案设计与论证
根据设计的目的与要求，经过讨论我们一致选定左手法则，即小车一直延左墙走，当遇到障碍物就右转，直到进入火灾区时检测到白线改为右手走法，再利用蜡烛前面的白线检测火源。
因此设计的小车要求能够及时调节前进的方向，以避开障碍物，顺利找到火源。
1．直流调速系统
鉴于价格和功能的考虑，我们选择了直流电机，通过PWM控制小车的速度以及方向。
电机驱动部分有以下两种方案:
方案一:
使用MOSFET构成H桥式驱动电路，利用PWM波形来控制小车的速度，再用单片机两个I/O口控制电机旋转方向，此电路驱动功率比较大，小车的转速比较快。
方案二：
使用直流电机驱动芯片L298N来驱动小车的电机。
L298N作为集成芯片，一块芯片能够输出两路PWM波形，控制两个电机，相对于由MOSFET构成的H桥式驱动电路来说具有电路焊接简单，焊接完成后不易出差错的优点。
二者价格上差别不大，所以我们优先选择了方案二。
2．避障电路的设计
为了能够使小车快速地找到火源所在的房间，就要求避障系统比较灵敏，遇到障碍物迅速躲避，对于避障电路有以下三种方案：
方案一：
使用红外开关管ST168来避障
方案二：
使用光电开关E3F3-DS5ON1
方案三：
使用超声波避障电路
由于ST168的探测距离太近，而小车的速度不能太慢，ST168那一系列的红外开关管不能够满足要求。
方案二中的光电开关，探测距离能够达到1m，而且抗干扰能力比较强，而超声波电路比较麻烦，做出来的电路精确调节不方便，因此方案二成为了最佳选择。
3．检测白线电路的设计
白线检测电路，可以将ST168放在车的底盘上，这样检测比较精准，只是考虑到比赛场地的地面不一定完全黑白分明，所以在连接电
路时，要做成可以调节探测距离的电路，完成之后调节传感器使得小车能够准确探测到白线，从而做出正确的动作。
4．显示部分设计
为了能够随时了解小车的运行情况，我们加上了显示部分，显示部分可以用数码管，1602液晶，还有诺基亚5110液晶三种。
由于数码管只能显示数字，不能够很直观地反应小车的行进情形，而1602体积太大，重量也比较大，而诺基亚5110体积小，功耗低，比较省电，故最后选择使用诺基亚5110作为液晶显示器件，实时显示小车的当前任务。
5．灭火部分设计
最后小车找到火源,用什么方法来灭火,最直接的方法是用风扇,而这也是最有可能实现的办法。
定下的方案是用继电器控制风扇，当检测到蜡烛前面的白线时继电器合上，使得风扇开始旋转灭火。
火灭之后，风扇再停止。
6．电源部分设计
电源部分，可以使用几节5号电池串联，但是这样电池使用效率比较低，而且5号电池功率不够大，容量也太小，不能长时间供电，最后决定使用11V锂电池（3.7V锂电池串联而成），为电机和风扇供电，再利用CD2940来产生5V的直流电压，为电路中的各个芯片提供工作电压。
三硬件电路设计
1．Atmega16L单片机资源分配
此次设计主要使用了Atmega16L芯片的I/O口用于检测外部传感器的信号，TC1用来产生两路PWM波，引脚使用情况如下表：
表1Atmega16L单片机I/O口及内部资源分配
PA0~PA2
光电开关输出信号
PD0
风扇开关控制位
PA3~PA4
ST168采线输出信号
PD4~PD5
两路PWM输出端口
PB4~PB7
电机方向控制位
TC1
产生1.5KHz占空比可调的PWM波
PC0~PC4
液晶显示控制线及数据线
2．电机驱动电路
使用L298N驱动小车的电机，电路图如下：
图2电机驱动电路
图中二极管IN5817用于吸收电机反转时产生的电流，L298N的ENA和ENB两端口接单片机输出的PWM波，而IN1、IN2控制电机1（对应着OUT1、OUT2）的旋转方向，IN3、IN4对应着另一个电机的旋转方向。
单片机通过控制PWM的占空比，来控制电机的转速，通过IN1~IN4控制电机的转向进而控制小车的前进方向。
小车转弯时，可
以用差动转弯，即一个电机转速增加，而加一个电机转速减小，这样是弧度转弯，另一种方法是让一个电机正转，另一个电机反转，这样转弯速度比较快，但是小车行走不如前一种方式平稳。
具体使用哪一种方法，经过调试之后再选择。
3．避障电路
避障电路使用的是光电开关，型号为E3F3-DS5ON1，为NPN常开型开关管，其内部有集成电路，探测距离可达到1m以外，原理是通电时，光电开关内部的发射管发射红外线，遇到能够反射红外线的障碍物接收反射回来的红外线，此时接收部分（PN结）导通，输出相应的信号。
光电开关有三根引出线，棕色接电源正极，兰色接电源负极，黑色为信号输出端，送给单片机，使单片机作出相应的判断，从而控制小车作出正确的动作。
4．白线检测电路
白线检测电路使用ST168，其典型接法如下图所示：
图3白线检测电路
当检测到白线时，ST168中的PN结导通，LM324此处作为比较器用，其负极此时为低电平，输出为低电平。
单片机可以利用此信号，
没有检测到白线时，LM324输出为高电平，检测到时变为低电平，而当单片机第一次检测到低电平时左转，进入比赛场地，第二次检测到低电平时右转（使用右手法则），第三次检测到低电平时，小车停下，打开风扇，同时小车在一定范围内旋转，直到吹灭蜡烛。
5．光电开关分布
这次设计使用了三个光电开关，其分布如下图所示：
图4传感器分布
传感器这样分布之后，只要前面或者前面和左边同时检测到障碍物时，小车立即右转，而当小车没有检测到障碍物时小车向左转回到左手走法，如此，小车可以比较顺利地跑完整个赛道。
6.液晶显示电路
诺基亚5110工作电压为3.3V或者5V，其引脚如下表：
表2诺基亚5110液晶引脚
1脚
RST复位
5脚
CLK时钟信号
2脚
CE片选信号
6脚
VCC电源正极
3脚
DC数据/指令
7脚
BL背光端
4脚
DIN串行数据发送口
8脚
GND电源负极
液晶的前五个引脚分别依次接到PORTC的PC0到PC4口上，6脚和7脚接+5V电源的正极，8脚接+5V电源的负极。
7．
风扇控制电路
面风扇的控制使用电磁继电器来实现，当检测到三根白线以后，单片机的PD0口送出高电平，使得电磁继电器中接风扇的一路开关闭合，风扇开始旋转，电路图如下。
图5风扇控制电路
上图中1，2两引脚接风扇的两端，当检测到了三条白线时，PD0输出高电平，三极管导通，此时电磁继电器的开关打到另外的端口，风扇开始旋转。
四软件设计
程序流程图如下：
N
Y
五.调试与结果分析
小车第一次在场地跑时，由于电池电量不足没能成功，当时使用的是若干节干电池串联组成的电池组构成的电源，后来改为3.7V锂电池板串联而成的电池组，为整个电路供电。
但是小车的电机承受尖峰电流的能力太弱，所以烧坏了几个电机，只能降低PWM占空比，然后再进行调试。
在正式跑赛道时，车底盘上的传感器灵敏度太高，刚刚从出发点出发就显示检测到三根白线，开始进行灭火动作，后来经过调节传感器距离地面的高度，使得ST168只能够检测到纯白色的部分，其余灰色或非纯白色的部分LM324的输出电平都不会发生变化，经过调整后小车能够完成基本功能。
同时诺基亚5110能够实时显示小车当下执行的操作。
六．总结
这次比赛从9月下旬开始正式筹划，从买元件，模型再到焊接电路，组装小车，中间出现了诸多让人意料不到的事情，最开始的第一个模型车体太小，装上风扇以后重心不好平衡，硬件电路基本没有问题，但是小车的电机总是出现一些这样或那样的问题，最终第一辆小车的两个电机差速过大，很不好调节两轮的PWM占空比，从而使小车转过固定的角度，或者使小车走直线，无奈之下只好再寻一辆车模。
真正的调试程序时间并没有几天，大部分时间都花在了小车模型本身上面，小车的电机总是出现问题，所以这也让我们有了一个教训，下次再做智能小车时，模型一定要选好。
通过这次智能小车的制作，我们将AVR系列单片机的资源以及一些基本功能掌握地比较牢固，另外在模块化编程方面也有了上些心得体会，有了一定的收获。
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