课程设计--灭火机器人设计报告文档格式.doc
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4. 调试与测试 25
5. 结论 25
6. 感想（小组成员心得体会） 26
7. 参考文献 27
1.概述
一直以来，恶劣环境下的工作一直影响着人们的身心健康，很多人希望用机器来取代人类在危险环境下作业，这种迫切的需要促使机器人诞生。
由于现代化都市生活火灾隐患处处存在，火灾也频繁发生。
在高度危险的火灾现场，即使是消防队员也无能为力，因此，迫切需要一种智能化灭火机器人来代替消防员执行高度危险的、高负荷的任务。
本作品具有智能化自动巡视寻找火源，智能避障的的特点，当它进入一个房间后，巡视整个房间以寻找火源，行进的过程中能够精确躲避障碍物。
发现火源后，本作品能自动校准行进方向，判断与火源的距离，进入有效灭火范围内自动启动灭火装置进行灭火。
本作品适用于危险火灾现场的灭火和对火灾现场进行火源排查。
2.作品的总体设计
2.1系统功能及技术指标
本作品具有以下五个模块组成：
控制模块、驱动模块、传感器模块、灭火模块、电源模块。
1．控制模块
采用Atmel89S52单片机作为本系统的核心控制芯片。
它能接收ADC0804转换的数字信号，对其进行一系列处理，根据处理结果，驱动电机做相应的运动，并能控制风扇转动进行灭火操作。
2．驱动模块
驱动模块采用L298芯片与两个直流电机，该芯片能够接收单片机发出的控制信号，同时驱动两个直流电机运动。
传感器模块
传感器模块采用红外传感器和火焰传感器两种传感器，红外传感器探测行进路面，火焰传感器探测前方火焰，并将探测到的数据传到ADC0804进行模数转换。
3．灭火模块
灭火模块采用12V直流风扇，用5V电磁继电器作为控制开关控制风扇的停转。
4．A/D转换模块
A/D转换模块由四个ADC0804组成，用来接收传感器传回的模拟信号，转换成数字信号，然后传给单片机进行后续处理。
5．电源模块
用一个4节5号电池夹和一个6节5号电池夹，来提供6V和9V电源。
6V提供单片机和L298芯片的工作电源，9V提供电机和风扇的工作电源。
2.2系统的构成
电源模块
控
制
模
块
直流电机
AD转换模块
驱
动
灭火模块
图2-1整体结构框架图
2.3主要设备及元器件选型
1、远红外火焰传感器：
灵敏度高、响应速度快、输出信号大、寿命长、工作稳定可靠。
2、红外光电传感器：
灵敏度高、响应速度快、检测距离可调、寿命长、工作稳定可靠。
3、Atmel89S52单片机：
一种低功耗高性能的CMOS8位微控制器，内置8KB可在线编程闪存。
4、ADC0804模数转换芯片：
实现数模转换，功耗低，使用方便，控制简单。
5、L298电机驱动芯片：
可驱动两个直流电机，驱动能力强，电路简单，使用比较方便。
6、电磁继电器：
弱电控制强电，隔离控制。
7、风扇：
12V额定电压，功率小。
8、UM2003芯片：
是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成，采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器。
2.4系统核心处理策略
红外传感器检测小车行进的道路是否有障碍物，火焰传感器检测周围环境是否有火源，单片机以扫描的形式逐一扫描每个传感器，判断是否有信号传入，并判断是哪个传感器探测到的信号。
若是由红外传感器探测到的信号，则单片机根据探测到信号的不同控制电机做相应的运动，以躲避障碍物；
若是由火焰传感器探测到的信号，则单片机根据探测到的信号，判断火焰的方向及距火源距离，并控制电机向火源方向运动，当到达灭火范围内，单片机控制风扇灭火，直到火源熄灭。
3.作品的详细设计
3.1硬件设计
图3-1功能模块划分图
单片机
Atmel89S52
红外与火焰传感器
发射与接收
A/D转换
驱动
电路
开关
电力
直流
电机
风扇
3.1.1传感器与A/D转换
远红外火焰传感器可以用来探测火源或其它一些波长在760纳米～1100纳米范围内的热源；
远红外火焰传感器能够探测到波长在760纳米～1100纳米范围内的红外光，探测角度为60，其中红外光波长在940纳米附近时，其灵敏度达到最大；
远红外火焰探头的工作温度为-25摄氏度～85摄氏度；
火焰传感器模组（JNHB2004）是组合好的模组，能将探测到的火焰信号转为0-5V的电压信号，红色线接DC5V，黑色线接GND
绿色线信号输出，可直接输入IC。
红外光电传感器是一种红外光漫反射式光电传感器，它是一种集发射器和接收器于一体的传感器，当前面有被检测物体时，物体将发射器发出的红外光线反射回接收器，于是光电传感器就“感知”了物体的存在，产生输出信号。
采用正5V电压供电；
检测距离为50cm左右；
抗干扰强，不受可见光影响，可在太阳光底下使用。
A/D部分采用ADC0804芯片进行模数转换，将实际的距离转换成电压的变化（模拟量）转换为数字量，供单片机处理。
ADC0804原理如下图所示，其中1管脚是片选使能端，2、3管脚是AD转换控制，6管脚是信号的输入，11~18管脚是转换完输出的数字量，通过P1口返回的数字量来判断距离和火焰的位置；
下图为ADC0804和单片机间的连接原理图
图3-2ADC0804原理图
图3-3ADC0804和单片机间的连接原理图
3.1.2电机驱动
电机驱动采用恒压恒流桥式2A驱动芯片L298，内部包含4通道逻辑驱动电路。
可以方便的驱动两个直流电机，输出电压最高可达50V，可以直接通过电源来调节输出电压；
可以直接用单片机的IO口提供信号，而且电路简单，使用比较方便。
L298可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接4．5～7V电压。
4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为＋2．5～46V。
输出电流可达2．5A，可驱动电感性负载。
1脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机，本实验装置我们选用驱动一台电动机。
5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。
ENA，ENB接控制使能端，控制电机的停转。
图3-4L298封装图
下面是L298与直流电机的电路连接图：
图3-5驱动电路图
其中D1~D2为1n4007二极管。
通过单片机发出电平信号，可以很容易控制电机正转、反转。
3.1.3灭火
灭火部分风扇驱动主要采用5V电磁继电器作为电源控制开关，当单片机接收到火焰传感器检测到有火焰信号时，发出指令给电磁继电器来控制电磁继电器闭合，接通风扇驱动部分电路，使风扇转动来实现灭火功能。
电磁继电器主要一般由控制线圈、铁芯、衔铁、触点簧片等组成，控制线圈和接点组之间是相互绝缘的，因此，能够为控制电路起到良好的电气隔离作用。
当我们在继电器的线圈两头加上其线圈的额定的电压时，线圈中就会流过一定的电流，从而产生电磁效应，衔铁就会在电磁力吸引的作用下克服返回弹簧的拉力吸向铁芯，从而带动衔铁的动触点与静触点（常开触点）吸合。
当线圈断电后，电磁的吸力也随之消失，衔铁就会在弹簧的反作用力返回原来的位置，使动触点与原来的静触点（常闭触点）吸合。
这样吸合、释放，从而达到了在电路中的接通、切断的开关目的
下面是电磁继电器控制风扇驱动部分电路连接图：
图3-6继电器电路图
其中UM2003是高耐压、大电流达林顿陈列，由七个硅NPN达林顿管组成。
采用集电极开路输出，输出电流大，故可直接驱动继电器。
当单片机发送0/1指令给P10的8端口时经过in1输入UM2003，再经过UM2003处理，从out1输出信号控制继电器的闭合与断开。
3.1.4控制系统
AT89S52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K在系统可编程Flash存储器。
使用Atmel公司高密度非易失性存储器技术制造，与工业80C51产品指令和引脚完全兼容。
片上Flash允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。
在单芯片上，拥有灵巧的8位CPU和在系统可编程Flash，使得AT89S52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。
下面为AT89S52所组成的一个最小系统电路图：
图3-7最小系统电路图
3.1.5电源
Atmel89C52和L298都需要5V工作电源，用4节5号电池夹装4节电池提供芯片正常工作电压。
而直流电机和风扇都采用6节5号电池夹装6节电池供电。
100uF、0.1uF电容能够实现输入输出电压的滤波。
这样，芯片与电机、风扇都能在正常电压范围内工作。
3.1.6系统原理图及元器件
1.系统电路原理图
图3-8系统电路原理图
2.元器件清单
序号
名称
型号
规格
数量
单位
01
红外火焰传感器
/
5.5*1.4
2
个
02
红外光电传感器
4*2
4
03
AD芯片
ADC0804
2*0.3
6
04
3
05
驱动芯片
L298
06
电磁继电器
SRD-05VDC-SL-C
1
07
发光二极管
8
08
二极管
1n4007
09
碳膜电阻
1k
10
10k
11
陶瓷电容
pF
12
UM2003芯片
13
电路板
14*8
14
小车模型
21.85*20.44
套
3.1.7PCB设计
制作气体监控器电路板的PCB图，流程如下：
1．根据该器件所能实现功能进行电路图的设计，画出电路图。
2．对该电路图进行检测查看是否有错误。
3．检查无误后，利用Protel软件对该电路图的设计生成PCB图。
4．根据所需PCB器件对PCB板进行划分大小，分层。
5、考虑到对该报警器外壳的设计需要进行PCB各器件的排板。
6．排好板后，根据原理图对PCB图进行布线，先从电源正极开始画电源线+12V，绕PCB板到一定的角度，然后将各个需要+12V电源的器件与之连接。
7．用同样的方法对VCC进行布线。
8．进行自动布线。
9．检查无误后，对该PCB图进行敷铜。
PCB图即完成。
注：
在布线后，一定要仔细检查各元件的接法是否与原理图一致。
适时要对原理图以及PCB进行保存，以防改动丢失。
图3-9系统PCB设计图
3.1.8系统硬件资源清单
本系统的硬件包括直流电机小车、PCB电路板，其规格如下：
小车模型框架
PCB
18.53*8.68
3.2软件设计
3.2.1程序流程图
图
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