灭火机器人论文.doc
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加密号：
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加密号：
赛区统一编号：
HLJ-A-196HGC-A-004
学校名称：
黑龙江工程学院
队长姓名：
队员姓名：
指导教师姓名：
2012年8月
摘要
本系统使用8位MCU单片机为控制单元，配合寻迹绕开障碍物，使用火源传感器对火源进行寻找，反馈信号给MCU进行调整，寻火系统形成一个闭环系统，驱动风扇进行灭火。
完成题目基本任务的
（1）
（2））（3）（4）。
本系统考虑了小车重心、低功耗，稳定性能并且较经济的思路进行设计。
本题目小车能到消防场地任意地点进行灭火。
以蜡烛模拟火源随机分布在场地中，机器人小车自主进行寻火，灭火，反库，用时尽量少。
关键词：
超声波测距；智能消防小车；火源传感器
一、设计任务：
1.基本要求
（1）在场地中随机放置一只蜡烛。
消防车从车库启动，计时开始，消防车同时发出出库声音提示。
消防车从车库出口驶出车库，自动行走到距离火源10cm以内区域，发出火警声音提示，停车3秒钟。
（2）消防车执行灭火工作，灭火完毕后，发出火灭声音提示。
（3）消防车经由车库出口自动返回到车库，停稳后，发出返库声音提示，计时结束。
（4）上述过程用时尽可能少。
2.发挥部分
（1）在场地中随机放置三只蜡烛。
消防车从车库启动，计时开始，消防车同时发出出库声音提示。
消防车从车库出口驶出车库。
（2）消防车能够找到一个火源，并自动行走到距离火源10cm以内区域，发出火警声音提示，停车3秒钟。
然后消防车执行灭火工作，灭火完毕后，发出火灭声音提示。
（3）再寻找下一个火源，重复过程
（2），直到三个火源都被扑灭。
（4）扑灭三个火源后，消防车经由车库出口自动返回到车库，停稳后，发出返库声音提示，计时结束。
（5）上述过程用时尽可能少。
（6）其他。
3.创新设计
1.小车整体结构构架好，自主设计，小车采用两层结构，分放不同模块，每个接线都贴签，进行调试修改容易。
2.自制灭火风扇，并采用三极管放大电路供电，最大限度加快电机转动速度。
3.以7805芯片为核心稳压设计，使用L298N为核心的电机驱动设计，确保系统的稳定性。
4.从出库到寻到火源期间一直在寻找火源，出库转弯后，在第5竖线，第3横线交口处原地旋转360度寻找火源，如果找到，终止旋转，没找到便搜索障碍物后方火源。
确保除车库及障碍物以外场地内任意地点寻到火源。
5.寻迹、寻火采用闭环系统，保证寻火的稳定性。
二、方案比较与论证：
2.1总体设计方案
总体方案为：
整个电路分为电源模块、单片机控制模块、电机驱动模块、寻迹传感器模块、火源传感器模块、超声波模块、风扇模块主要共七个模块。
利用对TCRT5000对路面信号进行探测，利用火源传感器检测火源信号，经过处理后，将其信号传给单片机控制模块进行处理分析，输出相应信号给驱动电机模块驱动电机转动来控制小车的整体运动。
系统方案框图如图2-1所示。
单片机控制系统
电机驱动电路
蜂鸣器模块
风扇模块
火源传感器模块
寻迹传感器模块
超声波模块
5V电源模块
7V电源模块
5V电源模块
图2-1系统方案框图
2.1.1小车的方案设计与论证
方案1：
自己制作电动小车（包括车体），组装合适的电机及驱动板，自制探测器，利用开发板做控制驱动小车。
但自己制作的小车，平衡不能保证，车的性能不好，重量不均。
小车的一体电路设计，比较难良好地实现。
方案2：
购买专用用带有万向轮的小车。
曾经用过该类型小车，万向轮方向存在不确定性。
方案3：
购买专用履带小车，具有组装完整的车架车轮，和完整的电机装配以及电机驱动板。
用自制模块或购买完整传感器模块，用自制单片机最小系统板控制小车运动。
专用电动车装配紧凑，运行稳定，承重高，底盘低重心低。
安装电路板方便且规整，美观。
我们不用在考虑电机装配和电机驱动的设计。
综合考虑，我们选定方案3作为我们的第一步方案。
2.1.2电源模块
本系统中，需要用到的电源有单片机最小系统5V，L298N芯片的电源5V，超声波电源5V和电机的电源7-20V。
所以电源的提供必须准确和稳定可靠。
方案1：
用三块蓄电池给超声波和小车供电，和单片机及其它模块供电，用蓄电池需要买充电器，整体需要高的价钱，为降低成本，不选该方案。
方案2：
由于超声波模块输入输出是方波模拟量，其他模块对其干扰特别大，用四节干电池为超声波供电，用八节干电池为电机单独供电，免去了分压，而且模块间干扰小，八节干电池通过AM1117，进行降压到5V,能够保证单片机和其它模块的持续供电，电量充足。
通过方案分析对比，考虑降低成本，选择方案2。
2.1.3单片机控制模块
方案1：
采用ARM芯片，运行速度快，功能强大。
团队ARM技术水平初级，控制不好。
方案2：
采用STC89C52作为主控制芯片，该芯片有足够存储空间，可以方便的在线下载程序，反复烧写达十万次，方便。
该芯片使用简单灵活性高且价廉。
降低成本。
技术广泛，成熟。
2.1.4电机驱动模块
方案1：
采用步进电机作为该系统的驱动电机步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适合小车等有一定速度的系统。
方案2：
采用直流电机作为该系统的驱动电机直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两个控制线加上合适的电压即可使电机转动起来，电压越高电机转速则越高。
改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的运行状态。
综合考虑，本设计采用了方案2。
2.1.5寻迹传感器模块
方案1：
采用光敏电阻和二极管配合，受外界干扰比较大，对地面平整要求较高。
方案2：
采用红外对管，由于只分辨黑白，红外光电对管利用白色反光，黑色吸光原理，并且红外光直线性强，稳定性高，速度快，电路简单成本低，方便操作。
综合分析，我们采用方案2.。
2.1.6火源传感器模块
方案1：
采用热敏电阻，和光敏电阻作为传感器，在一定范围内空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生变化，光敏电阻受外界干扰比较大，抗干扰能力极差，误差偏大，不能准确测定火源位置。
方案2：
采用红外接受二极管，红外接收二极管将外界红外光的变化转变为电流的变化，利用LM324进行电压比较，后输出数字开关量。
红外火焰传感器可以用来探测火源或其他一些波长在760nm~1100nm范围内热源，谈成为角度达60度，红外光波长在940nm近时，其灵敏度最大。
比较两种方案，方案2，受外界干扰小，容易探测到火源，因此我们选用方案2。
2.1.7超声波模块
方案1：
红外避障，对障碍物要求近距离。
方案2：
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。
超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用单片机作方波发生器方便有效。
2.1.8风扇模块
方案1：
采用电机驱动模块来驱动会使得结构复杂，故障率高，维修不方便。
方案2：
直接利用三极管驱动直流电机。
将电机放在三极管的射极，然后再基极加上一个限流电阻即可驱动电机正常工作，方案电路简单，容易实现，减少器件使用，降低故障率。
同时驱动效率大，稳定性好。
如果想放大更多，可以采用多个三极管并联供电的方式。
综合考虑，选用方案2。
2.2最终方案确定
经过反复论证，确定方案如下：
1．车体是购买专用履带电动车。
2．采用3+4+8节干电池供电。
3．采用STC89C52单片机为控制器。
4．用红外探测传感器作为寻迹传感器。
5．用火源传感器来寻火源。
6．采用三极管放大电路驱动风扇模块。
三、硬件设计分析与计算
3.1系统技术路线及功能简介
本系统利用单片机STC89C52单片机作为系统的主控模块，采用反射式红外传感器识别黑线轨迹，用红外火源传感器检测火源，超声波传感器测量规定区域，由单片机对传感器识别到的信号加以分析和判断，通过对直流电机的控制来实现自动寻迹并灭火，系统工作技术路线图如图3-1所示：
图3-1系统工作技术路线图
3.2电源模块
用为保证单片机正常工作，所以用4节干电池为系统供电。
再用三端稳压管转换为电机和单片机需要的电压,单片机需要5V的电压，所以使用7805为其供电。
电动机使用8V的电压，6个干电池串联直接为其供电。
超声波5V，3个干电池直接为其供电。
3.3红外寻迹传感器
该智能灭火小车在路过黑线的路面上时，由于黑线和路面对光线的反射系数不同，可以根据接收到反射红外线的强弱来判断黑线。
在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法------红外探测法。
经过多次测试、比较，发现把TCRT5000传感器安装在距离检测物表面6~8mm时，检测效果最好，因为5mm以下是它的检测盲区，而大于10mm则很容易受另外的光电管的干扰。
红外寻迹传感器原理图如图3-2所示：
图3-2红外寻迹传感器原理图
图中可调电位器阻值来调节比较器的门限电压，可方便的调节传感器的灵敏度。
用此电路作为传感器检测与调理电路。
3.4L298N电机驱动
JP1为逻辑输入端，为IN1\IN2\IN3\IN4，其中IN1、IN2控制电机M1:
IN3、IN4控制电机M2。
UIA-UID为TLP521-4光隔离，保护因电机启动停止瞬间产生的尖峰脉冲对主控制器的影响。
RN1、RN2为上下拉电阻.D1-D8为续流二极管IN4007。
驱动电路如图3-3所示：
图3-3电机驱动电路
3.5红外火源传感器
远红外火源传感器能够探测到波长在700nm~1100nm范围内的红外光，探测角度为60，其中红外光波长在900nm附近时，其灵敏度达到最大。
原理如3-4所示：
图3-4红外火源传感器模块原理图
3.6风扇模块
灭火风扇的驱动电压为+7V,为了增强驱动能力，我们用三极管8550做驱动电路用来加大驱动电流。
在IN处接单片机的IO口，通过IO口输出高低电平来控制灭火风扇的启动和停止。
灭火风扇驱动电路如图3-5所示：
图3-5灭火风扇驱动电路
四、软件设计
在进行微机控制系统设计时，我们根据单片机的具体情况使用KeilC51软件，采用主流
初始化
测距停车3S,风扇灭火，回库
直走3线左转90°
直走4线左转90°
直走2线原地360°
直走1线左转90°
有火吗
有火吗
出库铃响
有火吗
有火吗
开始
结束
图4-1消防小车系统总体流程图
设计语言C语言对单片机进行编程实现各项功能。
C语言功能丰富，表达能力强，目标程序效率高，可移植性好，既具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点，应用十分广泛。
消防小车系统总体流程图如4-1所示：
五、测试方案与测试结果：
首先我们按模块测试超声波测距模块，10cm以内为盲区，盲区测量显示数据：
实际距离
超声波实测量
实际距离
超声波实测量
1cm
95—97
6cm
144—147
2cm
105—107
7cm
155—156
3cm
115—117
8cm
165—167
4cm
125—126
9cm
175—177
5cm
134—137
10cm
185—186
火源传感器模块对蜡烛火焰测量范围：
实际距离
火源传感器实测量电压
实际距离
火源传感器实测量电压
10cm
4.98V
60cm
2.34V
20cm
4.88V
70cm
1.92V
30cm
4.72V
80cm
1.45V
40cm
3.77V
90cm
1.15V
50cm
2.89V
100cm
0.96V
六、结论、心得体会
6.1结论
在小组成员的共同努力下，通过大量测试调试表明，小车能够较好的完成题目要求的基本要求。
我们在完成基本任务的基础上想更好的方案。
尽可能的减小时间。
消防小车从硬件到软件都以达到预期的目的。
由于时间关系对于更好的方案有待讨论。
6.2小组心得体会
通过这次全国大学生电子设计大赛，我们从中收获了很多宝贵的知识，提高了团队协作能力，增强了团队意识。
对于做控制类小车题目的我们来说，需要很强的动手能力，我们在做车的过程中受益匪浅。
更让我们了解大赛的整个过程和在比赛中应注意的问题，以及避免问题的方法，和对于应急事件的处理。
这对于我们毕业进入社会有着很大的帮助。
经历了比赛期间，也锻炼了我们的意志力与坚定信心的能力，让我们在压力下，一步一步接近成功。
欢乐与汗水伴随着我们成长。
电子大赛是有意义的，我们应该继续发扬大赛的精神，鼓励大学生电子设计，提高大学生的创新意识。
感谢大赛组织者，和有关大赛的工作人员，祝愿电子大赛越办越好，更上一层楼，每一年都是一个突破。
附录一：
总原理图
附录二：
基本元器件清单
基本元器件清单
电阻150欧姆
15
扇叶
1
电阻200欧姆
13
蜂鸣器
1
电阻10K欧姆
16
排针
若干
电容104uF
8
跳线
若干
电容100uF
6
IN5819
1
二极管IN4007
8
LED
9
三极管8550
6
STC89C51
1个
三极管1912
3
红外接收管
3个
L298N
1
电路板
若干
4．7K阻排
2
12M晶振
1
四位一体光耦管
1
开关按键
3
电位器103
8
超声波传感器
1
TCRT5000
5
单片机插座
1
直流电机
1
电池盒
3
附录三：
总程序
#include//包括一个52标准内核的头文件
#include
#defineucharunsignedchar//定义一下方便使用
#defineuintunsignedint
#defineulongunsignedlong
charflarg=0;//flarg变量标志位,bug火焰规定寻迹标志位
uinti=0,m=0,j=0,n=0,k=0,l=0,aa=0,aaa=0,ii=0,iii=0,t=0,h=0,r=0,w=0,ww=0,www=0,tt=0,kk=0,hh=0;//aa,ii,蜂鸣器子程序变量
sbitP02=P0^2;//左边火焰传感器
sbitP03=P0^3;//右边火焰传感器
sbitP04=P0^4;//中间火焰传感器
sbitP10=P1^0;//超声波发射
sbitP12=P1^2;//控制左电机
sbitP13=P1^3;//控制左电机
sbitP14=P1^4;//控制右电机
sbitP15=P1^5;//控制右电机
sbitP16=P1^6; //电机使能EA
sbitP17=P1^7; //电机使能EB
sbitP20=P2^0;//寻迹中
sbitP21=P2^1;//寻迹右前
sbitP22=P2^2;//寻迹右
sbits40hHz=P1^0;
sbitP31=P3^1;
sbitvoice=P3^0;
uints,t;//s为测量距离（单位:
mm）,t为测量时间（单位:
us）
uchard[4];//显示缓存
uchartemperature;//当前温度值,单位为摄氏度
ucharsign_failure;//测量失败标志
ucharsign_complete;//测量完成标志
//-------------延时程序---------------//
voiddelay（uinta）
{uintx,y;
for（x=a;x>0;x--）
for（y=110;y>0;y--）;
}
//--------------电机驱动程序运行-----------//
voidfun1（） //直走
{P12=0;P13=1;P14=0;P15=1;}
voidfun2（） //后退
{P12=1;P13=0;P14=1;P15=0;}
voidfun3（） //右走
{P12=0;P13=1;P14=1;P15=1;}
voidfun4（） //左走
{P12=1;P13=1;P14=0;P15=1;}
voidfun5（） //停车
{P12=1;P13=1;P14=1;P15=1;}
voidfun6（）
{P12=1;P13=0;P14=0;P15=1;} //原地右转
//-------------蜂鸣器出库，查火源，火灭，进库----aa,ii-----------//
voidchukuxiang（）
{while（aa==0）
{ for（ii=0;ii<100;ii++）
{voice=!
voice;delay（20）;}
aa=1;
}
}
voidhuoyuanxiang（）
{while（aaa==0）
{for（iii=0;iii<100;iii++）
{voice=!
voice;delay（30）;}
aaa=1;
}
}
voidhuomiexiang（）
{while（aa==0）
{for（ii=0;ii<100;ii++）
{voice=!
voice;delay（80）;}
aa=1;
}
}
voidjinkuxiang（）
{while（aa==0）
{for（ii=0;ii<100;ii++）
{voice=!
voice;delay（100）;}
aa=1;
}
}
=====================
voidsend_wave（）
{ucharz;
for（z=0;z<8;z++）//40kHz
{s40hHz=0;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
s40hHz=1;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;
}
}
//=========================================
voidmeasure（）//超声波测距子函数
{sign_failure=0;//测量开始,清测量失败标志
sign_complete=0;//测量开始,清测量完成标志
TH2=0;TL2=1;
TR2=1;//计时开始
send_wave（）;
while（sign_complete==0）//等待测量完成
{display
（1）;
if（sign_failure）//若T2溢出也未能检测到回波（65.536ms×314m/s=20.5m）,测量失败
{
TR2=0;
s=0;
return;
}
}
TR2=0;
s=t*0.157;//s=314000*（t*0.000001）/2;
}
//=========================================
voidchaoshengbo（）
{uchard=0;
T2CON=0x09;//T2工作在捕获状态
EA=1;//开总中断
ET2=1;//使能定时器2中断
s=0;
while（d==0）
{measure（）;
display（80）;
if（s<=160）{fun5（）;huoyuanxiang（）;delay（2000）;P31=0;delay（10000）;}
P31=1;d=1;
}
}
//--------------------火焰子程序----------------------------//
voidxunhuoyan（）//有火焰为1；
{ucharo;
if（（P02==0&&P04==0&&P03==1）||（P02==0&&P04==1&&P03==1））{for（o=0;o<31;o++）
{delay（10）;fun3（）;}}
if（（P02==1&&P03==0&&P04==0）||（P02==1&&P03==0&&P04==1））{for（o=0;o<31;o++）
{delay（10）;fun4（）;}}
if（P02==1&&P03==1&&P04==1）{for（o=0;o<31;o++）
{delay（10）;fun1（）;w=1;r=1;ww=1;www=1;chaoshengbo（）;fun2（）;}}
}
//---------------------出库三个线左转九十度---i,m,n,w,c,----------//
voidchuku（）
{charc=0;
while（w==0）
{if（P20==0）{flarg=1;delay（20）
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