灭火机器人设计

灭火机器人设计

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

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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

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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)

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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)

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附录 (36)

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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

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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

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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

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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

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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

2.2.1 MCU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。

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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

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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。

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(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

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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

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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

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3.2微控制器模块的设计

3.2.1 ATmega128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 AVR 8 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

–32 x 8 通用工作寄存器+ 外设控制寄存器

–全静态工作

–工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS

–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

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·JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 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

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·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 - 5.5V ATmega128L

– 4.5 - 5.5V ATmega128

·速度等级

– 0 - 8 MHz ATmega128L

– 0 - 16 MHz ATmega128

3.2.2 ATmega128单片机最小系统电路

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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。

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