消防机器人设计报告.docx
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消防机器人设计报告
消防机器人设计报告
基于ATmega2560单片机的智能避障灭火小车
一、设计方案:
1、控制系统:
ArduinoMega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计。
处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSPheader和一个复位按钮。
ArduinoMega2560也能兼容为ArduinoUNO设计的扩展板。
该核心电路板能提供大量IO接口，因此为以后的传感器和功能拓展提供了便捷，同时搭配传感器拓展板，在使用和调试便捷性上优于其它单片机。
Arduino2560原理电路:
2、传感器:
方案一:
光电循迹传感器+火焰传感器+红外线测距传感器
光电开关在一般情况下，由三部分构成，它们分为:
发送器、接收器和
检测电路。
它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。
正常情况下发光器发出的光受光器是接收不到的，当有物体通过时挡住了光，并把光反射回来，受光器就接收到了光信号，输出一个开关信号。
当遇到黑色线格的时候，由于黑色吸收了大部分光线，因此光电开光就会输出电平变化，单片机接收到信号以后做出相应的动作。
火焰传感器的基本构成及原理:
火焰传感器由红外线接收管、电平比较电路、灵敏度调节电位器三部分组成。
通过红外线接收管探测周围环境，当接收到较强的红外线的时候，由电平比较器反馈给单片机电平变化信号。
可通过电位器调节火焰传感器的灵敏度。
红外测距传感器:
红外测距传感器由四部分构成，红外线二极管，红外线接收管，电平比较器，距离调节电位器。
通过红外线二极管发射出红外线，接收管收到物体反射的红外线，通过电平比较器后输出一个变化电平信号。
通过电位器调节，可以控制接收管给电平比较器的信号，而达到控制探测距离的目的。
但由于红外线测距模块对火焰比较敏感，因此用在消防机器人上面不是很合适。
方案二:
光电循迹传感器+火焰传感器+超声波传感器
该方案使用了超声波测距模块，利用超声波发射和接收模组，通过一定频率的超声波并接收该频率的反射波，通过两者的时差进行计算，准确得出障碍距小车的距离，屏蔽了火焰对测距模块的影响，能有效应用于避障机构。
3、动力机构:
方案一、四线二相步进电机*2
该方案中，步进电机能够按照特定的步进角进行运转，设定好步数，电机则运行相应的角度以下图为例:
虽然步进电机能很准确的对小车进行控制，但是由于其功耗和控制电路的因素，该方案未采用。
方案二、直流减速电机*2
使用L298N驱动两个直流电机，L298N驱动电路如下图:
该驱动电路可两路直流电机或一路步进电机，控制直流电机时，IN1、IN2、IN3、IN4分别接单片机数字IO口，通过IO口控制电机的转动方向，ENA、ENB接单片机PWM输出口，控制电机的转速。
该方案电路简单，控制方便，故采用该方案。
4、灭火风扇:
方案一:
采用模块化设计，在调试和安装上方便快捷。
用两个直流小电机作为灭火装置，由单片机IO口控制，并通过三极管扩流，由L7805将12V锂电池电压稳压为5V，供全部系统使用，在测试过程中发现，当火焰传感器探测到火焰，电机转动时使得系统板电压骤降，导致单片机不断复位，达不到灭火的效果。
方案二:
通过给单片机系统单独供电，用IO口控制两个继电器来间接控制灭火小电机，电机电源采用电机驱动板上的5V电源接口。
该方案解决了单片机因电压不足而无限重启的现象，使得单片机系统能够稳定运作。
因此我采用该方案。
5、电源模块:
现有2200mah航模锂电池一块，输出电压11.1V，最大放电能力30C，完全满足小车需要。
采用两路L7805单独给单片机系统和电机驱动系统供电，传感器由单片机系统电源供电，灭火风扇由电机驱动系统供电。
电源模块电路原理图如下:
6、数据交互模块:
传感器的数据除了传递给小车系统之外，还需要通过显示屏呈现出来，同样的，有两套方案，
方案一:
系统接收到数据之后直接处理，然后显示到LCD1602。
该方案使用到1602液晶，在arduino上使用液晶来显示数据参数不是很困难，但是由于小车所使用到的单片机系统为8位单片机，虽然已经有很丰富的IO接口，但数据处理能力着实一般，在使用液晶和单总线的DIS18B20温度传感器时，会使得系统的操作显得很慢，导致程序不能够正常运行。
而且1602液晶只能显示两行、16个字符，对于该小车来说着实有点紧张。
方案二:
单片机在处理传感器数据的同时，将数据通过串口转发给另一单片机，在另一单片机进行处理后，将参数显示到2004液晶上面，将控制信号反馈给主控单片机，最大限度的使主控单片机的速度不受影响。
由于本系统采用集成串口的mega2560单片机与mega328p单片机，只需要通过TXD和RXD两根线进行通信。
而且能将部分控制指令直接分配给mega328p，因此，提高了系统的稳定性和工作效率。
因此我采用方案二。
二、小车结构:
电源模块电机驱动模块灭
火
小
车四路循迹模块火焰传感器模块
系
统
板
灭火模块数据交互模块三、程序设计:
小车从安全位置出发，无固定路线，在火焰传感器的引导下自行选择靠近火源的路线行走，距离火源一定距离时停下，进行灭火操作。
灭火完成后继续前往下一个火源。
途中遇到障碍物时能够自行避开障碍物，寻找离火源最近的路线前进。
小车能够自行判断自己在场地中的位置，防止走出场地，其位置判断与火源计数以及报警部分由mega328p进行。
部分程序:
//mega2560部分//
intMotor_L=4;
intMotor_R=5;
intTrack_L=30;
intTrack_0=31;
intTrack_1=A4;
intTrack_R=32;
intFlame_L_D=40;
intFlame_R_D=41;
intFlame_L_A=A0;
intFlame_R_A=A1;
intRelay_L=A10;
intRelay_R=A11;
intF_L_A=0;
intF_R_A=0;
charD;
voidsetup（）
{
pinMode（4,OUTPUT）;
pinMode（5,OUTPUT）;
pinMode（22,OUTPUT）;
pinMode（23,OUTPUT）;
pinMode（24,OUTPUT）;
pinMode（25,OUTPUT）;//Motor_L&&Motor_R.
pinMode（30,INPUT）;
pinMode（31,INPUT）;
pinMode（A4,INPUT）;
pinMode（32,INPUT）;//Track_L&&Track_0&&Track_R
pinMode（40,INPUT）;
pinMode（41,INPUT）;
pinMode（A0,INPUT）;
pinMode（A1,INPUT）;//FlameDigital&&AnalogInput
pinMode（A10,OUTPUT）;
pinMode（A11,OUTPUT）;//RelayL&R
Serial.begin（9600）;
}
voidloop（）
{
F_L_A=analogRead（A0）;
F_R_A=analogRead（A1）;
while
（1）
{//**********Flame******//
if（digitalRead（40）==0）
{
stop（）;
relay_L_H（）;
}
else
{
straight（）;
relay_L_K（）;
}
if（digitalRead（41）==0）
{
stop（）;
relay_R_H（）;
}
else
{
straight（）;
relay_R_K（）;
}
//***********TrackStart**********//
if（analogRead（A4）>500&&digitalRead（31）==1&&analogRead（A0）<870）
{
left（）;
straight（）;
Serial.print（"A"）;
}
else
{
straight（）;
}
if（digitalRead（31）==1&&analogRead（A4）>500&&analogRead（A1）<870）
{
right（）;
straight（）;
Serial.print（"B"）;
}
else
{
straight（）;
}
}
}//*******************MainEnd***********************//
//*******************************************************//
//********************MotorControl**********************//
//*******************************************************//
//***********Straight**********//
voidstraight（void）
{
if（digitalRead（30）==1&&digitalRead（32）==1）
{
digitalWrite（22,HIGH）;
digitalWrite（23,LOW）;
digitalWrite（24,HIGH）;
digitalWrite（25,LOW）;
analogWrite（4,255）;
analogWrite（5,240）;
}
elseif（digitalRead（30）==0）
{
digitalWrite（22,HIGH）;
digitalWrite（23,LOW）;
digitalWrite（24,HIGH）;
digitalWrite（25,LOW）;
analogWrite（4,255）;
analogWrite（5,0）;
}
elseif（digitalRead（32）==0）
{
digitalWrite（22,HIGH）;
digitalWrite（23,LOW）;
digitalWrite（24,HIGH）;
digitalWrite（25,LOW）;
analogWrite（4,0）;
analogWrite（5,240）;
}
}
//************Stop*************//voidstop（void）
{
digitalWrite（22,HIGH）;
digitalWrite（23,LOW）;
digitalWrite（24,HIGH）;
digitalWrite（25,LOW）;
analogWrite（4,0）;
analogWrite（5,0）;
}
//************Back***************//
voidback（void）
{
digitalWrite（22,LOW）;
digitalWrite（23,HIGH）;
digitalWrite（24,LOW）;
digitalWrite（25,HIGH）;
analogWrite（4,250）;
analogWrite（5,230）;}
//***********Left**************//voidleft（void）
{
digitalWrite（22,LOW）;
digitalWrite（23,HIGH）;
digitalWrite（24,HIGH）;
digitalWrite（25,LOW）;
analogWrite（4,240）;
analogWrite（5,255）;
delay（700）;
}
//**********Right*************//voidright（void）
{
digitalWrite（22,HIGH）;
digitalWrite（23,LOW）;
digitalWrite（24,LOW）;
digitalWrite（25,HIGH）;
analogWrite（4,255）;
analogWrite（5,255）;
delay（600）;
}
//***************************************************//
//********************Relay**************************//
//***************************************************//
//*****************Relay_L***********************//
voidrelay_L_H（void）
{
digitalWrite（A10,HIGH）;
delay（600）;
}
voidrelay_L_K（void）{
digitalWrite（A10,LOW）;}
//*******************Realay_R***********************//
voidrelay_R_H（void）{
digitalWrite（A11,HIGH）;delay（600）;
}
voidrelay_R_K（void）{
digitalWrite（A11,LOW）;}
//mega328p串口通讯及LCD测试程序//#include
#include
charD;
LiquidCrystal_I2Clcd（0x27,20,4）;//settheLCDaddressto0x27fora16charsand
2linedisplay
voidsetup（）
{
lcd.init（）;//initializethelcd
lcd.backlight（）;
lcd.print（"X="）;
lcd.setCursor（0,1）;
lcd.print（"Y="）;
Serial.begin（9600）;}
voidloop（）
{
D=Serial.read（）;
lcd.setCursor（3,0）;
if（Serial.read（）=='A'）
{
lcd.print（"X"）;
}
lcd.setCursor（3,1）;
if（Serial.read（）=='B'）
{
lcd.print（"Y"）;
}
}
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