课程设计（论文）基于移动灭火机器人的研究与设计

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1、课 程 设 计 书机器人学院：电子信息工程学院专业：检测技术与自动化装置姓名：崔德权学号：091672010学年第2学期研究生课程考核（读书报告、研究报告）考核科目： 机器人控制技术学生所在院(系）：电信学院学生所在学科：检测技术与自动化装置姓名： 崔德权学号： 09167 题目：基于移动灭火机器人的研究与设计基于移动灭火机器人的研究与设计摘要：随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会安全造成了很多隐患，于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，消防救援人员固然速度已经很快，但也需要一段不小的时间，而且进入救火现场还

2、有生命危险的可能，于是消防机器人的理念诞生了，笨设计主要就是针对消防机器人的制作与研究，小车以AT89S52单片机为控制核心，加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成。电源电路提供系统所需的工作电源，专用电机驱动芯片驱动电机控制小车的前进后退以及转向，光电对管完成寻迹和避障，光敏电阻传感器检测火焰，灭火风扇进行灭火。本设计制作的消防小车具有简易灭火功能，达到了实现现场灭火的目的，设计较好地完成了课题目标。关键词：传感器；灭火机器人；直流电机；寻迹1.绪论1.1 机器人产生的背景首先我介绍一下机器人产生的背景，机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的

3、一个综合性的结果，也同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。那么什么是机器人呢？人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能

4、完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作、工作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置。但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。那么这给机器人提出来更高层次的要求，展望21世纪，机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期。1.2 机器人技术发展及现状1.2.1 机器人的发展机器

5、人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时，为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。比如说日本，战后以后开始进行汽车的工业，那么这时候由于它人力的缺乏，它迫切需要一种机器人来进行大批量的制造，提高生产效率降低人的劳动强度，这是从社会发展需求本身的一个需求。另一方面它也是生产力发展的需求的必然结果，也是人类自身发展的必然结果，那么人类的发展随着人们逐渐的这种社会发展的情况，人们越来越不断探讨自然过程中，在改造自然过程中，认识自然过程中,来需求能够解放人的一种奴隶。那么这种奴隶就是代替

6、人们去能够从事复杂和繁重的体力劳动，实现人们对不可达世界的认识和改造，这也是人们在科技发展过程中的一个客观需要。但另一方面，尽管人们有各种各样的好的想法，但是它也归功于电子技术，计算机技术以及制造技术等相关技术的发展而产生了提供了强大的技术保证。 那么机器人怎么产生的呢？这是在1920年，有一个捷克斯洛伐克的一个作家叫卡佩克，他写了一本科幻小说，叫罗萨姆的机器人万能公司。这本小说中他构思了一个和幻想了一个机器人，它的名字叫罗伯特，也就是我们英文中的Robot，它可以不吃饭，它能够不知疲劳的，不知疲倦地进行工作。在1920年前后，大家也知道是在第一次世界大战以后，是各国工业发展比较迅速的时期，我

7、们看到电影摩登时代，卓别林主演的人变成了机器人，在生产线中天天的进行劳动。人们在这种烦躁的体力劳动中就幻想有一种能代替人完成这样工作的想像、一种需要，这个小说在1924年和1927年的时候被纷纷传到了日本、法国和欧洲国家，还变成了一种当时的木偶剧和一些话剧，所以这样的一个机器人的名词就向全世界铺展开来，当时人们还认为是一个科幻小说，还没有把它跟我们日常的学习工作和生产结合起来。 在20世纪70年代到20世纪80年代初期，工业机器人变成产品以后，得到全世界的普遍应用以后，那么很多研究机构开始研究第二代具有感知功能的机器人，出现了瑞典的ABB公司，德国的KUKA机器人公司，日本几家公司和日本的FU

8、NAC公司，都在工业机器人方面都有很大的作为，同时我们也看到机器人的应用在不断拓宽，它已经从工业上的一些应用，扩展到了服务行业，扩展了它的作业空间，向海洋空间和服务医疗等等行业的使用。所以从这张图可以看出机器人发展的几个过程。 那么总结一下，我们认为，机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重

9、复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的大小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种从第一代机器人，也就存在它这种缺陷，因此，在20世纪70年代后期，人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人是类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况。 那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人

10、，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的这种智能机器人实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。 那么从三代机器人发展过程中，从另一个方面，我们对机器人从应用的角度进行了分类，比如说工业机器人，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业现场中工作的这种机器人，我们统称为工业机器人，那么从不同的应用中，到水下去作业的叫水下机器人，到空间作业的叫空间机器人，同时又存在农业、林业、牧业，对医疗机器人叫医用机器人，还包括

11、娱乐机器人，建筑和居室上用的机器人，所以从应用分类，它包括从行业、应用角度，也可以进行这样简单的分类。1.2.2 灭火机器人的发展近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这一问题，尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究被提到了议事日程。而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的保证，使得消防机器人应运而生。 从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。美国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类

12、型的消防机器人用于各种火灾场合。 我国从八十年代末期开始消防机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在消防机器人的研究中取得了大量的成果，自行式消防炮已经投入市场，履带轮式消防灭火侦察机器人也于2000年6月通过了国家验收。但是，我国消防机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意

13、义。 基于人工智能的不断发展，各项高新技术的不断成熟，在可预见的将来，消防机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡。同时也应该看到，我国在研究消防机器人方面较国外同行已落后太多，存在技术差异和代沟，消防机器人的不断研制、生产和装备过程，应坚持自主研制为主，引进为辅，提高我国消防部队消防装备现代化的水平,并及时装备消防部队，提高消防部队打赢大仗、恶仗、硬仗和特殊战役的能力，提高消防部队在处置大型复杂火灾和应急救援的作战效能, 提高消防部队的自我防护能力,减少消防指战员的人身伤亡，更好地保卫我国经济发展。1.3本文的主要内容及组织本论文设计了以ATMEGA

14、128单片机作为主控制器，光敏电阻作为本系统的火焰传感器，用ST178型光电对管进行寻线和避障，L298作为直流电机的驱动芯片。所做工作和确定的成果如下：1、以单片机ATMEGA128为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机系统、寻线系统、电机驱动系统、壁障系统、火焰检测系统以及灭火系统和各个模块间接口。2、完成主要功能模块的程序设计，分别完成对各个功能模块的程序进行调试工作。2.系统设计及方案比较根据课题设计的要求和课题目标，我制定出了系统的设计方案，并通过比较论证，选择合适的器件。最终确定手工制作小车，采用ATMEGA128单片机作为主控制器，用ST17

15、8型光电对管进行避障，TTS型热释电非接触式温度传感器作为本系统的火焰传感器，L298作为直流电机的驱动芯片的设计方案。2.1 整体方案设计课题要求设计一个简易灭火机器人模型，能到指定区域进行灭火工作（以蜡烛模拟火源，分布在小车行走的场地中）。小车必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到小车智能灭火的目的。根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、避障模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图2-1所示。 图2-1系统方框图为较好的实现各模块的功能，我分别设计了几种方案并分别进行了论证。2.2 硬件实

16、现方案2.2.1 MCU的选择近年来，单片机应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。但在开发设计中选择合适的MCU带来了很大的困难。方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。且从使用及经济的角度考虑我放弃了此方案。方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结

17、构简单、中断处理能力强等特点。处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。本系统主要是进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制，兼有声音报警。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。方案3：采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具

18、有256 bytes的随机存取数据存储器（RAM），32个IO口，2个16位可编程定时计数器。且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以向单片机中下载程序。但是考虑到本系统要进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制、声音报警，若使用AT89S52可能在数据处理方面有一些不足。因此我们不选择此方案。方案4：采用Atmel公司的Atmega128高端单片机作为主控制器。ATmega128为基于AVR RISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。先进的 RISC 结构,133 条指令且大多数可以在一个时钟周期内完成。具有非易失性的程序和数据存储器，具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通

19、过片内的启动程序实现系统内编程。支持JTAG 接口同时与IEEE 1149.1 标准兼容。 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器。具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路8 位PWM，6路分辨率可编程（2 到16 位）的PWM， 8路10 位ADC，可以方便的进行模数转换。从方便使用和经济的角度考虑，我选择了方案4。2.2.2 电机选择本系统为智能电动车，对于电动车来说，其驱动电机的选择就显得十分重要。下面我们分析了几种常见电机。步进电机由于其转过的角度可以精确的定位，可以实现小车前进路程和位置的精确定位。虽然

20、采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适用于小车等有一定速度要求的系统。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。舵机，顾名思义是控制舵面的电动机。舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面、油门等机构的动力来源，但是由于舵机具有很多优秀的特性，在制作机器人时也时常能看到它的应用。舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不能超过180 度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。直流电机能够较好的

21、满足系统的要求，控制方便，因此我选择以直流电机做为小车行进驱动电机，用舵机来做小车的驱动转向电机。2.2 传感器的选择2.2.1 火焰传感器的选择火焰检测有紫外传感器、烟雾传感器、温度传感器、红外传感器以及CCD图像传感器。我综合论证了这几种传感器，制定了如下几种方案。方案1：用烟雾传感器。烟雾传感器广泛应用与火警检测。但是由于此题目的火源是用蜡烛模拟的，没有太大的烟雾，因此用烟雾传感器作为此小型电动车的火焰传感器也不够实用，因此我放弃了此方案方案2：用紫外传感器检测火焰。紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统，尤其是一些易燃易爆场所，用来监测火焰的产生。紫外线火焰传感器的灵敏度高，相应速度快，

22、抗干扰能力强，对明火特别敏感，能对火灾立即做出反应。但是紫外传感器检测的范围太大，不适用于本系统。方案3：用光敏电阻作为传感器。所谓光敏，就是对光反应敏感。光敏电阻在光照条件下电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的组件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大。CDS光敏电阻，灵敏度高，反应速度快，光谱特性及值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍能保持其高度的稳定性和可靠性，广泛应用于光探测和光自控领域中。但自然光对光敏电阻影响较大，因此我们不采用此方案。方案4：用CCD图像传感器。用CCD图像传感器可以检测各种被检测量，适用于各种量的检测。但是用CCD图像传感器需要处理的信号量太大，且体积

23、较大，不适合用于本系统。方案5：用热释电红外测温传感器，热释电红外传感器TTS1000和TTS2000系列是根据LiTaO3的热释电效应设计的，用作检测器的热释电材料具有自发极化，其晶面能俘获大气中的自由电荷，从而保持中性，当晶面温度稍有变化即引起自发极化强度的变化，从而使晶面电荷量发生相应的变化。由于它是非接触式测温，用于测量火焰温度非常方便。从经济和方便的角度考虑，我选择了方案5。2.2.2寻迹传感器方案1：用红外发射管和接收管自己制作光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管

24、发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我放弃了这个方案。(a) ST178示意图 (b) ST178特性表图2-3 ST178的示意图和特性曲线方案2：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案3：用ST178型光电对管。

25、ST178为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大，4-10mm可用。ST178的示意图和特性曲线如图2-3所示。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我选择了方案3。2.2.3.2 避障传感器的选择方案1：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。但是超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作

26、，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。而用单片机作为方波发生器未免有些浪费资源。因此我考虑其他的方案。方案2：用红外光电开关ST178进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。光电对管ST178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。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。

27、为了使用方便，便于操作和调试，我最终选择了方案2。2.2.3 硬件总体设计方案经过反复比较论证，我最终确定了如下方案：1、手工制作车体。2、采用Atmega128单片机作为主控制器。3、用ST178型光电对管进行避障。4、热释电红外测温传感器作为本系统的火焰传感器。5、L298作为直流电机的驱动芯片。6、使用蜂鸣器进行灭火报警。ST178光电对管寻迹 灭火风扇火焰传感器声音报警模块L298驱动直流电机Atmega128控制芯片光电开关避障模块图2-4系统结构框图2.3.2 软件总体设计方案 传感器组把测得温度分别通过模数转换传给单片机，单片机通过一定的处理，比较得出温度最高的三个传感器，根据能

28、量在自由空间的衰减规律可知，火源与传感器的距离与传感器测得温度的大小呈负相关，温度越高，距离火源越近，所以，火源即在这三个传感器所对的那个方向上。具体的方位可以通过相应的公式计算出来，调整小车方向并通过避障传感器避障前进到火源位置驱动灭火风扇进行灭火。3 硬件单元电路设计主要硬件电路有：寻线与控制电路、电机驱动模块、火焰检测电路、灭火风扇驱动电路以及声音报警电路。3.1 电源电路ATMEGA128需要4.5 - 5.5V直流电压、150mA的峰值电流，在考虑到其它外围芯片的供电电压和功耗，最终选择LM2940这种专为大功率供电使用的芯片提供5V供电，电源电路如图3-1。 （3-1）3.2微控制

29、器模块的设计3.2.1 ATmega128单片机介绍ATMEL公司的 8位系列单片机的最高配置的一款单片机，应用极其广泛ATmega128主要特性如下： 高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器 先进的 RISC 结构 133 条指令 大多数可以在一个时钟周期内完成 32 x 8 通用工作寄存器 + 外设控制寄存器 全静态工作 工作于16 MHz 时性能高达16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性的程序和数据存储器 128K 字节的系统内可编程Flash 寿命: 10,000 次写/ 擦除周期 具有独立锁定位、可选择的启动代码区 通过片内的启动程序实现系统内编程 真正的读- 修改

30、- 写操作 4K字节的EEPROM 寿命: 100,000 次写/ 擦除周期 4K 字节的内部SRAM 多达64K 字节的优化的外部存储器空间 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 可以通过SPI 实现系统内编程 JTAG 接口( 与IEEE 1149.1 标准兼容) 遵循JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试 通过JTAG 接口实现对Flash, EEPROM, 熔丝位和锁定位的编程 外设特点 两个具有独立的预分频器和比较器功能的8 位定时器/ 计数器 两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16 位定时器/ 计数器 具有独立预分频器的实时时钟计数器 两路8 位PWM 6路分辨率可编程

31、（2 到16 位）的PWM 输出比较调制器 8路10 位ADC 8 个单端通道 7 个差分通道 2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行USART 可工作于主机/ 从机模式的SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的RC 振荡器 片内/ 片外中断源 6种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及 扩展的Standby 模式 可以通过软件进行选择的时钟频率 通过熔丝位可以选择ATmega103 兼容

32、模式 全局上拉禁止功能 I/O 和封装 53个可编程I/O 口线 64引脚TQFP 与 64 引脚 MLF 封装 工作电压 2.7 - 5.5V ATmega128L 4.5 - 5.5V ATmega128 速度等级 0 - 8 MHz ATmega128L 0 - 16 MHz ATmega1283.2.2 ATmega128单片机最小系统电路Atmega128单片机最小系统电路如图3-2所示。主要包括复位电路、晶振电路、低通滤波器电路以及各种滤波电容3.3 电机驱动电路的设计用L298芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，从稳定性方面考虑，采用电机驱动芯片L298作为电机驱动。

33、L298是SGS公司的产品，是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，内部包含二个H桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动图3-3 LM298内部H桥原理图46伏、2安培以下的电机，工作温度范围从25度到130度。它相应频率高，一片L298可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。其内部的H桥原理图如图2-2所示。EnA是控制使能端，控制OUTl和OUT2之间电机的停转， IN1、IN2脚接入控制电平，控制OUTl和OUT2之间电机的转向。当使能端EnA有效，IN1为低电平IN2为高电平时，三极管2，3导通，1，4截止，电机反转。当IN1和IN2电平相同时，电机停转。

34、如表3-1是L298使能引脚、输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系表3-1电机运行逻辑关系EnAIN1IN2电机转向HHL正转HLH反转H同IN2同IN1停止LXX停止驱动电路的设计如图3-4所示。电池由VIN 接入，通过LM2940IMP-5.0转化为5v作为信号电源VCC。 电机由L298供电，由全桥进行泻流。 对电机的控制信号由Atmega128直接输入，M1_DIR与M1_PWM为M1电机的控制信号，（3-4）M2_DIR与M2_PWM为M2电机的控制信号,其中INPUT 2与INPUT 4的信号是由输入INPUT 1、INPUT 3的信号反向后输入。通过对单片机的编程就可以实现两个直流电

35、机的正反转。3.4 寻线电路的设计在实际设计中，我并没有选用ADC而是选用LM339电压比较器的方案，设计出来的电路紧凑且稳定性好。LM339作为一款典型的电压比较器，内部有四个独立的电压比较器，其的特点是：1、失调电压小，典型值为2mV；2、电源电压范围宽，单电源为2 - 36V，双电源为1V - 18V；3、对比较信号源的内阻限制较宽；4、共模范围很大，为0 -（Vcc - 1.5V）Vo；5、差动输入电压范围较大，最大可以等于电源电压值；6、输出端电平可灵活方便地选用。LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。一个称为同相输入端（+），另一个称为反相输

36、入端（-）。用作两个电压的比较时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339 输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别超过10mV就可确保输出能够从一种状态可靠地转换到另一种状态。因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体管，在使用时输出端到正电源一般需接一只上拉电阻（选 3-15K）。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当输出晶体三极

37、管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。LM339的单相比较器电路及传输特性如图3-5所示。图a给出了一个基本单限比较器。输入信号Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电平）Ur。当输入电压UinUr时，输出为高电平UOH。图b为其传输特性。图3-5 LM339的单相比较器电路及传输特性红外线对管典型应用电路如图3-6所示。R1 R2 D VCC VrefVout Ie图3-6红外线对管典型应用电路其中，Ie是红外线接收管的导通后的发射极电流。输出电压为： R1为发射管的限流电阻，R2是输出分压电阻，VCC是发射管供电电压，Vref是输出信号的

38、参考电压，Vout是输出信号。工作时，发射管D发射出的波长约为940nm的红外线信号经反射面传送到接收管上，反射信号的强度随反射面的材料和颜色的不同而不同，接收管的导通电阻RGB随接收到的反射信号强弱而改变，信号越强电阻越小，信号越弱电阻越大。导通电阻和下拉电阻对Vref分压之后输出Vout的模拟电压信号送至LM339电压比较器的输入端实现模数信号的转换。设计出的电路原理图如图3-7所示。图3-7寻线传感器模块原理图小车位置示意图如图3-8所示。寻线的原理：若小车在运动时，小车中轴线位于地面引导线上，位置状态=010，使小车前进；若小车中轴线位于地面引导线的右侧，位置状态=100，使小车左转；

39、若小车中轴线位于地面引导线的左侧，位置状态=001，使小车右转。位置状态=010位置状态=100位置状态=001图3-8 行进路径示意从上面的分析可得：在寻线时，选用3只反射式红外传感器就可以实现小车沿曲线行走。当机器人偏离白线时，根据在白线上光电管的分布情况来调整机器人的行进姿态。3.5 火焰检测电路的设计TTS1000和TTS2000系列热释电体两面的电极之间连接高阻抗负荷，为了将温度变化引起的表面电荷量的变化转换为输出电压的变化，内部装场效应晶体管，同时加上阻抗匹配的电路，其结构如图 ，特性参数如表格 。 图 3-9表格 3-2量程/C工作温度/C负载阻抗/k功率/mW耐温性/（%）响应

40、频率/Hz电压/VDC电流/mA电压灵敏度/（V/W）-1001200-206010025503100520250400信号采集是系统通过红外测温传感器来测温度,如图 4-4所示,左边为红外传感器组,是信号的原始采集部分，它由八个红外测温传感器组成。传感器测得的信号直接输入到Atmega128单片机A/D转换器的模拟信号输入端口。电路图如图3-x所示。3.6 声音报警与灭火3.6.1 灭火驱动电路灭火风扇的驱动电路如图3-10所示。其中Port1，Port2分别接到单片机的P0.5、P0.6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，

41、当Port信号为高时，MOS管在VGS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，VGS=0时，iD=0。此时，MOS截止，风扇不动作。 图3-10 灭火驱动电路3.6.2 声音报警电路声音报警电路如图3-11所示： 图3-11 声音报警电路控制信号为“SPEAK”，接至单片机的I/O口的P1.6脚。当“SPEAK”为高电平时，三极管基级为高电平，此时，三极管处于截止状态，蜂鸣器不工作；当“SPEAK”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。4 .软件实现4.1 软件开发平台介绍编程语言选用C语言。汇编语言作为传统

42、的嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高的优点，但其本身是低级语言，编程效率较低，可移植性和可读性差，维护极不方便。而C语言以其结构化，容易维护，容易移植的优势满足开发的需要。MCS-51是支持C语言编程的编译器，它主要有两种：Franklin C51编译器和Keil C51编译器，我们简称C51。C51是专为MCS-51开发的一种高性能的C编译器。由C51产生的目标代码的运行速度极高，所需存储空间极小，完全可以和汇编语言媲美。Keil软件公司提供的专用8051嵌入式应用开发工具套件，可以编译C源文件、汇编源文件、连接定位目标模块和库、生成并调试目标程序，为实际的每一种8051及其派生系列产品生

43、成嵌入式应用系统。Keil C51交叉编译器兼容ANSI（美国国家标准协会）C编译器，专用于为8051微控制器系列生成快速紧凑的目标代码。使用Keil 8051开发工具套件，以工程的形式组织各种文件，工程开发周期与任何其他软件开发工程的周期大致相同。Vision2 IDE是Keil公司提供的用于开发MCS-51系列芯片的汇编语言与C程序的集成开发环境，是标准的Windows应用程序，同其他Windows应用程序一样，Vision2 IDE环境包括菜单、工具条、编辑及显示多种窗口。Vision2 IDE支持使用的Keil C51工具，包括C编译器、宏汇编器、连接定位器、目标代码到HEX的转换器。

44、4.2 主程序流程图主程序流程图如图4-1所示。用左手法则搜索整个房间，可以容易地检测到房间各个角落，避免出现检测盲区。在小车行进过程中检测火焰，一旦发现火焰则切换到趋光程序，计算火焰位置，准确定位并启动风扇灭火，灭火后检测火焰是否被扑灭，确定火焰被扑灭后计数并回到发现火焰的位置继续搜索房间，直至扑灭所有火焰后启动回家程序，回到原始位置。NYYN读入火焰传感器信息有火焰？报警并启动灭火程序开始系统初始化寻线避障控制前进检测火已灭？解除警报并显示灭火时间启动回家程序结束图4-1 主程序流程图4.3 寻线程序流程图寻线的程序流程图如图4-2所示：小车寻线时，由ST178红外对管检测地面引导线，反射

45、光越强，值越大；发射光越弱，值越小。程序开始，先将小车放在引导线上，测得引导线与地面背景的值，求出平均值作为阀值。若检测值大于阀值，则对应的是白色引导线，若检测值小于阀值，则对应的是深色背景。通过比较三个寻线传感器的结果，来得出小车的位置状态，从而控制小车做出响应的动作，避免小车脱离引导线运动。YNYN开始初始化定时器1设置外中断边沿触发开中断等待中断置通道号=0，flag1=0Flag1=1?Flag2=1?计算小车位置状态不是阀值控制小车图4-2 寻线子程序流程图小车的控制：小车前进时，两个电机速度相同；小车左转，左轮速度降低，右轮保持不变；小车右转，右轮速度降低，左轮保持不变；小车后退，

46、电机反转。电机的速度采用延时控制电机绕组电压接通与断开的时间，这样即可改变电机的平均电压达到调速的目的。4.4 灭火程序流程图当小车检测到火焰时，由于有障碍物的存在，需要对不同坐标上的火焰分别进行判断。灭火子程序的流程图如图4-3所示。由于设计中使用一个风扇，安装在小车的正前方，没有使用舵机的方案，风扇只能朝前方吹风。为了提高灭火的准确度，我们要让机器人正面对准火焰，否则，可能会出现长时间灭不了火的现象。对火时让机器人走到火焰附近，判断左右两边火焰强度，左边火焰强，左转一点，右边火焰强，右转一点，每对一次火，前进一点。开始左边火焰强？N左转对准火焰？NY等待5s火焰已被灭？N读入左右火焰传感器

47、信息Y右转等待0.5s开灭火风扇读入火焰传感器信息Y关风扇并记录时间结束图4-3 灭火子程序流程图5.系统功能调试5.1 测试仪器及设备表5-1 测试仪器设备清单仪器名称型号用途数量PC机联想调试及下载程序1数字万用表MASTECH my65测量各电路工作情况1秒表记录时间15.2 功能测试先将底盘上的减速电机位置固定，连接L298电路，在给固定的TTL信号，使底盘能够向直线行走和转弯，分别调试红外寻线板和红外避障电路，使有反射光接收到后使信号输出为一个高电平，供单片进行检测。在安装好以上模块后，再检查一次，保证位置合理，能正常得检测到外部情况。然后是用开发板和电池来调整重心，使重心在中轴线上

48、，在所有模块都安装好后，再布好线路。进行总体调试。5.2.1 驱动电路部分调试中遇到的问题和经验：由于急于求成，很快的速度焊好电路，但加电调试时，无法正常运行，断电细查后，才发现，原来把稳压管方向接反。在电路焊接好，编制好程序调试时，出现2个电机一个能正常转动，但是另外一个电机却不按照程序控制，自行无规律乱动的情况，并且在检查软件程序无误的情况下，还是不能控制小车的右电机正常动作，后来细心的研读程序，一项一项的查找问题所在，最后，检查到，原来是在焊接的时候，由于不够仔细，把一路线走来与焊盘焊点短路，造成了硬件电路的错误。5.2.2 寻线部分将光电管ST178分别对准黑线和白线进行测试，所测结果

49、如表5-2所示。从所测数据我们可以看出，当光电管检测黑线时输出低电压，检测到白线时输出高电压，通过LM338电压比较器比较之后，分别输出低电平和高电平，供单片机作控制信号。表5-2 光电管采样数据ST178-1ST178-2ST178-3ST178-4ST178-5ST178-6ST178-7ST178-8寻黑线第1次1.71V1.69V1.62V1.61V1.71V1.45V1.47V1.43V第2次1.74V1.69V1.66V1.65V1.74V1.48V1.51V1.47V寻白线第1次4.35V4.30V4.26V4.23V4.35V4.19V4.21V4.16V第2次4.31V4.2

50、9V4.25V4.21V4.31V4.15V4.15V4.13V5.2.3 光源检测部分光敏电阻的一些调试数据如表5-3所示，调试数据单位均为电压国际单位（V）。表5-3 光敏电阻调试数据被测对象普通光强强光无光线时光敏电阻左0.31.460.02光敏电阻右0.51.940.15被测对象调节前阈值/输出调节后阈值/输出强光调节后阈值/输出暗光LM393调试数据2.21/4.960.82/00.82/4.96LM393调试数据2.89/4.971.01/0.061.01/4.96LM393调试数据2.56/4.860.96/0.020.96/4.965.2.4 灭火效果部分系统已经实现MOS管对

51、灭火电机的驱动，可以在检测到光源的时候，电机动作，以表示灭火过程。同时，检测到火源的时候，蜂鸣器发声，完成“报警”功能。结 论本论文设计了以AT89S52为主控制器的简易灭火机器人。所做工作和确定的成果如下：1、以单片机AT89S52为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机系统、寻线系统、电机驱动系统、火焰检测系统以及灭火系统和各个模块间接口。2、完成了各个功能模块PCB板的制作，手工焊制了电路板。3、完成主要功能模块的调试软件设计，分别完成对各个功能模块的调试工作。本设计制作的灭火机器人，具备机器人的一般功能，“智能”（寻线）行走，能够自主完成一些动作，找

52、到“火源”，进行灭火。工作展望：使用下面一些设计，可以节约灭火时间，达到更好的灭火效果。1、增加舵机方案。为小车安装一个舵机，将灭火风扇安装在可以旋转的舵机上，在检测到火焰的大致位置的情况下，可以不用调节车体位置而通过舵机的旋转就可以轻松灭火，可以达到节约时间的效果。2、使用“复眼”技术。增加火焰检测传感器数量，同时遮蔽部分传感器，缩短传感器的检测距离，在检测火焰的时候先远距离搜索火焰的大致位置，然后近距离定位火焰，可以更有效的寻找火焰并能缩短时间，但是需要更多的硬件开销。参 考 文 献1 蒋新松. 机器人与工业自动化M . 石家庄: 河北教育出版社,2003.2 王耀南. 机器人智能控制工程

53、M . 北京:科学出版社,2004.3 倪星元,等. 传感器敏感功能材料及应用M . 北京:化学工业出版社,2005.4 雨宫好文. 传感器入门M . 北京:科学出版社,2000.5许大中等. 电机控制M . 杭州:浙江大学出版社,2002.6黄玉清 梁靓 张玲霞 李想.机器人的差分方向控制与实现J.信息与电子工程.2004-9,2(3).7余国卫 谭延军.基于AT89S52单片机的火灾自动报警系统J.微处理机.2006-10,58邓江.基于AT89S52的车用抬头显示系统研究D.成都：电子科技大学,20069黄玉清 张江美等.模糊控制在移动机器人中的应用J.西南科技大学学报.2004-3,1

54、9(1).10姜志海. 单片机原理及应用M. 北京:电子工业出版社,2005.11康华光. 电子技术基础模拟部分（第四版）M.北京:高等教育出版社,1999.12黄玉清 梁靓.机器人导航系统中的路径规划算法J.微计算机信息嵌入式SOC.2006.22(7-2).13万永伦 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).14黄玉清 梁靓. 基于嵌入式PC的机器人光电寻线系统J.西南科技大学学报.2004-12,19(4).15Li Wei. Behavior based control of a mobile robot in unknown environment using fuzzy logicJ.控制理论与应用,1996,13(2).