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范文一：智能消防机器人
智能消防机器人
目录
第一章 引言……………………………………………………………………..2 1.1 课题背景……………………………………………………………………2 1.2 Intelligent Design and manufacture of electric cars Fire..2 1.3 实现功能……………………………………………………………………3 1.4 模拟房子介绍………………………………………………………………3 第二章 系统整体方案设计……………………………………………………….4 2.1 系统硬件设计……………………………………………………………..4 2.2 系统软件设计……………………………………………………………..4 第三章 硬件设计…………………………………………………………………...5 3.1 电源管理模块………………………………………………………………5 3.11稳压芯片LM7805、7806CV ……………………………………………5 3.12电源模块电路原理图………………………………………………….5 3.2 电机驱动芯BTS7960……………………………………………………….6 3.21 BTS7960的逻辑功能……………………………………………………..6 3.22 外形及封装……………………………………………………………..6 3.23 BTS7960电路原理图…………………………………………………….7 3.3地面灰度检测传感器 ST188……………………………………………….7 3.3.1 ST188特点…………………………………………………………….7 3.3.2 检测原理………………………………………………………………7 3.3.3 应用范围………………………………………………………………7 3.3.4 外形尺寸（单位mm ）…………………………………………………7 3.3.5 ST188原理图………………………………………………………….8 3.4火焰传感器………………………………………………………………….8 3.4.1火焰传感器使用……………………………………………………….8 3.5报警电路…………………………………………………………………….8 第四章 软件设计…………………………………………………………………9 4.1 灭火机器人行进路线分析…………………………………………………9 4.2 软件流程图…………………………………………………………………11 4.3软件开发平台介绍………………………………………………………….11 第五章 调试记录及实验心得……………………………………………………12 5.1 调试记录…………………………………………………………………....12 参考文献………………………………………………………………………….13 附录: 程序清单………………………………………………………………..13
第一章 引言
1.1课题背景
如今国内外对消防设备的研究越来越重视，投入也越来越多。慢慢趋向于自动化、智能化。实现灭火、火场侦查、危险物品泄露探测、破拆等功能。本文设计主要完成的功能是扑火救人。
本设计是基于STC89C52单片机对电动车进行控制的自动控制系统，研究的内容有：主要方案论证、硬件设计、软件设计、系统实物调试。硬件设计主要有电机驱动电路、热光源采集电路、声音采集电路、电风扇驱动电路、停车信号采集电路、LCD 显示电路、电源电路及单片机最小系统。本系统以STC89C52单片机作为控制核心，通过接受到热光源采集电路传送的信号和声音采集电路传送的信号，对电动车电机进行控制，从而实现对电动车的转向控制。当两处着火，一处是物品，另一处是人着火；电动车通过声音识别，优先将人身上的火扑灭。其所实现的功能相当于简易消防机器人。
【关键词】 消防车 热光源 STM32单片机 LM298 ST178
1.2 Intelligent Design and manufacture of
electric cars Fire
Abstract
Today, fire-fighting equipment at home and abroad more and more emphasis on the study, input more and more. Slowly tends to automation and intelligence. To achieve fire fighting, fire detection, hazardous materials leak detection, ripper and other functions. This function is primarily designed to complete fire fighting to save people.
The design is based STC89C52 microcontroller to control for electric vehicle control system to study the contents of the following: the main program feasibility studies, hardware design, software design, system debugging in kind. Hardware design, main motor drive circuit, thermal light source acquisition circuit, the sound collection circuit, fan drive circuit, stopping the signal acquisition circuit, LCD display circuit, power circuit and microcontroller minimum system. The system STC89C52 microcomputer as the control core, through the acquisition circuit receives light transmitted thermal signal and voice signal acquisition circuit transmission of electric vehicle motors to be controlled in order to achieve steering control for electric vehicles. When the two fire, one is the items, another is a human on fire; electric vehicle through voice recognition, give priority to the human body fire. They achieve the functional equivalent of simple fire-fighting robot.
【Key words】： fire engine 、hot light、 STM32 MCU 、 LM298 ST178
1.3 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。
1.4 模拟房子介绍
模拟房子平面图单位：
mm
比赛场地的墙壁22cm 高，由KT 板做成。墙壁为白色。比赛场地的地板将是贴有导航黑线的KT 板。所有的房间和走廊的地板上都是光滑的。场地中所有的门口并没有门，而是一个适当宽度的开口。
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：
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Keil STM32编
所示。
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 、LM7806CV
LM7805CV 的技术指标如下表：
表3-1 稳压芯片7805参数
LM7806CV 的技术指标如下表：
表3-2 稳压芯片7806参数
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 和6V 的电源, 所以在电源的处理上采用了稳压芯片7805CV 和7806CV 。
ON 3
3.2电机驱动芯片 BTS7960
BTS7960是NovalithIC 家族三个独立的芯片的一部分:一是p 型通道的高电位场效应晶体管，二是一个n 型通道的低电位场效应晶体管，结合一个驱动晶片, 形成一个完全整合的高电流半桥。所有三个芯片是安装在一个共同的引线框, 利用芯片对芯片和芯片芯片技术。电源开关应用垂直场效应管技术来确保最佳的阻态。由于p 型通道的高电位开关，需要一个电荷泵消除电磁干扰。通过驱动集成技术，逻辑电平输入、电流取样诊断、转换速率调整器，失效发生时间、防止欠电压、过电流、短路结构轻易地连接到一个微处理器上。BTS7960可结合其他的BTS7960形成全桥和三相驱动结构。
3.2.2外形及引脚结构：
3.2.3 BTS7960电路原理图：
电机驱动部分
3.3地面灰度检测传感器ST178 3.3.1 ST178简介：
ST178H 红外光电传感器模块是基于ST178H 传感器设计的一款红外反射式光
电开关。传感器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，输出信号经施密特电路整形，稳定可靠。
3.3.2 ST178特点：
1、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。 2、检测距离可调整范围大，4-10mm 可用。 3、采用非接触检测方式。
3.3.3 检测原理：
传感器的红外发射二极管不断发射红外线，当发射出的红外线没有被反射回来
或被反射回来但强度不够大时，光敏三极管一直处于关断状态，此时模块的输出端为低电平，指示二极管一直处于熄灭状态；被检测物体出现在检测范围内是，红外线被反射回来且强度足够大，光敏三极管饱和，此时模块的输出端为高电平，指示二极管被点亮。
3.3.4 外形尺寸（单位mm ）：
图3.5 ST188实物图
3.3.5 ST178与单片机连接原理图：
V CC
C 1105C 2105
图3.4 ST178电路图
3.4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3.8 火焰传感器实物图
3.5报警电路：
当单片机的P1.0 I/O口输出一个高电平时，通过非门后使三极管基级为低电平，此时三极管处于截止状态，蜂鸣器不工作；当单片机的P1.0 I/O口输出一个低电平，通过非门后使三极管基级变为高电平，三极管处于放大工作状态，驱动蜂鸣器发出报警声音。声音报警电路如图3.11所示。
第四章 软件设计
4.1 灭火机器人行进路线分析
结合我们小车的特点和前面分析，我们选择3—2—1—4的遍历顺序。 开始时，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。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。
4.2 软件流程图
图4.2 灭火小车软件设计流程图
4.3 软件开发平台介绍
本次设计软件的开发主要采用Keil uVision4软件编写。使用Keil uVision4工
具时，项目开发流程和其它软件开发项目的流程极其相似：
1、创建一个项目，从器件库中选择目标器件，配置工具设置； 2、用C 语言或汇编语言创建源程序； 3、用项目管理器生成你的应用； 4、修改源程序中的错误； 5、测试，连接应用。
编程语言选用C 语言。它可以作为工作系统设计语言，编写系统应用程序，也可以作为应用程序设计语言，并且C 语言以其结构化，容易维护，编写不依赖计算机硬件的应用程序，容易移植的优势满足开发的需要。而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Keil STM32编译器完全遵照ANSI C语言标准，支持C 语言的所有标准特性。另外，直接支持STM32结构的几个特性被添加到里面。Keil 宏汇编器支持STM32及其派生系列的全部指令集。
第五章 调试记录
5.1 调试记录
? 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 ；
? 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°。
? 热光源信号采集电路调试：热光源采集电路分为四路，对四个方向的光强进
行采集。根据光强电压转换原理：光越强，则电压越高；光强越弱，电压越低。将热光源信号采集模块中的灵敏度调节到最佳状态。将蜡烛火焰靠近红外接收二极管，调节对应的参考电压的可调电位器，使对应输出指示灯变亮（即接收到了热光源信号，输出低电平）。再不断改变蜡烛与红外接收二极管之间的距离，将检测距离调节到最远时，达2.1米。此时灵敏度也最佳。但是在外界环境光比较强的地方，热光源信号采集电路常出现错误判断。数
表一
根据分析，外界光也有近红外，当红外接收二极管暴露在外时，受外界红外光的影响，产生错误判断。解决的办法是，将红外接收二极管用直纸筒卷起来，防止外界环境影响。其它模块电路出现的小问题比较容易解决，因为电路相对来说简单，方便调试。整体电路连接调试后，比较成功，系统工作稳定。 从实验调试结果分析可得，系统基本实现了热光源信号的采集和电动车运动方向的控制。
参考文献
[1] 《国际赛制机器人灭火比赛规则》.PDF
[2] 李全利、迟荣强. 单片机原理及接口技术. 北京：高等教育出版社，2004.1
[3] 谭浩强. C程序设计(第二版). 北京：清华大学出版社，1999.12
[4] 童诗白、华成英. 模拟电子技术基础(第三版). 北京：高等教育出版社，2003.12
[5] 康华光. 电子技术基础 数字部分(第四版). 北京： 高等教育出版社，1900.1
[6] 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛电路设计. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.12
[7] 黄智伟. 全国大学生电子设计竞赛系统设计. 北京：北京航空航天大学出版社，2006.12
[8] 文艳、谭鸿. Protel 99 SE电子电路设计. 北京：机械工业出版社，2006.8
程序请单附录1:
#include "stm32f10x_lib.h" #include "public.h" u8 time_3ms = 0; u8 depart=0; u8 restart=0; u8 room=0; u8 gangway=0; u8 white=0; u8 room0=0; u8 room1=0; u8 room2=0; u8 gangway3=0; u8 gangway4=0;
u8 sensor_temp_ahead=0; u8 sensor_temp_ahead0=0; u8 sensor_temp_back=0; u8 sensor_temp_back0=0; u8 proceed=0; s8 memory=0;
int main(void) {
system_init(); while(1)
{
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time_3ms = 0; // smokecheck();
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Encoder_Total=0; handle(-10);
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sensor_temp_ahead = sensor_ahead();
if(sensor_temp_ahead!=sensor_temp_ahead0||proceed==1) {
proceed=0;
sensor_temp_ahead0=sensor_temp_ahead; switch(sensor_temp_ahead) {
case 1:
handle(-10);
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motor_speed(AHEAD,1); break; case 5:
handle(10);
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handle(-18);
motor_speed(AHEAD_TURN,2); } break;
case 6: //全黑 handle(0);
motor_speed(0,0); secure=0; dispose(); gangway=1; room=0;
break; } }
}
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sensor_temp_back = sensor_back();
if(sensor_temp_back!=sensor_temp_back0||proceed==1) {
proceed=0;
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case 1:
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handle(7);
motor_speed(BACK,-1); break; case 5:
handle(0);
motor_speed(BACK,-1); break; case 6:
handle(-5);
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handle(-10);
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handle(-15);
motor_speed(BACK,-1); break;
case 9: //全黑 handle(0);
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Encoder_Total=0; break;
case 0: //全白 handle(17);
motor_speed(BACK_TURN,-1); break;
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}
if(room==2) {
sensor_temp_ahead = sensor_ahead();
if(sensor_temp_ahead!=sensor_temp_ahead0||proceed==1)
{
proceed=0;
sensor_temp_ahead0=sensor_temp_ahead; switch(sensor_temp_ahead) {
case 1:
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motor_speed(AHEAD,1); break; case 5:
handle(15);
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case 0: //全白
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handle(15);
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case 6: //全黑 secure=0; dispose(); room=0; gangway=2; break;
}
}
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{
sensor_temp_back = sensor_back();
if(sensor_temp_back!=sensor_temp_back0||proceed==1)
{
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sensor_temp_back0=sensor_temp_back; switch(sensor_temp_back)
{
case 1:
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motor_speed(BACK,-1); break;
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motor_speed(BACK,-1);
break;
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motor_speed(BACK,-1); break;
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motor_speed(BACK_TURN,-1); break;
case 8:
handle(-19);
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while(Encoder_Total<2200); memory="">
gangway=0;
room=3;
break;
case 0: //全白 if(room2==0)
{
Encoder_Total=0;
handle(0);
motor_speed(BACK,-1); memory=-1;
while(Encoder_Total<100); memory="">
Encoder_Total=0;
room2=1;
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else
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}
else
{
handle(20);
motor_speed(BACK,-1); }
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}
}
}
if(room==3)
{
sensor_temp_ahead = sensor_ahead();
if(sensor_temp_ahead!=sensor_temp_ahead0||proceed==1)
{
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sensor_temp_ahead0=sensor_temp_ahead; switch(sensor_temp_ahead)
case 1: handle(-10); motor_speed(AHEAD_TURN,2); break; case 2: handle(-3); motor_speed(AHEAD,1); break; case 3: handle(0); motor_speed(AHEAD,1); break; case 4: handle(3); motor_speed(AHEAD,1); break; case 5: handle(10); motor_speed(AHEAD_TURN,2); break; case 0: //全白 handle(18); motor_speed(AHEAD_TURN,2); break; case 6: room=0; gangway=3; break; } } } if(gangway==3) {
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{
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while(Encoder_Total<>
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sensor_temp_ahead = sensor_ahead();
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{
proceed=0;
sensor_temp_ahead0=sensor_temp_ahead; switch(sensor_temp_ahead)
{
case 1:
handle(-10);
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case 4:
handle(3);
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case 5:
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motor_speed(AHEAD_TURN,2); break; case 0: //全白 handle(-19); motor_speed(AHEAD_TURN,2); break; case 6: handle(0); motor_speed(AHEAD_TURN,2); break; } } sensor_temp_back = sensor_back(); if(sensor_temp_back==9) { handle(0); motor_speed(0,0); gangway=0; restart=1; } } if(restart==1) { delayms(300); white=0; room0=0; room1=0; room2=0; gangway3=0; gangway4=0; sensor_temp_ahead0=0; depart=0; restart=0; }
}
}
}
范文二：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、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
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。
1绪论
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
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(2006— 2020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。 2003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
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
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
2系统设计及方案比较
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。
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
2系统设计及方案比较
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
2cm — 400cm 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 K1、 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。 N E5532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:600Ω, 10V 有效值
?输入噪声电压:5nV/√ Hz(典型值 )
?直流 电压增益:50000
?交流电压增益:2200-10KHZ
?功率带宽:140KHZ
?转换速率:9V/μs
?大的电源电压范围:±3V-±20V
2系统设计及方案比较
?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
(FPEROM — Falsh Programmable and Erasable Read Only Memory)的低电压, 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
3硬件单元电路设计
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, 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 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硬件单元电路设计
3.2 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, IC6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, VT1~VT3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 K1~K3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。
3硬件单元电路设计
图 3.4 光敏电阻器结构图和实物图
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 的非接触式距离感测功能, 测距精度可达高到 3mm ;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。 基本工作原理:
(1)采用 IO 口 TRIG 触发测距,给至少 10us 的高电平信号 ;
(2)模块自动发送 8个 40khz 的方波,自动检测是否有信号返回;
(3)有信号返回,通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声
波从发射到返回的时间。测试距离 =(高电平时间 *声速 (340M/S))/2。
3硬件单元电路设计
3.4.2 实物图
如右图接线, VCC 供 5V 电源, GND 为地线, TRIG 触发控制信号输入, ECHO 回响 信号输出等四支线。如图 3.6所示。
图 3.6 超声波测距模块实物图
3.4.3 超声波时序图
图 3.7 超声波时序图
图 3.7超声波时序图表明只需要提供一个 10uS 以上脉冲触发信号, 该模块内部 将发出 8 个 40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。 回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。 由此通过发射信号到收到的回响信号时间 间隔可以计算得到距离。公式:uS/58=厘米或者 uS/148=英寸;或是:距离 =高电平 时间 *声速 (340M/S) /2;但要求测量周期为 60ms 以上,以防止发射信号对回响信 号的影响。 本设计软件编程设计时用的公式是距离 =高电平时间 *声速 (340M/S) /2。 使用模块上还需注意:不宜带电连接,若要带电连接,则先让模块的 GND 端先 连接,否则会影响模块的正常工作;测距时,被测物体的面积不少于 0.5 平方米且 平面尽量要求平整,否则影响测量的结果。
3.4.4 实物规格图
图 3.8 实物规格
3.4.5 电气参数
表 3.1 电气参数
3硬件单元电路设计
3.4.6 检测角度
图 3.9为超声波测距模块检
测角度范围,在大约 30 o
宽的
角度里可得到最佳的距离感 测离。
图 3.9超声波测距角度范围
图 3.9 超声波检测角度范围
3.4.7 模块工作原理
使用模块时,需占用单片机的两个 IO 口,一个 IO 口做为触发端。一个 IO 口做 为回波 PWM 信号捕捉引脚。写程序时,先在 TRIG 引脚端为一个大约 10US 的高电 平触发模块,同时模块内部将发出 8个 40kHz 周期电平并检测回波。并在内部程序 处理变换成一个 PWM 的信号从 Echo 引脚输出,一旦检测到有回波信号则输出回响 信号 , 供我们方便使用。我们使用时,只需读出 PWM 信号高电平的时间(T )。回响 信号是一个脉冲的宽度成正比的距离对象。 可通过发射信号到收到的回响信号时间间 隔可以计算得到距离。公式 : uS/58=厘米或者 uS/148=英寸。 也可以通过声波在空气
中传播公式 L =340T/2。就可以求出 L (测量的距离)。如果没有检测到回响信号, 模块回响信号脚将输出约 140uS 的电平,以防止发射信号对回响信号的影响 .
3.5 各模块电路电路
3.5.1 灭火驱动电路
当超声波测距模块检测到障碍物在报警灭火范围内时, 单片机的 P1.2 I/O口输 出一个低电平,通过一个非门后变为高电平,此时三极管处于放大工作状态,驱 动灭火风扇进行灭火。如图 3.10所示。
图 3.10 灭火驱动电路
3.5.2 报警电路
当单片机的 P1.0 I/O口输出一个高电平时, 通过非门后使三极管基级为低电平, 此时三极管处于截止状态, 蜂鸣器不工作; 当单片机的 P1.0 I/O口输出一个低电平, 通过非门后使三极管基级变为高电平, 三极管处于放大工作状态, 驱动蜂鸣器发出报 警声音。声音报警电路如图 3.11所示。
3硬件单元电路设计
图 3.11 声音报警电路
3.5.3 机械部分继电器电源控制
此部分是控制小车的运动状态的,通过 P1.1 I/O口控制继电器的 K5,进而控 制小车机械部分继电器 K1~K3的工作状态, 当单片机的 P1.1 I/O口输出低电平时, 三极管处于放大状态,继电器 K1~K3处于正常工作状态,小车正常运动;当单片 机的 P1.1 I/O口输出低高平时,三极管的基极为低电平,处于截止状态,继电器 K5不工作导致继电器 K1~K3没接工作电源而不工作,使小车处于停止状态。机 械部分继电器电源控制图 3.12所示。
图 3.12 继电器 K1~K3电源控制电路
3.5.4 超声波测距模块电路
模块 TRIG 是接收引脚, TRIG 接 P2.7 I/O口, ECH0是发射引脚, ECH0 接 P2.7 I/O口,需注意的是超声波测距模块的第四脚所接电源需稳定的工作电压,故第四脚 接的是三端稳压后输出的电压。如图 3.13所示。
图 3.13 超声波测距模块
3.6 本章小结
本章主要讲述了以 AT89C51为主控制器, 设计相关的硬件电路。 主要有控制器模 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、光源(火焰) 传感模块、 灭火系统及其驱动模块等模块构成, 为后续的系统设计和调试做好了必要 的准备。
第 1章 绪论
4 软件实现
4.1 软件开发平台介绍
本次设计软件的开发主要采用 Keil uVision2软件编写。使用 Keil uVision2工具 时,项目开发流程和其它软件开发项目的流程极其相似:
1、创建一个项目,从器件库中选择目标器件,配置工具设置;
2、用 C 语言或汇编语言创建源程序;
3、用项目管理器生成你的应用;
4、修改源程序中的错误;
5、测试,连接应用。
编程语言选用 C 语言。它可以作为工作系统设计语言,编写系统应用程序, 也可以作为应用程序设计语言,并且 C 语言以其结构化,容易维护,编写不依赖 计算机硬件的应用程序,容易移植的优势满足开发的需要。而汇编语言作为传统 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 Keil C51编译器完全遵照 ANSI C 语言标准,支持 C 语言的所有标准特性。另外,直接支持 8051结构的几个特性 被添加到里面。 Keil A51宏汇编器支持 8051及其派生系列的全部指令集。图 4.1是软件开发环境。
图 4.1 软件开发环境
在对编写完的程序进行编译请要对目标选项进行选取,要选取生成 .HEX 执行文件,如图 4.2所示。
4软件实现
图 4.2 软件的目标属性
程序的烧录通过单片机开发板烧录,开发板试图如图 4.3所示。
图 4.3 单片机开发板
4.2 软件的调试
软件调试主要采用在编写软件上的程序调试和实物调试。
在编写环境上对所编写的程序进行调试可以清晰知道程序的运行状况以
及其运行的每一步所处的位置。 采用该调试方式可以避免直接在实物上调试因
程序错误所导致硬件的烧毁等事故。调试视图如图 4.4所示。
图 4.4 软件调试
同过软件对程序的调试后,可以把已调好的程序烧录到芯片中通过实物
作业的现象, 对程序再加以细化的改动, 一次来把整个系统的作业情况与预想
的更贴近。
4.3 主程序流程图
首先,超声波测距模块的工作原理是:一个 10uS 以上脉冲触发信号,该模块
内部将发出 8 个 40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信
号。 回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。 再根据有信号返回, 通过 IO 口 ECHO
4软件实现
输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声 波 从发射到返回的时间,即测试距离 (S ) =(高电平时间 *声速 (340M/S))/2。主流程图如图 4.5所示。
图 4.5主程序流程图
void main( void )
{
TMOD=0x11; //设 T0为方式 1, GATE=1;
TH0=0; //设定定时器 1初值
TL0=0;
TH1=0xf8; //定时器 3设定 2MS 定时
TL1=0x30;
ET0=1; //允许 T0中断
ET1=1; //允许 T1中断
TR1=1; //开启定时器 3
EA=1; //开启总中断
while(1){
while(!RX); //当 RX 为零时等待
TR0=1; //开启计数器 1
while(RX); //当 RX 为 1计数并等待
TR0=0; //关闭计数器 0
Conut(); //计算
}
}
4.4子程序介绍
4.4.1中断 3
单片机的一个 IO 口做为触发端, 一个 IO 口做为回波 PWM 信号捕捉引脚。 由于需在在触发 TRIG 引脚端为一个大约 10US 的高电平触发模块,同时模块
4软件实现
内部将发出 8个 40kHz 周期电平并检测回波,且测量周期要在 60ms 以上,以 防止发射信号对回响信号的影响,这些要求条件则由中断 3完成。
void zd3() interrupt 3 //启动
{
TH1=0xf8;
TL1=0x30;
timer++;
if(timer>=100) // 测量周期为 60ms 以上,以防止发射信号对回响信号 { //影响,现设定 200MS 启动一次模块
timer=0;
TX=1;
_nop_(); //采用 IO 口 TRIG 触发测距,给至少 10us 的高电平信号 _nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
_nop_();
TX=0;
}
}
4.4.2中断 1
中断 1是计数器溢出标志,告知超出距离检测范围。
void zd1() interrupt 1 //T0中断用来计数器溢出 , 超过测距范围
{
flag=1; //中断溢出标志
}
4.4.3 Count函数
Count 函数是测距和判断报警、停车、灭火相关动作,其中报警灭火距离范围为 n , n 可自行设置, n 的理论取值范围为 3cm-400cm 。本设计的报警灭火距离阈值 为 6cm 。
4软件实现
void Conut(void) //计数测距模块
{
time=TH0*256+TL0;
TH0=0;
TL0=0;
S=(time*1.7)/100; //时间转换为距离,算出来的单位是 CM
if((S<=15)||flag==0)>
{
OUT1=0; //开蜂鸣器报警
OUT2=0; //开继电器 K1— K3控制电源
OUT3=0; //开灭火风扇
}
else
{
OUT1=1; //关闭蜂鸣器报警
OUT2=1; //关闭继电器 K1— K3控制电源
OUT3=1; //关闭灭火风扇
}
}
4.5本章小结
本章节详细的介绍了主程序设计思路与流程图, 用 C 语言编制了相关调试程 序,为下一章做系统调试工作打下了基础。需注意的是,通电后首先超声波测距 模块初始化然后检查周围环境是否在报警范围内的障碍物, 一旦发现火焰则通过 光敏传感器寻找火源、检测火焰位置,当在灭火报警范围内时,准确定位并启动
风扇灭火同时报警。在此过程,当小车检测到火焰时,小车要随时向光电强度值 较大的那个光敏传感器转动, 要让小车的正前方是光敏电阻值较大的传感器的方 向,才能正对准着火源。由于设计中使用一个风扇,安装在小车的正前方,没有 使用舵机的方案,风扇只能朝前方吹风。为了提高灭火的准确度,最好要做到让 机器人正面对准火焰,否则,可能会出现长时间灭不了火的现象。
结 论
5 系统功能调试
为了确定系统与设计符合设计要求, 保证系统能正常运作, 小车能正常准确的调 用各模块的程序, 实现各模块的功能。 我们对系统进行了编译和调试。 并且对系统中 的关键数据部分进行了实际的重复测试, 以求得比较准确的值, 所以本章节介绍了系 统调试所做的工作以及心得体会。
5.1 测试仪器及设备
表 5-1 测试仪器设备清单
5.2 功能测试
将写好的程序在 Keil C51编译器环境下进行编译, 刚开始由于写程序时范了一些 常识性的错误,编译出现很多错误,然后改正后,完全正常编译。但是将调好的程序 烧录到单片机, 单片机输出一个高电平, 并认为能驱动继电器控制各模块, 但最后调 试发现电压虽够,但由于电流太小不能,打开放大三极管,继电器无法工作,最后修 改程序, 当超声波测距检测到一定距离时到让单片机电机输出低电平, 因为单片机的 低电平输出电流较大, 在输出口加上反相器, 最后能驱动继电器并控制各模块。 总结 是:单片机高电平输出的电流较小往往不能驱动负载, 由于单片机的低电平输出电流 比较大,所以这时可以让单片机低电平输出,再加一个反相器;或者增大输出电流, 就是在输出口加上拉电阻。 首先想到是不是单片机没工作, 没起振, 电路连线没连好
或者虚焊等原因, 用万用表和示波器检测后排除了此可能性。 单片机是有输出的, 但 为什么继电器不工作, 蜂鸣器为什么不报警, 灭火风扇为什么不工作, 最后接了反相 器后, 各模块才达到预期的工作效果。 接着考虑是不是单片机芯片被烧坏了, 然后就 换了一张控制卡进行调试, 结果小车还是不运动。 最后又重新调节了电机的转速和转 角,和修改程序的逻辑,小车正常运动,也启动了各模块的功能,小车能按照设定的 程序扑灭模拟火源。
5.2.1 电机电路部分
调试中遇到的问题和经验:在车体机械部分的整个设计过程中, 要注意两个电机 和万向轮之间保持平衡。车轮的摩擦问题等等。
5.2.2 遇障报警部分
测量好运放的正向输入端的电压后,在光敏电阻不同光照强度的情况下测量 运放的反向输入端的电压,最后再测量运放输出端的最高和最低输出电压,即高 电平电压和低电平电压。在调试测量时,发现运放的两输出端的最低电压一直处 在 1.1V 左右,不属于低电平,故三极管一直处于导通状态,导致继电器一直没换 向,控制不了机器人的运动方向。最后在三极管前加上发光二极管,因为发光二 极管的嵌压是 0.7V 左右,这样三极管在运放输出端 1.1V 时就导通不了,而在高 电平 2.7V 处于导通状态,实现对继电器的控制。另外除此之外还可以通过提高三 极管前的限流电阻的方法, 达到让三极管的 PN 节不导通。 这样不仅解决了问题而 且、通过发光二极管的亮灭可以比较直观的看出三极管的导通状态和继电器是否 换向。下表 5-2是两光敏在三种不同受光程度运放 NE5532各引脚的输出电压。
结 论
表 5-2 NE5532各引脚的输出电压
5.2.3 火源检测部分
在整个调试工作中, 对火源的检测和准确定位是一个比较困难的问题。 所以通过 不断改变超声波测距模块的报警阈值; 调节 RP1使两光敏电阻的受光程度平衡:光敏 电阻可以从 RP1分压,故调节可调电阻 RP1至中点可使两光敏电阻在同等光照强 度下分压相同,并实现把相等的所得分压送到运放的反向输入端。因此调节 RP1相当于调节 R1和 R2的平衡值,这样可以让光敏电阻在同等光照强度下控制继电 器,让小车的机械部分更加协调;
调节 RP2控制增益:运放两正向输入端从电位器 RP2分压,所得的电压一样, 根据运算放大器的原理可知,降低或升高正向输入端的电压,在输出一样的高低
电平时,反向输入端的电压也会跟着变化,故调节电位器 RP2可以使光敏电阻在 不同光照的情况下,让运放的输出端输出高低电平。因此,调节电位器可以调节 运放的增益,可间接的控制光敏电阻的灵敏度。根据实际情况分析可得本设计采用 离火源 60cm 处就设为有火源,小车能检测到火源然后开始寻找火源,当小车到达距 离火源位置 15cm 的距离时就表示已经靠近火源,不能再前进而开始灭火,否则被火 湮灭,不能达到灭火的目的。
6 结 论
本论文设计了以 AT89C51为主控制器的寻光灭火机器人,通过制作小车式机器 人以单片机 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、 电机驱动系统、 火焰检测系统以及灭火系统和各个模块 间接口。 接着完成了各个功能模块的程序设计, 和完成主要功能模块的调试软件设计, 分别完成对各个功能模块的调试工作。
设计展望:若实现下面一些改进, 可能可以节约灭火时间, 达到更好的灭火效果, 是作品更趋完善。 首先, 改进小车的机械部分, 通过减小小车运动时受到的摩擦阻力, 可使小车运行更加平稳, 最终准确高效的实施灭火, 可以达到节约时间的效果; 其次, 增加或换用其他传感器,是小车定位更加精准;再加上使用“复眼 ” 技术。缩短传感 器的检测距离, 在检测火焰的时候先远距离搜索火焰的大致位置, 然后近距离定位火 焰, 可以更有效的寻找火焰并能缩短时间, 但是需要更多的硬件成本开销; 最后风扇 增加舵机方案。 将灭火风扇安装在可以旋转的舵机上, 在检测到火焰的大致位置的情 况下, 可以不用调节车体位置而通过舵机的旋转就可以轻松灭火, 可以达到节约时间 的效果。
参 考 文 献
7 参考文献
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[4] 周 兴华 . 手把 手 教你学 单 片机(第二版 ) . 北京航空航天大学出版 社 ,2007
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[8] 衲延年 . 机器人技术及其应用 . 北京 :化学工业出版社 ,2008
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[11] 张继荣 . 智能电子创新制作 -机器人制作入门 . 北京科学出版社 ,2007 [12] 王志良 . 竞赛机器人制作技术 . 北京 :机械工业出版社 ,2007
[13] 刘广瑞 . 机器人创新制作 . 西北工业大学出版社 ,2007
[14] 李团结 . 机器人技术 . 北京 :电子出版社 ,2009
范文三：消防机器人
消防机器人
摘 要：消防机器人在操作人员无线控制下进入火灾现场，通过机器人身上安装的摄像头将火灾现场的画面传入指挥中心，指挥中心具体了解分析火灾现场的情况制定出切实可行的救火方案，并且消防机器人根据热传感器找到火源进行有效控制火势或灭火。如有危险物品，消防机器人利用自身的机械臂将危险物品转移到安全地带。实现操作人员与消防机器人相互协调完成救人灭火人物。它的应用将协助消防部队扑灭火灾，提高救灾效率，减少国家、个人财产损失及尽量减少消防员或救灾人员的人身损坏。 关键词：消防机器人；自动控制；
一、消防机器人的意义
数据显示，2012年1至7月全国共发生火灾46653起，死亡399人，受伤258人，消防局后勤装备处副处长王宇介绍，我国每年有近30名消防员在灭火救援战斗中牺牲，消防员已成为高危行业。消防机器人作为特种消防设备可代替消防队员接近火场实施有效的火场侦察和灭火救援。它的应用将协助消防部队扑灭火灾，提高救灾效率，减少国家、个人财产损失及尽量减少消防员或救灾人员的人身损坏。
二、消防机器人的目前现状
（1）消防机器人的市场方向：
一、市场规模
2006-2010年我国消防灭火机器人行业市场增长速度分析（单位：千元）
二、市场集中度
2010年我国消防灭火机器人行业市场集中度
三、行业盈利水平
2007-2010年消防灭火机器人产业利润总额（单位：千元）
2007-2010年消防灭火机器人产业销售利润率（单位：%）
四、2010年我国主要消防灭火机器人生产厂家产量数据统计
2007-2010年消防灭火机器人产业厂家数量统计（单位：个）
（2）消防机器人的研究方向：消防机器人在操作人员无线控制下进入火灾现场，通过机器人身上安装的摄像头将火灾现场的画面传入指挥中心，指挥中心具体了解分析火灾现场的情况制定出切实可行的救火方案，并且消防机器人根据热传感器找到火源进行有效控制火势或灭火。如有危险物品，消防机器人利用自身的机械臂将危险物品转移到安全地带。实现操作人员与消防机器人相互协调完成救人灭火人物。
（3）实现消防机器人功能的技术手段:消防机器人以柴油发动机作为动力，配置驱动轮能够作俯仰和左右旋转，喷射一定量的灭火剂，并装有气体检测装置和摄像头，通过无线电控制，无线电控制的最大距离为100～150m 。此外，还装有温度传感器、气体检测装置、烟雾浓度检测装置和红外线检测装置等。消防机器人身上安装的所有电器以及线路具有耐高温、抗辐射、防爆炸、防水的措施和功能。行走机构耐高温、
防水。并且消防机器人外部装有紧急喷射自我保护装置，为消防机器人提供自我保护功能。消防机器人的操控系统由带显示器的控制器以及减速装置组成，操控简便、安全、可靠。
三、消防机器人的功能分析
当发生火灾时，操作人员迅速将消防机器人投放到火灾现场，通过机器人传输至指挥中心的画面找到安全出口，机器人根据自身安装的温度传感器，找到安全出口的火源，然后自动控制灭火装置减小或扑灭安全出口的火势，消防人员协助困在火灾现场的人员安全迅速的离开活在现场。然后操作人员通过无线电，操作消防机器人排除火灾现场的危险物品，以免造成二次伤害。当消防机器人查找到危险物品，通过自身的机械臂将危险物品在指挥中心的引导下转移到安全地带。然后消防机器人进入火灾严重场所，通过自身的控制系统达到自动制动，再扑灭蔓延的火势。当火势得到控制并扑灭，操作人员将消防机器人撤离火灾现场。
四、整体方案设计
（1） 机械本体：四轮行走系统由车架、车桥、车轮和悬架组成，车架为整体式车架，采用24﹟槽钢制造。车桥连接车轮，悬架连接车桥和车架，在车桥两端安装前后轮，电动机驱动前轮，再通过链条传动传递给后轮，前轮装有减速器。车架上装有灭火喷头，涡轮蜗杆装置调节灭火喷头的角度达到有效灭火。两侧装有机械臂，液压传动来驱动机械臂抓住物体，架上部装有摄像头。
（2） 自动控制：四轮消防机器人的控制系统由无线遥控装置、可控制编程器PLC 、放大器、测速传感器、测温传感器及执行原件的元器件组成。控制原理是通过无线接收器输出的指令信号，通过放大器放大，使执行元件动作，最终达到控制目的。无线遥控器能发出和接收控制灭火机器人所具备功能的全部动作信号:启动/停止柴油发动机、加速、减速、直行前进、直行后退、左右转弯、左右急转弯、喷头俯仰回转等动作。可编程控制器能接收无线接收器发出的全部控制信号并根据信号执行相应的指令，使执行机构做出相应的动作。
五、具体技术方案
当接到启动柴油机指令后，系统必须首先判断油门执行机构的位置，应将油门位置拉到怠速启动位置，才能允许启动。若在高速位置就直接启动柴油机，将使之造成损坏，因此，在软件编程时，必须考虑柴油机在启动前检测油门位置，若油门位置不正确，必须先驱动油门执行器，将油门位置拉到正常位置方可启动。油门执行机构采用直流伺服电机驱动，同时，为防止凸轮限位机构因长时间运行或受震动影响引起失灵，故在系统内装有一直线式位移电位器。 对柴油机发动机的启动和停止控制，需要参照一些传感器的信号，这些传感器既有柴油机本身的，也有柴油机外部的。传感器信号的形式通常可以分为电压型和电流型两种。输入的方式可以通过模拟量的输入模块输入电压型或电流型的小信号，然后控制系统通过总线方式读取数据。当接收到启动柴油机指令后，柴油机根据预先设定好的程序进入启动状态机组允许连续启动3次，每次启动时间为5秒，间隔30妙，若三次启动不成功，则报启动失败故障。当柴油机接到停车指令后，应能自动在怠速状态下继续运行2分钟后停车。接到紧急停车指令，应能立即停车。在柴油机未启动时，立即自动检测柴油机油门位置，并使其出于怠速启动位置。
参考文献
【1】 2011-2015中国消防灭火机器人市场发展趋势及营销策略建议 中企调研网
【2】 公安部消防局发布2012年1-7月全国发生火灾统计 2012-08-13 中国消防资源网
【3】 刘军 程继国 尹志 沈耀宗 消防机器人灭火救援技术分析 2010年第11期 消防技
术与产品信息
【4】 丁哲勇 四轮消防灭火机器人总体设计 2005-03-01
范文四：消防机器人
数字“路虎60”
采用德国道意茨913发动机，外形尺寸:2.3×1.35×2(米)，总重2.02吨，发动机105马力，离地高度160毫米，爬坡能力30度(倒爬)，送风能力达90000立方米/小时，水雾化喷射流量300,400升/分钟，雾化喷射距离50米。无线遥控、信息传输、无线监测、履带式无障碍行走等技术
抚顺消防机器人
抚顺起运工程机械有限公司是于二OO六年成立的科技创新型股份制企业。企业占地面积8000平方米，固定资产原值500万元，各种精密机加工设备30余台。企业以科技为先导，以自主科技创新为主，与国内多个科研机构建立起产研协助关系。其发展方向是:通过自主开发和研制，在国内工业车辆领域创建和打造具有完全知识产权的民族品牌。主导产品为国内首创、具有国际先进水平并拥有完全国内知识产权的FSQY70型消防机器人和同类消防作业装备及各种蓄电池工程车辆。其中:FSQY70型消防机器人，由于将现有消防装备的主要功能和全新消防理念与技术集于一身，采用当今世界最先进的无线遥控、信息传输、无线监测、履带式无障碍行走等技术，使其更具实战性，进一步适应了特殊火灾的施救要求;如公路、铁路隧道、地铁隧道、地下设施与货场、石化油库与炼制厂等场地发生的火灾;以及大面积毒气泄漏与烟雾事故，危险火灾目标的近攻与掩护，人员不易接近的火灾、毒气、易燃易爆等危险现场的火灾扑救、摄像监控、危险气体的测量监测、危险品拖拽等，最大限度地减小由各种火灾爆炸等造成的危害和损失，是城市消防装备的新型换代产品，是城市安全的新一代保护神。
企业以“促进社会的和谐，服务于经济的发展”为创业宗旨，面向未来，致力于发展民族工业，在产品制造过程中树立“质量第一”的思想，在售后服务工作中，本着诚实守信、一切为用户着想的原则，为用户提供快速、便利和满意的售后服务。
灭火系统:
外供最大压力不小于2.5Mpa
水炮:最大流量4800L/min，喷嘴压力8bar，射程60m。 泡沫炮:最大流量3000L/min，喷嘴压力8bar，射程50m。 喷口设置:泡口内四层环状分布共360个喷嘴，炮口直径70cm。 最大喷雾水流距离:60m 最大流量:430L/min 所有喷射器喷射角度:仰俯0~45?，水平360?。 排烟送风系统:液压风机最大排风量60000m3/h,最大送风距离60m。
其它主要配备:
瑞典进口无线遥控器。
意大利进口行走马达。
丹麦进口双联泵、四联阀。
美国进口水炮。
中压喷射系统。
进水接口:65型快速接口。
滤清器系统:120目(不锈钢结构)
主要技术参数:
范文五：消防灭火机器人
消防灭火机器人 2005年第12期消防技术与产品信息25 <1.54MPa,即泄压阀压力<0.38MPa就失灵的可 能性远小于设在地下泵房处.
2.3额定压力等级降低后产品可国产化
安全阀移至屋顶水箱顶面后,自动喷水灭火系统 可用DN32普通安全阀泄压,因闭式喷头的最大工作 压力允许达到1.2MPa(不是指静水压,且闭式喷头试 验压力很高.达到3MPa),用传统产品能达到泄压目 的.对于消火栓系统,因消火栓栓口的静水压不能超过 0.8MPa,比自动喷水灭火系统的防超压要求严格得
价格亦适中,在较低 多,故可采用国产的超压排流阀,
压力作用下,产品质量有保证.
2.4节水与卫生不矛盾
按《水规》在屋顶分别设置消防水箱与生活水箱 时,可把安全阀出口管引到消防水箱内泄流,既节水又 无卫生防疫问题.若改造旧工程消防与生活共用水箱, 则可将安全阀出口管沿水箱壁下落到屋面上泄流,仅 水泵启动初期有少量水排出,可由屋面雨水系统排除, 不存在地下室使用大潜水泵排除较大的安全阀泄水量 之虞.
2.5屋顶水箱顶安装方便
把泄压阀装设在屋顶水箱顶面不受位置限制,安 装拆卸及维修方便,已广泛得到业主,施工单位和消防 建审部门的认可.
3结论
(1)将安全阀移至屋顶水箱顶面,泄流量减少,误
动作几率将大大地降低,系统运行及灭火安全更有保 证;可采用物美价廉的国产小口径安全阀,减少安全阀 数量,十分经济实惠.
(2)消火栓系统宜使用档次较高的安全泄压阀 (简称"泄压阀"),并加装DN15自动排气阀,因它由减 压阀演变而成,在泄压阀进口处需采取排气措施,《水 规》3.4.11之1款中"阀前应设置阀门"的提法不够全 面.此句话仅适用于生活给水系统但与消防给水系统 无关.国标图集[5]04S901第5O页3—3剖面正是在仔细 分析研究《水规》条文内容后,加以补充完善的一种明 示,即泄压阀前不应设普通阀门才能确保消防给水系 统安全供水要求(若设置信号阀,将启闭信号送至消防 控制室显示则另当别论).
(3)泄压阀设在屋顶水箱顶面,泄压值0.38MPa, 仅为其额定压力1.6MPa的24%,而设在地下泵房处 的泄压值1.54MPa,则相当于额定压力1.6MPa的
前者尚能正常工作,但后者 96,万一出现水锤情况,
会因受到破坏而失去泄压保护作用,并导致水淹泵房 消防灭火机器人
2000年6月24日,由公安部上海消防科学研究 所,上海交通大学和上海市消防局三家单位共同承担 的国家"863"项目"履带轮式消防灭火侦察机器人"研 制成功并顺利通过国家验收.
六轮消防灭火机器人是由悬挂式六轮行走机构, 远控消防炮,环境与车体内部温度探测系统,水喷雾冷 却自卫系统,水和泡沫灭火剂供给系统,有线电力供应 及控制系统等构成.可在后方操作员的指挥下深入火 灾的关键部位,利用后方供给系统输送的灭火剂和洗 消剂.进行喷射灭火和化学洗消.通过更换消防炮的喷
嘴,可以实现直流和喷雾的转换.具有爬坡与跨越障碍 物能力强,喷射流量大,喷雾冷却自卫效果好的特点. 六轮消防灭火机器人新一轮改进工作已结束,它 将有线电力供应改为由自带发动机提供动力,将有线 控制改为无线控制,将驱动方式由电动改为液压驱动. 操作人员通过遥控器控制车体行走.利用车体自带的 水箱中的水由液控泵或后方水带所供的水进行喷雾自 卫保护.改进后的六轮消防机器人在保持原有优点的 基础上,进一步提高其操作和行走的灵活性,能跨越 160mm,250mm垂直障碍物及3O.斜坡,火场作战 的实用性大大增强.
消防灭火机器人主要适用于石油化工,油罐区,大 型仓库,建筑物等高温,强热辐射,易坍塌等危险场所 (消防车辆及人员无法靠近)的灭火,冷却及化学污染 场所的洗消,可以避免人员伤亡等现象发生. 一+"+"+一+一+一+一+一+-++*+n+"+-+-+"+一+一+一+-+-+*+一+一+u+
的危险.故对于扬程为140m的消防泵,前者PN可取 1.6MPa,而后者PN必需放大一级至2.5MPa来遴 选泄压阀
(4)属于低区消火栓给水系统的比例式减压阀出 口处亦需设DNl5小排气阀,才能有利于减压阀长期 安全可靠地工作,并可大大延长其使用寿命. 参考文献:
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[5]04S901,民用建筑工程给水排水施工图设计深度图样. 收稿日期:2005—06—15;修回日期:2005一i1-04 第一作者地址:广西南宁市华东路39号
电话:(0771)243805424380452424017(传真)
E—mail:jialintufei@hotmail.corn
