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灭火机器人定稿学位论文
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
基于单片机的灭火机器人
指导教师：
王星封磊
学生专业：
计算机应用技术
班级：
计应1402
学生姓名：
赵凯、赵耀华、朱凯、刘栋
教研室主任：
信息工程学院
二〇一六年月日
基于单片机的灭火机器人设计
摘要
该文设计是一款基于单片机的灭火机器人模型的设计。
该设计以STC89C52单片机为控制核心的系统，通过自制火焰传感器用于火焰探测，红外光电传感器用于探测障碍物，L298驱动电机前后转动实现机器人平面运动。
该系统火焰探测采用自制的六路火焰传感器，其中是由五路远红外接收二极管和一路近红外接收二极管构成，它与目前其他火焰探测器相比，具有火焰探测精确度相对高、结构较为简单，性能可靠等优点。
避障则用E18-D50NK型号的光电传感器，该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点。
此设计以数字集成电路技术为基础并以单片机技术为核心，依据传感器的信号传入单片机实现各种指令处理。
实验结果表明，该设计具有成本低、可靠性高、灭火速度快、安装调试方便等特征，具有较好的应用前景。
关键词STC89C52单片机，光敏晶体管，红外光电开关，L298N，E18-D50NK
Firefightingrobothardwaredesignbasedonsinglechipmicrocomputer
Abstract
Inthispaper,thedesignmodelforthedesignofamicrocontroller-basedfire-fightingrobot.SystemtoSTC89C52RCmicrocontrollerforcontrolcore,innovationhomemadeflamesensorisusedtomeasurethesourceoffire,useinfraredreceiverdiodetodetecttheroadblock.
ThesystemusesixinnovationhomemadeflamesensorswhichconsistoffiveremoteInfraredreceiverdiodesandonecloseInfraredreceiverdiodetomeasurethesourceoffire,whichcompareothermeasurementswithhighprecision,simplestructure,reliableperformancecharacteristics.ObstacleavoidanceusestheE18-D50NKmodelsofphotoelectricsensor,thesensorhasalongdetectiondistance,smallinterferencebyvisiblelight,thepriceischeap,easytoassembleandconvenientuse,etc.Thisdesignisbasedondigitalintegratedcircuittechnologyandsingle-chipmicrocomputertechnologyasthecore,accordingtothesensorsignaltomicrocontrollerprocessingallkindsofinstructions.
Theexperimentalresultsshowthatthedesignoflowcost,highreliability,firefast,easyinstallationfeatures,verysuitableforlargefireriskcoefficient,hasagoodapplicationprospect.
Keywords:
STC89C52microcontroller,photosensitivetransistor,infraredphotoelectricswitch,L298N,E18-D50NK
目录
摘要1
Abstract2
第一章引言3
1.1课题的开发背景3
1.2课题的研究现状4
1.3课题研究的意义4
1.4课题任务4
第二章系统基本原理与总体方案设计6
2.1灭火机器人的基本原理6
2.2灭火机器人的整体设计6
2.3.1避障模块7
2.3.2火焰检测方案8
2.4灭火机器人的方案设计与论证10
2.5机器人各模块介绍10
2.6最终方案确定12
第三章硬件设计分析与计算13
3.1系统技术路线及功能简介13
3.2电源模块13
3.3红外寻迹传感器14
3.4L298N电机驱动14
3.5红外火源传感器15
3.6风扇模块15
四、软件设计16
五、测试方案与测试结果：
17
六、结论、心得体会18
第一章引言
1.1课题的开发背景
正如我们所知，火灾在现实生活中是非常普遍的，它被称为三大自然灾害之一。
随着经济的快速发展，不可避免的火灾在各种危险场所频繁出现，给社会安全造成了很多隐患。
如果发生灾害事故，消防员所面临的环境是高温、黑暗、有毒和浓烟等，若没有相应的设备贸然冲进现场，不仅不会完成任务，可能会徒增人员伤亡，这方面公安消防部队已历经诸多血的教训。
尤其是当新消防法出台后，抢险救援已成为公安消防部队的法定任务，面对新时期面临的新情况新任务，也为了更好地解决前述难题，显得日益重要是消防机器人的配备。
消防部队将面对的火灾和应急救援的形势相当复杂。
尤其是在高温、有毒、易燃易爆等复杂环境中，为切实增强消防部队扑救大火的能力，也为更好地保护广大官兵的生命安全，配备消防机器人已势在必行。
1.2课题的研究现状
智能小车方面：
智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。
智能汽车作为一种智能化的交通工具，体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。
机器人技术方面：
目前已经开发出了多种类型机器人机构，其结构有串联、并联及垂直关节和平面关节多种。
目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求。
同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展。
机器人控制技术现已实现了机器人的全数字化控制，基于传感器的控制技术已取得了重大进展。
目前重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，具有良好的语言及图形编辑界面。
同时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。
机器人已经实现了全数字交流伺服驱动控制，绝对位置反馈。
目前正研究利用计算机技术，探索高效的控制驱动算法，提高系统的响应速度和控制精度；同时利用现场总线技术，实现的分布式控制[1]。
1.3课题研究的意义
智能避障灭火机器人实现了对安全防护的质的提高，也大大地减低了消防人员的危险。
在智能灭火系统中应用单片机来代替人的思考，还可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，使单片机代替多余的消防人员，节省了国家不必要的支出，降低了危险。
自动灭火避障智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。
与普遍意义上的机器人相比该智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，此设计在前人研究的基础上，通过不断地学习相关的知识，力求对消防机器人设计达到更深的了解和研究，促进消防机器人在火灾中的应用并推广在相关领域的研究，使消防研究工作不断向前发展，具有很大的学术价值。
1.4课题任务
根据自动控制的基本要求，自动灭火避障智能小车必须在无人干预的情况下依靠处理器自动完成所有的系统设计要求。
灭火通过火焰检测传感器找到蜡烛，控制电机引导小车走向蜡烛附近并吹灭蜡烛。
自动避障通过红外光电开关感应前方的障碍物，程序判断处理控制小车转弯避开障碍物。
系统具体设计要求如下：
（1）实现直流减速电机的启、停、正、反控制；
（2）利用直流减速电机实现对小车的运动控制；
（3）利用稳压芯片为单片机电路系统提供稳定电压；
（4）利用红外线光电开关对障碍物的检测；
（5）利用光敏晶体管对火源的检测；
（6）通过单片机控制小车运动状态实现小车的灭火避障；
（7）通过编程检验系统程序的模块化设计。
第二章系统基本原理与总体方案设计
2.1灭火机器人的基本原理
灭火机器人灭火原理如图2-1所示。
单片机采集火焰检测模块和避障模块的信号，通过控制电机驱动模块使小车避障行驶去找寻火源，在找到火源之后，单片机控制电机停止，开启风扇灭火，从而实现对整个火灾点灭火的过程。
图2-1系统原理图方框图
2.2灭火机器人的整体设计
灭火机器人由四部分组成：
（1）数据采集模块，主要由火焰采集模块和避障模块构成，实现了灭火机器人的对各类参数的采集，是控制器核心部分；
（2）信息处理单元，用单片机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运算，并发出控制指令；
（3）人机交互单元，由按键，显示灯组成。
按键实现人机交互；可以提供丰富、直观、友好的信息界面；
（4）控制模块，控制模块主要由电机驱动电路、灭火模块等组成，实现对驱动电机运转及开启风扇灭火。
图2-2灭火机器人系统设计
图2-2中，数据采集模块对障碍物方位、火焰数据进行采集，并将数据送给MCU进
行数据处理。
MCU根据接收的信息发出控制指令控制电机或风扇工作，按键用于用户启动灭火机器人。
避障及火焰测量是灭火机器人最重要部分之一，它是实现其他功能的基本条件，这一部分性能好坏将关系到整个系统的性能，所以设计一个成本低、可靠性高、灭火效率高、调试简便的测量方案是该设计的关键。
2.3.1避障模块
方案1：
用超声波传感器进行避障。
超声波传感器的原理如图3所示：
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[2]。
但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，因为超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用模拟电路来做方波发生器比较难以实现。
而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。
因此我们考虑其他的方案，如图2-3所示。
图2-3超声波传感器原理图
方案2：
用红外光电开关进行避障。
光电开关的工作原理如图4所示：
根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。
红外光电开关操作简单，使用方便。
当有光线反射回来时，输出低电平。
当没有光线反射回来时，输出高电平[4][7]。
考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。
为了使用方便，便于操作和调试，我们最终选择了方案2。
图2-4红外光电开关测量原理图
2.3.2火焰检测方案
火焰检测有温度传感器、烟雾传感器、红外传感器、紫外传感器以及CCD传感器。
综合论证这几种传感器，因本设计使用蜡烛模拟火源，对环境温度影响小，烟雾少，排除了烟雾传感器。
考虑到易用性，排除了CCD传感器，从而主要考虑以下三种方案。
●NTC热敏电阻和光敏晶体管测量方案
如图2-5所示，利用热敏或光敏电阻的阻值随温度光亮变化的特性，将热敏或光敏电阻与线性电阻构成分压电路，当温度光亮变化时其阻值变化，进而分压变化，然后将这电压信号经过运放放大调理成0—5V的电压信号，经A/D转换变成数字信号送给单片机。
实验中发现在一定距离范围内，空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生任何变化。
光敏电阻在灯光下，易受干扰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[5][6]。
●使用紫外线传感器识别火焰方案
图2-6紫外线传感器识别方案
紫外线传感器只对185～260nm狭窄范围内的紫外线进行响应，而对其它频谱范围的光线不敏感，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。
具有灵敏度高，检测及时准确、抗干扰性强的特点。
主要缺点是价格是红外传感器的8-10倍。
●红外接收二极管识别火焰方案
图2-7红外接收二极管原理图
红外接收二极管可以用来探测波长在700nm~1000nm范围内的红外线，其中红外线波长在880nm附近时，其灵敏度达到最大。
红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电压的变化，通过电位比较器来反应高低电平的变化。
外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。
经验证红外接受二极管检测距离远，线性度好，检测准确，且体积较小在机器人设计中，红外火焰探头起着非常重要的作用，它可以用作机器人的眼睛来寻找火源或其他物体。
利用它可以制作灭火机器人、足球机器人等。
综合考虑此处选用红外接受二极管。
同时在火焰传感器模块的设计中，在车体的前头离地大约10－15cm（相当于火焰高度）处安装5个远红外火焰传感器，各个传感器之间呈45度角隔开。
由于火焰传感器的检测距离很远，为了避免小车判断不了火焰的远近的情况出现，我们设计了一路近距离火焰传感器。
只有当这路检测到火焰，灭火电机才启动。
经实验验证，系统工作稳定。
通过以上三个方案对比，方案三相对比较适合。
2.4灭火机器人的方案设计与论证
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。
2.5机器人各模块介绍
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。
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。
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。
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.。
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。
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。
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。
2.6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。
第三章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。
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3-1所示：
图3-1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3-2所示：
图3-2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3-3所示：
图3-3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3-4所示：
图3-4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：
图4-1消防小车系统总体流程图
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
通过这次毕业设计，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。
更让我们了解设计的整个过程和在设计中应注意的问题，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。
经历了设计期间，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。
毕业设计是有意义的，我们应该继续发扬这种精神，鼓励大学生自主设计，提高大学生的创新意识。
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
升级会员 