1、基于單片機的滅火機器人設計摘 要該文設計是一款基于單片機的滅火機器人模型的設計。該設計以STC89C52單片機為控制核心的系統，通過自制火焰傳感器用于火焰探測，紅外光電傳感器用于探測障礙物，L298驅動電機前后轉動實現機器人平面運動。 該系統火焰探測采用自制的六路火焰傳感器，其中是由五路遠紅外接收二極管和一路近紅外接收二極管構成，它與目前其他火焰探測器相比，具有火焰探測精確度相對高、結構較為簡單，性能可靠等優點。避障則用E18-D50NK型號的光電傳感器，該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點。此設計以數字集成電路技術為基礎并以單片機技術為核心，依據傳感器的

2、信號傳入單片機實現各種指令處理。 實驗結果表明，該設計具有成本低、可靠性高、滅火速度快、安裝調試方便等特征，具有較好的應用前景。關鍵詞： STC89C52單片機 光敏晶體管 紅外光電開關 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 課題的開發背景

7、11.2 課題的研究現狀11.3課題研究的意義21.4課題任務2第二章 系統基本原理與總體方案設計32.1 滅火機器人的基本原理32.2 滅火機器人的整體設計32.3 滅火機器人模型的測量方案42.3.1 避障模塊42.3.2 火焰檢測方案5第三章 系統硬件電路設計83.1 控制電路83.1.1 電機控制電路83.1.2 滅火驅動電路93.2 火焰檢測電路113.3避障模塊133.4 直流電源設計153.5 單片機系統153.5.1 單片機選型153.5.2 單片機晶振電路和復位電路18第四章 系統調試204.1 硬件調試204.2 軟件調試204.3避障的實現214.4 尋找火源的實現214

8、.5 遇到的問題224.6 實驗現象與結果分析224.7 本章小結264.8 實物展示27參考文獻30致謝31附錄32第一章 引言1.1 課題的開發背景正如我們所知，火災在現實生活中是非常普遍的，它被稱為三大自然災害之一。隨著經濟的快速發展，不可避免的火災在各種危險場所頻繁出現，給社會安全造成了很多隱患。如果發生災害事故，消防員所面臨的環境是高溫、黑暗、有毒和濃煙等，若沒有相應的設備貿然沖進現場，不僅不會完成任務，可能會徒增人員傷亡，這方面公安消防部隊已歷經諸多血的教訓。尤其是當新消防法出臺后，搶險救援已成為公安消防部隊的法定任務，面對新時期面臨的新情況新任務，也為了更好地解決前述難題，顯得日

9、益重要是消防機器人的配備。消防部隊將面對的火災和應急救援的形勢相當復雜。尤其是在高溫、有毒、易燃易爆等復雜環境中，為切實增強消防部隊撲救大火的能力，也為更好地保護廣大官兵的生命安全，配備消防機器人已勢在必行。1.2 課題的研究現狀智能小車方面：智能小車，也稱輪式機器人，是一種以汽車電子為背景，涵蓋控制、模式識別、傳感技術、電子、電氣、計算機、機械等多學科的科技創意性設計。智能汽車作為一種智能化的交通工具，體現了車輛工程、人工智能、自動控制、計算機等多個學科領域理論技術的交叉和綜合，是未來汽車發展的趨勢。機器人技術方面：目前已經開發出了多種類型機器人機構，其結構有串聯、并聯及垂直關節和平面關節多

10、種。目前研究重點是機器人新的結構、功能及可實現性，其目的是使機器功能更強、柔性更大、滿足不同目的的需求。同時機器人機構向著模塊化、可重構方向發展。機器人控制技術現已實現了機器人的全數字化控制，基于傳感器的控制技術已取得了重大進展。目前重點研究開放式、模塊化控制系統，人機界面更加友好，具有良好的語言及圖形編輯界面。同時機器人的控制器的標準化和網絡化以及基于PC機網絡式控制器已成為研究熱點。機器人已經實現了全數字交流伺服驅動控制，絕對位置反饋。目前正研究利用計算機技術，探索高效的控制驅動算法，提高系統的響應速度和控制精度；同時利用現場總線技術，實現的分布式控制1。1.3 課題研究的意義智能避障滅火

11、機器人實現了對安全防護的質的提高，也大大地減低了消防人員的危險。在智能滅火系統中應用單片機來代替人的思考，還可以實現自動化控制，簡化了滅火的工作流程，使單片機代替多余的消防人員，節省了國家不必要的支出，降低了危險。自動滅火避障智能小車可以理解為機器人的一種特例，它是一種能夠通過編程手段完成特定任務的小型化機器人。與普遍意義上的機器人相比該智能小車制作成本低廉，電路結構簡單，程序調試方便，此設計在前人研究的基礎上，通過不斷地學習相關的知識，力求對消防機器人設計達到更深的了解和研究，促進消防機器人在火災中的應用并推廣在相關領域的研究，使消防研究工作不斷向前發展，具有很大的學術價值。1.4課題任務根

12、據自動控制的基本要求，自動滅火避障智能小車必須在無人干預的情況下依靠處理器自動完成所有的系統設計要求。滅火通過火焰檢測傳感器找到蠟燭，控制電機引導小車走向蠟燭附近并吹滅蠟燭。自動避障通過紅外光電開關感應前方的障礙物，程序判斷處理控制小車轉彎避開障礙物。系統具體設計要求如下：（1）實現直流減速電機的啟、停、正、反控制；（2）利用直流減速電機實現對小車的運動控制；（3）利用穩壓芯片為單片機電路系統提供穩定電壓；（4）利用紅外線光電開關對障礙物的檢測；（5）利用光敏晶體管對火源的檢測；（6）通過單片機控制小車運動狀態實現小車的滅火避障；（7）通過編程檢驗系統程序的模塊化設計。第二章 系統基本原理與總

13、體方案設計2.1 滅火機器人的基本原理滅火機器人滅火原理如圖2-1所示。單片機采集火焰檢測模塊和避障模塊的信號，通過控制電機驅動模塊使小車避障行駛去找尋火源，在找到火源之后，單片機控制電機停止，開啟風扇滅火，從而實現對整個火災點滅火的過程。圖2-1 系統原理圖方框圖2.2 滅火機器人的整體設計滅火機器人由四部分組成：（1）數據采集模塊，主要由火焰采集模塊和避障模塊構成，實現了滅火機器人的對各類參數的采集，是控制器核心部分；（2）信息處理單元，用單片機作為信息處理單元，實現對數據的采樣及數據分析運算，并發出控制指令；（3）人機交互單元，由按鍵，顯示燈組成。按鍵實現人機交互；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驅動電路、滅火模塊等組成，實現對驅動電機運轉及開啟風扇滅火。 圖 2-2 滅火機器人系統設計 圖2-2中，數據采集模塊對障礙物方位、火焰數據進行采集，并將數據送給MCU進行數據處理。MCU根據接收的信息發出控制指令控制電機或風扇工作，按鍵用于用戶啟動滅火機器人。2.3 滅火機器人模型的測量方案避障及火焰測量是滅火機器人最重要部分之一，它是實現其他功能的基本條件，這一部分性能好壞將關系到整個系統的性能，所以設計一個成本低、可靠性高、滅火效率高、調試簡便的測量方案是該設計的關鍵。 避障模塊方案1：用超聲波傳感器進行避障。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。然后將這信號放大后送入單片機。超聲波傳感器在避障的設計中被廣泛應用2。但是超聲波傳感器需要40KHz的方波信號來工作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在1內，所以用模擬電路來做方波發生器比較 難以實現。而用單片機來作方波發生器未免有些浪費資源。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：用紅外光電開關進行避障。光電開關的工作原理如圖4所示：根據投光器發出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據此作出判斷反應，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，由同步回路選通而檢測物

16、體的有無，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。紅外光電開關操作簡單，使用方便。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平47。考慮到本系統只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復雜的環境。為了使用方便，便于操作和調試，我們最終選擇了方案2。 圖2- 4 紅外光電開關測量原理圖2.3.2 火焰檢測方案火焰檢測有溫度傳感器、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，因本設計使用蠟燭模擬火源，對環境溫度影響小，煙霧少，排除了煙霧傳感器。考慮到易用性，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量方案 圖 2

17、-5 NTC熱敏電阻和光敏電阻測量系統圖 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成分壓電路，當溫度光亮變化時其阻值變化，進而分壓變化，然后將這電壓信號經過運放放大調理成05V的電壓信號，經A/D轉換變成數字信號送給單片機。實驗中發現在一定距離范圍內，空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發生任何變化。光敏電阻在燈光下，易受干擾在一定范圍內空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發生變化，光敏電阻受外界干擾比較大，抗干擾能力極差，誤差偏大，不能準確測定火源位置56。l 使用紫外線傳感器識別火焰方案 圖 2-6 紫外線傳感器識別方案 紫外線傳感器只對185

18、260nm狹窄范圍內的紫外線進行響應，而對其它頻譜范圍的光線不敏感，利用它可以對火焰中的紫外線進行檢測。具有靈敏度高，檢測及時準確、抗干擾性強的特點。主要缺點是價格是紅外傳感器的8-10倍。l 紅外接收二極管識別火焰方案 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波長在700nm 1000nm范圍內的紅外線，其中紅外線波長在880nm附近時，其靈敏度達到最大。紅外火焰探頭將外界紅外光的強弱變化轉化為電壓的變化，通過電位比較器來反應高低電平的變化。外界紅外光越強，數值越小；紅外光越弱，數值越大。經驗證紅外接受二極管檢測距離遠，線性度好，檢測準確，且體積較小在機器人設計中，紅外火焰探頭起著非常重要的作用，它可以用