火災探測機器人

1、編號： 桂林電子科技大學信息科技學院 畢業(yè)設計(論文)說明書題 目： 火災探測機器人的 設計與實現(xiàn) 系 別： 專 業(yè)： 學生姓名： 學 號： 指導教師： 職 稱： 題目類型：¨理論研究 ¨實驗研究 ¨工程設計 ¨工程技術研究 ¨軟件開發(fā) ¨應用研究 年 月 日III摘 要滅火機器人是智能機器人研究應用之一，我國從八十年代末期開始消防機器人的研究，但是我國消防機器人的研究還處在初級階段，還有許多待研究的問題。本次設計的火災探測機器人主要是針對消防機器人的制作與研究。本文中機器人主要以AT89S52單片機為控制核心，加以電源電路、電機驅(qū)動

2、電路、光電傳感電路、火焰檢測電路、風扇滅火裝置以及無線遙控電路構成。通過火焰?zhèn)鞲衅骱捅苷蟼鞲衅鞑杉盘?，將信號送給單片機進行分析處理，然后再將信號送給L298N驅(qū)動電路，做出相應的行進動作或者滅火動作。機器人也可以切換到無線遙控模式，人工控制進行滅火。本設計實現(xiàn)了，在指定的場地能找到火源，并且接近火源，在不觸碰火源的情況下進行滅火，完成了設計要求。這對于研究，消防機器人有一定的意義。關鍵詞：智能；消防；火焰?zhèn)鞲衅鳎患t外線；避障；AT89S52；滅火AbstractFire-fighting robots are intelligent robot research of the applica

3、tion, Our country from eighty s began to fire robot research, But in the robot research are still in the primary stage, there are many waiting for research. This design of the Fire detection robot design and implementation, This design is mainly for the production and research fire robot. The robot

4、in this paper mainly made of AT89S52 SCM as control core, add to power circuit，motor drive circuit, photoelectric sensor circuit, flame detection circuit, electric fan fire extinguishing devices and Wireless remote control circuit to form . Through the flame sensor and obstacle avoidance sensors to

5、collect signal, will signal to analyzed with a single chip microcomputer, and then will signal to L298N drive circuit, makes the corresponding action travel or fire fighting action .The robot can also switch to wireless remote control mode, artificial control on the fire fighting .This design is rea

6、lized in the specified field can find fire, and close to the fire, in not touch the fire extinguishing, completed the design requirements .For this study, fire control robot is of certain significance.Key words:Intelligent; Fire; Flame sensor; infrared; Avoid obstacles;AT89S82SCM ; Fire extinguishin

7、g目 錄 引言11 任務要求與總體設計方案11.1 設計任務要求11.2 總體設計方案21.2.1設計總方案選擇21.2.2硬件設計方案21.2.3軟件設計方案42 系統(tǒng)硬件電路設計42.1 單片機主控制模塊42.2 L298電器驅(qū)動電路模塊52.2.1電機驅(qū)動方案選擇52.2.2電機驅(qū)動電路62.3 火焰?zhèn)鞲衅髂K72.3.1火焰?zhèn)鞲衅鬟x擇方案72.3.2火焰?zhèn)鞲衅髂K82.4 避障模塊92.4.1避障傳感器選擇92.4.2紅外線避障傳感器102.5 穩(wěn)壓電源模塊112.6 繼電器驅(qū)動滅火風扇電路112.7 無線遙控模塊122.7.1無線遙控模塊方案選擇122.7.2無線遙控模塊123 系統(tǒng)

8、軟件電路設計143.1 主程序流程設計143.2 自動模塊153.2.1滅火模塊153.2.2自動模塊總流程163.3 遙控模塊174 系統(tǒng)調(diào)試194.1 硬件電路調(diào)試194.2 軟件電路調(diào)試214.3 整體調(diào)試224.4 性能分析225 結論23謝辭24參考文獻25附錄26桂林電子科技大學信息科技學院畢業(yè)設計（論文）說明書 第 32 頁 共 32 頁引言當今社會，由于人們的防火意識比較差，生活中得火災頻繁發(fā)生，再加上一些特殊建筑物的涌現(xiàn)，譬如，高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)等。在它們發(fā)生火災時，很難實現(xiàn)快速高效的滅火。研究一種實用的能替代消防救援人員遙控進入有毒、有害(非易燃易爆)、易坍塌建

9、筑物、大型倉庫堆垛、缺氧、濃煙、放射性等室內(nèi)外危險災害現(xiàn)場進行探測的消防救援機器人，來解決有關消防人員人身安全、時間限制、數(shù)據(jù)采集量不足和不能實時反饋等問題，是非常緊迫和必須的。設計通過制作小車式機器人，以尋光運動為基礎，紅外線遇障報警為突破，實現(xiàn)機器人滅火功能的方法，模擬在夜間無人或人們在睡眠低警惕狀態(tài)發(fā)生火災時的特殊環(huán)境，進行報警滅火。隨著科學技術的迅速發(fā)展，智能化也是提出了進一步的要求，智能機器人的研究在實際應用中就有了很大的發(fā)展空間，機器人技術是一項綜合性的科學，他涉及機械、電子、計算機、智能控制等領域。智能機器人的技術應用了信息技術中的感測技術、傳感技術、控制技術等，是信息技術課程和

10、相關科技活動的良好載體。一些發(fā)達國家已經(jīng)看好智能機器人教育對未來高科技社會的影響，我國也已經(jīng)在這一方面做出了一些積極的努力。滅火機器人就是智能機器人研究應用之一，我國從八十年代末期開始消防機器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機器人的研究中取得大量的成果，“自行式消防炮”已經(jīng)投入了市場，“履帶輪式消防滅火偵查機器人”也于2006年6月通過了國家驗收。但是我國消防機器人的研究還處在初級階段，還有許多待研究的問題。在高層建筑發(fā)生火災，消防員不可能在短時間到達高處的火災發(fā)生地點，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴散，消防人員不容易快速判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災時，將產(chǎn)生大量毒

11、氣，消防人員在滅火時容易中毒。所以研制能夠用于這些場合的偵查滅火機器人，協(xié)助消防人員進行火災定位滅火，將有極大地社會意義。根據(jù)本次設計要求，本系統(tǒng)由控制器模塊、電源模塊、直流電機及驅(qū)動模塊、避障傳感模塊、避障模塊、火焰?zhèn)鞲衅?、滅火系統(tǒng)及其驅(qū)動模塊等組成?？刂颇K以單片機為控制核心進行處理和控制，在模擬的區(qū)域內(nèi)，避障傳感器和火焰?zhèn)鞲衅髦饕菍C器人的行進路線做出控制和指引，引導小車走向火源，并且不碰撞墻壁，最后鎖定火源，接近到一定程度后，進行滅火。從而達到不需要人進入火場滅火的目的。1 任務要求與總體設計方案1.1 設計任務要求本次設計，要求設計一個火災探測及滅火的機器人模型，能到指定區(qū)域進行滅

12、火工作（以蠟燭模擬火源，分布在小車行走的場地中）。小車必須通過內(nèi)部設備采集現(xiàn)場環(huán)境情況，然后進行分析并作出相應的動作，以達到小車智能滅火的目的。設計主要采用AT89S51單片機為核心控制系統(tǒng)，通過接收和處理系統(tǒng)中各個模塊的數(shù)據(jù)，利用C語言編程完成整個系統(tǒng)不同模塊的控制。1.2 總體設計方案1.2.1設計總方案選擇（1）設計總方案選擇方案一：采用迷宮小車循跡原理，在小車前端以及右端都設置避障傳感器用來檢測信號，使小車靠右行走，在小車的前端設置1個火焰?zhèn)鞲衅?，用來定位，當火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到信號的時候小車直行，直到走到蠟燭面前的時候，開啟滅火裝置進行滅火。此方案行進路徑比較麻煩，而且靠右行走必須要進行

13、電機調(diào)速，由于電機轉(zhuǎn)速和輪胎摩擦不一樣的原因，當設定直行程序時，機器人行進路線并不是直線，經(jīng)過電機調(diào)速，也很難達到平穩(wěn)直行，考慮到這些原因，在轉(zhuǎn)彎也容易造成碰撞，故放棄此方案。方案二：小車采用尋火方案，小車前方設定3個火焰?zhèn)鞲衅?，一個正中，其余兩個分部在正中間的兩邊，形成對稱的角度，小于30度。小車進入場地內(nèi)先掃描一約60度，如果中間傳感器沒有感應火焰，小車回正繼續(xù)前行；如果感應到，小車則對著火焰直行，如果行進路線有偏差，則靠左右2個火焰?zhèn)鞲衅鬟M行調(diào)整。前端和右端設置有避障傳感器，防止小車發(fā)生碰撞，當小車行進到蠟燭前時，前端的避障傳感器和火焰?zhèn)鞲衅魍瑫r都有信號，開啟滅火裝置進行滅火。經(jīng)過對比，

14、方案二比較可行，故采用方案二。（2）滅火方案選擇方案一：用風扇滅火方案在機器人前方，安裝一個風扇，并且將風扇對準正中的火焰?zhèn)鞲衅?。當接到滅火信號時，風扇轉(zhuǎn)動，吹滅火焰，以達到滅火的目的。此方案由于風扇風力的不同，滅火比較困難。而且在真正的火場里面用風滅火也是很難實現(xiàn)的。方案二：用水滅火方案在機器人上安裝一個水箱，底部安裝一個抽水泵，并且將導管引到前方傳感器的位置對準，當接到滅火信號時，抽水泵啟動，抽出水箱里面的水，經(jīng)過導管噴向火源，以達到滅火的目的。此方案抽水滅火，需要在車上裝一個水箱，但滅火效果相比風扇要好很多。方案二，用水滅火在現(xiàn)實生活中比較可行，所以在原始設計方案內(nèi)采用了此方案，單后期制

15、作時，由于帶動行進的電機負載能力不夠，無法帶動水箱，所以采用方案一，用風扇滅火，也可以達到本次演示的目的。1.2.2 硬件設計方案本設計主要是由電源模塊提供所有部分所需的電源，火焰探測模塊進行火焰尋找，并且將信號送給控制模塊來進行滅火，途中如果遇到障礙，則由避障傳感模塊將信號傳送給控制模塊做出相應的避障措施。無線遙控模塊可以手動遠程遙控機器人，進行左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、直行、滅火這幾個動作。系統(tǒng)原理框架圖如圖1-1所示。無線遙控模塊電源模塊控制模塊避障模塊火焰探測模塊電機驅(qū)動行進模塊滅火模塊圖1-1 系統(tǒng)原理框架（1）電機的選擇本系統(tǒng)為智能機器人，對于機器人來說，驅(qū)動電機的選擇就顯得十分重要。下面我們分

16、析了幾種常用的電機。方案一：步進電機由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)機器人前進的路程和位置精確定位。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，但是步進電機的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，而且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用與機器人等有一定速度要求的系統(tǒng)。方案二：舵機顧名思義是控制舵面的電動機。躲機的出現(xiàn)最早是作為遙控模型控制舵面、油門等機構的動力來源，但是由于舵機具有很多優(yōu)秀的特性，在制作機器人時也蒼蒼能看到它的應用。舵機是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍一般不能超過180度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持驅(qū)動當中。如機器人的關節(jié)，飛機舵面等。方案三：直流減速電機直流減速電機轉(zhuǎn)動力

17、矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。所以在行進上速度比較快，負載能力也不錯。經(jīng)過對比分析，直流減速電機能夠較好的滿足系統(tǒng)要求，并且控制起來比較方便，因此在本設計中選擇直流減速電機作為機器人的行走驅(qū)動電機。電機參數(shù)如表1-1所示。表1-1 直流減速電機參數(shù)工作電壓參數(shù)直流6V電機（不加齒輪的參數(shù)）轉(zhuǎn)速125轉(zhuǎn)/分鐘電流80-100mA齒輪箱減速比48:1空在轉(zhuǎn)速200轉(zhuǎn)/分負載轉(zhuǎn)速160轉(zhuǎn)/分輸出扭矩1.0kg·cm輪胎直徑6.6cm空載車速41.4米/分電流120-140mA重量50g外形尺寸70mm&

18、#215;22mm×18mm噪音65dB1.2.3 軟件設計方案本系統(tǒng)軟件設計采用的是C語言編程，運用Keil uVision3軟件平臺進行編程及編程，設計中的所有程序先在，Proteus 7 Professional 仿真軟件中，進行運行測試，然后再通過編程器下載程序。對于硬件的模塊設計方式，軟件部分也采取分模塊編程。程序分成遙控和自動2個模塊，在自動模塊內(nèi)，小車自行尋找火焰，并且進行滅火；在遙控模塊內(nèi)，小車可以手動操作，進行滅火。2 系統(tǒng)硬件電路設計2.1 單片機主控制模塊（1）MCU方案選擇方案一：選擇Microchip公司的PIC系列單片機PIC單片機是一種簡單指令型的單片機

19、，指令數(shù)量比較少，如果使用匯編語言編寫程序，在PIC中低檔單片機中比較麻煩且需要翻頁，而且性價比不高，價格昂貴。方案二：選擇Atmel公司的AT89S52單片機AT89S52(管腳如圖2-1)是一個低功耗，高性能的51內(nèi)核八位CMOS單片機，片內(nèi)含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反復擦寫1000次的Flash只讀程序存儲器，具有256bytes的隨機存取數(shù)據(jù)存儲器（RAM）。32個IO口，2個16為可編程定時計數(shù)器。且該系列的51單片機可以不用燒寫器而且直接用串口或并口就可以向單片機中下載程序。器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存儲技術制造，兼

20、容標準MCS-51指令系統(tǒng)及80C51引腳結構，功能強大的微型計算機的AT89S52為許多控制提供了高度靈活和低成本的解決辦法。因此單片機芯片選擇方案二。圖2-1 AT89S52芯片管腳圖（2）單片機主控電路設計單片機主控電路設計是以AT89S52為核心，外接紅外避障傳感器模塊，紅外火焰?zhèn)鞲衅髂K，L298N電機驅(qū)動模塊，三極管開關控制繼電器驅(qū)動風扇滅火模塊，電源等硬件電路。AT89S52工作在12MHZ的頻率下，采用+5V的直流電源供電，根據(jù)單片機各個引腳功能， P0.0-P0.5為紅外火焰避障傳感器模塊和紅外火焰探測傳感器模塊，P0.6接自動和遙控切換模塊的開關。P2接L298驅(qū)動行進電動

21、機模塊和繼電器驅(qū)動風扇滅火模塊。P1.0-P1.3接無線遙控信號模塊。S1為復位開關。單片機主控電路圖如圖2-2。圖2-2 單片機主控電路圖2.2 L298電器驅(qū)動電路模塊2.2.1電機驅(qū)動方案選擇方案一：利用ULN2003來使電機轉(zhuǎn)動ULN2003是大電流驅(qū)動陣列,多用于單片機、智能儀表、PLC、數(shù)字量輸出卡等控制電路中。可直接驅(qū)動繼電器等負載。 輸入5VTTL電平，輸出可達500mA/50V。ULN2003是高耐壓、大電流達林頓陳列,由七個硅NPN達林頓管組成。 ULN2003的每一對達林頓都串聯(lián)一個2.7K的基極電阻,在5V的工作電壓下它能與TTL和CMOS電路直接相連,可以直接處理原先

22、需要標準邏輯緩沖器。ULN2003具有電流增益高、工作電壓高、溫度范圍寬、帶負載能力強等特點,適應于各類要求高速大功率驅(qū)動的系統(tǒng)。方案二： L298N來驅(qū)動電機L298N是SGS公司的產(chǎn)品，內(nèi)部包含4通道邏輯驅(qū)動電路。是一種二相和四相電機的專用驅(qū)動器，即內(nèi)含二個H橋的高電壓大電流雙全橋式驅(qū)動器，接收標準TTL邏輯電平信號，可驅(qū)動46V、2A以下的電機。在對直流電動機電壓的控制和驅(qū)動中，半導體功率器件(L298)在使用上可以分為兩種方式：線性放大驅(qū)動方式和開關驅(qū)動方式在線性放大驅(qū)動方式，半導體功率器件工作在線性區(qū)。其控制原理簡單，輸出波動小，線性好，對鄰近電路干擾小，而且電路簡單，使用比較方便。

23、方案三：采用DSP芯片，配以電機控制所需要的外圍功能電路這種方案是通過數(shù)控電壓源調(diào)節(jié)電機運行速度，實現(xiàn)控制物體的運動軌跡。該方案優(yōu)點是體積小、結構緊湊、使用便捷、可靠性提高。但系統(tǒng)軟硬件復雜、成本高。方案四：繼電器控制采用繼電器對電動機的開和關進行控制，通過開關的切換對電機的速度進行調(diào)整。這個方案的優(yōu)點是電路較為簡單，實現(xiàn)容易，價錢便宜；缺點是繼電器的響應速度慢、機械結構易損壞、壽命較短?；谏鲜隼碚摲治龊蛯嶋H情況，在驅(qū)動直流減速電機上，選擇L298N驅(qū)動，在驅(qū)動滅火模塊，選擇繼電器控制。2.2.2電機驅(qū)動電路L298是SGS公司的產(chǎn)品，比較常用的是15腳Multiwatt封裝的L298N，內(nèi)

24、部同樣包含4通道邏輯驅(qū)動電路?？梢苑奖愕尿?qū)動兩個直流電機，或者一個兩相步進電機。L298N可接收標準TTL邏輯電平信號VSS,VSS可接4.57V的電壓。4腳VS接電源電壓，VS電壓范圍VIH為+2.546V。輸入電流可達2.5A，可驅(qū)動電感性負載。1腳和15腳下管的發(fā)射極分別單獨引出一邊介入電流采樣電阻，形成電流傳感信號。L298可驅(qū)動2電動機，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之間分別接電動機，5,7,10,12腳輸入控制電平，控制電機正傳或者反轉(zhuǎn)。ENA,ENB接控制使能端，控制電機的停轉(zhuǎn)。表2-1為L298N的功能邏輯圖。IN3，IN4的邏輯圖與表1相同。由表2-1可知ENA為低電

25、平時，輸入的電平對電機不起控制作用，當ENA為高電平時，輸入電平為一高一低，電機正傳或者反轉(zhuǎn)，輸入同為低電平電機停止，輸入同為高電平電機剎停。表2-1 L298N功能邏輯圖ENAIN1IN2OUT1OUT2運轉(zhuǎn)狀態(tài)0XXXX停止11010正傳10101反轉(zhuǎn)11111剎停10000停止如圖2-2 電機驅(qū)動電路圖用L298N驅(qū)動電路如圖2-2，該電路由L298和4007二極管和發(fā)光二極管（紅、黃）及電阻組成，IN1-IN2為輸入，對應的輸出為OUT1-OUT2（左電機）；IN3-IN4對應OUT3-OUT4（右電機）。ENA和ENB分別對應OUT1和OUT2的脈沖寬度調(diào)節(jié)（PWM），調(diào)節(jié)ENA和E

26、NB的PWM可以實現(xiàn)對2個電機的速度進行調(diào)節(jié)控制。二極管構成穩(wěn)壓保護電路，發(fā)光二極管是對應電機的正反轉(zhuǎn)指示燈，這樣在調(diào)試時，在不牽扯到調(diào)速的情況下，可以看得出電機的運轉(zhuǎn)情況。2.3 火焰?zhèn)鞲衅髂K2.3.1火焰?zhèn)鞲衅鬟x擇方案火焰檢測的傳感器有很多，如紫外傳感器、煙霧傳感器、紅外傳感器等。方案一：用煙霧傳感器煙霧傳感器廣泛應用于火警檢測。但是由于本次設計課題是用蠟燭模擬火源，所以沒有產(chǎn)生太大的煙霧，因此用煙霧傳感器作為此次小型機器人的火焰?zhèn)鞲衅鞑粚嵱?，所以沒有選擇次方案。方案二：用紫外傳感器紫外火焰?zhèn)鞲衅髦饕獞糜诨钤谙老到y(tǒng)，尤其是一些易燃易爆場所，用來檢測火焰的產(chǎn)生。紫外線火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度

27、高，相應的速度快，抗干擾能力強，與對或特別敏感，對于明火特別銘感，能對火災即刻做出反應。但是紫外線傳感器檢測的范圍太大，不適用與本系統(tǒng)。方案三：紅外線傳感器用紅外接收頭檢測波長在760納米1100納米范圍內(nèi)的熱源，探測角度最大可達60度，整個紅外傳感模塊輸出為開關量，可以直接接單片機，有信號時輸出低電平。所以，經(jīng)過上述的對比，紅外線傳感器模塊，基本滿足本次設計在模擬場地中，找到點燃的蠟燭的需求，所以選擇紅外線傳感器。2.3.2 火焰?zhèn)鞲衅髂K（1） LM393芯片資料圖2-3 功能框圖LM393是一塊雙比較器電路（功能框圖如圖2-3），其有兩個獨立，精確的電壓比較器組成，失調(diào)電壓不超過2.0M

28、V，兩個比較器是專門設計在電壓范圍交款的單電源下工作，但在雙電源下也能工作，并且其電源電流大小不受電源電壓幅度大小影響。這些比較器有一個獨特的性能，就是即使在單電源下工作，其輸出共模電壓范圍也保持零電平。引腳說明如表2-2所示。表2-2 LM393引腳說明引腳符號功能引腳符號功能1OUT1比較器1輸出5IN2+比較器2正向輸入2IN1-比較器1反向輸入6IN2-比較器2反向輸入3IN1+比較器1正向輸入7OUT2比較器2輸出4GND地8VCC電源（2）紅外線傳感器模塊設計圖2-4 火焰?zhèn)鞲衅髟韴D紅外線火焰?zhèn)鞲衅魅鐖D2-4所示。由集成比較器芯片LM393，1個紅外接收頭（光敏二極管），2個濾波

29、電容，2個上拉電阻2個限流電阻，2個LED指示燈，1個10K的電位器組成。反向輸入端為設定的閥值，通過電位器來調(diào)節(jié)閥值。當沒有感應到紅外線時，正向輸入端IN1+為高電平，反向輸入端IN1-電壓（閥值）低于正向輸入端IN1+電壓；輸出端OUT1沒有輸出；當紅外接收管感應到紅外線時，正向輸入端IN1+輸入的電壓快速降低，反向輸入端IN1-電壓高于正向輸入端IN1+電壓，輸出管飽和，所以輸出端OUT1輸出低電平。也就是說，當紅外線火焰?zhèn)鞲衅髂K，檢測到有火時，輸出為低電平，然后把這個信號送給單片機，由單片機來控制小車行進路線。2.4 避障模塊2.4.1避障傳感器選擇方案一：超聲波傳感器避障超聲波傳感

30、器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā)出后，遇到障礙物反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大送入單片機。超聲波傳感器在避障的設計中被廣泛應用。但是超聲波傳感器需要40KHZ的方波來工作，因為超聲波傳感器對工作平率要求較高，偏差在1%內(nèi)，所以用模擬電路來作方波發(fā)生器比較難實現(xiàn)。而用單片機作為方波發(fā)生器未免有些浪費資源。因此考慮其他的方案。方案二:紅外光電開關ST178進行避障紅外光電開關ST178進行避障，光電開關的工作原理是根據(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，是利用被檢測物體對紅外光速的遮光或反射，當檢測到有障礙物的時候，光電對管就能夠接受到物

31、體反射的紅外光，其物體不限于金屬，對所有能反射的光線的物體均能檢測。光電對管ST178操作簡單實用方便。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來的時候，輸出高電平?？紤]到本系統(tǒng)只需檢測簡單的墻壁、障礙物，沒有十分負責的環(huán)境。為了實用方便，便于操作和調(diào)試，我最總選擇方案二。在實際購買上，選擇了購買紅外線避障傳感器E18-D80NK-N，因為這個傳感器模塊相對比較穩(wěn)定，干擾比較小，其原理也與光電開關類似。2.4.2紅外線避障傳感器如圖2-5 E18-D80NK-N紅外避障傳感器圖2-6 E18-D80NK-N原理圖紅外避障傳感器采用了E18-D80NK-N如圖2-5所示，圖中標有尺寸和電

32、氣特性。這是一種集發(fā)射與接收一體的光電傳感器，發(fā)射光經(jīng)過調(diào)制后發(fā)出，接收頭對反射光進行解調(diào)輸出，有效的避免了可見光的干擾，原理如圖2-6所示。透鏡的使用，也使得這一款傳感器的最遠檢測可達80厘米距離的問題（由于紅外光的特性，不用顏色的物體，能測探的最大距離也不同；白色物體最遠，黑色物體最近）。檢測障礙物的距離可以根據(jù)要求通過尾部的電位器旋轉(zhuǎn)鈕進行調(diào)節(jié)。該傳感器具有探測距離元、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，廣泛應用與機器人避障、流水線計件等場合。2.5 穩(wěn)壓電源模塊穩(wěn)壓電源模塊電路如圖2-7所示。該穩(wěn)壓電路采用7805集成芯片制程一個供電予單片機及各個芯片的穩(wěn)壓電路，降低芯

33、片因電壓過大而損壞的概率，電路中2個電容是濾波的作用，并在輸出端和接入電源端都留有插針，方便在調(diào)試的時候接入需要的地方。圖2-7 穩(wěn)壓電源模塊電路圖2.6 繼電器驅(qū)動滅火風扇電路如圖2-8 繼電器驅(qū)動滅火風扇電路圖采用繼電器來驅(qū)動滅火風扇，原理圖如圖2-8所示。電路由1個NPN三極管8050，保護二極管，電阻和6V的繼電器組成，J2為插針，J1連接滅火風扇。運作原理：圖2-8中Net15連接到單片機的P2.7腳，P2.7初始賦值為低電平，當單片機輸出低電平信號時，三極管不導通，抽水電機不工作；當單片機給高電平信號時，三極管導通，繼電器線圈吸合，常開觸點閉合，9V電源導通，給電機供9V電壓，風扇

34、滅火。當火撲滅以后，單片機重新給回低電平信號，線圈斷開，常開觸點斷開。2.7 無線遙控模塊2.7.1無線遙控模塊方案選擇方案一：紅外線無線遙控紅外線遙控屬于光傳波是利用紅外線來傳播電信號，不能穿透障礙物，發(fā)射端和接受端必須對準，它的特點是有方向性、不能有阻礙、距離一般不超過7米、不受電磁干擾。硬件電路比較簡單，更經(jīng)濟，調(diào)試方便。方案二：無線電波遙控無線遙控是利用無線信號在空氣中傳播可根據(jù)無線電波的頻率來遙控可穿透一定的障礙物，它的特點是無方向性、可以不面對面控制、距離遠、容易受電磁干擾。方案三:有線遙控有線遙控具有通訊可靠、抗干擾能力強但其專線專用成本高、維護及更換難度高費用大、適應范圍有限、

35、壽命低耐用能力低、操作復雜。由于小車要進入指定的場地內(nèi)，而且不可能對準，也不可能拉線，而且遙控必須要有一定的距離，所以我選擇方案二。2.7.2無線遙控模塊無線遙控，就是利用無線電波對被控對象進行遠距離控制，在工業(yè)控制、航空航天、家電領域應用廣泛。無線遙控模塊由發(fā)射部分和接收部分組成。編碼和解碼主要有PT2262和PT2272來完成。PT2262、PT2272 芯片的地址編碼設定和修改：在通常使用中，一般采用8 位地址碼和4 位數(shù)據(jù)碼，這時編碼電路PT2262 和解碼PT2272 的第18 腳為地址設定腳，有三種狀態(tài)可供選擇：懸空、接正電源、接地三種狀態(tài)，3 的8 次方為6561，所以地址編碼不

36、重復度為6561 組，只有發(fā)射端PT2262 和接收端PT2272的地址編碼完全相同，才能配對使用，遙控模塊的生產(chǎn)廠家為了便于生產(chǎn)管理，出廠時遙控模塊的PT2262 和PT2272 的八位地址編碼端全部懸空，這樣用戶可以很方便選擇各種編碼狀態(tài)，如果想改變地址編碼，只要將PT2262 和PT2272 的18 腳設置相同即可。例如將發(fā)射機的PT2262 的第1 腳接地第5 腳接正電源，其它引腳懸空，那么接收機的PT2272 只要也第1 腳接地第5 腳接正電源，其它引腳懸空就能實現(xiàn)配對接收。當兩者地址編碼完全一致時，接收機對應的D1D4 端輸出約4V 互鎖高電平控制信號，同時VT 端也輸出解碼有效高

37、電平信號。如果要直接使用，可將這些信號加一級放大，便可驅(qū)動繼電器、功率三極管等進行負載遙控開關操縱。（1）發(fā)射部分 發(fā)射部分由，按鍵，編碼芯片，315M調(diào)制器，功率放大電路等構成。原理圖如圖2-9所示。圖2-9 無線發(fā)射電路（2）無線接收模塊圖2-10 無線接收電路接收模塊電路如圖2-10所示，DO，D1，D2，D3為按鍵狀態(tài)輸出端，當某個按鍵按下后，相應的數(shù)據(jù)端口就輸出高電平，在這幾個端口加一級放大就可以驅(qū)動繼電器，功率三極管，進行負載遙控開關控制。也可以直接連接到單片機的I/0腳上，通過單片機采集數(shù)據(jù)端口狀態(tài)，然后進行外部控制。圖2-11 無線接收連接單片機電路無需按接收連接單片機電路如圖

38、2-11所示，本電路主要由一個74LS04組成，J5連接無線接收模塊信號和電源，J4為輸出端連接單片機，中間為74LS04反相器。由于無線接收模塊管腳輸出對應的是高電平信號，而且經(jīng)過測試發(fā)現(xiàn)，電流很小，不能驅(qū)動P1管腳。所以，電路中加入74LS04反向器，把高電平信號轉(zhuǎn)換成低電平信號，然后再將信號輸入給單片機。P1端口初始賦值為高電平，外接上拉電阻，當有按鍵按下時，則變成低電平信號，再由單片機處理，將信號送給行走電機和滅火風扇。3 系統(tǒng)軟件電路設計3.1主程序流程設計在主程序設計中，主程序完成了對所有部分的初始化，打開定時中斷。同時，在主程序模塊中還需要檢測模式切換按鍵是否按下，默認狀態(tài)下開機

39、時，執(zhí)行的是遙控模式，若按下模式切換按鍵，可實現(xiàn)自動模式；在自動模式控制下，單片機需要檢測P0.0到P0.5端口的信號，根據(jù)這5個傳感器的信號來判斷小車應該直行或者左轉(zhuǎn)或者右轉(zhuǎn)或者停止滅火。當再按下模式切換按鍵時，切換回遙控模式，在這個模式下，小車需要檢測P1.0到P1.3端口的信號，若都為高電平，則小車靜止，若為其中一個管腳為低電平則直行相應的遙控動作。具體的程序設計流程圖如圖3-1所示。主要程序見附錄。開始程序初始賦值定時中斷打開遙控模式自動模式按鍵判斷小車行走滅火旋轉(zhuǎn)掃描小車行走滅火結束傳感器信號掃描切換模式d=0?無按鍵按下無信號圖3-1 主程序流程框圖3.2 自動模塊3.2.1滅火模

40、塊滅火流程圖如圖3-2所示，當接到滅火信號時，P0.4=&P0.0=0，即前端火焰?zhèn)鞲衅鞲惺艿交鹧?，前端壁障傳感器感受到有障礙物，滅火風扇開始轉(zhuǎn)動持續(xù)約為10秒，10秒過后風扇停止持續(xù)2秒，進行判斷火是否熄滅， P0.4是否為1，即中間的火焰?zhèn)鞲衅魇欠裼行盘?。若?，則說明火已滅，返回執(zhí)行下主程序；若為0，則說明火仍未熄滅，則返回繼續(xù)執(zhí)行滅火動作。開始小車停止前進返回風扇滅火持續(xù)10S風扇停止持續(xù)2S判斷P0.4=1是否圖3-2 滅火流程圖滅火程序如下：void miehuo() in1=1;in2=1;in3=1;in4=1;P2_7=1;delay10s(); if(cg5=1)

41、P2_7=0;delay1s(); if(cg5=1)P2_7=0; if(cg5=0)miehuo(); 3.2.2自動模塊總流程自動模塊流程圖如圖3-3所示，本模塊是對所有傳感器信號進行采集處理。當把執(zhí)行自動模塊程序時，小車先進行旋轉(zhuǎn)掃描，當正中間的火焰?zhèn)鞲衅饔行盘枙r，P0.4=0，小車執(zhí)行直行程序。當小車在直行過程中行走有偏差時：若左邊傳感器有信號，P0.2=0，執(zhí)行左轉(zhuǎn)程序；若右邊傳感器有信號，P0.3=0，執(zhí)行左轉(zhuǎn)程序。當小車中間火焰?zhèn)鞲衅骱捅苷蟼鞲衅魍瑫r有信號時，執(zhí)行滅火程序。在此過程中，當所有傳感器都沒信號時，小車進行再次旋轉(zhuǎn)掃描，直到再次找到火為止。若再中途遇到前方有墻壁，并且

42、沒有火焰信號，小車執(zhí)行右轉(zhuǎn)；若前方和右端避障傳感器都有信號，小車執(zhí)行左轉(zhuǎn)程序。這樣，小車就不會在行進的路上碰撞到墻壁或者障礙物。開始程序賦初始值P0.4=0？旋轉(zhuǎn)掃描是否左轉(zhuǎn)直行右轉(zhuǎn)P0.4=0&P0.3=0或P0.3=0直行P0.4=0其他傳感器信號都為1P0.4&P0. 2=0或P0.2=0無信號P0.0=0&P0.4=0滅火結束無信號圖3-3 自動模塊流程圖3.3 遙控模塊遙控模塊流程框圖如圖3-4所示，本模塊程序主要是對遙控器按鍵是否按下的掃描。當A鍵按下時，P1.0=0，執(zhí)行滅火動作；當B鍵按下時，P1.1=0，執(zhí)行右轉(zhuǎn)動作；當C鍵按下時，P1.2=0，執(zhí)行直

43、行動作；當D鍵按下時，P1.3=0，執(zhí)行左轉(zhuǎn)動作；當遙控器按鍵都沒有按下時，P1.0-P1.3都為1，小車處于停止狀態(tài)繼續(xù)掃描按鍵。程序賦初始值開始滅火直行右轉(zhuǎn)左轉(zhuǎn)判斷按鍵是否按下P1.0=0?P1.1=0?P1.2=0?P1.3=0?P1.0-P1.3都為1返回P1.0-P1.3都為1P1.0=0P1.1=0P1.2=0P1.3=0圖3-4 遙控模塊流程圖遙控模塊程序如下：void yaokong() if(buttonA=1&&buttonB=1&&buttonC=1&&buttonD=1)in1=1;in2=1;in3=1;in4=1;P2

44、_7=0;if(buttonC=0)in1=1;in2=0;in3=1;in4=0;ENA=1;ENB=1;P2_7=0;if(buttonD=0)in1=0;in2=1;in3=1;in4=0;ENA=1;ENB=1;P2_7=0;if(buttonB=0)in1=1;in2=0;in3=0;in4=1;ENA=1;ENB=1;P2_7=0;if(buttonA=0)in1=1;in2=1;in3=1;in4=1;P2_7=1;if(buttonF=0)delay30ms();if(buttonF=1)d=!d;in1=1;in2=1;in3=1;in4=1;ENA=0;ENB=0; 4 系

45、統(tǒng)調(diào)試4.1 硬件電路調(diào)試任何復雜電路都是由一些基本單元電路組成的，把組成電路的各功能塊（或基本單元電路）先調(diào)試好，并在此基礎上逐步擴大調(diào)試范圍，最后完成整機調(diào)試。首先是把經(jīng)過準確測量的電源接入電路，觀察有無異?，F(xiàn)象，包括有無冒煙，是否有異常氣味，手摸元器件是否發(fā)燙，電源是否有短路現(xiàn)象等。如果出現(xiàn)異常，應立即切斷電源，待排除故障后才能再上電。然后測量電路總電源電壓和各器件的引腳的電源電壓，以保證元器件正常工作。（1）單片機最小系統(tǒng)的調(diào)試單片機最小系統(tǒng)由：AT89S52，時鐘模塊，復位模塊電路組成。將單片機鏈接到+5V直流電源上使用萬用表直流電壓檔測試40腳是否為高電平，20腳是否為低電平，9腳

46、是否為低電平，18或19管腳是否有12MHz的方波信號輸出。若40腳為高電平，20腳、9腳為低電平，且放波信號都正常時，則視為最小系統(tǒng)工作正常。（2）紅外線火焰?zhèn)鞲衅髡{(diào)試調(diào)試本模塊，先用電源給芯片供電，看紅色LED是否亮，若亮了說明供電正常了，再把蠟燭在發(fā)光二極管前點燃，看綠色LED是否亮，如果亮了，說明輸出信號也正常了。本模塊在第一次測試時，無論怎么調(diào)節(jié)電位器改變閥值，始終沒有輸出信號，在經(jīng)過反復核對電路圖和電路板，才發(fā)現(xiàn)原來是在畫圖過程中，由于電位器封裝畫錯，導致電路出錯。經(jīng)過改線跳線，終于實現(xiàn)了該傳感器功能。由于本次用了3個紅外線火焰?zhèn)鞲衅?，所以傳感頭均用黑色膠布套上，防止互相干擾，也可

47、以使檢測的信號為直線。 圖4-1 火焰?zhèn)鞲衅鳒y試圖片通過調(diào)節(jié)電位器來改變閥值，可以使檢測距離不一樣。本次設計中，閥值設定為2.0V，這個閥值是在檢測中相對比較穩(wěn)定的一個，閥值越高越穩(wěn)定，但是能檢測的距離越近，檢測距離在60以內(nèi)比較準，超過60受可見強光影響比較大，特別是在陽光下。因為陽光下太陽紅外線強于蠟燭太多，所以導致輸出口一直有低電平信號。所以測試時都是在室內(nèi)完成的，火焰?zhèn)鞲衅鳒y試圖片如圖4-1所示。（3）避障傳感器調(diào)試由于本次使用的是避障傳感器模塊，所以只需要供電，用電壓表測輸出電壓，當有遮擋時，是否會變成低電平；當無遮擋時，是否回變回高電平。這個傳感器用得時工業(yè)的，所以性能相對來說比較

48、穩(wěn)定。（4）無線遙控模塊調(diào)試無線遙控模塊本來不在設計之內(nèi)，是后來加進去的功能，因為在火場中的情況瞬息萬變，為了應對各種場合，可以遙控機器人滅火，也是必不可少的。如果能在滅火機器人里面還可以加入攝像頭，外加無線傳輸，把火場內(nèi)的情況傳達出來，這樣在火場外，就可以看到場內(nèi)情況，對機器人進行遙控滅火就更加安全快捷。所以在設計中加入了無線遙控模塊。此模塊調(diào)試只需電源供電，將對應管腳接到單片機上，看當按鍵按下時，對應的管腳是否能輸出對應的信號。在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)，由于設計時沒有注意信號電流不夠大的原因，不足以驅(qū)動單片機對應管腳，后面經(jīng)過思考，決定在電路中加入了反相器，外加上拉電阻，這樣將高電平信號轉(zhuǎn)換成低電平信

49、號，對應的輸出穩(wěn)定了很多。在調(diào)試中還發(fā)現(xiàn)，無線接收模塊在沒有接天線時信號很弱，所以，后再在無線接收模塊對應的管腳上，用導線代替，做了個天線放上去，信號就靈敏了很多。（5）風扇調(diào)試本次使用的風扇是12V的CUP風扇，首先是檢查接線有無松動，控制模塊電路是否短路，水泵工作是否工作正常，有無異響。其次還需要檢查風扇滅火力度夠不夠，滅火程序是根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅鱽韺驶鹧妫岸说谋苷蟼鞲衅鱽砜刂婆c火焰的距離，所以還需經(jīng)過多次調(diào)節(jié)，將距離調(diào)解到一個能吹滅蠟燭的距離，防止滅不了火的情況出現(xiàn)。（6）滅火控制電路調(diào)試設計時，考慮到單片機管腳輸出電流不足以讓繼電器線圈吸合，所以必須上拉電阻。原來設計時，用光耦開關，但

50、是沒有考慮到漏電流現(xiàn)象，而且電路設計也不夠合理，所以導致線圈吸合后無法斷開。后來經(jīng)過詢問老師和查資料改用了三極管，完全能實現(xiàn)功能，并且成本也降低了。（7）行走電機調(diào)試本次采用的是6V的直流減速電機，將電機接到L298N的輸出口上，看電機是否能正轉(zhuǎn)、反轉(zhuǎn)、調(diào)速、停止。電機在調(diào)試時發(fā)現(xiàn)左右兩個輪子轉(zhuǎn)速不一樣，因為當L298N輸入端給同樣的信號，調(diào)成相同的占空比時，小車行走的路線并非直線。經(jīng)過調(diào)整，任然還有一點影響，這方面測試應該是車的輪子，不標準，摩擦和重量不一致所導致。本次調(diào)試時還發(fā)現(xiàn)，讓電機負重啟動時，電機負載能力不夠，原計劃用水滅火，但是在調(diào)試事，把水箱水箱裝滿水以后，負重太大，導致電機帶不

51、動，無法行走。經(jīng)過多次測試，只有當水很少的時候，電機才能勉強轉(zhuǎn)動，所以改用風扇滅火作為演示，這樣負載足夠了。（8）整個電路板調(diào)試整板測試是在每個模塊電路調(diào)試沒有問題的情況之下，將各個模塊電路連接到總控制電路之中，上電觀察整個系統(tǒng)是否正常工作，模塊電路之間是否有干擾、短路現(xiàn)象，而導致整個系統(tǒng)的功能受到影響。若系統(tǒng)工作正常，則表明硬件調(diào)試成功。4.2 軟件電路調(diào)試程序編寫可以用匯編語言或者C語言。匯編語言編寫的程序繁雜，而且程序的移植性不好，而C語言簡單易懂，程序移植性好。因此本系統(tǒng)采用C語言編程，通過Keil編程軟件編譯。在燒錄之前對程序進行編譯，編譯成功后將程序燒錄到單片機中，上電調(diào)試各個模塊

52、，查看各個模塊的工作狀態(tài)是否正常。當各個傳感器接收到不同信號的時候，對應的電機是否能做出相對應的動作；或者當遙控器按下相應的按鍵的時候，小車是否能按照遙控按鍵所指示的動作去完成。本設計系統(tǒng)Proteus軟件仿真如圖4-2所示，圖中左邊的4個按鍵，分別代表遙控器上的A、B、C、D四個按鍵，對應單片機P1.0-P1.3。右邊6個按鍵分別代表2個避障傳感器和3個火焰?zhèn)鞲衅饕约澳Ｊ角袚Q開關。把程序模擬燒錄進去運行，按下對應的按鍵，模擬各種情況，看對應的電機和滅火風扇是否能完成對應的動作。完成軟件仿真調(diào)試成功后，講程序燒到板上進行測試，因為仿真和實際還是有很大區(qū)別的。圖4-2 Proteus仿真圖4.3 整體調(diào)試把所有的硬件，以及滅火風扇組裝在一起，整裝圖如圖4-3所示。整體組裝好后，開始調(diào)節(jié)小車傳感器角度，盡量使火焰?zhèn)鞲衅髋c蠟燭火焰齊平，這樣接收的信號時最好的。然后檢查所有導線是否插對。上電時，檢查所有芯片是否有不正常的發(fā)熱現(xiàn)象，若有，立刻斷電