灭火机器人设计报告.doc
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灭火机器人设计
系别：
信息与控制系
班级：
自动0602班
姓名：
王健（06061065）孙祥勋（06061047）
指导老师：
赵勇
2009年7月——2009年9月
目录
第一章引言 1
1.1课题背景 1
1.2实现功能 1
1.3模拟房子介绍 1
第二章系统整体方案设计 2
2.1系统硬件设计 2
2.2系统软件设计 2
第三章硬件设计 3
3.1电源管理模块 3
3.1.1稳压芯片LM7805CV、LM7812CV 3
3.1.2电源模块电路原理图 3
3.2电机驱动芯片L298N 4
3.2.1L298N的逻辑功能：
4
3.2.2外形及封装：
4
3.2.3L298N电路原理图：
5
3.3避障检测传感器HS0038 5
3.3.1HS0038简介：
5
3.3.2HS0038特点：
5
3.3.3检测原理：
5
3.3.4HS0038与单片机连接原理图：
6
3.4地面灰度检测传感器ST188 6
3.4.1ST188特点：
6
3.4.2检测原理：
6
3.4.3应用范围：
6
3.4.4外形尺寸（单位mm）：
6
3.4.5ST188原理图：
7
3.5火焰传感器 7
3.5.1火焰传感器使用 7
第四章软件设计 8
4.1灭火机器人行进路线分析 8
4.2软件流程图 9
第五章调试记录及实验心得 10
5.1调试记录 10
5.2实验心得 10
参考文献 12
附录1:
程序清单 13
附录2:
灭火机器人实物图及灭火场地 26
第一章引言
1.1课题背景
随着社会的进步，机器人技术的不断发展使得机器人的应用领域不断扩展，从以往多应用于工业领域而渐渐融入人们的生活。
灭火机器人作为消防部队中的新兴力量，加入了抢险救灾的行列。
灭火机器人是一个集信号检测、传输、处理和控制于一体的控制系统，代表了智能机器人系统的发展方向。
1.2实现功能
制造一个自主控制的机器人在一间平面结构房子模型里运动，找到一根蜡烛并尽快将它熄灭，这个工作受地面摩擦、机器人惯性、机器人电机的转数差、齿轮箱与轮子的摩擦、电压变化等多个因素影响，它模拟了现实家庭中机器人处理火警的过程，蜡烛代表家里燃起的火源，机器人必须找到并熄灭它。
1.3模拟房子介绍
模拟房子平面图单位：
mm
图1.1灭火机器人比赛场地（国际赛制）
比赛场地的墙壁33cm高，由木头做成。
墙壁刷成白色。
比赛场地的地板将是被漆成黑色的光滑木制表面。
在所有的房间和走廊的地板上，可能会铺有小地毯，不会有粗毛地毯。
场地中所有的走廊和门口宽都是46cm。
门口并没有门，而是一个46cm的开口，将会有一个白色的2.5cm宽的白色带子或白漆印迹表示房间入口。
第二章系统整体方案设计
2.1系统硬件设计
本次设计的目的是设计一个在规定区域能自主搜索火源并实施灭火的智能机器人小车，本次设计使用的主控芯片使用了STC89C52单片机，所以设计重点在传感器和电机驱动上。
系统总体设计框图如图2.1：
MCU
小车电机驱动
传感器模块
传感器模块
电源部分
风扇电机
图2.1系统总体设计框图
2.2系统软件设计
软件设计方案是以上述硬件电路为基础的，包括电机控制模块、传感器模块的程序设计与实现。
程序设计采用C语言编写，编程环境是集成KeilC51编译器的集成编译环境。
灭火机器人设计的软件设计结构框图如图2.2所示。
灭火机器人系统软件框图
电机控制模块
传感器模块
转弯程序
前进程序
停止程序
ST188程序
HS0038程序
火焰程序
图2.2系统软件设计框图
第三章硬件设计
3.1电源管理模块
电源是任何一个系统稳定运行的前提条件，为了使机器人运行稳定，单片机和电机的供电系统采用独立供电的方法。
3.1.1稳压芯片LM7805CV、LM7812CV
LM7805CV的技术指标如下表：
表3-1稳压芯片7805参数
LM7812CV的技术指标如下表：
表3-2稳压芯片7812参数
3.1.2电源模块电路原理图
由于单片机及所有的传感器系统供电采用的是5V的电源，而车体要良好的运行电机的供电电压应该达到12V，所以在电源的处理上采用了稳压芯片7805CV和7812CV。
图3.1电源部分电路图
3.2电机驱动芯片L298N
L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。
是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。
其引脚排列如图1中U4所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。
L298可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机。
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。
也利用单片机产生PWM信号接到ENA，ENB端子，对电机的转速进行调节。
3.2.1L298N的逻辑功能：
表3-3SHARPGP2D12实物图
3.2.2外形及封装：
图3.2L298N实物图
3.2.3L298N电路原理图：
由于一片L298N可以直接驱动两个电机，但是为了加大驱动力，我们采用两路并联的方式来驱动电机。
图3.3L298N电路图
3.3避障检测传感器HS0038
3.3.1HS0038简介：
HS0038B-系列微型接收机红外遥控器控制系统。
PIN二极管和前置上组装引线框架，环氧包被设计成红外过滤器。
该解调输出信号可直接解码的微处理器。
HS0038B是标准的红外遥控接收器系列，支持所有主要传输代码。
3.3.2HS0038特点：
1、光检测器和放大器一体封装
2、内部可集成PCM频率过滤器
3、与TTL和CMOS电平兼容
4、改进的屏蔽电场，抗干扰能力强
3.3.3检测原理：
红外发射管发射出经过调制过的38KHZ的红外光，当前方没有障碍物时，接收器收不到红外光，相反当前方有障碍物时，接受器可以收到红外光。
根据此原理，机器人可以感知前方的路况从而决定是否前行。
3.3.4HS0038与单片机连接原理图：
图3.4HS0038电路
3.4地面灰度检测传感器ST188
3.4.1ST188特点：
1、采用高发射功率红外二极管和高灵敏度光电晶体管组成。
2、检测距离可调整范围大，4--13mm可用。
3、采用非接触方式。
3.4.2检测原理：
ST188是红外收发一体的器件，发射管发射出红外光线，接收管就可以根据接收的红外光线的强弱，感知地面的灰度。
由于此模拟房间的地面被处理成为黑白两种颜色，通过比较器设置灰度的门限值，可以很方便的感知地面的颜色，从而做出相应的决策。
3.4.3应用范围：
1、IC卡电度表脉冲数据采样。
2、集中抄表系统数据采集。
3、传真机纸张检测。
4、地面灰度检测，正反转速测量、行程测量等。
3.4.4外形尺寸（单位mm）：
图3.5ST188实物图
3.4.5ST188原理图：
图3-6ST188电路图
3.5火焰传感器
此传感器本品可广泛应用于灭火机器人比赛中测量火焰值、足球比赛时，用于确定足球的方向。
下图为火焰传感器实物图。
图3.7火焰传感器实物图
3.5.1火焰传感器使用
此传感器具有优良的火焰探测性能，可根据可见光、红外光强弱变化输出电平的大小。
其输出端口是一个四针的插头，其中黑色线为地线、红色线为电源线（+5V）、黄色线为信号线，用于输出测量的红外光强度电平、棕色线为信号线，用于输出可见光强度电平。
第四章软件设计
4.1灭火机器人行进路线分析
当小车处于起点，小车要开始搜索房间有两种路径可以选择，一是不过台阶，绕着4号房间向外搜索。
二是直接过台阶，然后开始搜索。
显然直接过台阶可以节省很多的时间，路径更短，因为我们制作的小车为履带结构，结合我们小车的特点和前面分析，我们选择过台阶。
过台阶后，小车处于3号和4号房间中间，由图可知，沿着右走的方案比较好，因此我们采用是右手规则，首先搜索的是3号房间，如图中的红色箭头。
当在3号房间发现火源时，小车进入房间并灭火，灭火后按原路返回；如没有发现火源，小车继续按右手规则搜索房间，直到搜索4号房间，不管有没有搜索到火源，从4号房间出来都绕着4号房间返回起点，因为回家过程中的时间不记入总时间，而绕行比较安全，小车比较好控制。
图4.1灭火机器人行进路线
4.2软件流程图
图4.2灭火小车软件设计流程图
第五章调试记录及实验心得
5.1调试记录
n前方传感器检测最佳距离12cm，500R的电位器逆时钟旋转可加大发射管的发射功率，检测距离可变远。
n地面灰度传感器：
测试距离2.5cm,黑地面输出电压1.3-1.5V；白纸输出3.8-4.5V；
n前方火焰传感器最远测试距离2.5m，此次使用有效距离0.8m，输出电压0.6V，探测角度+30°。
n转弯：
动作
延时常数
动作
延时常数
原地右转90
60
原地左转90
60
右后转180
110
左后转180
110
n电池电压:
5V供电的电压不得低于7.2V，12V供电的电压不得低于14.5V（在15.7V左右电机运行最稳定）。
5.2实验心得
王健：
本次的灭火机器人小车设计主要涉及到单片机开发、机器人组成和原理、电机与驱动、传感器知识及程序算法设计等。
使用最多的是传感器，因为传感器是机器人
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