灭火机器人.doc

毕业设计（论文）

课 题 灭火机器人
所属教学单位
专 业 电子设备与运行管理
年 级
学 号
姓 名
指导教师

2011 年 11 月 22 日

摘要
随着社会的进步，机器人技术的不断深入使得机器人的应用领域不断扩展，从以往的多应用于工业领域而渐渐融入人们的生活，消防机器人作为消防部队中的新兴力量，加入了抢险救灾的行列。而为了更好的为生产生活服务，灭火机器人技术的优化势在必行。
本设计中智能灭火机器人采用AT89S52单片机作为检测和控制的核心，实现机器人的智能控制，包括寻迹、寻找火源、躲避障碍接近火源、启用风扇灭火等功能。火源探测使用红外传感器，障碍物判断采用集成红外传感器，电机采用直流电机。电机控制核心采用AT89S52单片机，控制系统与电路用电耦合器完全隔离以避免干扰。实现的功能是：从安全区域出发，自动寻找火源并选择路线灭火，避开障碍物接近火源，启用风扇吹灭火源后结束。
关键词：寻迹，寻找火源，躲避障碍，吹灭火

目录
第一章 课题设计的目的、要求及意义 1
1.1课题的目的 1
1.2 要求及意义 1
1.2.1 要求 1
1.2.2 意义 1
第二章 系统整体方案设计 2
2.1 设计思想 2
2.2 系统硬件设计 2
2.3 方案论证与比较 2
2.3.1 车体 2
2.3.2 寻迹 2
2.4 系统软件设计 3
第三章 硬件设计 4
3.1 外形设计 4
3.2 检测黑线的设计 4
3.3 避障电路 4
3.4感光传感器 4
3.5 火焰传感器 5
3.6 电机驱动芯片L298N 5
3.6.1 外形及封装 5
3.6.2 电机驱动电路 6
3.7 单片机AT89S52 6
3.8 电源部分设计 7
3.9灭火部分设计 7
3.10 灭火与报警 7
3.10.1灭火驱动电路 7
3.10.2声音报警电路 8
3.11 火焰定位 8
3.12灭火方式 9
第四章 软件设计 9
4.1软件设计思路 9
4.2 灭火机器人行进线路分析 9
4.3 软件流程图 10
第五章 制作与调试 11
5.1 制作流程 11
5.2 系统调试 11
第六章 结论 12
感想（个人心得） 13
致谢 14
参考文献 15
附录一 程序清单 16
附录二 实物图 20
19
灭火机器人 19
第一章 课题设计的目的、要求及意义
1.1课题的目的
制作一个消防智能机器人模型，能在指定的区域进行抢险灭火工作。以蜡烛为模拟火源，智能机器人从安全区域出发自动寻找火源，若寻到火源发出语音提示并启动风扇灭火。
1.2 要求及意义
1.2.1 要求
1. 通过各种渠道，搜集和检索信息资料，进行分析、归纳、整理及研究，以指导课题方案的确定。
2. 具备设计方案、设计场地、模拟火源。
3. 制作出一个消防智能机器人模型，并具有寻迹、避障、自动寻找火源灭火、能进行语音提示的功能。
4. 完整的、符合规范的技术说明（论文）。
1.2.2 意义
1. 智能灭火机器人的应用而生，实现了对安全防护的质的提高，大大地降低了消防人员的危险。如果在配以各种接口传感器可以实现系统的智能化。则无论在安全防护领域、工业控制领域、医疗卫生领域、还是在国防军事领域、航天航空领域，微控制器都起着举足轻重的作用。
2. 通过这次的设计，能进一步的加深对所学的基础理论、基本技能、专业知识的应用和掌握，使之系统化、综合化。
3. 这样的制作更能培养独立工作、独立思考和综合运用已学知识解决实际问题的能力，尤其培养独立获取新知识的能力。
4. 培养了实践能力，初步掌握了制作东西时的基本方法。

第二章 系统整体方案设计
2.1 设计思想
根据灭火场地的规则要求，配以避障传感器、火焰传感器和光敏传感器。通过两路PWM控制两只电机以驱动灭火机器人灭火。
2.2 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，本次设计用的主控芯片使用了AT89S52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2-1所示：
小车电机驱动

AT89S52

风扇
电机
传感器
模块
传感器
模块
电源模块

2-1系统设计总框图
2.3 方案论证与比较
2.3.1 车体
方案一：采用四轮的车体，车体太大，灵活性差。
方案二：采用两轮的车体，方便、易于控制、灵活性好。
综上所述：采用方案二
2.3.2 寻迹
方案一:黑布做场地，用以30Х40cm的白条作为格子，在寻迹的过程中发现黑布太软，容易起褶皱，不利于小车寻迹。
方案二:白纸做场地，用以黑条作为格子，在寻迹的过程中由于交叉路口太多，影响了对车的控制。
方案三：白纸做场地，用黑条做小车的跑道，而且跑道几乎包含了大半个场地，在寻迹时没有交叉路口，利于小车寻迹。
综上所述：采用方案三
2.4 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。程序设计采用汇编语言编写，编程环境是keil编译器的集成编译环境。灭火机器人的软件设计结构框图如2-2所示：
灭火机
器人系
统软件
电机控
制模块
转弯子程序
前进子程序
停止子程序
光敏子程序
避障子程序
火焰子程序
传感器
模块

2-2系统软件设计框图

第三章 硬件设计
3.1 外形设计
3.1系统总体机械结构清单：
1
火焰传感器
2
光敏传感器
3
避障传感器
4
寻迹传感器
5
电源
6
小车后轮（万向轮）
7
直流电机
8
小车前轮
9
电源模块电路板
10
电机驱动电路板
11
最小系统模块电路板
3.2 检测黑线的设计
黑线检测将寻迹传感器放在底盘前方，这样检测比较精准，只是考虑到场地的地面不一定完全黑白分明，所以在连接电路时，要做成可以调节探测距离的电路，完成之后调节传感器使得小车能够准确探测到黑线，从而做出正确的动作。
3.3 避障电路
为了能够使小车快速地找到火源，就要求避障系统比较灵敏，遇到障碍物迅速躲避，对于避障传感器有以下介绍：
原理与功能
红外避障传感器（以下简称红外）。红外具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射一定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物（发射面）时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到机器人主机，机器人即可利用红外波的返回信号来识别周围环境的变化。
应用介绍
红外是通过发射端发射红外信号，接收端接收由障碍物发射回来的红外信号，来判断障碍物。
3.4感光传感器
灵敏度高、响应速度快、检测距离可调、寿命长、工作稳定可靠。
3.5 火焰传感器
灵敏度高、响应速度快、输出信号大、寿命长、工作稳定可靠。电路图如3-1所示：

3-1火焰传感器原理图
3.6 电机驱动芯片L298N
L298N是SGS公司的产品，内部包含4通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机专用驱动器，即内含二个H桥的高电压大电流双桥式驱动器、接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46V、2A以下的电机。其引脚排列如图U4所示，1脚和15脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298可驱动2个电机，OUT1、OUT2和OUT3、OUT4之间分别接2个电动机，5、7、10、12脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA,ENB接控制使能端，控制电机的停转。也利用单片机产生PWM信号接到ENA,ENB端子，对电机的转速进行调节。
3.6.1 外形及封装

3-2外形图

3-3封装图
3.6.2 电机驱动电路

3-4电机驱动电路图
3.7 单片机AT89S52

3-5单片机AT89S52图
3.8 电源部分设计
电源部分，使用2节蓄电池串联，但是这样电池的电压为7.5V，而总体电路需要5V的电压，这样就要用到电压调节模块对电压进行调节，最后调节成5V电压，为电机和整个系统供电。
风扇则单独供需12V电压，这样才有足够的风力吹灭火源。

3-6直流5V电路图
3.9灭火部分设计
最后小车找到火源,用什么方法来灭火,最直接的方法是用风扇,而这也是最有可能实现的办法。定下的方案是用PWM控制风扇，当检测到蜡烛的光时，使得风扇开始旋转灭火。火灭之后，风扇再停止。
3.10 灭火与报警
3.10.1灭火驱动电路
灭火风扇的驱动电路如图所示。其中Port1，Port2分别接到单片机机P1.1、P1.2接口上。单片机输出Port1，Port2控制信号用以驱动灭火电机动作。由于选用的是增强型MOS管，所以，当Port信号为高时，MOS管在vcs下开始工作，MOS导通，风扇开始动作，进行灭火；当Port信号为低时，由于增强型MOS管特点，vcs= 0时，i0= 0。此时，MOS截止，风扇不动作。

3-7灭火驱动图
3.10.2声音报警电路
当灭火机器人找到火源后，会产生声音报警，同时启动风扇进行灭火，其中的声音报警如图所示。控制信号为“SPEAKER”,接至单片机的I/O口的P1.0脚。当“SPEAKER”为高电平时，三极管基极为高电平时，此时，三极管处于截止状态，蜂鸣器不工作；当“SPEAKER”为低电平时，三极管处于放大工作状态，驱动蜂鸣器，开始发声，蜂鸣器工作。

3-8声音报警图
3.11 火焰定位
火焰定位包括寻找火焰和火焰定位两个部分。
机器人寻找火焰一般采用火焰传感器作为探测工具，为了准确、快速地确定火焰位置，可采用多种方式对火焰传感器进行改进，以下是常用的一些改装方案。
a 火焰探头的串联和并联：提高探头灵敏度。
b 火焰传感器分布在机器人的前左右，可快速定位火焰。确定火焰方向后可直接朝火焰方向前进，节省灭火时间。
3.12灭火方式
机器人灭火设计对灭火方式没有一定限制，但不能使用任何危险的或可能破坏场地的方法或物质来灭火（如通过燃放爆竹产生冲击来使蜡烛熄灭），也不能通过碰到蜡烛的方式来灭火。也可以运用类似水、空气、二氧化碳，由于采用风扇的方式简单可靠易行，因此大多数用户都采用风扇这种方案。

第四章 软件设计
4.1软件设计思路
根据总体设计的思想及本系统实现的功能，在软件设计中完成以下功能。
小车进入场地后寻迹，寻迹的过程中若火焰传感器感应到火源，则朝火焰的方向行驶；如果光敏传感器有信号输入时，小车停止，蜂鸣器响，驱动风扇灭火；若没有火焰信号输入，继续寻迹。
4.2 灭火机器人行进线路分析
小车处于起点，沿着黑线行驶，在沿黑线行驶的过程中，如果有火源，朝火源的方向行驶，火灭后，小车后退，继续寻找黑线，沿黑线行驶。

4.3 软件流程图
开始
寻迹
向左转朝火源行驶
向右转朝火源行驶
停止、报警、灭火
转
判断火焰传感器是否有信号
光敏传感器是否有信号
判断那边信号

4-1 程序流程图

第五章 制作与调试
5.1 制作流程
整个系统制作的主要流程如图5-1所示：
系统方案设计
硬件电路设计
硬件电路连接
程序设计
整机调试
系统完善

5-1 制作流程图
5.2 系统调试
可以分为硬件调试和软件调试两个放面。
硬件调试：
1．电源：通过万用表测试，电压全部在正常工作范围内，芯片与电机、风扇均可正常工作。同一个电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），否则会让两个接地端有压降。
2．单片机最小系统：当给定某个I/O口的管脚赋高低电平后，用万用表测试，也能测试到对应的高低电平。
3．单片机（程序调试）：功能部分直接看输出结果。
4．驱动电路：将驱动电路与单片机连接，用单片机发送指令，直流电机可以正、反转。
5．传感器电路：将传感器电路与单片机连接，用单片机接收传感器反馈信号，给红外传感器两端附近放置障碍物，可以检测出来并发出预警信息；给红外传感器两端附近放置火源，可以检测出来并预警信息。
软件调试：
软件调试分模块分别进行调试。编写每个模块的程序，测试单个模块是否能实现预想的功能。若出现没有调试成功，可以根据观察到的现象来修改程序。单独模块调试成功后，把所有硬件电路连接好，再用完整的程序对整机进行调试。
调试结果
经过硬件调试和软件调试，作品基本达到设计要求，在规定时间内，能迅速找到火源并报警，同时启动风扇进行灭火。

第六章 结论
本作品已经完全达到系统设计目标，可以很好的完成火源的实时检测并自动报警进行灭火操作。灭火小车对于人类来说有很重要的作用，可以在危险的火灾现场区域进行实时避障检测火灾着火点，并进行自主灭火，大大降低了伤亡率。
但现在还有一些不尽如人意的地方。比如：
在实时检测过程中，由于程序反复循环次数过多，内存积攒到一定程度，有可能导致程序跑遍，使得灭火小车不能正常工作。想增加内容但对程序要求很高，不易实现，因为要求是实时检测，如果程序太复杂，会让单片机读取传感器信号的时间加长，影响实时检测。

感想（小组成员心得）
通过这次设计的综合实践，让我了解了一个项目从设计到完成所经历的所有过程，对项目的设计制作过程与制作工艺都有了进一步的了解，现在我才知道原来一个项目的完成是件不容易的事，需要我们每个人的共同努力而完成的。
这次设计综合实践对我来说意义重大，不仅增长了我的见识，而且丰富和扩充了我的经验和知识，提高了我的动手能力，锻炼了我的耐力，培养了我独立思考的能力，增强了我的自信，也更让我明白了团结合作的力量，团队能力的强大。有了这些宝贵的经验，在以后的工作中我将少走很多弯路，也将更好更快的完成自己的任务。
在刚开始时，我只是先把最基本的东西完成（硬件部分），而且里面还有一些问题，但同时我又从寻迹这块开入手，我就打算先把这个模块做成功，然后再对硬件进行近一步的改进，接下来的一段时间里，就主要对这个模块进行不断的改进和调试，最后通过好多次的调试把这一个模块才完成。接下来就是寻火避障，这个程序就比较容易一点，因为前面做完那个程序的后对硬件的特点已经很是了解了，所以这个程序没用多长时间就调试好了，当然这两个子程序的完成老师也给我们指导了很多。
有了前面的两个子程序，这次的项目设计也就进入到了最难的阶段（综合调试），在这个时候我才发现在前面的好多硬件都很难被综合，于是我好象又像从头一样，做硬件，就一个场地就弄了四次才满意，同时也在不停的调试程序，这个时候老师也经常给我们指导，但是在综合一开始由于硬件的改变两个子程序也分别进行了改进。有时候给我的感觉就是没有进度只有后退，其实后面才意识到表面的前进并不是真正的前进，表面的后退也不是真正的后退（有时候后退也是一种前进），在后退了好多天后，终于在一个星期五的晚上灵感一来综合程序被我写出来了（灵感真是个好东西），而且结果还是很满意的，这时候让我感觉到成功离我只有一步之遥了，接下了就是信心大增，用了周末两天进行最后的调试，谁知道还是星期五写的那个程序只是有一点改变，知道问题所在但是就是没有办法解决，这个让我很是头痛，最后还是要老师出马给我指点迷津了，硬件问题（寻迹传感器），只知道调程序就把硬件给忘了，最后满意的结果出来了，这个项目设计也就基本完成了。
这次项目设计的综合实践我最大的感受就是：最难得不是硬件的连接，也不是软件，而是把软件和硬件很好的结合起来，让他们发挥出个自的作用，最好的成功不是一帆风顺，而是不停的前进前进，后退后退，从而收货成功。

致谢
本设计完成能够顺利，还承蒙老师的指导和帮助。在设计过程中，老师给予了悉心的指导，最重要的是给了我们解决问题的思路和方法，并且在设计环境和器材方面给予了大力的支持和帮助，在此，我们对老师表示最真挚的感谢！同时也感谢我们组的每一位成员。
最后感谢老师在百忙之中抽出时间对本报告进行了评阅！

参考文献
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[2]陈伯时.运动控制系统[M].北京:机械工业出版社,2009.
[3]陈建元.传感器技术[M].北京：机械工业出版社，2008.
[4]蒋新松.机器人与工业自动化[M].石家庄:河北教育出版社,2003.
[5]倪星元.传感器敏感功能材料及应用[M].北京:化学工业出版社,2005.
[6]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.
[7]万永伦 丁杰雄.一种机器人寻线控制系统[J].电子科技大学学报,2003,32(1).
[8]余国卫 谭延军.基于AT89C51单片机的火灾自动报警系统[J].微处理机.2006-10,5.
[9]李彬,陈帝伊,马孝义.智能灭火机器人系统的设计与实现[J].机械与电子,2010，（1）：57-61.
[10]张景川,刘立阳,傅家祥.新型灭火机器人的设计与实现[J].电脑知识与技术,2008,4(35):2246-2248.

附录一 程序清单
SP8 EQU P3.4;寻中
SP6 EQU P3.5;寻左
SP7 EQU P3.6;寻右
SP1 EQU P3.0;寻火
SP2 EQU P3.7;蔽障
SP3 EQU P3.1;左转
SP4 EQU P3.2;右转
SP5 EQU P3.3;光
ORG 0000H
MAIN1:
MOV P2,#01H
MOV P0,#01H
JNB SP8,LOOP7
JNB SP6,LOOP5
JNB SP7,LOOP6
LJMP LOOP0
LOOP7:;前进
MOV P2,#01H
MOV P0,#01H
JNB SP6,LOOP5
JNB SP7,LOOP6
JNB SP3,MAIN
JNB SP4,MAIN
LJMP LOOP0
LOOP5:;左转
MOV P2,#02H
MOV P0,#01H
JB SP8,LOOP7
JNB SP7,LOOP6
LJMP LOOP0
LOOP6:;右转
MOV P2,#01H
MOV P0,#02H
JB SP8,LOOP7
JNB SP6,LOOP5
LJMP LOOP0
LOOP0:;3黑
JNB SP8,LOOP7
JNB SP6,LOOP5
JNB SP7,LOOP6
MOV P2,#01H
MOV P0,#01H
ACALL DELAY3
LJMP BAI
BAI:
JB SP8,LOOP7
JB SP6,LOOP5
JB SP7,LOOP6
MOV P2,#02H
MOV P0,#02H
LJMP MAIN
DELAY3:
MOV R0,#01H
DEL7:
MOV R1,#01H
DEL8:
MOV R2,#10H
DEL9:
DJNZ R2,DEL9
DJNZ R1,DEL8
DJNZ R0,DEL7
RET
MAIN:
LJMP MAIN2
MAIN2:
MOV P0,#0FFH
MOV P1,#0FFH
MOV P2,#0FFH
JNB SP1,LOOP
JNB SP2,LOOP3
JNB SP3,LOOP1
JNB SP4,LOOP2
JNB SP5,LOOP4
LJMP MAIN2
LOOP:;前进
MOV P2,#01H
MOV P0,#01H
JNB SP2,LOOP3
JNB SP3,LOOP1
JNB SP4,LOOP2
JNB SP5,LOOP4
LJMP MAIN2
LOOP1:;左转
MOV P2,#02H
MOV P0,#01H
ACALL DELAY
JNB SP1,LOOP
JNB SP3,LOOP1
JNB SP5,LOOP4
LJMP MAIN2
LOOP2:;右转
MOV P2,#01H
MOV P0,#02H
ACALL DELAY
JNB SP1,LOOP
JNB SP4,LOOP2
JNB SP5,LOOP4
LJMP MAIN2
LOOP3:;蔽障
MOV P2,#02H
MOV P0,#01H
ACALL DELAY
MOV P2,#02H
MOV P0,#01H
ACALL DELAY
LJMP MAIN2
LOOP4:
MOV P2,#00H
MOV P0,#00H
CPL P1.0;蜂鸣器
CLR P1.1;风扇
SETB P1.2;风扇
ACALL DELAY1
JNB SP5,LOOP4
MOV P2,#02H
MOV P0,#01H
ACALL DELAY
MOV P0,#0FFH
MOV P1,#0FFH
MOV P2,#0FFH
LJMP MAIN1
DELAY:
MOV R0,#04H
DEL1:
MOV R1,#0FFH
DEL2:
MOV R2,#0FFH
DEL3:
DJNZ R2,DEL3
DJNZ R1,DEL2
DJNZ R0,DEL1
RET
DELAY1:
MOV R0,#10H
DEL4:
MOV R1,#0FFH
DEL5:
MOV R2,#0FFH
DEL6:
DJNZ R2,DEL6
DJNZ R1,DEL5
DJNZ R0,DEL4
RET
END

附录二 实物图