基于51单片机居家智能灭火机器人循迹系统的设计

Ｉ　一鳗　廛　…………………………一　基于５１单片机居家智能灭火机器人循迹系统的设计　北方民族大学电气信息工程学院　肖明俊一祝玲刘　雨　李继超　【摘要】本系统的设计是使小车在预定轨道上按要求稳定，准确地运行，采用了单片机ＡＴ８９Ｃ５１单片机微处理器作为小车的检测和控制系统　通过红外发射和接收　体探头传感器检测路面黑色循迹线，使小车按预定轨道行驶，通过步进电机扫描系统对路径进行扫描，最终实现了小车接预定轨道行驶。　【关键词】ＡＴ８９Ｃ５１单片机；循迹线；红外发射接收一体探头；步进电机　随着科技的不断发展，安全隐患也日　趋严重，怎样解决这一事态，一直是社会　的一大难题。目前市面上的一些灭火机器　人在探寻路径方面，还存在一些缺陷，凭　时，会对光敏二极管的正常工作产生较大　干扰，一旦外界光照条件发生改变，很有　可能造成错误判断或遗漏。　方案二：采用集成式光电开关探头进　故拟采用方案二。　（１）小车基本模型模块设计：以合成树　脂万用板为底座自己动手做一个小车，采　用两轮驱动和一万向轮支撑来保证小车的　借单一的火焰传感器去寻找火源，盲目性　比较突出，而且不利于进行反复探测。本　循迹系统的设计很好的解决了这一问题，　采用ＡＴ８９Ｃ５１单片机作为微处理器，四路循　迹传感器来探测路径，能及时调整电机进　行反复寻找火源，具有实时性强、灵敏度　高等特点。　１．循迹系统设计方案　根据本设计的基本要求，设计任务主　要完成小车在规定的时间内按预定路径进　行扫描、循迹。为完成相应的功能，系统　可以分为以下几个基本模块：电机驱动模　块，电机扫描模块、循迹线探测模块，电　源模块。本设计系统框图如图１所示。　Ｉ．１循迹线探测模块　探测路面黑色循迹线的原理：光线照　射到路面并反射回来，由于黑线和白色跑　道的反射系数不同，可根据接受到反射光　的强弱导致传感器产生高低电平并最终通　过单片机来判断是否到达黑线偏离跑道。　方案一：利用可见光型发光二极管　与光敏型二极管组成的发射一接收～体电　路。该方案设计成本较低，易于制作，但　其致命缺点是当周围环境有其他光源存在　皇塑　电　●—一　源　模　图１　系统设　计框图　　ｌＩ　Ｊ　Ｉ　隧；，ｌｆ　Ｉ　’｜　ｌ睡　Ｉ　Ｉ＿　＼　ｆ　要　ｊ　图２光电传感器内部原理图　：　一…．．１　＿＿＿主．　薹　＿囊　．；　豢　—　；　善匪　【。＃羊ｈ　阮＝＝　Ｊ　Ｉ　图３驱动电路内部原理图　一１５６一电－｝世界　行探测，该种探头具有集成度高、工作性能　稳定等优点，只须调节探测电路中的一个旋　钮即可以对探头进行灵敏度调节。另外，此　探头能最大程度地避免普通光源（如灯光）　干扰。该传感器原理图如图２所示。　鉴于以上因素考虑，本项目组采用方　案二。　１．２循迹系统电动机及其驱动模块的　选择　在选用驱动模块方面有以下两种方　案：　方案一：采用专用驱动芯片。该芯片　集成度高，占用空间小，主要应用于电机　调速场合。　方案二：采用分立三极管驱动电路。　经分析此电动车所要求的功能比较简单，　不需复杂的调速，用电动机专用集成驱动　电路可以达到预期的目标。故本设计最后　决定使用方案二。　１．３电源模块选择　方案一：采用单～电源蓄电池供电（４　节五号电池）。此供电方法比较简单，但电　源供电电流较小，因其电机启动瞬间电流　会迅速增大，会导致电压不够稳定、情况　严重时会造成单片机系统迅速掉电，以至　于不能完成相关任务。　方案二：采用可充电１２ｖ锂电池电源供　电。该种电池电流大、输出功率大，能够　保证提供较高的功率给电机以及驱动、传　感器，提高了系统稳定性且可及时方便充　电。　考虑到本设计的稳定可靠性更为重要，　图４循迹系统模块流程图　平稳和转向灵活快捷。　（２）电机驱动模块设计：采用Ｌ２９８Ｎ芯　片控制两个驱动电机的旋转时间、方向和　快慢，进而控制小车的前进和转向。　Ｉ．４电动机的驱动设计与实现　采用Ｌ２９８Ｎ作为电机驱动芯片。Ｌ２９８Ｎ　是一个具有高压大电流的全桥驱动芯片，　它对应频率高，一片Ｌ２９８Ｎ可以控制两个直　流电机，而且还有控制使能端。　驱动电路的设计原理图如图３所示。　２．路面黑线检测模块电路的设计　２．１循迹线探测电路　采用红外型光电开关传感器，该传感　器探头输出端包含有三个接线端（＋５ｖ电源　线、接地端、信号输出端），用导线连接　信号输出端和微处理器的ｉ／ｏ接口，然后通　过单片机不停地对ｉ／ｏ口进行扫描和检测，　当检测到高电平时即可判断为检测到白色　背景跑道，当检测到低电平时即可判断为　黑色轨迹线区域。小车运行过程中，始终　让小车车头正中间两个传感器保持在黑色　轨迹线两端，当小车车头偏离黑色轨迹线　时，一旦红外探头探测到有黑色轨迹线数　据信号，微处理器就会发送指令给小车的　电机控制系统，电机控制系统通过正反转　再对小车运行轨迹予以纠正。当小车回到　预定黑色线轨道上时，车头中间的两个红　外探测器都只检测到高电平（即白色背景赛　道）时，小车继续沿轨迹线运行，否则小车　会不断进行调整操作，直到小车恢复正常　运行。　２．２循迹探测模块流程图（如图４所示）　３．循迹传感器模块对黑自线的检测距　离　实测距离　循迹传感器　实测距离　火源传ｊ尊器　实测电压　卖测电压　０．５ｃｍ　４．９８ｖ　１．５ｃｍ　３．８６ｖ　０．８ｃｍ　４．７８ｖ　１．８ｃｍ　３．２５ｖ　１．Ｏｃｍ　４．２５ｖ　２．Ｏｃｍ　２．８６ｖ　４．循迹系统软件设计与实现：　ｖｏｉｄ　ｌｅｆｔ０／／左转　｛ｌｅｆｔｇｏ＝０：ｌｅｆｔｒｅ＝Ｏ：ｒｅｇｈｔｇｏ＝ｌ；　—＿—ｒｅｇｈｔ—ｒｅ＝Ｏ：）ｖｏｉｄ　ｌｅｆｔｌ（）　｛ｌｅｆｔ～ｇｏ＝Ｏ：ｌｅｆｔ＿ｒｅ＝ｌ；　ｒｅｇｈｔｇｏ＝ｌ：ｒｅｇｈｔｒｅ＝Ｏ：　—）ｖｏｉｄ　ｒｅｇｈｔＯ０　（１ｅｆｔ～ｇｏ＝ｌ：ｌｅｆｔ＿ｒｅ＝Ｏ：　ｒｅｇｈｔ～ｇｏ＝０：ｒｅｇｈｔ＿ｒｅ＝Ｏ：　）　ｖｏｉｄ　ｒｅｇｈｔ（）／／右转　ｆ　１ｅｆｔ～ｇｏ＝１：１ｅｆｔ—ｒｅ＝Ｏ：ｒｅｇｈｔ—　ｇｏ＝Ｏ；ｒｅｇｈｔｒｅ＝ｌ：）ｖｏｉｄ　ｇｏ（）　｛ｌｅｆｔ—ｇｏ＝ｌ：ｌｅｆｔ—ｒｅ＝Ｏ：　…………………………一鳗　廛　一　Ｊ　异构机床串行通信设计与实现　江苏联合职业技术学院无锡机电分院余华英　【摘要】本文主要阐述了异构数控系统的集成方案、串行通信、硬件布局方案等内容，将生产任务通过局域网分配给各个加工单元，并使之信息相互交换，因　此，在数控加工网络化系统中，不仅仅要考虑设备层异构数控加工设备的集成，还要考虑ＤＮＣ整个系统内的数据传输。　【关键词】异构机床；串行通信；硬件　随着计算机技术、通信技术和ＣＩＭＳ技　术的不断发展，ＤＮＣ的内涵和功能不断扩　大，与以前的ＤＮＣ相比有很大的区别，它　着眼于车间的信息集成，针对车间的生产　计划，技术准备，加工操作等基本作业进　行集中监控和分散控制，把生产任务通过　局域网分配给各个加工单元，并使之信息　相互交换，因此，在数控加工网络化系统　中，不仅仅要考虑设备层异构数控加工设　备的集成，还要考虑ＤＮＣ整个系统内的数据　传输，现针对公共实训基地进行异构机床　串行通信设计与实现。　异构数控系统的集成方案　ＤＮＣ主机与数控机床之间的通讯连接是　ＤＮＣ系统的关键技术之一。由于不同的数控　设备的通讯接口差别较大，数控协议的种　类也较多，要想形成数控加工的网络化制　造，必须将这些异构数控系统集成起来。　为了实现异构数控系统集成化管理，数控　一、系统制造商们己在积极地寻找解决通讯协　议标准化问题的途径。在数控通讯协议标　准化之前，数控加工车间只能依靠研制专　表１　ＲＳ－２３２Ｃ串口引脚定义　９针ＲＳ一２３２串口（ＤＢ－９）　２５针ＲＳ一２３２串口（ＤＢ一２５）　引脚　简写　功能说明　引脚　简写　功能说明　１　ＣＤ　载波侦测　２　ＴＸＤ　发送数据　２　ＲＸＤ　接收数据　３　ＲＸＤ　接收数据　３　ＴＸＤ　发送数据　４　ＲＴＳ　请求发送　４　ＤＴＲ　数据终端准备　５　ＣＴＳ　清除发送　５　∞　地线　６　ＤＳＲ　数据准备好　６　ＤＳＲ　数据准备好　７　ＧＮＤ　地线　７　ＲＴＳ　请求发送　８　ＣＤ　载波侦测　８　ＣＴＳ　清除发送　２０　ＤＴＲ　数据终端准备　９　ＲＩ　振铃指示　２２　ＲＩ　振铃指示　表２　ＲＳ一４２２和ＲＳ－４８５接口参数　规定　ＲＳ一４２２　ＲＳ一４８５　传输模式　平衡　平衡　电缆长度（９０Ｋｂｉｔ／ｓ），最大（英尺）　４ＯＯＯ　４０００　电缆长度（１０Ｅ￣ｉｔ／ｓ），最大（英尺）　５０　５０　数据传输速度，最大（ｂｉｔ／ｓ）　１０Ｍ　１０Ｍ　差动输出（最小，Ｖ）　±２　±１．５　差动输出（最大，Ｖ）　±１０　±６　接收器敏感度（ｖ）　±０．２　±０．２　驱动器负载，最小（Ｑ）　１０Ｏ　６０　最大驱动器数量　１　３２单位负载　最大接收器数量　ｌＯ　３２单位负载　ｒｅｇｈｔｇｏ＝ｌ：ｒｅｇｈｔｒｅ＝０：｝　门的ＤＮＣ装置来解决数控机床的集成控制　和管理问题，诸￣ＩＦＡＮＵＣ和Ｓｉｅｍｅｎｓ等异构　系统的通讯　］。ＤＮＣ装置初始阶段的研究重　点是开发智能硬件设备，接口标准主要依　靠智能硬件装置实现异构系统的通讯协议　的转换。目前，数控通讯协议转换的实现　逐渐从智能硬件技术向“软插件”技术转　移。“九五”期间，我国“８６３”高科技计　划已经立项研制这种ＤＮＣ软插件系统，这对　数控设备的集成管理具有重大意义。　二、串行通信　（一）串行通信基本概念　串行通信是数据在单条一位宽的传　输线上，一比特接一比特地按顺序传送的　方式，为了保证数据传送的正确和一致，　接收和发送双方对数据的传送应确定一致　的且相互遵守的约定，它包括数据格式、　同步方式、传送速度、传送步骤、错误校　验方式及控制字符定义等，即通信协议　（ｐｒｏｔｏｃｏ１）　。　串行通信的特点如下：　１．节省传输线，这是显而易见的。尤　其是在远程通信时，此特点尤为重要。这　也是串行通信的主要优点。　２．数据传送效率低。与并行通信比，　这也这是显而易见的，如图１，这也是串行　通信的主要缺点。　由此可见，串行通信适合于远距离传　送，可以从几米到数千公里。对于长距离、　低速率的通信，串行通信往往是唯一的选　择。　串行通信根据其信息传输格式不同可　分为异步通信和同步通信。异步通信结构　简单，但速度不快。同步通信传送率高，‘　但接口结构复杂，一般在传送大量数据时　使用。异步串行通信在数控机床上应用比　较广泛，现在主要的接口标准有ＲＳ一２３２Ｃ和　ＲＳ一４２２／ＲＳ－４８５。串行通信中，数据通常是　在两个站之间进行传送，　按照数据流的方向可分成三种基本的　传送模式：全双工、半双工和单工。　在串行数据传输中，如果传送的数据　可以被接收端立即处理，就不需要流控制，　但是如果通信两端的操作存在速度上的差　异，就必须有流控制。流控制有数据缓冲和　数据流开关控制两类，后者又可以进一步分　为ＲＴＳ／ｃＴＳ，ＸＯＮ／ＸＯＦＦ￣Ｉ协议传送等。　（二）串行通信的接口标准　１．ＲＳ一２３２Ｃ接口标准　ＲＳ－２３２Ｃ标准（协议）是美国ＥＩＡ（Ｅｌｅｃｔ—　ｒｏｎｉｃ　Ｉｎｄｕｓｔｒｙ　Ａｓｓｃｃｉａｔｉｏｎ）与ＢＥＬＬ等公司　起开发的的通信协议，在异步串行通信中　应用最广泛的标准总线，其全称是ＥＩＡ－ＲＳ一　２３２Ｃ，其中ＲＳ是Ｒｅｃｏｍｍｅｎｄｅｄ　Ｓｔａｎｄａｒ的缩　写，代表推赠标准，２３２是标识符，ｃ代表最　近一次的修改。它最初是为远程通信连接数　据终端设备ＤＴＥ（ＤａｔａＴｅｒｍｉｎａｌ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）　与数据电路端接设备ＤＣＥ（Ｄａｔａ　Ｃｉｒｃｕｉｔ－　ｔｅｍｉｎａｔｉｎｇ　Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ）而制订的，但目前　以广泛用于计算机与终端或外设之间的近端　连接。图２１ｐ为计算机主板上的两个ＲＳ一２３２　通信端口图片。　（１）ＲＳ一２３２Ｃ￣Ｉ脚定义　ＲＳ一２３２Ｃ标准并未定义连接器的物理特　性，常用的有ＤＢ一２５和ＤＢ一９类型的连接器，　其引脚的定义也各不相同。ＰＣ￣ＩＸＴ机采用　ＤＢ一２５型连接器．ＡＴ机采用ＤＢ一９型连接器。　引脚定义见表ｌ。　一（２）ＲＳ一２３２Ｃ电气特性　Ｅ　ＩＡ—ＲＳ一２３２Ｃ对电器特性、逻辑电平　和各种型号线功能都作了明确规定。在ＲＳ一　２３２Ｃ中任何一条信号线的电压均为负逻辑关　系。即：逻辑”１”一５～一ｌ５ｖ；逻辑”０”：　＋５～＋ｌ５Ｖ。噪声容限为２Ｖ。即要求接收器能　识别低至＋３Ｖ的信号作为逻辑”０”，高到一　３Ｖ的信号作为逻辑”１”。　（３）接口的物理结构　ＲＳ２３２一ｃ接口连接器一般使用型号为　ＤＢ一２５的２５芯插头座，通常插头在ＤＣＥ端，　插座在ＤＴＥ端。一些设备与ＰＣ机连接的ＲＳ一　３２一ｃ接口，因为不使用对方的传送控制信　号，只需二条接口线，即“发送数据”、　“接收数据”和“信号地”。所以采用　ＤＢ一９的９芯插头座，传输线采用屏蔽双绞　线。　（４）ＲＳ－２３２的通信距离及速度　Ｒｓ一２３２规定最大的负载电容为２５００ｐＦ，　这个电容了传输距离和传输速率，由于　＿ｖｏｉｄ　ｒｅ０　　｛ｌｅｆｔｇｏ＝０：ｌｅｆｔｒｅ＝ｌ：ｒｅｇｈｔｇｏ＝Ｏ：ｒｅｇｈｔｒｅ＝ｌ：）　ｖｏｉｄ　ｓｔｏｐ０　　轨迹线，并最终稳定、无误的沿预定轨道　作者简介：线运行。本灭火系统的设计具有实时性较　肖明俊（１９８９一），男，湖南邵阳人，工学学士，　强、灵敏度高且稳定性好等特点，可满足　现就读于北方民族大学电气信息工程学院，主要研　究方向：智能控制与通信系统。　用户需求，具有一定的实用价值。　祝玲（１９７８一），女，吉林吉林人，北方民族大学　参考文献　电气信息工程学院讲师，主要研究方向：自动控　制。　ｌｅｆｔｇｏ＝０：———ｌｅｆｔｒｅ＝Ｏ：　＿ｒｅｇｈｔｇｏ＝０：ｒｅｇｈｔｒｅ＝０：　【１］郭天祥．５１单片机Ｃ语言教程——入门提高、开发、　拓展全攻略　．电子工业出版社，２００９．　｝　５．总结　刘雨（１９９ｏ＿＿），男，贵州毕节人，工学学士，现　［２］求是科技．单片机典型模块设计实例导航　．北京　邮电出版社２００４　就读于北方民族大学电气信息工程学院，主要研究　方向：智能控制与通信系统。　日新月异，科技在飞速发展，电子　北京：清华大学出版社，１９９１．　类产品也在不断更新，本设计通过采用集　翻谭浩强Ｃ程序设计嗍．４］林以敏．机器人制作口田．机械工业出版社，２００８．　成式红外发射和接收一体探头以及分立式　［三极管驱动电路能够准确检测到预定黑色　李继超（１９９　），男，湖南永州人，工学学士，　现就读于北方民族大学电气信息工程学院，主要研　究方向：智能控制。　＿皂子ｔｌｔＢ一１５７—