基于單片機(jī)的滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)

1、基于單片機(jī)的滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)摘 要該文設(shè)計(jì)是一款基于單片機(jī)的滅火機(jī)器人模型的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)以STC89C52單片機(jī)為控制核心的系統(tǒng)，通過自制火焰?zhèn)鞲衅饔糜诨鹧嫣綔y(cè)，紅外光電傳感器用于探測(cè)障礙物，L298驅(qū)動(dòng)電機(jī)前后轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人平面運(yùn)動(dòng)。 該系統(tǒng)火焰探測(cè)采用自制的六路火焰?zhèn)鞲衅鳎渲惺怯晌迓愤h(yuǎn)紅外接收二極管和一路近紅外接收二極管構(gòu)成，它與目前其他火焰探測(cè)器相比，具有火焰探測(cè)精確度相對(duì)高、結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。避障則用E18-D50NK型號(hào)的光電傳感器，該傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)。此設(shè)計(jì)以數(shù)字集成電路技術(shù)為基礎(chǔ)并以單片機(jī)技術(shù)為核心，依據(jù)傳感器的

2、信號(hào)傳入單片機(jī)實(shí)現(xiàn)各種指令處理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)具有成本低、可靠性高、滅火速度快、安裝調(diào)試方便等特征，具有較好的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞： STC89C52單片機(jī) 光敏晶體管 紅外光電開關(guān) L298N E18-D50NKFire fighting robot hardware design based on single chip microcomputerAbstractIn this paper, the design model for the design of a microcontroller-based fire-fighting robot. System to STC89C52

3、RC microcontroller for control core, innovation homemade flame sensor is used to measure the source of fire, use infrared receiverdiode to detect the roadblock.The system use six innovation homemade flame sensors which consist of five remote Infrared receiverdiodes and one close Infrared receiverdio

4、de to measure the source of fire,which compare other measurements with high precision, simple structure, reliable performance characteristics. Obstacle avoidance uses the E18 - D50NK models of photoelectric sensor, the sensor has a long detection distance, small interference by visible light, the pr

5、ice is cheap, easy to assemble and convenient use, etc. This design is based on digital integrated circuit technology and single-chip microcomputer technology as the core, according to the sensor signal to microcontroller processing all kinds of instructions.The experimental results show that the de

6、sign of low cost, high reliability, fire fast, easy installation features, very suitable for large fire risk coefficient, has a good application prospect.Keywords: STC89C52 microcontroller; photosensitive transistor; infrared photoelectric switch; L298N; E18-D50NK 目 錄摘 要IAbstractII第一章 引言11.1 課題的開發(fā)背景

7、11.2 課題的研究現(xiàn)狀11.3課題研究的意義21.4課題任務(wù)2第二章 系統(tǒng)基本原理與總體方案設(shè)計(jì)32.1 滅火機(jī)器人的基本原理32.2 滅火機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)32.3 滅火機(jī)器人模型的測(cè)量方案42.3.1 避障模塊42.3.2 火焰檢測(cè)方案5第三章 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)83.1 控制電路83.1.1 電機(jī)控制電路83.1.2 滅火驅(qū)動(dòng)電路93.2 火焰檢測(cè)電路113.3避障模塊133.4 直流電源設(shè)計(jì)153.5 單片機(jī)系統(tǒng)153.5.1 單片機(jī)選型153.5.2 單片機(jī)晶振電路和復(fù)位電路18第四章 系統(tǒng)調(diào)試204.1 硬件調(diào)試204.2 軟件調(diào)試204.3避障的實(shí)現(xiàn)214.4 尋找火源的實(shí)現(xiàn)214

8、.5 遇到的問題224.6 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果分析224.7 本章小結(jié)264.8 實(shí)物展示27參考文獻(xiàn)30致謝31附錄32第一章 引言1.1 課題的開發(fā)背景正如我們所知，火災(zāi)在現(xiàn)實(shí)生活中是非常普遍的，它被稱為三大自然災(zāi)害之一。隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，不可避免的火災(zāi)在各種危險(xiǎn)場(chǎng)所頻繁出現(xiàn)，給社會(huì)安全造成了很多隱患。如果發(fā)生災(zāi)害事故，消防員所面臨的環(huán)境是高溫、黑暗、有毒和濃煙等，若沒有相應(yīng)的設(shè)備貿(mào)然沖進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)，不僅不會(huì)完成任務(wù)，可能會(huì)徒增人員傷亡，這方面公安消防部隊(duì)已歷經(jīng)諸多血的教訓(xùn)。尤其是當(dāng)新消防法出臺(tái)后，搶險(xiǎn)救援已成為公安消防部隊(duì)的法定任務(wù)，面對(duì)新時(shí)期面臨的新情況新任務(wù)，也為了更好地解決前述難題，顯得日

9、益重要是消防機(jī)器人的配備。消防部隊(duì)將面對(duì)的火災(zāi)和應(yīng)急救援的形勢(shì)相當(dāng)復(fù)雜。尤其是在高溫、有毒、易燃易爆等復(fù)雜環(huán)境中，為切實(shí)增強(qiáng)消防部隊(duì)撲救大火的能力，也為更好地保護(hù)廣大官兵的生命安全，配備消防機(jī)器人已勢(shì)在必行。1.2 課題的研究現(xiàn)狀智能小車方面：智能小車，也稱輪式機(jī)器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識(shí)別、傳感技術(shù)、電子、電氣、計(jì)算機(jī)、機(jī)械等多學(xué)科的科技創(chuàng)意性設(shè)計(jì)。智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現(xiàn)了車輛工程、人工智能、自動(dòng)控制、計(jì)算機(jī)等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域理論技術(shù)的交叉和綜合，是未來汽車發(fā)展的趨勢(shì)。機(jī)器人技術(shù)方面：目前已經(jīng)開發(fā)出了多種類型機(jī)器人機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)有串聯(lián)、并聯(lián)及垂直關(guān)節(jié)和平面關(guān)節(jié)多

10、種。目前研究重點(diǎn)是機(jī)器人新的結(jié)構(gòu)、功能及可實(shí)現(xiàn)性，其目的是使機(jī)器功能更強(qiáng)、柔性更大、滿足不同目的的需求。同時(shí)機(jī)器人機(jī)構(gòu)向著模塊化、可重構(gòu)方向發(fā)展。機(jī)器人控制技術(shù)現(xiàn)已實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的全數(shù)字化控制，基于傳感器的控制技術(shù)已取得了重大進(jìn)展。目前重點(diǎn)研究開放式、模塊化控制系統(tǒng)，人機(jī)界面更加友好，具有良好的語(yǔ)言及圖形編輯界面。同時(shí)機(jī)器人的控制器的標(biāo)準(zhǔn)化和網(wǎng)絡(luò)化以及基于PC機(jī)網(wǎng)絡(luò)式控制器已成為研究熱點(diǎn)。機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全數(shù)字交流伺服驅(qū)動(dòng)控制，絕對(duì)位置反饋。目前正研究利用計(jì)算機(jī)技術(shù)，探索高效的控制驅(qū)動(dòng)算法，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度和控制精度；同時(shí)利用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)，實(shí)現(xiàn)的分布式控制1。1.3 課題研究的意義智能避障滅火

11、機(jī)器人實(shí)現(xiàn)了對(duì)安全防護(hù)的質(zhì)的提高，也大大地減低了消防人員的危險(xiǎn)。在智能滅火系統(tǒng)中應(yīng)用單片機(jī)來代替人的思考，還可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制，簡(jiǎn)化了滅火的工作流程，使單片機(jī)代替多余的消防人員，節(jié)省了國(guó)家不必要的支出，降低了危險(xiǎn)。自動(dòng)滅火避障智能小車可以理解為機(jī)器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特定任務(wù)的小型化機(jī)器人。與普遍意義上的機(jī)器人相比該智能小車制作成本低廉，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，程序調(diào)試方便，此設(shè)計(jì)在前人研究的基礎(chǔ)上，通過不斷地學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，力求對(duì)消防機(jī)器人設(shè)計(jì)達(dá)到更深的了解和研究，促進(jìn)消防機(jī)器人在火災(zāi)中的應(yīng)用并推廣在相關(guān)領(lǐng)域的研究，使消防研究工作不斷向前發(fā)展，具有很大的學(xué)術(shù)價(jià)值。1.4課題任務(wù)根

12、據(jù)自動(dòng)控制的基本要求，自動(dòng)滅火避障智能小車必須在無人干預(yù)的情況下依靠處理器自動(dòng)完成所有的系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。滅火通過火焰檢測(cè)傳感器找到蠟燭，控制電機(jī)引導(dǎo)小車走向蠟燭附近并吹滅蠟燭。自動(dòng)避障通過紅外光電開關(guān)感應(yīng)前方的障礙物，程序判斷處理控制小車轉(zhuǎn)彎避開障礙物。系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)要求如下：（1）實(shí)現(xiàn)直流減速電機(jī)的啟、停、正、反控制；（2）利用直流減速電機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)小車的運(yùn)動(dòng)控制；（3）利用穩(wěn)壓芯片為單片機(jī)電路系統(tǒng)提供穩(wěn)定電壓；（4）利用紅外線光電開關(guān)對(duì)障礙物的檢測(cè)；（5）利用光敏晶體管對(duì)火源的檢測(cè)；（6）通過單片機(jī)控制小車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)小車的滅火避障；（7）通過編程檢驗(yàn)系統(tǒng)程序的模塊化設(shè)計(jì)。第二章 系統(tǒng)基本原理與總

13、體方案設(shè)計(jì)2.1 滅火機(jī)器人的基本原理滅火機(jī)器人滅火原理如圖2-1所示。單片機(jī)采集火焰檢測(cè)模塊和避障模塊的信號(hào)，通過控制電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使小車避障行駛?cè)フ覍せ鹪?，在找到火源之后，單片機(jī)控制電機(jī)停止，開啟風(fēng)扇滅火，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)火災(zāi)點(diǎn)滅火的過程。圖2-1 系統(tǒng)原理圖方框圖2.2 滅火機(jī)器人的整體設(shè)計(jì)滅火機(jī)器人由四部分組成：（1）數(shù)據(jù)采集模塊，主要由火焰采集模塊和避障模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了滅火機(jī)器人的對(duì)各類參數(shù)的采集，是控制器核心部分；（2）信息處理單元，用單片機(jī)作為信息處理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采樣及數(shù)據(jù)分析運(yùn)算，并發(fā)出控制指令；（3）人機(jī)交互單元，由按鍵，顯示燈組成。按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；可以提供豐富、直觀、友

14、好的信息界面；（4）控制模塊，控制模塊主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、滅火模塊等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及開啟風(fēng)扇滅火。 圖 2-2 滅火機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì) 圖2-2中，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)障礙物方位、火焰數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)送給MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。MCU根據(jù)接收的信息發(fā)出控制指令控制電機(jī)或風(fēng)扇工作，按鍵用于用戶啟動(dòng)滅火機(jī)器人。2.3 滅火機(jī)器人模型的測(cè)量方案避障及火焰測(cè)量是滅火機(jī)器人最重要部分之一，它是實(shí)現(xiàn)其他功能的基本條件，這一部分性能好壞將關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的性能，所以設(shè)計(jì)一個(gè)成本低、可靠性高、滅火效率高、調(diào)試簡(jiǎn)便的測(cè)量方案是該設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。 避障模塊方案1：用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理如圖3所示：

15、超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號(hào)放大后送入單片機(jī)。超聲波傳感器在避障的設(shè)計(jì)中被廣泛應(yīng)用2。但是超聲波傳感器需要40KHz的方波信號(hào)來工作，因?yàn)槌暡▊鞲衅鲗?duì)工作頻率要求較高，偏差在1內(nèi)，所以用模擬電路來做方波發(fā)生器比較 難以實(shí)現(xiàn)。而用單片機(jī)來作方波發(fā)生器未免有些浪費(fèi)資源。因此我們考慮其他的方案，如圖2-3所示。 圖 2-3 超聲波傳感器原理圖方案2：用紅外光電開關(guān)進(jìn)行避障。光電開關(guān)的工作原理如圖4所示：根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此作出判斷反應(yīng)，是利用被檢測(cè)物體對(duì)紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測(cè)物

16、體的有無，其物體不限于金屬，對(duì)所有能反射光線的物體均能檢測(cè)。紅外光電開關(guān)操作簡(jiǎn)單，使用方便。當(dāng)有光線反射回來時(shí)，輸出低電平。當(dāng)沒有光線反射回來時(shí)，輸出高電平47?？紤]到本系統(tǒng)只需要檢測(cè)簡(jiǎn)單障礙物，沒有十分復(fù)雜的環(huán)境。為了使用方便，便于操作和調(diào)試，我們最終選擇了方案2。 圖2- 4 紅外光電開關(guān)測(cè)量原理圖2.3.2 火焰檢測(cè)方案火焰檢測(cè)有溫度傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器、紫外傳感器以及CCD傳感器。綜合論證這幾種傳感器，因本設(shè)計(jì)使用蠟燭模擬火源，對(duì)環(huán)境溫度影響小，煙霧少，排除了煙霧傳感器?？紤]到易用性，排除了CCD傳感器，從而主要考慮以下三種方案。l NTC熱敏電阻和光敏晶體管測(cè)量方案 圖 2

17、-5 NTC熱敏電阻和光敏電阻測(cè)量系統(tǒng)圖 如圖2-5所示，利用熱敏或光敏電阻的阻值隨溫度光亮變化的特性，將熱敏或光敏電阻與線性電阻構(gòu)成分壓電路，當(dāng)溫度光亮變化時(shí)其阻值變化，進(jìn)而分壓變化，然后將這電壓信號(hào)經(jīng)過運(yùn)放放大調(diào)理成05V的電壓信號(hào)，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換變成數(shù)字信號(hào)送給單片機(jī)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)在一定距離范圍內(nèi)，空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生任何變化。光敏電阻在燈光下，易受干擾在一定范圍內(nèi)空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生變化，光敏電阻受外界干擾比較大，抗干擾能力極差，誤差偏大，不能準(zhǔn)確測(cè)定火源位置56。l 使用紫外線傳感器識(shí)別火焰方案 圖 2-6 紫外線傳感器識(shí)別方案 紫外線傳感器只對(duì)185

18、260nm狹窄范圍內(nèi)的紫外線進(jìn)行響應(yīng)，而對(duì)其它頻譜范圍的光線不敏感，利用它可以對(duì)火焰中的紫外線進(jìn)行檢測(cè)。具有靈敏度高，檢測(cè)及時(shí)準(zhǔn)確、抗干擾性強(qiáng)的特點(diǎn)。主要缺點(diǎn)是價(jià)格是紅外傳感器的8-10倍。l 紅外接收二極管識(shí)別火焰方案 圖 2-7 紅外接收二極管原理圖紅外接收二極管可以用來探測(cè)波長(zhǎng)在700nm 1000nm范圍內(nèi)的紅外線，其中紅外線波長(zhǎng)在880nm附近時(shí)，其靈敏度達(dá)到最大。紅外火焰探頭將外界紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電壓的變化，通過電位比較器來反應(yīng)高低電平的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越??；紅外光越弱，數(shù)值越大。經(jīng)驗(yàn)證紅外接受二極管檢測(cè)距離遠(yuǎn)，線性度好，檢測(cè)準(zhǔn)確，且體積較小在機(jī)器人設(shè)計(jì)中，紅外火焰探頭起著非常重要的作用，它可以用