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灭火机器人
毕业设计论文
题目
灭火机器人
专业名称
机电一体化
学生姓名
赵志祥
指导教师
朱文琦
毕业时间
设计
论文
目录
第1章绪论2
1.1机器人产生的背景2
1.2灭火机器人设计的目的和意义3
第2章系统设计方案研究4
2.1整体方案设计4
2.2硬件实现方案.5
2.3软件总体设计方案.....................................................................................9
第3章硬件单元电路设计10
3.1电源电路10
3.2微控制器模块的设计11
3.3电机驱动电路的设计15
3.4寻线电路的设计19
3.5火焰检测电路的设计…………………………………………………..24
3.6声音报警与灭火………………………………………………………...25
第4章软件实现.............................................................................................27
4.1软件开发平台介绍…………………………………………………….27
4.2主程序流程图………………………………………………………….28
4.3寻线程序流程图………………………………………………………...29
4.4灭火程序流程图………………………………………………………...29
第5章统功能调试………………………………………………………...30
结论................................................................................................................33
致谢34
参考文献35
附录36
摘要
本设计主要灭火机器人的制作与研究，小车以单片机为控制核心，加以电源电路，机电驱动，光电传感电路，灭火风扇以及其它电路构成。
电源电路提供系统所需的工作电源,专用电机驱动芯片驱动电机控制小车的前后移动和左右转向光电对管完成循迹和避障，光敏电阻传感器检测火焰，灭火风扇进行灭火。
本设计制作的小车具有灭火功能，达到了实验现场灭火的目的，较好的完成了课题目标
关键词：
传感器灭火机器人直流电机风扇
1绪论
1.1机器人产生的背景
首先我介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。
另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。
那么什么是机器人呢？
人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置。
但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。
那么这给机器人提出来更高层次的要求，展望21世纪，机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期。
刚才我们用了短暂的时间，讲了机器人的发展以及我们对机器人的看法，进行了简单地介绍，相信大家在今后的学习中，能够加入到我们研究机器人这个行列中。
1.2.灭火机器人设计的意义和目的
近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。
由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。
为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。
而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得消防机器人应运而生。
从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。
美国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场合。
我国从八十年代末期开始消防机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在消防机器人的研究中取得了大量的成果，"自行式消防炮"已经投入市场，"履带轮式消防灭火侦察机器人"也于2000年6月通过了国家验收。
但是，我国消防机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。
比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。
研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意义。
基于人工智能的不断发展，各项高新技术的不断成熟，在可预见的将来，消防机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡。
同时也应该看到，我国在研究消防机器人方面较国外同行已落后太多，存在技术差异和代沟，消防机器人的不断研制、生产和装备过程，应坚持自主研制为主，引进为辅，提高我国消防部队消防装备现代化的水平,并及时装备消防部队，提高消防部队打赢大仗、恶仗、硬仗和特殊战役的能力，提高消防部队在处置大型复杂火灾和应急救援的作战效能,提高消防部队的自我防护能力,减少消防指战员的人身伤亡，更好地保卫我国经济发展。
2系统设计及方案比较
根据课题设计的要求和课题目标，我制定出了系统的设计方案，并通过比较论证，选择合适的器件。
最终确定手工制作小车，采用ATMEGA128单片机作为主控制器，用ST178型光电对管进行避障，TTS型热释电非接触式温度传感器作为本系统的火焰传感器，L298作为直流电机的驱动芯片的设计方案。
2.1整体方案设计
课题要求设计一个简易灭火机器人模型，能到指定区域进行灭火工作（以蜡烛模拟火源，分布在小车行走的场地中）。
小车必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到小车智能灭火的目的。
根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、避障模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图2-1所示
图2-1系统方框图
为较好的实现各模块的功能，我分别设计了几种方案并分别进行了论证。
2.2硬件实现方案
2.2.1MCU的选择的选择的选择的选择
近年来，单片机应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。
但在开发设计中选择合适的MCU带来了很大的困难。
方案2：
采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。
处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。
但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。
本系统主要是进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制，兼有声音报警。
如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。
从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。
2.2.2电机选择
本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动电机的选择就显得十分重要。
下面我们分析了几种常见电机。
步进电机由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。
虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。
直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。
由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。
舵机，顾名思义是控制舵面的电动机。
舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面、油门等机构的动力来源，但是由于舵机具有很多优秀的特性，在制作机器人时也时常能看到它的应用。
舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。
比方说机器人的关节、飞机的舵面等...
直流电机能够较好的满足系统的要求，控制方便，因此我选择以直流电机做为小车行进驱动电机，用舵机来做小车的驱动转向电机。
2.2.3传感器的选择
火焰传感器的选择
火焰检测有紫外传感器、烟雾传感器、温度传感器、红外传感器以及CCD图像传感器。
用光敏电阻作为传感器。
所谓光敏，就是对光反应敏感。
光敏电阻在光照条件下电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的组件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大。
CDS光敏电阻，灵敏度高，反应速度快，光谱特性及γ值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性，广泛应用于光探测和光自控领域中。
但自然光对光敏电阻影响较大，因此我们不采用此方案。
寻迹传感器
用ST178型光电对管。
ST178为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。
它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大，4-10mm可用。
ST178的示意图和特性曲线如图2-3所示。
当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。
此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。
因此我选择了方案3。
（a）ST178示意图（b）ST178特性表
避障传感器的选择
用超声波传感器进行避障。
超声波传感器的原理是：
超声波由压电陶瓷超声波传感器发出后，遇到障碍物便反射回来，再被超声波传感器接收。
然后将这信号放大后送入单片机。
超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。
但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。
而用单片机作为方波发生器未免有些浪费资源。
因此我考虑其他的方案
2.2.4硬件总体设计方案
经过反复比较论证，我最终确定了如下方案：
1、手工制作车体。
2、采用Atmega128单片机作为主控制器
3、用ST178型光电对管进行避障。
4、热释电红外测温传感器作为本系统的火焰传感器。
5、L298作为直流电机的驱动芯片。
6、使用蜂鸣器进行灭火报警。
2.3软件总体设计方案
传感器组把测得温度分别通过模数转换传给单片机，单片机通过一定的处理，比较得出温度最高的三个传感器，根据能量在自由空间的衰减规律可知，火源与传感器的距离与传感器测得温度的大小呈负相关，温度越高，距离火源越近，所以，火源即在这三个传感器所对的那个方向上。
具体的方位可以通过相应的公式计算出来，调整小车方向并通过避障传感器避障前进到火源位置驱动灭火风扇进行灭火。
3硬件单元电路设计
本章主要讲述了以AT89S52为主控制器，设计相关的硬件电路。
主要硬件电路有：
寻线与控制电路、电机驱动模块、火焰检测电路、灭火风扇驱动电路以及声音报警电路。
3.1电源电路
ATMEGA128需要4.5-5.5V直流电压、150mA的峰值电流，在考虑到其它外围芯片的供电电压和功耗，最终选择LM2940这种专为大功率供电使用的芯片提供5V供电，电源电路如图3-1。
图3-1
3.2微控制器模块的设计
3.2.1ATmega128单片机介绍
ATMEL公司的8位系列单片机的最高配置的一款单片机，应用极其广泛。
ATmega128主要特性如下：
·高性能、低功耗的AVR8位微处理器
·先进的RISC结构
–133条指令–大多数可以在一个时钟周期内完成
–32x8通用工作寄存器+外设控制寄存器
–全静态工作
–工作于16MHz时性能高达16MIPS
–只需两个时钟周期的硬件乘法器
·非易失性的程序和数据存储器
–128K字节的系统内可编程Flash
·寿命:
10,000次写/擦除周期
–4K字节的内部SRAM
–4K字节的EEPROM
–多达64K字节的优化的外部存储器空间
–可以对锁定位进行编程以实现软件加密
–可以通过SPI实现系统内编程
·JTAG接口（与IEEE1149.1标准兼容）
–遵循JTAG标准的边界扫描功能
–支持扩展的片内调试
–通过JTAG接口实现对Flash,EEPROM,熔丝位和锁定位的编程
·外设特点
–两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器
–两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器
–具有独立预分频器的实时时钟计数器
–两路8位PWM
–6路分辨率可编程（2到16位）的PWM
–输出比较调制器
–8路10位ADC
·8个单端通道
·7个差分通道
·2个具有可编程增益（1x,10x,或200x）的差分通道
–面向字节的两线接口
–两个可编程的串行USART
–可工作于主机/从机模式的SPI串行接口
–具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器
–片内模拟比较器
·特殊的处理器特点
–上电复位以及可编程的掉电检测
–片内经过标定的RC振荡器
–片内/片外中断源
–6种睡眠模式:
空闲模式、ADC噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby模式以及
·扩展的Standby模式
–可以通过软件进行选择的时钟频率
–通过熔丝位可以选择ATmega103兼容模式
–全局上拉禁止功能
·I/O和封装
–53个可编程I/O口线
–64引脚TQFP与64引脚MLF封装
·工作电压
–2.7-5.5VATmega128L
–4.5-5.5VATmega128
·速度等级
–0-8MHzATmega128L
–0-16MHzATmega128
3.2.2ATmega128单片机最小系统电路
3.3电机驱动电路的设计
Atmega128单片机最小系统电路如图3-2所示。
主要包括复位电路、晶振电路、低通滤波器电路以及各种滤波电容用L298芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，从稳定性方面考虑，采用电机驱动芯片L298作为电机驱动。
L298是SGS公司的产品，是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，内部包含二个H桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46伏、2安培以下的电机，工作温度范围从－25度到130度。
它相应频率高，一片L298可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。
其内部的H桥原理图如图2-2所示。
EnA是控制使能端，控制OUTl和OUT2之间电机的停转，IN1、IN2脚接入控制电平，控制OUTl和OUT2之间电机的转向。
当使能端EnA有效，IN1为低电平IN2为高电平时，三极管2，3导通，1，4截止，电机反转。
当IN1和IN2电平相同时，电机停转。
图3-3LM298内部H桥原理图
如表3-1是L298使能引脚、输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系：
EnA
IN1
IN2
电机转向
H
H
L
正转
H
L
H
反转
H
同IN2
同IN1
停止
L
X
X
停止
表3-1电机运行逻辑关系
驱动电路的设计如图3-4所示。
电池由VIN接入，通过LM2940IMP-5.0转化为5v作为信号电源VCC。
电机由L298供电，由全桥进行泻流。
对电机的控制信号由Atmega128直接输入，M1_DIR与M1_PWM为M1电机的控制信号，M2_DIR与M2_PWM为M2电机的控制信号,其中INPUT2与INPUT4的信号是由输入INPUT1、INPUT3的信号反向后输入。
通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的正反转。
图3-4驱动电路的设计
3.4寻线电路的设计
在实际设计中，我并没有选用ADC而是选用LM339电压比较器的方案，设计出来的电路紧凑且稳定性好。
LM339作为一款典型的电压比较器，内部有四个独立的电压比较器，其的特点是：
1、失调电压小，典型值为2mV；
2、电源电压范围宽，单电源为2-36V，双电源为±1V-±18V；
3、对比较信号源的内阻限制较宽；
4、共模范围很大，为0-（Vcc-1.5V）Vo；
5、差动输入电压范围较大，最大可以等于电源电压值；
6、输出端电平可灵活方便地选用。
LM339类似于增益不可调的运算放大器。
每个比较器有两个输入端和一个输出端。
一个称为同相输入端（+），另一个称为反相输入端（-）。
用作两个电压的比较时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。
当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。
当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。
两个输入端电压差别超过10mV就可确保输出能够从一种状态可靠地转换到另一种状态。
因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。
LM339的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体管，在使用时输出端到正电源一般需接一只上拉电阻（选3-15K）。
选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。
因为当输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。
LM339的单相比较器电路及传输特性如图3-5所示。
图a给出了一个基本单限比较器。
输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。
当输入电压Uin>Ur时，输出为高电平UOH。
图b为其传输特性。
（a）（b）
图3-5LM339的单相比较器电路及传输特性
红外线对管典型应用电路如图3-6所示。
图3-6红外线对管典型应用电路
其中，Ie是红外线接收管的导通后的发射极电流。
输出电压为：
Uout=Ie*R2
R1为发射管的限流电阻，R2是输出分压电阻，VCC是发射管供电电压，Vref是输出信号的参考电压，Vout是输出信号。
工作时，发射管D发射出的波长约为940nm的红外线信号经反射面传送到接收管上，反射信号的强度随反射面的材料和颜色的不同而不同，接收管的导通电阻RGB随接收到的反射信号强弱而改变，信号越强电阻越小，信号越弱电阻越大。
导通电阻和下拉电阻对Vref分压之后输出Vout的模拟电压信号送至LM339电压比较器的输入端实现模数信号的转换。
设计出的电路原理图如图3-7所示：
图3-7寻线传感器模块原理图
小车位置示意图如图3-8所示：
位置状态=010位置状态=100位置状态=001、
图3-8行进路径示意
从上面的分析可得：
在寻线时，选用3只反射式红外传感器就可以实现小车沿曲线行走。
当机器人偏离白线时，根据在白线上光电管的分布情况来调整机器人的行进姿态。
3.5火焰检测电路的设计
TTS1000和TTS2000系列热释电体两面的电极之间连接高阻抗负荷，为了将温度变化引起的表面电荷量的变化转换为输出电压的变化，内部装场效应晶体管，同时加上阻抗匹配的电路，其结构如图，特性参数如表格：
量程
工作温度
负载阻抗
功率
耐温性
响应频率
电压
电流
电压灵敏
/°C
/°C
/kΩ
/mW
/（%）
/Hz
/VDC
/mA
/v/w
-100~1200
-20~60
10
0．25
5
0．3~100
5
<20
250~400
表3-2
信号采集是系统通过红外测温传感器来测温度,如图4-4所示,左边为红外传感器组,是信号的原始采集部分，它由八个红外测温传感器组成。
传感器测得的信号直接输入到Atmega128单片机A/D转换器的模拟信号输入端口。
电路图如图3-x所示：
3.6声音报警与灭火
3.6.1灭火驱动电路
灭火风扇的驱动电路如图3-10所示。
其中Port1，Port2分别接到单片机的P0.5、P0.6接口上。
单片机输出Port1，Port2控制信号用以驱动灭火电机动作。
由于选用的是增强型MOS管，所以，当Port信号为高时，MOS管在VGS下开始工作，MOS导通，风扇开始动作，进行灭火；当Port信号为低时，由于增强型MOS管特点，VGS=0时，iD=0。
此时，MOS截止，风扇不动作。
图3-10灭火驱动电路
3.6.2声音报警电路
控制信号为“SPEAK”，接至单片机的I/O口的P1.6脚。
当“SPEAK”为高电平时，三极管基级为高电平，此时，三极管处于截止状态，蜂鸣器不工作；当“SPEAK”为低电平时，三极管处于放大工作状态，驱动蜂鸣器，开始发声，蜂鸣器工作。
4.1软件实现
4.1软件开发平台介绍
编程语言选用C语言。
汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高的优点，但其本身是低级语言，编程效率较低，可移植性和可读性差，维护极不方便。
而C语言以其结构化，容易维护，容易移植的优势满足开发的需要。
MCS-51是支持C语言编程的编译器，它主要有两种：
FranklinC51编译器和KeilC51编译器，我们简称C51。
C51是专为MCS-51开发的一种高性能的C编译器。
由C51产生的目标代码的运行速度极高，所需存储空间极小，完全可以和汇编语言媲美。
Keil软件公司提供的专用8051嵌入式应用开发工具套件，可以编译C源文件、汇编源文件、连接定位目标模块和库、生成并调试目标程序，为实际的每一种8051及其派生系列产品生成嵌入式应用系统。
KeilC51交叉编译器兼容ANSI（美国国家标准协会）C编译器，专用于为8051微控制器系列生成快速紧凑的目标代码。
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µVision2IDE是Keil公司提供的用于开发MCS-51系列芯片的汇编语言与C程序的集成开发环境，是标准的Windows应用程序，同其他Windows应用程序一样，µVision2IDE
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