滅火機器人

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1、摘要隨著社會的進步，機器人技術的不斷深入使得機器人的應用領域不斷擴展，從以往的多應用于 工業領域而漸漸融入人們的生活，消防機器人作為消防部隊中的新興力量，加入了搶險救災的行列。 而為了更好的為生產生活服務，滅火機器人技術的優化勢在必行。本設計中智能滅火機器人采用AT89S52單片機作為檢測和控制的核心，實現機器人的智能控制, 包括尋跡、尋找火源、躲避障礙接近火源、啟用風扇滅火等功能?；鹪刺綔y使用紅外傳感器，障礙 物判斷采用集成紅外傳感器，電機采用直流電機。電機控制核心采用AT89S52單片機，控制系統與 電路用電耦合器完全隔離以避免干擾。實現的功能是：從安全區域出發，自動尋找火源并選擇路線 滅

2、火，避開障礙物接近火源，啟用風扇吹滅火源后結束。關鍵詞：尋跡，尋找火源，躲避障礙，吹滅火目錄第一章課題設計的目的、要求及意義 11.1課題的目的11.2 要求及意義11.2.1 要求 11.2.2 意義 1第二章系統整體方案設計22.1 設計思想22.2 系統硬件設計22.3 方案論證與比較22.3.1 車體 22.3.2 尋跡 22.4 系統軟件設計3第三章硬件設計43.1 外形設計43.2 檢測黑線的設計43.3 避障電路43.4感光傳感器43.5 火焰傳感器53.6電機驅動芯片L298N53.6.1 外形及封裝 53.6.2 電機驅動電路 63.7 單片機 AT89S5263.8 電源部

3、分設計73.9滅火部分設計73.10 滅火與報警73.10.1 滅火驅動電路73.10.2 聲音報警電路83.11 火焰定位83.12滅火方式9第四章軟件設計94.1軟件設計思路94.2 滅火機器人行進線路分析94.3 軟件流程圖10第五章制作與調試115.1 制作流程115.2 系統調試11感想（個人心得）13致謝14參考文獻15附錄一程序清單16附錄二實物圖20第一章 課題設計的目的、要求及意義1.1 課題的目的制作一個消防智能機器人模型，能在指定的區域進行搶險滅火工作。以蠟燭為模擬火源，智能 機器人從安全區域出發自動尋找火源，若尋到火源發出語音提示并啟動風扇滅火。1.2 要求及意義1.2

4、.1 要求1. 通過各種渠道，搜集和檢索信息資料，進行分析、歸納、整理及研究，以指導課題方案的確 定。2. 具備設計方案、設計場地、模擬火源。3. 制作出一個消防智能機器人模型，并具有尋跡、避障、自動尋找火源滅火、能進行語音提示 的功能。4. 完整的、符合規范的技術說明（論文）。1.2.2 意義1. 智能滅火機器人的應用而生，實現了對安全防護的質的提高，大大地降低了消防人員的危險。如果在配以各種接口傳感器可以實現系統的智能化。則無論在安全防護領域、工業控制領域、醫療 衛生領域、還是在國防軍事領域、航天航空領域，微控制器都起著舉足輕重的作用。2. 通過這次的設計，能進一步的加深對所學的基礎理論、

5、基本技能、專業知識的應用和掌握， 使之系統化、綜合化。3. 這樣的制作更能培養獨立工作、獨立思考和綜合運用已學知識解決實際問題的能力，尤其培 養獨立獲取新知識的能力。4. 培養了實踐能力，初步掌握了制作東西時的基本方法。第二章 系統整體方案設計2.1 設計思想根據滅火場地的規則要求，配以避障傳感器、火焰傳感器和光敏傳感器。通過兩路PWM控制兩 只電機以驅動滅火機器人滅火。2.2 系統硬件設計本次設計的目的是設計一個在規定區域能自主搜索火源并實施滅火的智能機器人小車，本次設 計用的主控芯片使用了 AT89S52單片機，所以設計重點在傳感器和電機驅動上。系統總體設計框圖 如 2-1 所示：2-1

6、系統設計總框圖2.3 方案論證與比較2.3.1 車體 方案一：采用四輪的車體，車體太大，靈活性差。 方案二：采用兩輪的車體，方便、易于控制、靈活性好。綜上所述：采用方案二2.3.2 尋跡方案一:黑布做場地，用以30X40cm的白條作為格子，在尋跡的過程中發現黑布太軟，容易起 褶皺，不利于小車尋跡。方案二:白紙做場地，用以黑條作為格子，在尋跡的過程中由于交叉路口太多，影響了對車的控 制。方案三：白紙做場地，用黑條做小車的跑道，而且跑道幾乎包含了大半個場地，在尋跡時沒有 交叉路口，利于小車尋跡。綜上所述：采用方案三2.4 系統軟件設計軟件設計方案是以上述硬件電路為基礎的，包括電機控制模塊、傳感器模

7、塊。程序設計采用匯編語言編寫，編程環境是keil編譯器的集成編譯環境。滅火機器人的軟件設計結構框圖如2-2所示:2-2 系統軟件設計框圖第三章 硬件設計3.1 外形設計3.1 系統總體機械結構清單1234567891011火焰傳感器 光敏傳感器 避障傳感器 尋跡傳感器 電源 小車后輪（萬向輪） 直流電機 小車前輪 電源模塊電路板 電機驅動電路板 最小系統模塊電路板3.2檢測黑線的設計黑線檢測將尋跡傳感器放在底盤前方，這樣檢測比較精準，只是考慮到場地的地面不一定完全 黑白分明，所以在連接電路時，要做成可以調節探測距離的電路，完成之后調節傳感器使得小車能 夠準確探測到黑線，從而做出正確的動作。3.

8、3 避障電路為了能夠使小車快速地找到火源，就要求避障系統比較靈敏，遇到障礙物迅速躲避，對于避障 傳感器有以下介紹：原理與功能 紅外避障傳感器（以下簡稱紅外）。紅外具有一對紅外信號發射與接收二極管，發射管發射一定 頻率的紅外信號，接收管接收這種頻率的紅外信號，當紅外的檢測方向遇到障礙物（發射面）時， 紅外信號反射回來被接收管接收，經過處理之后，通過數字傳感器接口返回到機器人主機，機器人 即可利用紅外波的返回信號來識別周圍環境的變化。應用介紹 紅外是通過發射端發射紅外信號，接收端接收由障礙物發射回來的紅外信號，來判斷障礙物。3.4 感光傳感器靈敏度高、響應速度快、檢測距離可調、壽命長、工作穩定可靠

9、。3.5 火焰傳感器靈敏度高、響應速度快、輸出信號大、壽命長、工作穩定可靠。電路圖如 3-1 所示：3-1火焰傳感器原理圖3.6電機驅動芯片L298NL298N是SGS公司的產品，內部包含4通道邏輯驅動電路。是一種二相和四相電機專用驅動器, 即內含二個H橋的高電壓大電流雙橋式驅動器、接收標準TTL邏輯電平信號，可驅動46V、2A以 下的電機。其引腳排列如圖U4所示，1腳和15腳可單獨引出連接電流采樣電阻器，形成電流傳感 信號。L298可驅動2個電機，0UT1、0UT2和0UT3、0UT4之間分別接2個電動機，5、7、10、 12腳接輸入控制電平，控制電機的正反轉，ENA,ENB接控制使能端，控

10、制電機的停轉。也利用單 片機產生PWM信號接到ENA,ENB端子，對電機的轉速進行調節。3.6.1外形及封裝3-2外形圖/ 1令1命：宀3-3封裝圖J-1-ijvi r INF-i rv a-呵gKr i3.6.2電機驅動電路3.7 單片機 AT89S52Hri.i !Pl：l 3Pl J 45百7Fl ,7 齒|-L cNOD2廠I?14MXT 11l)ISFI .J) I卩冊礙RIJZLPWTOMlP4IP12WKPBTOri4附Fi5PI6%PI7P(WMlMil1K)fWVI1XIxzRKET則mF皿麗WRU1劉mn3FpO：2 !34畑 P(U 丁P0了丸 KEVI 亍吐咒 IF K

11、TYj W25 P143-5單片機AT89S52圖3.8電源部分設計電源部分，使用2節蓄電池串聯，但是這樣電池的電壓為7.5V,而總體電路需要5V的電壓, 這樣就要用到電壓調節模塊對電壓進行調節，最后調節成5V電壓，為電機和整個系統供電。風扇則單獨供需12V電壓，這樣才有足夠的風力吹滅火源。3-6直流5V電路圖3.9滅火部分設計最后小車找到火源，用什么方法來滅火，最直接的方法是用風扇，而這也是最有可能實現的辦法。 定下的方案是用PWM控制風扇，當檢測到蠟燭的光時，使得風扇開始旋轉滅火?；饻缰?，風扇再 停止。3.10滅火與報警3.10.1滅火驅動電路滅火風扇的驅動電路如圖所示。其中Portl,

12、 Port2分別接到單片機機Pl.l、P1.2接口上。單片 機輸出Portl，Port2控制信號用以驅動滅火電機動作。由于選用的是增強型MOS管，所以，當Port 信號為高時，MOS管在vcs下開始工作，MOS導通，風扇開始動作，進行滅火；當Port信號為低時, 由于增強型MOS管特點，v 0時，i0 0。此時，MOS截止，風扇不動作。cs=0=vcc12DIIMOSFET-b_iQIMOS1TJT-NGNI：）3-7滅火驅動圖3.10.2聲音報警電路當滅火機器人找到火源后，會產生聲音報警，同時啟動風扇進行滅火，其中的聲音報警如圖所 示?？刂菩盘枮椤癝PEAKER”,接至單片機的I/O 口的P

13、1.0腳。當“SPEAKER”為高電平時，三極管基 極為高電平時，此時，三極管處于截止狀態，蜂鳴器不工作；當SPEAKER”為低電平時，三極管處于放大工作狀態，驅動蜂鳴器，開始發聲，蜂鳴器工作。3.11火焰定位火焰定位包括尋找火焰和火焰定位兩個部分。機器人尋找火焰一般采用火焰傳感器作為探測工具，為了準確、快速地確定火焰位置，可采用 多種方式對火焰傳感器進行改進，以下是常用的一些改裝方案。a火焰探頭的串聯和并聯：提高探頭靈敏度。b火焰傳感器分布在機器人的前左右，可快速定位火焰。確定火焰方向后可直接朝火焰方向前 進，節省滅火時間。3.12滅火方式機器人滅火設計對滅火方式沒有一定限制，但不能使用任何

14、危險的或可能破壞場地的方法或物質來滅火（如通過燃放爆竹產生沖擊來使蠟燭熄滅），也不能通過碰到蠟燭的方式來滅火。也可以運用類似水、空氣、二氧化碳，由于采用風扇的方式簡單可靠易行，因此大多數用戶都采用風扇這種第四章 軟件設計4.1 軟件設計思路根據總體設計的思想及本系統實現的功能，在軟件設計中完成以下功能。小車進入場地后尋跡，尋跡的過程中若火焰傳感器感應到火源，則朝火焰的方向行駛；如果光 敏傳感器有信號輸入時，小車停止，蜂鳴器響，驅動風扇滅火；若沒有火焰信號輸入，繼續尋跡。4.2 滅火機器人行進線路分析小車處于起點，沿著黑線行駛，在沿黑線行駛的過程中，如果有火源，朝火源的方向行駛，火滅后，小車后退

15、，繼續尋找黑線，沿黑線行駛。4.3 軟件流程圖開始否前左右否轉判斷那邊信 號光敏傳感器 是否有信號判斷火焰傳感 器是否有信號向右轉朝 火源行駛向左轉朝 火源行駛停止、報警、滅火尋跡4-1 程序流程圖第五章 制作與調試5.1 制作流程整個系統制作的主要流程如圖5-1 所示5-1 制作流程圖5.2 系統調試可以分為硬件調試和軟件調試兩個放面。硬件調試：1電源：通過萬用表測試，電壓全部在正常工作范圍內，芯片與電機、風扇均可正常工作。同 一個電路里面的所有接地端要共地（某些特殊要求不能共地的除外），否則會讓兩個接地端有壓降。2單片機最小系統：當給定某個I/O 口的管腳賦高低電平后，用萬用表測試，也能測

16、試到對應 的高低電平。3單片機（程序調試）：功能部分直接看輸出結果。4驅動電路：將驅動電路與單片機連接，用單片機發送指令，直流電機可以正、反轉。 5傳感器電路：將傳感器電路與單片機連接，用單片機接收傳感器反饋信號，給紅外傳感器兩 端附近放置障礙物，可以檢測出來并發出預警信息；給紅外傳感器兩端附近放置火源，可以檢測出 來并預警信息。軟件調試： 軟件調試分模塊分別進行調試。編寫每個模塊的程序，測試單個模塊是否能實現預想的功能。 若出現沒有調試成功，可以根據觀察到的現象來修改程序。單獨模塊調試成功后，把所有硬件電路 連接好，再用完整的程序對整機進行調試。調試結果經過硬件調試和軟件調試，作品基本達到設

17、計要求，在規定時間內，能迅速找到火源并報警， 同時啟動風扇進行滅火。第六章 結論本作品已經完全達到系統設計目標，可以很好的完成火源的實時檢測并自動報警進行滅火操作。 滅火小車對于人類來說有很重要的作用，可以在危險的火災現場區域進行實時避障檢測火災著火點， 并進行自主滅火，大大降低了傷亡率。但現在還有一些不盡如人意的地方。比如： 在實時檢測過程中，由于程序反復循環次數過多，內存積攢到一定程度，有可能導致程序跑遍 使得滅火小車不能正常工作。想增加內容但對程序要求很高，不易實現，因為要求是實時檢測，如 果程序太復雜，會讓單片機讀取傳感器信號的時間加長，影響實時檢測。感想（小組成員心得）通過這次設計的

18、綜合實踐，讓我了解了一個項目從設計到完成所經歷的所有過程，對項目的設 計制作過程與制作工藝都有了進一步的了解，現在我才知道原來一個項目的完成是件不容易的事， 需要我們每個人的共同努力而完成的。這次設計綜合實踐對我來說意義重大，不僅增長了我的見識，而且豐富和擴充了我的經驗和知 識，提高了我的動手能力，鍛煉了我的耐力，培養了我獨立思考的能力，增強了我的自信，也更讓 我明白了團結合作的力量，團隊能力的強大。有了這些寶貴的經驗，在以后的工作中我將少走很多 彎路，也將更好更快的完成自己的任務。在剛開始時，我只是先把最基本的東西完成（硬件部分），而且里面還有一些問題，但同時我又 從尋跡這塊開入手，我就打算

19、先把這個模塊做成功，然后再對硬件進行近一步的改進，接下來的一 段時間里，就主要對這個模塊進行不斷的改進和調試，最后通過好多次的調試把這一個模塊才完成。 接下來就是尋火避障，這個程序就比較容易一點，因為前面做完那個程序的后對硬件的特點已經很 是了解了，所以這個程序沒用多長時間就調試好了，當然這兩個子程序的完成老師也給我們指導了 很多。有了前面的兩個子程序，這次的項目設計也就進入到了最難的階段（綜合調試），在這個時候我 才發現在前面的好多硬件都很難被綜合，于是我好象又像從頭一樣，做硬件，就一個場地就弄了四 次才滿意，同時也在不停的調試程序，這個時候老師也經常給我們指導，但是在綜合一開始由于硬 件的

20、改變兩個子程序也分別進行了改進。有時候給我的感覺就是沒有進度只有后退，其實后面才意 識到表面的前進并不是真正的前進，表面的后退也不是真正的后退（有時候后退也是一種前進），在 后退了好多天后，終于在一個星期五的晚上靈感一來綜合程序被我寫出來了（靈感真是個好東西）， 而且結果還是很滿意的，這時候讓我感覺到成功離我只有一步之遙了，接下了就是信心大增，用了 周末兩天進行最后的調試，誰知道還是星期五寫的那個程序只是有一點改變，知道問題所在但是就 是沒有辦法解決，這個讓我很是頭痛，最后還是要老師出馬給我指點迷津了，硬件問題（尋跡傳感 器），只知道調程序就把硬件給忘了，最后滿意的結果出來了，這個項目設計也就

21、基本完成了。這次項目設計的綜合實踐我最大的感受就是：最難得不是硬件的連接，也不是軟件，而是把軟 件和硬件很好的結合起來，讓他們發揮出個自的作用，最好的成功不是一帆風順，而是不停的前進 前進，后退后退，從而收貨成功。致謝本設計完成能夠順利，還承蒙老師的指導和幫助。在設計過程中，老師給予了悉心的指導，最 重要的是給了我們解決問題的思路和方法，并且在設計環境和器材方面給予了大力的支持和幫助， 在此，我們對老師表示最真摯的感謝！同時也感謝我們組的每一位成員。最后感謝老師在百忙之中抽出時間對本報告進行了評閱！參考文獻1 王耀南機器人智能控制M.北京:科學出版社,2004.2 陳伯時運動控制系統M.北京:

22、機械工業出版社,2009.3 陳建元傳感器技術M.北京：機械工業出版社，2008.4 蔣新松機器人與工業自動化M.石家莊:河北教育出版社,2003.5 倪星元傳感器敏感功能材料及應用M.北京:化學工業出版社,2005.6 李全利、遲榮強.單片機原理及接口技術.北京:高等教育出版社,2004.1.7 萬永倫丁杰雄.一種機器人尋線控制系統J.電子科技大學學報,2003,32(1).8 余國衛 譚延軍.基于AT89C51單片機的火災自動報警系統J.微處理機.2006-10,5.9 李彬，陳帝伊,馬孝義智能滅火機器人系統的設計與實現J.機械與電子,2010,(1)： 57-61.10 張景川，劉立陽,

23、傅家祥新型滅火機器人的設計與實現J.電腦知識與技術,2008,4(35):2246-2248.附錄一 程序清單SP8 EQU P3.4;尋中SP6 EQU P3.5;尋左SP7 EQU P3.6;尋右SP1 EQU P3.0;尋火SP2 EQU P3.7;蔽障SP3 EQU P3.1;左轉SP4 EQU P3.2;右轉SP5 EQU P3.3;光ORG 0000HMAIN1:MOV P2,#01HMOV P0,#01HJNB SP8,LOOP7JNB SP6,LOOP5JNB SP7,LOOP6LJMP LOOP0L00P7:;前進MOV P2,#01HMOV P0,#01HJNB SP6,L

24、OOP5JNB SP7,LOOP6JNB SP3,MAINJNB SP4,MAINLJMP LOOP0LOOP5:;左轉MOV P2,#02HMOV P0,#01HJB SP8,LOOP7JNB SP7,LOOP6LJMP LOOP0LOOP6:;右轉MOV P2,#01HMOV P0,#02HJB SP8,LOOP7JNB SP6,LOOP5LJMP LOOP0LOOP0:;3 黑JNB SP8,LOOP7JNB SP6,LOOP5JNB SP7,LOOP6 MOV P2,#01H MOV P0,#01HACALL DELAY3LJMP BAIBAI:JB SP8,LOOP7JB SP6,L

25、OOP5JB SP7,LOOP6MOV P2,#02HMOV P0,#02H LJMP MAINDELAY3:MOV R0,#01H DEL7:MOV R1,#01HDEL8:MOV R2,#10HDEL9:DJNZ R2,DEL9DJNZ R1,DEL8DJNZ R0,DEL7RETMAIN:LJMP MAIN2 MAIN2:MOV P0,#0FFHMOV P1,#0FFHMOV P2,#0FFHJNB SP1,LOOPJNB SP2,LOOP3JNB SP3,LOOP1JNB SP4,LOOP2JNB SP5,LOOP4LJMP MAIN2LOOP:;前進MOV P2,#01HMOV P0

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27、Y MOV P2,#02H MOV P0,#01H ACALL DELAYLJMP MAIN2LOOP4:MOV P2,#00HMOV P0,#00HCPL P1.0;蜂鳴器 CLR P1.1;風扇 SETB P1.2;風扇 ACALL DELAY1 JNB SP5,LOOP4 MOV P2,#02H MOV P0,#01H ACALL DELAYMOV P0,#0FFH MOV P1,#0FFH MOV P2,#0FFH LJMP MAIN1DELAY:MOV R0,#04HDEL1:MOV R1,#0FFHDEL2:MOV R2,#0FFHDEL3:DJNZ R2,DEL3DJNZ R1,DEL2DJNZ R0,DEL1RETDELAY1:MOV R0,#10HDEL4:MOV R1,#0FFHDEL5:MOV R2,#0FFHDEL6:DJNZ R2,DEL6DJNZ R1,DEL5DJNZ R0,DEL4RETEND附錄二實物圖