简易消防机器人.docx

1、简易消防机器人基于单片机的简易消防机器人摘 要从人类创造第一台机器人以后，在几十年间，机器人技术得到迅速的发展。电子技术和计算机技术的迅速发展推动了各类机械向智能化方向的发展。随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，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对隐患，于是现代火灾及时扑救已成为迫在眉睫的问题。消防机器人能够替代消防救援人员进入危险灾害现场，从而确保了消防人员的人身安全。为对专业知识的进一步巩固加深，综合运用其他先修课程的理论知识，力求创新、突破。本设计通过制作小车式机器人，硬件上采用了STC89C51单片机作为系统的控制核心，加以电源电路、电机驱动、光敏传感电路、

2、遇障检测电路、灭火风扇以及其它电路构成。利用NE5532芯控制继电器驱动直流电动机，驱动电机控制小车的前进以及转向。本设计实现了机器人的智能控制，包括寻找火源、接近火源、遇障报警，启用风扇灭火等功能，并以寻光运动为基础，超声波检测遇障报警为突破，实现机器人灭火功能的方法，模拟在夜间无人或人们在睡眠低警惕状态发生火灾时的特殊环境，代替消防人员进行灭火并报警。关键词：AT89C51控制芯片；超声波传感器；光敏电阻；直流电机；继电器1 绪 论本章将介绍机器人的发展背景和灭火机器人在现代灭火消防中的作用，以及机器人技术特别是灭火机器人技术在国内外的发展现状。1.1 前言从人类创造第一台机器人以后，机器

3、人就显示出它极大的生命力，在几十年间，机器人技术得到迅速的发展。电子技术和计算机技术的迅速发展推动了各类机械向智能化方向的发展。随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，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对隐患，于是现代火灾及时扑救已成为迫在眉睫需要解决的问题。灭火机器人作为移动机器人技术与灭火技术有机融合的产物，可以实现现在危险厂房、库房及加油站等环境比较特殊，出现火灾难度较大的地区进行自动灭火。机器人是融合了光学、机械、电子、计算机、人工智能等多学科知识的成果。从20世纪80年代初开始，我国国民经济迅速而稳步增长，各类工业得到了迅速发展，大量的高层、地下建筑与大型的石

4、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。消防机器人能替代消防救援人员遥控进入有毒、有害、易坍塌建筑物、大型仓库堆垛、缺氧、浓烟、放射性等室内外危险灾害现场进行探测，来解决有关消防人员人身安全、时间限制、数据采集量不足和不能实时反馈等问题。1.2 概述近年来，随着科学技术的迅速发展，智能化也提出了进一步的要求，智能机器人的研究在实际应用中就有了很大的发展空间。灭火机器人作为移动机器人技

5、术与灭火技术有机融合的产物，可以实现在危险厂房、库房及加油站等环境比较特殊，出现火灾灭火难度较大的地区进行自动灭火。智能机器人技术应用了信息技术中的感测技术、传感技术、控制技术等, 是信息技术课程和相关科技活动的良好载体。一些发达国家已经看好智能机器人教育对未来高科技社会的作用和影响, 在中小学的信息技术教育中都不同程度地对学生进行智能机器人知识的教育。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。研制侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾

6、的定位和灭火，将有极大的社会意义。在我国,2003年2月国家教育部正式颁布了“普通高中技术课程标志”,确定将“简易机器人制作”作为一个教学模块,列为通用技术范畴的一门选修课,并对课程的基本理念、设计思路、课程目标和内容标准做了规定,还提出了活动建议。在北京、上海、广州等大城市,机器人技术基础教育起步较早,已经举办了多届机器人足球和灭火比赛。1.3 机器人的发展机器人作为20世纪人类最伟大的发明之一，美国是机器人的诞生地，于1962年研制出世界上第一台工业机器人，但美国政府从60年代到70年代中的十几年期间，并没有把工业机器人列入重点发展项目。80年代之后，美国政府重新提高投资，增加研究经费，机

7、器人再次迅速发展。80年代中后期，随着各大厂家应用机器人的技术日臻成熟，第一代机器人的技术性能越来越满足不了实际需要，带有视觉、力觉的第二代机器人，并很快占领了机器人市场。但如今日本的拥有量远超于美国，被称为”机器人王国”，其实早在西周时期我国的能工巧匠偃师就研制出了能歌善舞的伶人，这是我国最早记载的机器人，鲁班曾制造过一只木鸟，能在空中飞行“三日不下”。近百年来发展起来的机器人，大致经历了三个成长阶段。第一代是示教再现型机器人 尤尼梅特和沃尔萨特兰这两种最早的工业机器人是示教再现型机器人的典型代表。第二代是有感觉的机器人它们对外界环境有一定感知能力，并具有听觉、视觉、触觉等功能。第三代是具有

8、智能的机器人：智能机器人是靠人工智能技术决策行动的机器人，它们根据感觉到的信息，进行独立思维、识别、推理，并作出判断和决策世界第一台智能机器人Shakey控制它的计算机有一个房间那么大。2005年，我国服务机器人市场开始初具规模，同年，发展服务机器人被列为国家863计划先进制造与自动化技术领域重点项目2006年，发展智能服务机器人被列为国家中长期科学和技术发展规划纲要（20062020年）。2008年，科技部将北京四季青模范敬老院和上海徐家汇福利院列为服务机器人应用示范区。1.4 灭火机器人的发展消防救援机器人的研究开发及应用，日本最为领先，其次是美国、意大利和英国等发达国家。国际上对消防救援

9、机器人的研究，在控制技术上可分为三个阶段：第一代是遥控消防救援机器人，第二代是具有感觉功能的计算机辅助遥控消防救援机器人，第三代是自适应智能化消防救援机器人。第一代和部分第二代消防救援机器人已开始服役，但其结构和功能在各个国家都各有特点和独到之处。目前发达国家正在加快开发不同功能的第二代实用型消防救援机器人，而第三代智能型消防救援机器人尚在探索之中，日本、美国和意大利已开始进入预研和论证阶段。2002年9月8日，灭火机器人参加公安消防部队北京协作区反恐演习，受到公安部消防局陈家强局长的高度评价；2002年我国云南、湖北省相继配备灭火机器人；2003年9月，灭火机器人在湖北省首次投入实战。200

10、3年10月，我国江苏省、香港地区、马来西亚开始大规模配备消防灭火机器人。我国灭火机器人科研事业从实验室走向生产车间最终战斗在火场一线，为我国消防装备的发展注入了新鲜血液，填补了国内空白。消防的社会意义在于它将对人类生存安全作为终极关怀，消防装备作为一种重要的火灾扑救手段，已经在消防灭火救援中显示越来越重要的作用。消防装备科研应始终贯彻从火场中来，到火场中去的指导思想，贴近火场一线，急火场之所急。本设计实现了机器人的智能控制，包括寻找火源、接近火源、遇障报警，启用风扇灭火等功能，并以寻光运动为基础，超声波检测遇障报警为突破，实现机器人灭火功能的方法，模拟在夜间无人或人们在睡眠低警惕状态发生火灾时

11、的特殊环境，代替消防人员进行灭火并报警。1.5 本设计所做的主要工作本论文设计了以AT89C51单片机作为主控制器，用HC-SR04超声波进行测距后进行报警，光敏电阻作为小车的寻光导向传感器，NE5532芯片控制继电器驱动直流电动机。所做工作和确定的成果如下：1、以单片机AT89C51为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块，单片机系统，寻光系统，电机驱动系统，测距系统，报警系统，灭火系统及各个模块的衔接整机调试。2、完成主要功能模块的程序设计，分别完成对各个功能模块的程序进行调试工作。2 系统设计及方案比较根据设计的要求和目标，制定出了系统的设计方案，并通过比较论

12、证，选择合适的器件。最终确定手工制作小车，采用AT89C51单片机作为主控制器，用光敏电阻作为小车的寻光导向传感器，用HC-SR04超声波进行测距后进行报警，NE5532芯片控制继电器驱动直流电动机。2.1 设计要求2.1.1 设计要求和目标1、要求设计制作一个简易移动灭火机器人小车模型。2、研究设计相关硬件系统。灭火机器人小车循着光源运动，有超声波传感器探测小车与着火点的距离，准确移动到火源处，同时发出预警，将火扑灭。3、确定机器人驱动方式，选择适当的单片机。4、选择合适的传感器，并设计电路原理图。5、对系统设计和程序进行调试。2.1.2 整体设计方案根据要求，本系统主要由控制器模块、电源模

13、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2.2 模块方案比较与论证为较好的实现各模块的功能，分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.2.1车体设计经过反复的研究讨论和与指导老师的交流，最后本设计决定自己制作电动车。经过反复考虑论证，小车包括：车体框架、主动轮（驱动轮）、万向轮、电动机等。小车左右两边安装主动轮和驱动电机，前后个安装一个万向轮，万向轮以一个平滑螺帽和螺柱组成，因此小车可以零半径旋转、并且多个方向都可以运动，这样的布置使得小车具有高度的灵活性。综上考虑为了节约设计成本，采用购买

14、小车车架。小车整个的安装和器件的布置是：小车左右各有一个主动轮和电机，后中央装上万向轮，在车体前面处分别安装：左右两个光敏电阻，中间安装超声波传感器，超声波传感器上方安装灭火风扇。这种设计结构简单、运动平稳、转弯性能好，易于控制，灵活性高，适用于小功率的行走驱动，且更易于控制。2.2.2 微控制器的选择随着高科技技术的发展和半导体工艺技术的发展及系统设计水平的提高，单片机还会不断产生新的变化和进步，单片机应用技术也得到迅猛发展，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。但为开发设计中选择合适的微控制器却至关重要。在选用微控制器时主要把常用并较熟悉的STC89C51和AT89C51芯片进行了比较，最

15、后采用AT89C51作为微控制器。AT89C51，功能更强，速度更快，寿命更长，价格更低。有40个引脚，双列直插DIP-40。将程序直接烧录AT89C51。ATEML推出的系列51单片机芯片是全面兼容其它51单片机的，而51单片机是主流大军，每一个高等院校、普通学校、网站、业余单片机培训都是以51单片机为入门教材的，所以，教材最多，例子最多。2.2.3 电机方案本系统设计的是智能电动小车，对于电动车来说驱动轮的驱动电机是非常重要的。我综合考虑分析了以下几种方案。方案一，步进电机是将电脉冲信号转变为角位移或线位移的开环控制元件。在非超载的情况下，电机的转速、停止的位置只取决于脉冲信号的频率和脉冲

16、数，而不受负载变化的影响，使得在速度、位置等控制领域用步进电机来控制变的非常的简单。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，但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。方案二，直流减速电机其功率密度大、尺寸小、控制相对简单、不需要交流电，且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，还有体积小，重量轻，装配简单，使用方便等优点，因此直流电机能够较好的满足系统的要求，变得更加平稳，控制方便，因此选择以直流电机做为小车行进驱动

17、电机。本设计采用的是标准配备的直流电机（带行星齿轮减速器）。参数如下表2-2所示。 表 2.1 直流电机参数2.2.4 光源（火焰）传感器模块传感器技术是现代科技的前沿技术，是现代信息技术的三大支柱之一，因此传感器的种类也繁多。用于检测火焰的传感器如有红外传感器、烟雾传感器、温度传感器、紫外传感器、光敏电阻以及CCD图像传感器等等。我综合论证了一下几种传感器，制定了如下几种方案。方案1：温度传感器如热电偶，热电偶是工业上最常用的温度检测元件之一。测量精度高，构造简单，使用方便，但是热电偶感应的范围太广，而且由于火焰只是周围温度稍高且范围较窄。试验验证用热电偶检测火焰精度不高，因此我放弃了此方案

18、。方案2：用光敏电阻作为传感器。利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器。用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。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，入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。CDS光敏电阻，灵敏度高，反应速度快，光谱特性一致性好等特点，并且在高温、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。从经济和方便的角度考虑，我选择了方案3。2.2.5 遇障报警传感器模块方案1：用超声波传感器进行测距。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

19、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。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单。方案2：用红外光电开关进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光。但有些红外光电开关精度较低、接触检测容易损坏被检测物及寿命短不能直接检测非金属材料，且有时响应速度慢、检测距离远较短以及较不抗光、电、磁干扰。考虑到本系统只需要检测简单的障碍

20、物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，我最终选择了方案1。并选择了HC-SR04超声波测距模块，它可提供2cm400cm的非接触式距离感测功能，包括超声波发射器、接收器与控制电路。其基本工作原理为给予此超声波测距模块一触发信号后发射超声波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块输出一回响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物体的距离。2.2.6电机驱动控制方案 电机驱动控制主要由光敏电阻、NE5532运算放大芯片、继电器来控制，光敏电阻R1、R2相当于小车的眼睛，分别接到运算放大器NE5532的输入端作比较放大，经放大比较后的信号分别出发三极管VT1、VT3,驱动继电器K

21、1、K3使小电机换向，三极管VT2和继电器K2控制电机的电源开关。从而实现通过光照控制“机器人”的运动方向。NE5532是一种运放高性能低噪声运放大器。相比较大多数标准运算放大器，它显示出更好的噪声性能，提高输出驱动能力和相当高的小信号及电源带宽。这使该器件特性特别适合应用在控制电路和电话通话放大器等。NE5532芯片集成了两个比较器其中2、6脚为反向输入端，3、5脚为正向输入端，1、7脚为输出端。NE5532的引脚见图2.2。图2.2 NE5532引脚图NE5532特点：小信号带宽：10MHZ 输出驱动能力：600，10V有效值 输入噪声电压：5nV/Hz(典型值) 直流 电压增益：5000

22、0 交流电压增益：2200-10KHZ 功率带宽： 140KHZ 转换速率： 9V/s 大的电源电压范围：3V-20V 单位增益补偿本设计采用HRS2H-S-DV5V小型继电器（单触点控制一路开关）控制电机的供电。同时还利用了双触点继电器HK4001F-DC5V来控制两路开关，也就控制了电机的运转方向。2.3 硬件设计总体方案经过反复比较论证，最终确定的方案如下，系统的结构框图如图2.3所示。1、手工制作车体；2、采用AT89C51单片机作为主控制器；3、用US_100超声波测距模块进行测距报警；4、用光敏电阻作为本系统的光源（火焰）传感器；5、NE5532运放芯片和继电器设置直流电机的驱动电

23、路；6、使用蜂鸣器进行灭火报警。 图2.3 系统结构框图3 硬件单元电路设计3.1 微控制器模块的设计3.1.1 AT89C51单片机介绍单片机的核心部分是中央处理器CPU，它是单片机的大脑，由它统一指挥和协调各部分的工作。时钟电路用于给单片机提供工作时所需要的时钟信号。中断系统用于处理系统工作时出现的突发事件。定时/计数器用于对时间定时或对外部事件计数。输入/输出接口（I/O接口）是计算机与输入/输出设备之间的接口。AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROMFalsh Programmable and Erasable Read Only Memory）的低电压，

24、高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。图3.1是单片机的封装和内部结构框图。 图3.1 封装及管脚功能3.1.2 程序设计的主要管脚功能说明P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的低八位。在FIASH编程时，P0口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，

25、将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。P3口：P3口管脚是

26、8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。P3口也可作为STC89C51的一些特殊功能口，如下所示：P3口管脚 备选功能如下：P3.0 RXD（串行输入口）P3.1 TXD（串行输出口）P3.2 /INT0（外部中断0）P3.3 /INT1（外部中断1）P3.4 T0（计时器0外部输入）P3.5 T1（计时器1外部输入）P3.6 /WR（外部数据存储器写选通）P3.7 /RD（外部数据存储器读选通）P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制

27、信号。RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。3.1.3 电源电路本系统采用的单片机AT89C51需要5V左右稳定的直流电压、150mA的峰值电流。同时考虑到其它外围芯片的所需电压和一些功耗，特别是继电器较耗电，若单片机和继电器共用一个电源，将使单片机不能工作在一个较稳定的电压、电流范围，会导致单片机工作不正常或输出不稳定使超声波测距模块不精准。最终选择7805三端稳压集成电路单独为单片机供电。而电路总电源使用的是四节1.5V的5号电池供电，因为小车是大范围移动的，所以电源必须采用电池是供电，且不宜过重。电源电路如图3.2所示。 图3.2 电源电路3.2

28、电机驱动电路的设计 图3.3 小车机械部分电路原理图如图3.3光敏电阻R1和R2是小车的眼睛，用来决定小车的运动方向，两只光敏电阻分别接到运算放大器NE5532的输入端作比较放大，经放大后的信号分别触发三极管VT1和VT3，驱动K1和K3两个继电器使行驶电机换向，三极管VT2和继电器K2起电机开关作用。当光线同时照射到光敏电阻R1和R2上时，两个运算放大器的反向输入端6、3脚的电压，两运放的输入端7、1脚分别输出高电平，使三极管VT1和VT3导通，并驱动继电器K1和K3。由于VD1、VD2的存在促使VT2导通、继电器K2吸合，是两个电机M1和M2都正转，小车向前运动。当光线只照射到R1上时，I

29、C6脚电压降低，其7脚输出高电平，VT1、VT2导通，使K1、K2吸合，右电机M1正转、左电机M2反转使小车向左转。同样，当光线只照射到R2上时，IC2脚的电压将降低，1脚输出高电平，VT2、VT3导通，K2、K3吸合，左电机M2正转、右电机M1反转，小车便向右转。如果R1、R2都接收不到光线的照射，则IC7、1脚都为低电平，VT1VT3都不导通，M1、M2断电，两电机都不转动，小车停止不动。电路中RP1是用来调整R1、R2的平衡值的，而RP2可用来调整IC中两个运算放大器的增益。两个发光二极管作为小车的工作指示灯，在超声波模块检测障碍物不在报警灭火距离时：当指示灯1亮时，小车右转；当指示灯2

30、亮时，小车左转。当两灯同时亮时，小车向前运动。当超声波模块检测到障碍物在报警灭火范围内时，单片机控制图中继电器K1K3断开，两直流电机不工作小车停止，故此时指示灯无效。3.3 光源（火焰）检测电路的设计光敏电阻是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；入射光强，电阻减小，入射光弱，电阻增大。光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换（将光的变化转换为电的变化）。通常，光敏电阻器都制成薄片结构，以便吸收更多的光能。当它受到光的照射时，半导体片（光敏层）内就激发出电子空穴对，参与导电，使电路中电流增强。一般光敏电阻器结构如图3.4所示。图3.4 光敏电阻器结构图和实物

31、图用于制造光敏电阻的材料主要是金属的硫化物、硒化物和碲化物等半导体。在黑暗环境里，它的电阻值很高，当受到光照时，只要光子能量大于半导体材料的禁带宽度，则价带中的电子吸收一个光子的能量后可跃迁到导带，并在价带中产生一个带正电荷的空穴，这种由光照产生的电子空穴对增加了半导体材料中载流子的数目，使其电阻率变小，从而造成光敏电阻阻值下降。光照愈强，阻值愈低。入射光消失后，由光子激发产生的电子空穴对将逐渐复合，光敏电阻的阻值也就逐渐恢复原值【11】。在它两端的金属电极之间加上电压，其中便有电流通过，受到适当波长的光线照射时，电流就会随光强的增加而变大，从而实现光电转换。没有极性，纯粹是个电阻器件，使用时

32、可加直流也可以加交流。本设计采用2个光敏电阻作为传感器检测光源强度，将其安装在小车前部的左右两边。两个光敏电阻可接受光范围小于120度，在这个范围内，当小车附近有火源时，两个光敏电阻都测出一个光敏强度值，比较这些光敏强度值，总有一个值比较大，然后小车就向较大值那个光敏传感器转动。接着小车前进接近火源，同时传感器不断检测光强度，随时调整车体位置，不断靠近火源。当超声波测距模块检测到的发光源距离达到阀值时小车就停止前进，进行报警、灭火。图3.5是灭火场景的模拟图。 3.5图 灭火场景模拟图3.4 超声波测距模块考虑到本系统只需要检测简单的障碍物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，选择了超声波测距的方案。3.4.1 US-100超声波测距模块的特点US-100 超声波测距模块可提供2cm-400cm 的非接触式距离感