论文研究-灾害矿井环境探测机器人传感系统的硬件设计 .pdf

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灾害矿井环境探测机器人传感系统的硬件设计,姚洁,,煤矿事故现场环境信息的检测对救援工作具有十分重要的意义,为了在发生灾害的矿井中获得矿井环境信息,本文研究和设计了灾害矿井
国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 转换和信号放大电路1213, 信号调理电路的电路图如图2所示: 对电极参比电10 R 0.1pF 0.1F R2 lOK ⊥作电极 R 10K 0. 1u R100K R,50K Ra 10K R71(K 3 Rs 图2电化学CO传感器信号调理电路图 Fig 2 signal conditioning circuit of electrochemical CO sensor 恒电位电路由A1、R1~R3、C1、C2和J177组成。IV转换电路将微安级电流信号放大 转换为毫伏级的电压信号,再由信号放人电路进行放人。 RR Va=1×R4×26×2=1×10Kg×10×5-1×500Kg2 RR 设所选一氧化碳传感器的灵敏度为K0,则IK0×C,故上式可以与成: Vo=I×500K9=k。×C×500k2K0xC 2000 2000V k 其中,C一氧化碳浓度,ppm Vout一检测电路的电压输出,V K0传感器的灵敏度, nA/ppm 2.3温度检测模块 采用AD590作为温度传感器,它输出的电流信号正比」热力学温度。测溫电路的温度 信号转换的原理及测温电路如图3所示51 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn ⅤCC R1 2. 0k.Q 210k2 R 1. OK Q D2 100K RP 本稳压值100g 为12V R 10K Q R 10K Q2 凸1 RA 1OKQ2 A 输入端 4D59 R 个稳压值 1()Kg 为8.2V RP? 20k S 图3AD590测温电路 Fig 3 circuit for temperature detection by AD590 根据AD590特性可知,I(uA)与T(℃)的关系为: 273 调节RP2为10kg,因此 V。=10×R=(273+1)×10 调节RP1的阻值使得ⅤP=2.73ⅴ,运算放大器A1和电阻R3~R6构成运放动输入减 法运算电路,故: R R R R,R-R。°R A2和电阻R7~R8组成分压电路,因此 1T T 2 21020 所以,被测温度与输入信号的转化关系为T=20Vo 2.4超声波测距模块 采用三个超声波传感器分别安装」机器人的左方(LD)、右方(RD)及正前方(FD), 超声波测距电路包括超声波发送电路和超声波接收电路两部分 (1)超声波发送模块设计 利用555定时器构成多谢振荡器产生40KHZ的超声波,电路如图4所示 4 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 控制信号 12V R1 IKΩ 1 OK Q2 0.F R 5 千0.01uF C O.001μF 图4超声波发送模块电路 Fig. 4 circuit of supersonic send module 输出信号频率为 f=1.43/(R1+RP1+2R2)C1 当RP=575K9时,输出信号的频率恰为40KHZ。 (2)超声波接收模块设计 接收电路组成如图5所示: 放大路 整流屯路滤波电路较电 C1 10p)F 100K C E YDI OUpFS9KQ R 1Ms) 100pF100ks Ⅵ2F9Kg100x9 匚◆[ R1 10KQ R 图5超声波接牧模块电路 Fig. 5 circuit of supersonic rcccivc module 交流放大电路具有频率选择性,可将中心频率为f的信号放大K倍,其中, R,390 40.8KH K 02nR,C,2x×39×103×100×10 R,39 两级放大电路结构相同,共将信号放大100倍,整流电路采用一个运算放大器和一个二 极管构成半波整流电路,接在整流电路后面的低通滤波电路仅让40KHZ频率的信号通过, 对于比较电路,根据接收信号的大小来调整RP,来改变输出信号的大小 (3)与单片札的链接 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 选择CD4051作为多路模拟片关,连接方式如图6、7所示,在多路川关与单片机之间 加有一个由运算放大器构成的电压跟随器起到隔离、提髙输入阻抗作用。 SI 超声波发送电培 信号 U CD4051 BOOK 单片机 INI 图6超声波发送模块与单片机的连接电路 Fig 6 connection circuit of supersonic send module and MCU 5V 超声波接收电 单片林 图7超声波接收模块与单片机的连接电路 Fig. 7 connection circuit of supersonic rcccivc module and MCU 2.5碰撞检测模块 木系统采用四个碰撞廾关和个碰撞环构成了杋器人的碰撞检测模块,当札器亼遇到障 碍物吋,碰撞环受到外力的作用,相应的碰撞丌关就会闭合,从而使机器人可以感知来自周 围各方向的碰撞信息。 采用CD4051来切换信号的输入,连接方式和超声波测距模块相同 2.6速度检测模块 选用EPC-755作为本设训的光电编码器,转速测量基本电路如图8所小,光电编仍器 将机器人的速度与方向转换成脉冲信号,经过D触发器辨向电路送入单片机。A、B相脉冲 相与后送入计数器进行计数。单片机定间隔内读入计数器的计数,处理后得出机器人的运 行速度 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 了474 A相脉冲 光 R相脉冲 CP Z相脉冲 与门 图8转速测量电路原理图 Fig.8 circuit for calculate rotate speed 27倾斜检测模块 选用硃微型双轴加速度传感器ADXL203作为倾角测量传感器。其原理为通过测量重力 加速度g在敏感轴上的分量,通过计算将其转换成倾角,得到传感器相对于水平面的倾斜和 俯仰角度。 28图像和声音检测模块 由于井下的照明条件较差,要求所选用的摄像机能在光线较差的低照度环境下正常使 用,所以我们选择的摄像机必需是低照度的摄像机。 绎过比较,我们选择213U601型的1.2G红外夜视人防水摄像机,该摄像机为低照度摄 像机、内置麦克风、自带32LED辅助光,完全满足系统要求 29各个模块之间的连接 各个模块分别设计完成后,还需要将它们连接起米,主要通过与单片机 ATmega8的连 接来完成。 atmega8单片机的引脚具体分配情况如表1所示。 表 me 脚分配 Tab. I pin assignment for ATmcga8 系统模块 单片机引即分配 瓦斯检测模块 输出信号接P(AD)X0) 氧化碳检测模块 输出信号接PC1(ADC1) 温度检测模块 输出信号接PC2(ADC2); 超声波测距模块 控制信号接PB5 CD4051芯片的A端口接PB4 CD4051恭片的B端口接PB3 输出信号接PD3(IT1) 碰撞检测模块 输出信号接P(T1); CD4051芯片的A端口接PD8 CD4051芯片的B端口接PD7 速度检测模块 D触发器的输出信号Q接PD0; 与门输出信号接PD4(T0) Z相脉冲输出信号接P 倾斜检测模块 X轴输出信号接PC3(ADC3) Y轴输出信号接PC4(ADC4) 7 国科技论文在线 http:/www.paper.edu.cn 结论 本设计针对矿井复杂的环境,指出了机器人传感器系统需要采集的物理量,确定机器人 的主要功能设计系统总体方案 设计」传感系统的硬件部分,采用模块化的设计方法,对环境探测机器人的各个模块进 行了硬件电路的设计,主要包括传感器和其他电了元器件的选择、信号检测电路的设计,将 需要检测的物理信号转化为可以与单片机进行通信的电信号。以 ATmega8为控制器,设计 了各模块与控制器的连接方式,进行了单片机引脚的分配工作,将各个独立的模块连接成为 个整体。 由于受本人能力和时间所限,本论文的研究工作还存在许多不足,如没有对环境探测机 器人的抗干扰、防尘、隔爆等方面进行设计。因此,有必要对这些方面作进一步的研究。 参考文献]( References) [1]朱华矿井救灾机器人硏究现状及需要重点解决的技术问题徐州工程学院学报.2007,第22卷第6期 [2]钱善华,葛吐荣,王永胜等救灾机器人的研究现状与煤矿救灾的应用.机器人 ROBOT.2006年,第28 卷第3期 [3]聂珍煤矿救援机器人环境信息检测与处理系统研究[硕士学位沦文].西安科技人学,2009 [4]马,詹卫前,耿德根 ATme ga8原理及应用手册清华大学出版社,203,1-11 [5]江海波,王卓然,耿德根深入浅出AVR.中国电力出版社,2007,19 [6]干汝淋.矿廾环境传感技术.中国矿业大学出版社,1994 [门]王汝淋.矿廾环境监测与仪表.中国矿业大学出版社,1988 [8]陆生华煤矿就在机器人信息探测及控制技术的研究[硕士学位论文]中国矿业大学,2007 9]童敏明两种定压甲烷检测方法的分析.中国矿业大学学报,2002,第31卷第2期 L刂童敏明,钱毅恒温瓦斯检测输出非线性的动念调校.仪器仪表学报,2001,第22卷第5期 张小俊,张明路,李小慧基于RBF神经网终的电化学(O气体传感器的温度补偿.209,第22卷第 1期 [12]刘忠富,游国栋,于为民.新型低功耗CO检测系统的研制.自动化仪表,2008,第29卷第10期 [13]王翠翠,周真,秦勇等.电流型电化学传感器恒电位仪电路的研究传感器世界,2009,36-39 [4]江明珠,毛德梅李奇龙.基于AD590的温庋测控电路及应用.皖西学院学报,2009,第25卷第5期 [15]张小义.集成温度传感器AD590及其应用电」世界,2008,第9期 [16]冒少刚.基亍AD590组成的温度测量电路炇应用.西安航空技术高等专科学校学报,2007,第25卷第 3期 「17莫建明,於黄忠,麦棣科等.基于集成温度传感器AD590的测温电路设计与实现.电子元器件应用,2007 第9卷第2期 「18]宋敬国PC单片机在矿井避障机器人测控系统中的应用「硕士学位论文,太原理工大学,2007 8

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