基于单片机的灭火机器人毕业设计论文.docx
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基于单片机的灭火机器人毕业设计论文
武汉工程大学
计算机科学与工程学院
综合设计报告
设计名称：
嵌入式综合设计
设计题目：
机器人灭火比赛
学生学号：
专业班级：
学生姓名：
学生成绩：
指导教师（职称）：
完成时间：
摘要
该文设计了一款基于单片机的灭火机器人模型的设计。
系统以STC89C52单片机为控制核心，创新自制火焰传感器用于火焰探测，红外光电传感器用于探测障碍物，L298驱动电机前后转动，LCD1602液晶显示器用于显示灭火个数。
该系统火焰探测采用自制六路火焰传感器，是由五路远红外接收二极管和一路近红外接收二极管构成，它相对于目前其他火焰探测器，具有火焰探测精确度高、结构简单，性能可靠等优点。
避障采用E18-D50NK型号的光电传感器，该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。
此设计以数字集成电路技术为基础并以单片机技术为核心，依据传感器的信号传入单片机实现各种指令处理。
系统加入液晶显示器，使得系统具有可查看灭火的次数的人性化特点。
实验结果表明，该设计具有成本低、可靠性高、灭火速度快、安装调试方便等特征，非常适用于危险系数较大的火场，具有较好的应用前景。
关键词：
STC89C52单片机、光敏晶体管、红外光电开关、1602液晶模块、L298N
Abstract
Inthispaper,thedesignmodelforthedesignofamicrocontroller-basedfire-fightingrobot.SystemtoSTC89C52RCmicrocontrollerforcontrolcore,innovationhomemadeflamesensorisusedtomeasurethesourceoffire,useinfraredreceiverdiodetodetecttheroadblock,theL298drivemotorrotationLCD1602displaythenumberoffireswhichareputout.
ThesystemusesixinnovationhomemadeflamesensorswhichconsistoffiveremoteInfraredreceiverdiodesandonecloseInfraredreceiverdiodetomeasurethesourceoffire,whichcompareothermeasurementswithhighprecision,simplestructure,reliableperformancecharacteristics.ObstacleavoidanceusestheE18-D50NKmodelsofphotoelectricsensor,thesensorhasalongdetectiondistance,smallinterferencebyvisiblelight,thepriceischeap,easytoassembleandconvenientuse,etc.Thisdesignisbasedondigitalintegratedcircuittechnologyandsingle-chipmicrocomputertechnologyasthecore,accordingtothesensorsignaltomicrocontrollerprocessingallkindsofinstructions.Addliquidcrystaldisplay,makingthesysteminextinguishingViewextinguishingthenumberofuser-friendlyfeatures.
Theexperimentalresultsshowthatthedesignoflowcost,highreliability,firefast,easyinstallationfeatures,verysuitableforlargefireriskcoefficient,hasagoodapplicationprospect.
Keywords:
STC89C52microcontroller,photosensitivetransistor,infraredphotoelectricswitch,1602LCDmodule,L298
第一章引言
1.1课题的开发背景
火灾在现实生活中是非常普遍的，它被称为三大自然灾害之一。
随着经济的迅速增长，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会安全造成了很多隐患。
一旦发生灾害事故，消防员面对高温、黑暗、有毒和浓烟等危害环境时，若没有相应的设备贸然冲进现场，不仅不能完成任务，还会徒增人员伤亡，这方面公安消防部队已历经诸多血的教训。
尤其是当新消防法出台后，抢险救援已成为公安消防部队的法定任务，面对新时期面临的新情况新任务，也为了更好地解决前述难题，消防机器人的配备显得日益重要。
消防部队将面对的火灾和应急救援的形势相当复杂。
尤其是在高温、有毒、易燃易爆等复杂环境中，为切实增强消防部队扑救大火的能力，也为更好地保护广大官兵的生命安全，配备消防机器人已势在必行。
1.2课题的研究现状
智能小车方面：
智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。
智能汽车作为一种智能化的交通工具，体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。
机器人技术方面：
目前已经开发出了多种类型机器人机构，其结构有串联、并联及垂直关节和平面关节多种。
目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求。
同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展。
机器人控制技术现已实现了机器人的全数字化控制，基于传感器的控制技术已取得了重大进展。
目前重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，具有良好的语言及图形编辑界面。
同时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。
机器人已经实现了全数字交流伺服驱动控制，绝对位置反馈。
目前正研究利用计算机技术，探索高效的控制驱动算法，提高系统的响应速度和控制精度；同时利用现场总线技术，实现的分布式控制[1]。
1.3课题的研究意义
智能避障灭火机器人实现了对安全防护的质的提高，也大大地减低了消防人员的危险。
在智能灭火系统中应用单片机来代替人的思考，还可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，使单片机代替多余的消防人员，节省了国家不必要的支出，降低了危险。
自动灭火避障智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。
与普遍意义上的机器人相比该智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，此设计在前人研究的基础上，通过不断地学习相关的知识，力求对消防机器人设计达到更深的了解和研究，促进消防机器人在火灾中的应用并推广在相关领域的研究，使消防研究工作不断向前发展，具有很大的学术价值。
1.4课题任务
根据自动控制的基本要求，自动灭火避障智能小车必须在无人干预的情况下依靠处理器自动完成所有的系统设计要求。
灭火通过火焰检测传感器找到蜡烛，控制电机引导小车走向蜡烛附近并吹灭蜡烛。
自动避障通过红外光电开关感应前方的障碍物，程序判断处理控制小车转弯避开障碍物。
系统具体设计要求如下：
1.实现直流减速电机的启、停、正、反控制；
2.利用直流减速电机实现对小车的运动控制；
3.利用稳压芯片为单片机电路系统提供稳定电压；
4.利用红外线光电开关对障碍物的检测；
5.利用光敏晶体管对火源的检测;
6.通过单片机控制小车运动状态实现小车的灭火避障；
7.利用1602液晶的工作状态显示；
8.通过编程实现系统程序的模块化设计；
第二章系统基本原理与总体方案设计
2.1灭火机器人的基本原理
灭火机器人灭火原理如图1所示。
单片机采集火焰检测模块和避障模块的信号，通过控制电机驱动模块使小车避障行驶去找寻火源，在找到火源之后，单片机控制电机停止，开启风扇灭火，液晶显示小车行进状态和总扑灭火源个数，从而实现对整个火灾点灭火的过程。
图1系统原理方框图
2.2灭火机器人的整体设计
灭火机器人由四部分组成：
1、数据采集模块，主要由火焰采集模块和避障模块构成，实现了灭火机器人的对各类参数的采集，是控制器核心部分。
2、信息处理单元，用单片机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运算，并发出控制指令。
3、人机交互单元，由按键及显示单元组成。
按键实现人机交互；显示采用LCD1602液晶模块，可以提供丰富、直观、友好的信息界面。
4、控制模块，控制模块主要由电机驱动电路、灭火模块等组成，实现对驱动电机运转及开启风扇灭火。
图2灭火机器人系统框图
图2中，数据采集模块对障碍物方位、火焰数据进行采集，并将数据送给MCU进行数据处理。
MCU根据接收的信息发出控制指令控制电机或风扇工作，显示单元可显示当前灭火的次数和行进状态。
按键用于用户启动灭火机器人。
2.3灭火机器人模型的测量方案
避障及火焰测量是灭火机器人最重要部分之一，它是实现其他功能的基本条件，这一部分性能好坏将关系到整个系统的性能，所以设计一个成本低、可靠性高、灭火效率高、调试简便的测量方案是该设计的关键。
2.3.1避障模块
方案1：
用超声波传感器进行避障。
超声波传感器的原理如图3所示：
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[2]。
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。
而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。
因此我们考虑其他的方案。
图3超声波传感器原理图
方案2:
用红外光电开关进行避障。
光电开关的工作原理如图4所示：
根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。
红外光电开关操作简单，使用方便。
当有光线反射回来时，输出低电平。
当没有光线反射回来时，输出高电平[4][7]。
考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。
为了使用方便，便于操作和调试，我们最终选择了方案2。
图4红外光电对管测量系统图
2.3.2火焰检测方案
火焰检测有温度传感器、烟雾传感器、红外传感器、紫外传感器以及CCD传感器。
综合论证这几种传感器，因本设计使用蜡烛模拟火源，对环境温度影响小，烟雾少，排除了烟雾传感器。
考虑到易用性，排除了CCD传感器，从而主要考虑以下三种方案。
●NTC热敏电阻和光敏晶体管测量方案
图5NTC热敏电阻和光敏电阻测量系统图
如图5所示，利用热敏或光敏电阻的阻值随温度光亮变化的特性，将热敏或光敏电阻与线性电阻构成分压电路，当温度光亮变化时其阻值变化，进而分压变化，然后将这电压信号经过运放放大调理成0—5V的电压信号，经A/D转换变成数字信号送给单片机。
实验中发现在一定距离范围内，空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生任何变化。
光敏电阻在灯光下，易受干扰在一定范围内空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生变化，光敏电阻受外界干扰比较大，抗干扰能力极差，误差偏大，不能准确测定火源位置[5][6]。
●使用紫外传感器识别火焰方案
图6紫外线传感器识别方案
紫外线传感器只对185～260nm狭窄范围内的紫外线进行响应，而对其它频谱范围的光线不敏感，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。
具有灵敏度高，检测及时准确、抗干扰性强的特点。
主要缺点是价格是红外传感器的8-10倍。
●
红外接收二极管识别火焰方案
图7红外接收二极管原理图
红外接收二极管可以用来探测波长在700nm~1000nm范围内的红外线，探测角度为60°；，其中红外线波长在880nm附近时，其灵敏度达到最大。
红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电压的变化，通过电位比较器来反应高低电平的变化。
外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。
经验证红外接受二极管检测距离远，线性度好，检测准确，且体积较小在机器人设计中，红外火焰探头起着非常重要的作用，它可以用作机器人的眼睛来寻找火源或其他物体。
利用它可以制作灭火机器人、足球机器人等。
综合考虑此处选用红外接受二极管。
同时在火焰传感器模块的设计中，在车体的前头离地大约15－20cm（相当于火焰高度）处安装5个远红外火焰传感器，各个传感器之间呈45度角隔开。
由于火焰传感器的检测距离很远，为了避免小车判断不了火焰的远近的情况出现，我们设计了一路近距离火焰传感器。
只有当这路检测到火焰，灭火电机才启动。
经实验验证，系统工作稳定。
第三章系统硬件电路设计
3.1控制电路
本设计要实现对路径的准确定位和精确测量采用直流减速电机。
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。
我们所选用的直流电机减速比为1：
74，减速后电机的转速为100r/min。
我们的车轮直径为6cm，因此我们的小车的最大速度可以达到
V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s
能够较好的满足系统的要求；实现灭火工作的是采用12V直流风扇，试验所采用的火源为小蜡烛产生的火焰，火势较小，直流风扇产生的风力足够在几秒内灭火。
3.1.1电机控制电路
电机控制电路由L298电机驱动芯片、7805芯片、电机等组成。
L298驱动芯片结构如图8所示。
图8L298驱动芯片
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，接受标准TTL逻辑电平信号，即可驱动46V、2A以下的电机。
图9电机控制原理图
如图9所示，OUT1和OUT2，OUT3和OUT4分别接2个直流电机，IN1、IN2、IN3、IN4引脚从单片机接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA、ENB接控制器使能端，控制电机的停转，L298的逻辑功能表如表1所示：
表1电机转动状态编码
左电机
右电机
左电机
右电机
电动车运行状态
IN1
IN2
IN3
IN4
1
0
1
0
正转
正转
前行
1
0
0
1
正转
反转
左转
1
0
1
1
正转
停
以左电机为中心原地左转
0
1
1
0
反转
正转
右转
1
1
1
0
停
正转
以右电机为中心原地左转
0
1
0
1
反转
反转
后退
对于电机的调速，我们采用PWM调速的方法，其原理就是开关管在一个周期内的导通时间为t，周期为T，则电机两端的平均电压U=Vcc*（t/T）=aVcc。
其中，a=t/T（占空比），Vcc是电源电压，电机的转速与电机两端的电压成正比例，而电机两端的电压与控制波形的占空比成正比，因此电机的速度与占空比成比例，占空比越大，电机转的越快。
在硬件电路的连接上，我们将单片机的IO口分别连接到L298的IN1和IN2上，通过改变单片机IO口上的高低电平变化以控制小车的前进方向，通过改变单片机IO口上的高低电平的占空比以控制电机的转速[8]。
PWM配合桥式驱动电路L298N实现直流电机调速，非常简单，且调速范围大。
另外本设计特别在直流电机的电枢两端并联一个0.1uF的瓷片电容，以稳定电机，不至于对单片机造成干扰，实际的使用效果不错，省掉了通过光耦隔离TPL521实现单片机输出信号与电机驱动信号隔离的环节，节约了成本。
3.1.2灭火驱动电路
如图10所示，灭火电机驱动采用B772三极管驱动，单片机P1.1口接三极管Q1基极，当单片机给低电平信号时，三极管导通，接通灭火电机的电源，开启风扇灭火。
图10灭火电机驱动
3.2火焰测量电路
火焰测量电路用来检测火源点，该设计采用红外接收二极管，它能够探测到波长在700纳米～1000纳米范围内的红外光，探测角度为60，其中红外光波长在880纳米附近时，其灵敏度达到最大。
红外接收二极管将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过电压反应数值的变化。
外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。
红外接收二极管结构如图13所示：
图13红外接收二极管
红外接收二极管又叫红外光电二极管，也可称红外光敏二极管,英文名Infraredreceiverdiode。
它广泛用于各种家用电器的遥控接收器中，如音响、彩色电视机、空调器、VCD视盘机、DVD视盘机以及录像机等。
它广泛用于各种家用电器的遥控接收器中，如音响、彩色电视机、空调器、VCD视盘机、DVD视盘机以及录像机等。
红外接收二极管能很好地接收红外发光二极管发射的波长为940nm的红外光信号，而对于其他波长的光线则不能接收。
因而保证了接收的准确性和灵敏度[12]。
红外接收二极管的结构如图13所示。
最常用的型号为RPM-301B。
红外接收管是一种光敏二极管。
在实际应用中要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作，亦即红外接收二极管在电路中应用时是反向运用，这样才能获得较高的灵敏度。
红外接收二极管一般有圆形和方形两种。
由于红外发光二极管的发射功率一般都较小（100mW左右），所以红外接收二极管接收到的信号比较微弱，因此就要增加高增益放大电路。
前些年常用μPC1373H、CX20106A等红外接收专用放大电路。
最近几年不论是业余制作还是正式产品，大多都采用成品红外接收头。
如表2所示，下面为红外接收二极管实测数据，一根蜡烛为火源，室内正常日光灯环境实测结果。
表2火焰传感器实测结果
无火源时，对着日光灯
0.35V-0.12V
10cm
4.98V
20cm
4.88V
30cm
4.72V
40cm
3.77V
50cm
2.89V
60cm
2.34V
70cm
1.92V
80cm
1.45V
90cm
1.15V
100cm
0.96V
图14火焰测量电路原理图
在该电路中，当火焰传感器没有检测到火焰时，火焰传感器不导通而使得火焰传感器的阳极上拉电阻R4上拉为高电平，经电压器比较器比较后输出低电平，LED灯亮。
当检测到火焰时，火焰传感器导通，电压比较器输出高电平，LED灯灭。
经试验验证，本电路工作性能稳定，能耗较低，能够较好的满足题目的需要。
因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。
3.3避障模块
如图15所示，本设计对障碍物的检测采用E18-D50NK型号的红外传感器。
E18-D50NK传感器是一种红外线反射式接近开关传感器，用于物体的反射式检测，该传感器具有体积小，功耗低，应用方便，稳定可靠等优点。
输出信号为数字量，不需要进行A/D转换，可直接与单片机的I/O口相连，检测到目标时信号线输出是低电平，正常状态时为高电平。
为能让对测量距离的调节，在信号输出端需外接一个1KΩ上拉电阻，调节电位器，即可调节测量的距离。
图15E18-D50NK红外传感器
光电开关E18-D50NK的技术参数:
1、输出电流DC/SCR/继电器Controloutput：
100mA/5V供电
2、消耗电流DC<25mA
3、响应时间<2ms
4、指向角：
≤15°,有效距离3-50CM可调
5、检测物体：
透明或不透明体
6、工作环境温度：
-25℃~+55℃
7、标准检测物体：
太阳光10000LX以下白炽灯3000LX以下
图16避障原理
原理分析如图
16所示，E18-D50NK红外光电开关发射出红外线，被物体阻断或部分反射，E18-D50NK内部红外接收管接收到反射回来的红外线，然后有一个由高到低的电压变化，E18-D50NK内部电压比较器根据这个电压的变化输出数电信号给单片机处理。
当有光线反射回来时E18-D50NK信号脚输出低电平[11]。
避障模块接口电路如图17。
图17避障模块接口电路
·避障模块的安装
在避障传感器的设计中，我们在车体底盘的前端装有二个避障传感器，用来起到避开障碍物的作用。
两个传感器微微向两边倾斜一点，防止有障碍物时擦边。
具体的安装位置实物图如图18所示：
图18避障传感器安装实物图
3.4液晶显示模块
显示电路是灭火机器人与用户交互的接口，用户通过显示来观察灭火次数和小车行进状态。
为了显示更人性化和美观化，选择LCD1602液晶，工业字符型液晶，能够同时显示16*02即32个字符，微功耗、体积小、显示内容丰富、超薄轻巧，常用在袖珍式仪表和低功耗应用系统中。
1602液晶也叫1602字符型液晶，它是一种专门用来显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。
它由若干个5X7或者5X11等点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符，每位之间有一个点距的间隔，每行之间也有间隔，起到了字符间距和行间距的作用，正因为如此所以它不能很好地显示图形（用自定义CGRAM，显示效果也不好）。
1602LCD是指显示的内容为16X2,即可以显示两行，每行16个字符液晶模块（显示字符和数字）。
目前市面上字符液晶绝大多数是基于HD44780液晶芯片的，控制原理是完全相同的，因此基于HD44780写的控制程序可以很方便地应用于市面上大部分的字符型液晶。
液晶结构如图19图20所示：
图191602液晶结构图
图20 LCD1602引脚图
管脚功能如表3所示：
表3引脚接口说明表
编号
符号
引脚说明
编号
符号
引脚说明
1
VSS
电源地
9
D2
数据
2
VDD
电源正极
10
D3
数据
3
VL
液晶显示偏压
11
D4
数据
4
RS
数据/命令选择
12
D5
数据
5
R/W
读/写选择
13
D6
数据
6
E
使能信号
14
D7
数据
7
D0
数据
15
BLA
背光源正极
液晶特性如下：
·3.3V或5V工作电压，对比度可调
·内含复位电路
·提供各种控制命令,如：
清屏、字符闪烁、光标闪烁、显示移位等多种功能
·有80字节显示数据存储器DDRAM
·内建有192个5X7点阵的字型的字符发生器CGROM
·8个可由用户自定义的5X7的字符发生器CGRAM
图21液晶接口原理图
如图21所示，采用电位器调节液晶的辉度，单片机的IO口分别接液晶的D0~D7总线，及RS、RW、EN的读写使能端。
3.5直流电源设计
电源部分的设计主要采用7805芯片，使用7805芯片搭建的电路的优点是简单、
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