滅火機(jī)器人設(shè)計

1、機(jī)電一體化系統(tǒng)產(chǎn)品 題 目： 姓 名： 學(xué) 號： 班 級： 平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 年 月 日 目錄目錄 目錄目錄.1 第一章第一章 緒論緒論.3 1.1 機(jī)器人產(chǎn)生的背景.3 1.2. 滅火機(jī)器人的發(fā)展.3 第第 2 章章 系統(tǒng)設(shè)計及方案比較系統(tǒng)設(shè)計及方案比較.5 2.1 整體方案設(shè)計.5 2.2 硬件實現(xiàn)方案.6 2.2.1 MCU 的選擇.6 2.2.2 電機(jī)選擇.6 2.2.3 傳感器的選擇.7 2.2.4 硬件總體設(shè)計方案.8 2.3 軟件總體設(shè)計方案.8 第第 3 章章 硬件單元電路設(shè)計硬件單元電路設(shè)計.9 3.1 電源電路.9 3.2 微控制器模塊的設(shè)計.9 3.2.1 ATme

2、ga128 單片機(jī)介紹.9 3.2.2 ATmega128 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路.11 3.3 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計.12 3.4 尋線電路的設(shè)計.14 3.5 火焰檢測電路的設(shè)計.17 3.6 聲音報警與滅火.17 3.6.1 滅火驅(qū)動電路.17 3.6.2 聲音報警電路.18 第第 4 章章 軟件實現(xiàn)軟件實現(xiàn).19 4.1 軟件開發(fā)平臺介紹.19 4.2 主程序流程圖.19 4.3 尋線程序流程圖.20 4.4 滅火程序流程圖.20 第第 5 章章 系統(tǒng)功能調(diào)試系統(tǒng)功能調(diào)試.21 5.1 測試儀器及設(shè)備.21 5.2 功能測試.21 5.2.1 驅(qū)動電路部分.21 5.2.2 尋線部分.21

3、5.2.3 滅火效果部分.22 5.3 調(diào)試心得.22 結(jié)結(jié) 論論.23 參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn).24 第一章第一章 緒論緒論 1.1 機(jī)器人產(chǎn)生的背景機(jī)器人產(chǎn)生的背景 首先我介紹一下機(jī)器人產(chǎn)生的背景，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，它應(yīng)該說是一個科學(xué)技術(shù)發(fā)展 共同的一個綜合性的結(jié)果，也同時，為社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展產(chǎn)生了一個重大影響的一門科學(xué)技術(shù)， 它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強(qiáng)了經(jīng)濟(jì)的投入，就加強(qiáng)了本國的經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。 另一方面它也是生產(chǎn)力發(fā)展的需求的必然結(jié)果，也是人類自身發(fā)展的必然結(jié)果，那么人 類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程 中，認(rèn)識自然過程中，實現(xiàn)人

4、們對不可達(dá)世界的認(rèn)識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中 的一個客觀需要。 那么什么是機(jī)器人呢？人們一般的理解來看，機(jī)器人是具有一些類似人的功能的機(jī)械電 子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機(jī)器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如 說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點是根據(jù)人的編程能 自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象， 和工作的一些要求，它是人造的機(jī)器或機(jī)械電子裝置。但從完整的更為深遠(yuǎn)的機(jī)器人定義來 看，應(yīng)該更強(qiáng)調(diào)機(jī)器人智能，所以人們又提出來機(jī)器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學(xué)習(xí)、 情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機(jī)

5、器。那么這給機(jī)器人提出來更高層次的要求，展望 21 世紀(jì)，機(jī)器人將是一個與 20 世紀(jì)計算機(jī)的普及一樣，會深入地應(yīng)用到各個領(lǐng)域，在 21 世紀(jì)的前 20 年是機(jī)器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機(jī)器人發(fā)展 的一個關(guān)鍵時期。 剛才我們用了短暫的時間，講了機(jī)器人的發(fā)展以及我們對機(jī)器人的看法，進(jìn)行了簡單地 介紹，相信大家在今后的學(xué)習(xí)中，能夠加入到我們研究機(jī)器人這個行列中。 1.2. 滅火機(jī)器人的發(fā)展滅火機(jī)器人的發(fā)展 近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊 性，發(fā)生火災(zāi)時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災(zāi)中的受害者，最 大限度的

6、保證消防人員的安全，消防機(jī)器人研究被提到了議事日程。而機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展也 為這一要求的實現(xiàn)提供了技術(shù)上的保證，使得消防機(jī)器人應(yīng)運而生。 從二十世紀(jì)八十年代開始，世界許多國家都進(jìn)行了消防機(jī)器人的研究。美國和蘇聯(lián)最早 進(jìn)行消防機(jī)器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了消防機(jī)器人的研究，目 前已有多種不同類型的消防機(jī)器人用于各種火災(zāi)場合。 我國從八十年代末期開始消防機(jī)器人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機(jī)器 人的研究中取得了大量的成果，自行式消防炮已經(jīng)投入市場，履帶輪式消防滅火偵察機(jī) 器人也于 2000 年 6 月通過了國家驗收。但是，我國消防機(jī)器人的研究還處在初級階段，還 有許多

7、有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生火災(zāi)時，消防人員不可能在短時間內(nèi)到達(dá)高處 的火災(zāi)發(fā)生地點，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴(kuò)散，消防人員不容易快速 的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中 毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機(jī)器人，協(xié)助消防人員進(jìn)行火災(zāi)的定位和滅火，將有 極大的社會意義。 基于人工智能的不斷發(fā)展，各項高新技術(shù)的不斷成熟，在可預(yù)見的將來，消防機(jī)器人在 功能上會更具多樣特點，在較多危險區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。同時 也應(yīng)該看到，我國在研究消防機(jī)器人方面較國外同行已落后太多，存在技術(shù)差異和代溝，消 防機(jī)器人的不斷研制

8、、生產(chǎn)和裝備過程，應(yīng)堅持自主研制為主，引進(jìn)為輔，提高我國消防部 隊消防裝備現(xiàn)代化的水平,并及時裝備消防部隊，提高消防部隊打贏大仗、惡仗、硬仗和特 殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊在處置大型復(fù)雜火災(zāi)和應(yīng)急救援的作戰(zhàn)效能, 提高消防部隊的 自我防護(hù)能力,減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保衛(wèi)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展。 第第 2 章章 系統(tǒng)設(shè)計及方案比較系統(tǒng)設(shè)計及方案比較 根據(jù)課題設(shè)計的要求和課題目標(biāo)，我制定出了系統(tǒng)的設(shè)計方案，并通過比較論證，選擇 合適的器件。最終確定手工制作小車，采用 ATMEGA128 單片機(jī)作為主控制器，用 ST178 型光電對管進(jìn)行避障，TTS 型熱釋電非接觸式溫度傳感器作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅?/p>

9、，L298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片的設(shè)計方案。 2.1 整體方案設(shè)計整體方案設(shè)計 課題要求設(shè)計一個簡易滅火機(jī)器人模型，能到指定區(qū)域進(jìn)行滅火工作（以蠟燭模擬火源， 分布在小車行走的場地中） 。小車必須通過內(nèi)部設(shè)備采集現(xiàn)場環(huán)境情況進(jìn)行分析并做出相應(yīng) 的動作，以達(dá)到小車智能滅火的目的。 根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動模塊、避障傳 感器模塊、避障模塊、火焰?zhèn)鞲衅?、滅火系統(tǒng)及其驅(qū)動模塊等模塊構(gòu)成，本系統(tǒng)的方框圖如 圖 2-1 所示。 圖 2-1 系統(tǒng)方框圖 為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我分別設(shè)計了幾種方案并分別進(jìn)行了論證。 2.2 硬件實現(xiàn)方案硬件實現(xiàn)方案 2.2.1 M

10、CU 的選擇的選擇 近年來，單片機(jī)應(yīng)用技術(shù)發(fā)展迅速，為智能裝置的開發(fā)設(shè)計帶來了很大的便利。但在開 發(fā)設(shè)計中選擇合適的 MCU 帶來了很大的困難。 方案 2：采用凌陽公司的 16 位單片機(jī)，它是 16 位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、 集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點。處理速度高， 尤其適用于語音處理和識別等領(lǐng)域。但是當(dāng)凌陽單片機(jī)應(yīng)用語音處理和辨識時，由于其占用 的 CPU 資源較多而使得凌陽單片機(jī)同時處理其它任務(wù)的速度和能力降低。 本系統(tǒng)主要是進(jìn)行避障和火焰?zhèn)鞲衅鞯臋z測以及電機(jī)的控制，兼有聲音報警。如果單純 的使用凌陽單片機(jī)，在語音播報的同時小車的控制容易出

11、現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。從系統(tǒng)的穩(wěn)定性 和編程的簡潔性考慮，我放棄了單純使用凌陽單片機(jī)而考慮其它的方案。 2.2.2 電機(jī)選擇電機(jī)選擇 本系統(tǒng)為智能電動車，對于電動車來說，其驅(qū)動電機(jī)的選擇就顯得十分重要。下面我們 分析了幾種常見電機(jī)。 步進(jìn)電機(jī)由于其轉(zhuǎn)過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)小車前進(jìn)路程和位置的精確定位。 雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高 轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng)。 直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內(nèi)部由高速 電動機(jī)提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。 舵

12、機(jī)，顧名思義是控制舵面的電動機(jī)。舵機(jī)的出現(xiàn)最早是作為遙控模型控制舵面、油門 等機(jī)構(gòu)的動力來源，但是由于舵機(jī)具有很多優(yōu)秀的特性，在制作機(jī)器人時也時常能看到它的 應(yīng)用。舵機(jī)是一種位置伺服的驅(qū)動器，轉(zhuǎn)動范圍一般不能超過 180 度，適用于那些需要角 度不斷變化并可以保持的驅(qū)動當(dāng)中。比方說機(jī)器人的關(guān)節(jié)、飛機(jī)的舵面等。 直流電機(jī)能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，控制方便，因此我選擇以直流電機(jī)做為小車行進(jìn) 驅(qū)動電機(jī)，用舵機(jī)來做小車的驅(qū)動轉(zhuǎn)向電機(jī)。 2.2.3 傳感器的選擇傳感器的選擇 火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x擇火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x擇 火焰檢測有紫外傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器以及 CCD 圖像傳感器。 用光敏電阻作

13、為傳感器。所謂光敏，就是對光反應(yīng)敏感。光敏電阻在光照條件下電阻值 隨外界光照強(qiáng)弱（明暗）變化而變化的組件，光越強(qiáng)阻值越小，光越弱阻值越大。CDS 光 敏電阻，靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及 值一致性好等特點外，在高溫、多濕的惡 劣環(huán)境下，仍能保持其高度的穩(wěn)定性和可靠性，廣泛應(yīng)用于光探測和光自控領(lǐng)域中。但自然 光對光敏電阻影響較大，因此我們不采用此方案。 尋跡傳感器尋跡傳感器 用 ST178 型光電對管。ST178 為反射取樣式紅外線對管作為核心傳感器件。它采用高發(fā) 射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，以非接觸檢測方式，檢測距離可調(diào)整范 圍大，4-10mm 可用。ST178 的示意圖

14、和特性曲線如圖 2-3 所示。當(dāng)發(fā)光二極管發(fā)出的光反 射回來時，三極管導(dǎo)通輸出低電平。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。因此我選擇 了方案 3。 (a) ST178 示意圖示意圖 (b) ST178 特性表特性表 圖 2-3 ST178 的示意圖和特性曲線 避障傳感器的選擇避障傳感器的選擇 用超聲波傳感器進(jìn)行避障。超聲波傳感器的原理是：超聲波由壓電陶瓷超聲波傳感器發(fā) 出后，遇到障礙物便反射回來，再被超聲波傳感器接收。然后將這信號放大后送入單片機(jī)。 超聲波傳感器在避障的設(shè)計中被廣泛應(yīng)用。但是超聲波傳感器需要 40KHz 的方波信號來工 作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在 1內(nèi)，所

15、以用模擬電路來做方波發(fā)生 器比較難以實現(xiàn)。而用單片機(jī)作為方波發(fā)生器未免有些浪費資源。因此我考慮其他的方案。 2.2.4 硬件總體設(shè)計方案硬件總體設(shè)計方案 經(jīng)過反復(fù)比較論證，我最終確定了如下方案： 1、手工制作車體。 2、采用 Atmega128 單片機(jī)作為主控制器。 3、用 ST178 型光電對管進(jìn)行避障。 4、熱釋電紅外測溫傳感器作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳌?5、L298 作為直流電機(jī)的驅(qū)動芯片。 6、使用蜂鳴器進(jìn)行滅火報警。 2.3 軟件總體設(shè)計方案軟件總體設(shè)計方案 傳感器組把測得溫度分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給單片機(jī)，單片機(jī)通過一定的處理，比較 得出溫度最高的三個傳感器，根據(jù)能量在自由空間的衰減規(guī)律

16、可知，火源與傳感器的距離與 傳感器測得溫度的大小呈負(fù)相關(guān)，溫度越高，距離火源越近，所以，火源即在這三個傳感器 所對的那個方向上。具體的方位可以通過相應(yīng)的公式計算出來，調(diào)整小車方向并通過避障傳 感器避障前進(jìn)到火源位置驅(qū)動滅火風(fēng)扇進(jìn)行滅火。 第第 3 章章 硬件單元電路設(shè)計硬件單元電路設(shè)計 本章主要講述了以 AT89S52 為主控制器，設(shè)計相關(guān)的硬件電路。主要硬件電路有：尋線與控制電路、 電機(jī)驅(qū)動模塊、火焰檢測電路、滅火風(fēng)扇驅(qū)動電路以及聲音報警電路。 3.1 電源電路電源電路 ATMEGA128 需要 4.5 - 5.5V 直流電壓、150mA 的峰值電流，在考慮到其它外圍芯片的供電電壓和功 耗，

17、最終選擇 LM2940 這種專為大功率供電使用的芯片提供 5V 供電，電源電路如圖 3-1。 （3-1） 3.2 微控制器模塊的設(shè)計微控制器模塊的設(shè)計 3.2.1 ATmega128 單片機(jī)介紹單片機(jī)介紹 ATMEL 公司的 8 位系列單片機(jī)的最高配置的一款單片機(jī)，應(yīng)用極其廣泛 ATmega128 主要特性如下： 高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器 先進(jìn)的 RISC 結(jié)構(gòu) 133 條指令 大多數(shù)可以在一個時鐘周期內(nèi)完成 32 x 8 通用工作寄存器 + 外設(shè)控制寄存器 全靜態(tài)工作 工作于 16 MHz 時性能高達(dá) 16 MIPS 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器

18、128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 壽命: 10,000 次寫/ 擦除周期 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū) 通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 真正的讀- 修改- 寫操作 4K 字節(jié)的 EEPROM 壽命: 100,000 次寫/ 擦除周期 4K 字節(jié)的內(nèi)部 SRAM 多達(dá) 64K 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空間 可以對鎖定位進(jìn)行編程以實現(xiàn)軟件加密 可以通過 SPI 實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 JTAG 接口( 與 IEEE 1149.1 標(biāo)準(zhǔn)兼容) 遵循 JTAG 標(biāo)準(zhǔn)的邊界掃描功能 支持?jǐn)U展的片內(nèi)調(diào)試 通過 JTAG 接口實現(xiàn)對 Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程 外設(shè)特點 兩個具

19、有獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器/ 計數(shù)器 兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器/ 計數(shù)器 具有獨立預(yù)分頻器的實時時鐘計數(shù)器 兩路 8 位 PWM 6 路分辨率可編程（2 到 16 位）的 PWM 輸出比較調(diào)制器 8 路 10 位 ADC 8 個單端通道 7 個差分通道 2 個具有可編程增益（1x, 10 x, 或 200 x）的差分通道 面向字節(jié)的兩線接口 兩個可編程的串行 USART 可工作于主機(jī)/ 從機(jī)模式的 SPI 串行接口 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時器 片內(nèi)模擬比較器 特殊的處理器特點 上電復(fù)位以及可編程的掉電檢測 片內(nèi)經(jīng)過標(biāo)定的 RC 振蕩器

20、 片內(nèi)/ 片外中斷源 6 種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及 擴(kuò)展的 Standby 模式 可以通過軟件進(jìn)行選擇的時鐘頻率 通過熔絲位可以選擇 ATmega103 兼容模式 全局上拉禁止功能 I/O 和封裝 53 個可編程 I/O 口線 64 引腳 TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝 工作電壓 2.7 - 5.5V ATmega128L 4.5 - 5.5V ATmega128 速度等級 0 - 8 MHz ATmega128L 0 - 16 MHz ATmega128 3.2.2 ATmega128 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路單片機(jī)最小系統(tǒng)

21、電路 Atmega128 單片機(jī)最小系統(tǒng)電路如圖 3-2 所示。主要包括復(fù)位電路、晶振電路、低通濾 波器電路以及各種濾波電容 3.33.3 電機(jī)電機(jī) 驅(qū)動驅(qū)動 電路電路 的設(shè)的設(shè) 計計 用 L298 芯片 作為 電機(jī) 驅(qū)動， 操作 方便， 穩(wěn)定 性好， 性能 優(yōu)良， 從穩(wěn) 定性 方面 考慮，采用電機(jī)驅(qū)動芯片 L298 作為電機(jī)驅(qū)動。 L298 是 SGS 公司的產(chǎn)品，是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，內(nèi)部 包含二個 H 橋的高電壓大電流橋式驅(qū)動器，接收標(biāo)準(zhǔn) TTL 邏輯電平信號，可驅(qū)動 圖 3-3 LM298 內(nèi)部 H 橋原理 圖 46 伏、2 安培以 下的電 機(jī)，工 作溫度 范圍從 25

22、 度到 130 度。 它相應(yīng)頻率高，一片 L298 可以分別控制兩個直流電機(jī)，而且還帶有控制使能端。其內(nèi)部的 H 橋原理圖如圖 2-2 所示。EnA 是控制使能端，控制 OUTl 和 OUT2 之間電機(jī)的停轉(zhuǎn)， IN1、IN2 腳接入控制電平，控制 OUTl 和 OUT2 之間電機(jī)的轉(zhuǎn)向。當(dāng)使能端 EnA 有效，IN1 為低電平 IN2 為高電平時，三極管 2，3 導(dǎo)通，1，4 截止，電機(jī)反轉(zhuǎn)。當(dāng) IN1 和 IN2 電平相 同時，電機(jī)停轉(zhuǎn)。 如表 3-1 是 L298 使能引腳、輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關(guān)系 表 3-1 電機(jī)運行邏輯關(guān)系 EnAIN1IN2 電機(jī)轉(zhuǎn)向 HHL 正轉(zhuǎn) HLH

23、 反轉(zhuǎn) H 同 IN2同 IN1停止 LXX 停止 驅(qū)動電路的設(shè)計如圖 3-4 所示。電池由 VIN 接入，通過 LM2940IMP-5.0 轉(zhuǎn)化為 5v 作為信號電源 VCC。 電機(jī)由 L298 供電，由全橋進(jìn)行瀉流。 對電機(jī)的控制信號由 Atmega128 直接輸入，M1_DIR 與 M1_PWM 為 M1 電機(jī)的控制信號， （3-4） M2_DIR 與 M2_PWM 為 M2 電機(jī)的控制信號,其中 INPUT 2 與 INPUT 4 的信號是由輸入 INPUT 1、INPUT 3 的信號反向后輸入。通過對單片機(jī)的編程就可以實現(xiàn)兩個直流電機(jī)的正反轉(zhuǎn)。 3.4 尋線電路的設(shè)計尋線電路的設(shè)計

24、在實際設(shè)計中，我并沒有選用 ADC 而是選用 LM339 電壓比較器的方案，設(shè)計出來的電 路緊湊且穩(wěn)定性好。 LM339 作為一款典型的電壓比較器，內(nèi)部有四個獨立的電壓比較器，其的特點是： 1、失調(diào)電壓小，典型值為 2mV； 2、電源電壓范圍寬，單電源為 2 - 36V，雙電源為1V - 18V； 3、對比較信號源的內(nèi)阻限制較寬； 4、共模范圍很大，為 0 -（Vcc - 1.5V）Vo； 5、差動輸入電壓范圍較大，最大可以等于電源電壓值； 6、輸出端電平可靈活方便地選用。 LM339 類似于增益不可調(diào)的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。一 個稱為同相輸入端（+） ，另一個稱為反

25、相輸入端（-） 。用作兩個電壓的比較時，任意一個輸 入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇 LM339 輸入共模范圍的任何 一點） ，另一端加一個待比較的信號電壓。當(dāng)“+”端電壓高于“-”端時，輸出管截止，相當(dāng)于 輸出端開路。當(dāng)“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當(dāng)于輸出端接低電位。兩個輸入端 電壓差別超過 10mV 就可確保輸出能夠從一種狀態(tài)可靠地轉(zhuǎn)換到另一種狀態(tài)。因此，把 LM339 用在弱信號檢測等場合是比較理想的。 LM339 的輸出端相當(dāng)于一只不接集電極電阻的晶體管，在使用時輸出端到正電源一般 需接一只上拉電阻（選 3-15K） 。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出

26、端高電位的值。因為當(dāng) 輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負(fù)載的值。 LM339 的單相比較器電路及傳輸特性如圖 3-5 所示。圖 a 給出了一個基本單限比較器。 輸入信號 Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個參考電壓（門限電 平）Ur。當(dāng)輸入電壓 UinUr 時，輸出為高電平 UOH。圖 b 為其傳輸特性。 圖 3-5 LM339 的單相比較器電路及傳輸特性 紅外線對管典型應(yīng)用電路如圖 3-6 所示。 圖 3-6 紅外線對管典型應(yīng)用電路 其中，Ie是紅外線接收管的導(dǎo)通后的發(fā)射極電流。輸出電壓為： 2 *RIU eout R1為發(fā)射管的限流電阻，R2

27、是輸出分壓電阻，VCC是發(fā)射管供電電壓，Vref 是輸出信 號的參考電壓，Vout 是輸出信號。工作時，發(fā)射管 D 發(fā)射出的波長約為 940nm 的紅外線信 號經(jīng)反射面?zhèn)魉偷浇邮展苌?，反射信號的?qiáng)度隨反射面的材料和顏色的不同而不同，接收管 的導(dǎo)通電阻 RGB 隨接收到的反射信號強(qiáng)弱而改變，信號越強(qiáng)電阻越小，信號越弱電阻越大。 導(dǎo)通電阻和下拉電阻對 Vref 分壓之后輸出 Vout 的模擬電壓信號送至 LM339 電壓比較器的 輸入端實現(xiàn)模數(shù)信號的轉(zhuǎn)換。 設(shè)計出的電路原理圖如圖 3-7 所示。 R1 R2 D VCC Vre f Vou t Ie 圖 3-7 尋線傳感器模塊原理圖 小車位置示意圖

28、如圖 3-8 所示。 尋線的原理：若小車在運動時，小車中軸線位于地面引導(dǎo)線上，位置狀態(tài)=010，使小車 前進(jìn)；若小車中軸線位于地面引導(dǎo)線的右側(cè)，位置狀態(tài)=100，使小車左轉(zhuǎn)；若小車中軸線位 于地面引導(dǎo)線的左側(cè)，位置狀態(tài)=001，使小車右轉(zhuǎn)。 圖 3-8 行進(jìn)路徑示意 從上面的分析可得：在尋線時，選用 3 只反射式紅外傳感器就可以實現(xiàn)小車沿曲線行走。 當(dāng)機(jī)器人偏離白線時，根據(jù)在白線上光電管的分布情況來調(diào)整機(jī)器人的行進(jìn)姿態(tài)。 位置狀態(tài)=010位置狀態(tài)=100位置狀態(tài)=001 VCC 4.7K R2 R1 U1 ST178 200 R3 4.7K R4 GND OUTPUT2 4 5 312 U2A

29、 LM339N VCC 3.5 火焰火焰檢測電路的設(shè)計檢測電路的設(shè)計 TTS1000 和 TTS2000 系列熱釋電體兩面的電極之間連接高阻抗負(fù)荷，為了將溫度變化引起的表面電 荷量的變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓的變化，內(nèi)部裝場效應(yīng)晶體管，同時加上阻抗匹配的電路，其結(jié)構(gòu)如 Error! Reference source not found.，特性參數(shù)如 Error! Reference source not found.。 圖 3-9 表格 3-2 量程 /C 工作溫度 /C 負(fù)載阻抗 /k 功率 /mW 耐溫性 /（%） 響應(yīng)頻率 /Hz 電壓 /VDC 電流 /mA 電壓靈敏度 /（V/W） -100

30、1200-206010 025 5 03100 520250400 信號采集是系統(tǒng)通過紅外測溫傳感器來測溫度,如圖 4-4 所示,左邊為紅外傳感器組,是信 號的原始采集部分，它由八個紅外測溫傳感器組成。傳感器測得的信號直接輸入到 Atmega128 單片機(jī) A/D 轉(zhuǎn)換器的模擬信號輸入端口。電路圖如圖 3-x 所示。 3.6 聲音報警與滅火聲音報警與滅火 3.6.1 滅火驅(qū)動電路滅火驅(qū)動電路 滅火風(fēng)扇的驅(qū)動電路如圖 3-10 所示。其中 Port1，Port2 分別接到單片機(jī)的 P0.5、P0.6 接口上。單片機(jī)輸出 Port1，Port2 控制信號用以驅(qū)動滅火電機(jī)動作。由于選用 的是增強(qiáng)型

31、MOS 管，所以，當(dāng) Port 信號為高時，MOS 管在 VGS下開始工作，MOS 導(dǎo)通，風(fēng)扇 開始動作，進(jìn)行滅火；當(dāng) Port 信號為低時，由于增強(qiáng)型 MOS 管特點，VGS=0 時，iD=0。此時， MOS 截止，風(fēng)扇不動作。 圖 3-10 滅火驅(qū)動電路 3.6.2 聲音報警電路聲音報警電路 控制信號為“SPEAK” ，接至單片機(jī)的 I/O 口的 P1.6 腳。當(dāng)“SPEAK”為高電平時，三極 管基級為高電平，此時，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，蜂鳴器不工作；當(dāng)“SPEAK”為低電平時， 三極管處于放大工作狀態(tài)，驅(qū)動蜂鳴器，開始發(fā)聲，蜂鳴器工作。 GND VCC D1D2 M B1 M B1 Q1

32、MOSFET-N Q2 MOSFET-N 104 C1 104 C2 Port2Port1 第第 4 章章 軟件實現(xiàn)軟件實現(xiàn) 4.1 軟件開發(fā)平臺介紹軟件開發(fā)平臺介紹 編程語言選用 C 語言。匯編語言作為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的編程語言，具有執(zhí)行效率高的 優(yōu)點，但其本身是低級語言，編程效率較低，可移植性和可讀性差，維護(hù)極不方便。而 C 語 言以其結(jié)構(gòu)化，容易維護(hù)，容易移植的優(yōu)勢滿足開發(fā)的需要。 MCS-51 是支持 C 語言編程的編譯器，它主要有兩種：Franklin C51 編譯器和 Keil C51 編譯器，我們簡稱 C51。C51 是專為 MCS-51 開發(fā)的一種高性能的 C 編譯器。由 C5

33、1 產(chǎn)生的目 標(biāo)代碼的運行速度極高，所需存儲空間極小，完全可以和匯編語言媲美。 Keil 軟件公司提供的專用 8051 嵌入式應(yīng)用開發(fā)工具套件，可以編譯 C 源文件、匯編源 文件、連接定位目標(biāo)模塊和庫、生成并調(diào)試目標(biāo)程序，為實際的每一種 8051 及其派生系列 產(chǎn)品生成嵌入式應(yīng)用系統(tǒng)。Keil C51 交叉編譯器兼容 ANSI（美國國家標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會）C 編譯器， 專用于為 8051 微控制器系列生成快速緊湊的目標(biāo)代碼。使用 Keil 8051 開發(fā)工具套件，以 工程的形式組織各種文件，工程開發(fā)周期與任何其他軟件開發(fā)工程的周期大致相同。 Vision2 IDE 是 Keil 公司提供的用于開發(fā) MC

34、S-51 系列芯片的匯編語言與 C 程序的集 成開發(fā)環(huán)境，是標(biāo)準(zhǔn)的 Windows 應(yīng)用程序，同其他 Windows 應(yīng)用程序一樣，Vision2 IDE 環(huán)境包括菜單、工具條、編輯及顯示多種窗口。Vision2 IDE 支持使用的 Keil C51 工具， 包括 C 編譯器、宏匯編器、連接定位器、目標(biāo)代碼到 HEX 的轉(zhuǎn)換器。 4.2 主程序流程圖主程序流程圖 主程序流程圖如圖 4-1 所示。 用左手法則搜索整個房間，可以容易地檢測到房間各個角落，避免出現(xiàn)檢測盲區(qū)。在小 車行進(jìn)過程中檢測火焰，一旦發(fā)現(xiàn)火焰則切換到趨光程序，計算火焰位置，準(zhǔn)確定位并啟動 風(fēng)扇滅火，滅火后檢測火焰是否被撲滅，確定

35、火焰被撲滅后計數(shù)并回到發(fā)現(xiàn)火焰的位置繼續(xù) 搜索房間，直至撲滅所有火焰后啟動回家程序，回到原始位置。 4.3 尋線程序流程圖尋線程序流程圖 尋線的程序流程圖如圖 4-2 所示： 小車尋線時，由 ST178 紅外對管檢測地面引導(dǎo)線，反射光越強(qiáng)，值越大；發(fā)射光越弱， 值越小。程序開始，先將小車放在引導(dǎo)線上，測得引導(dǎo)線與地面背景的值，求出平均值作為 閥值。若檢測值大于閥值，則對應(yīng)的是白色引導(dǎo)線，若檢測值小于閥值，則對應(yīng)的是深色背 景。通過比較三個尋線傳感器的結(jié)果，來得出小車的位置狀態(tài)，從而控制小車做出響應(yīng)的動 作，避免小車脫離引導(dǎo)線運動。 小車的控制：小車前進(jìn)時，兩個電機(jī)速度相同；小車左轉(zhuǎn)，左輪速度降

36、低，右輪保持不 變；小車右轉(zhuǎn)，右輪速度降低，左輪保持不變；小車后退，電機(jī)反轉(zhuǎn)。電機(jī)的速度采用延時 控制電機(jī)繞組電壓接通與斷開的時間，這樣即可改變電機(jī)的平均電壓達(dá)到調(diào)速的目的。 4.4 滅火程序流程圖滅火程序流程圖 滅火子程序的流程圖如圖 4-3 所示。 當(dāng)小車檢測到火焰時，由于有障礙物的存在，需要對不同坐標(biāo)上的火焰分別進(jìn)行判斷。 由于設(shè)計中使用一個風(fēng)扇，安裝在小車的正前方，沒有使用舵機(jī)的方案，風(fēng)扇只能朝前 方吹風(fēng)。為了提高滅火的準(zhǔn)確度，我們要讓機(jī)器人正面對準(zhǔn)火焰，否則，可能會出現(xiàn)長時間 滅不了火的現(xiàn)象。對火時讓機(jī)器人走到火焰附近，判斷左右兩邊火焰強(qiáng)度，左邊火焰強(qiáng)，左 轉(zhuǎn)一點，右邊火焰強(qiáng)，右轉(zhuǎn)一

37、點，每對一次火，前進(jìn)一點。 第第 5 章章 系統(tǒng)功能調(diào)試系統(tǒng)功能調(diào)試 5.1 測試儀器及設(shè)備測試儀器及設(shè)備 表 5-1 測試儀器設(shè)備清單 儀器名稱型號用途數(shù)量 PC 機(jī)聯(lián)想調(diào)試及下載程序 1 數(shù)字萬用表MASTECH my65測量各電路工作情況 1 秒表記錄時間 1 5.2 功能測試功能測試 先將底盤上的減速電機(jī)位置固定，連接 L298 電路，在給固定的 TTL 信號，使底盤能夠 向直線行走和轉(zhuǎn)彎，分別調(diào)試紅外尋線板和紅外避障電路，使有反射光接收到后使信號輸出 為一個高電平，供單片進(jìn)行檢測。在安裝好以上模塊后，再檢查一次，保證位置合理，能正 常得檢測到外部情況。 然后是用開發(fā)板和電池來調(diào)整重心

38、，使重心在中軸線上，在所有模塊都安裝好后，再布 好線路。進(jìn)行總體調(diào)試。 5.2.1 驅(qū)動電路部分驅(qū)動電路部分 調(diào)試中遇到的問題和經(jīng)驗：由于急于求成，很快的速度焊好電路，但加電調(diào)試時，無法 正常運行，斷電細(xì)查后，才發(fā)現(xiàn)，原來把穩(wěn)壓管方向接反。在電路焊接好，編制好程序調(diào)試 時，出現(xiàn) 2 個電機(jī)一個能正常轉(zhuǎn)動，但是另外一個電機(jī)卻不按照程序控制，自行無規(guī)律亂動 的情況，并且在檢查軟件程序無誤的情況下，還是不能控制小車的右電機(jī)正常動作，后來細(xì) 心的研讀程序，一項一項的查找問題所在，最后，檢查到，原來是在焊接的時候，由于不夠 仔細(xì)，把一路線走來與焊盤焊點短路，造成了硬件電路的錯誤。 5.2.2 尋線部分尋

39、線部分 將光電管 ST178 分別對準(zhǔn)黑線和白線進(jìn)行測試，所測結(jié)果如表 5-2 所示。從所測數(shù)據(jù)我 們可以看出，當(dāng)光電管檢測黑線時輸出低電壓，檢測到白線時輸出高電壓，通 過 LM338 電壓比較器比較之后，分別輸出低電平和高電平，供單片機(jī)作控制信號。 5.2.3 滅火效果部分滅火效果部分 系統(tǒng)已經(jīng)實現(xiàn) MOS 管對滅火電機(jī)的驅(qū)動，可以在檢測到光源的時候，電機(jī)動作，以表 示滅火過程。同時，檢測到火源的時候，蜂鳴器發(fā)聲，完成“報警”功能。 5.3 調(diào)試心得調(diào)試心得 最好把驅(qū)動電機(jī)系統(tǒng)設(shè)計成可以承受機(jī)器人預(yù)計最終重量的兩倍，這樣增加模塊不會太 影響控制性能。 黑線用作地線，紅色用作電源(VCC)，白

40、線用作馬達(dá)饋線等等養(yǎng)成習(xí)慣, 如果不管什么 顏色的電線都隨手抓來，那么調(diào)試起來就會很困難。 硬件和軟件開發(fā)應(yīng)該同步進(jìn)行，它們實際上只是同一個問題的兩個不同面。如果你一 開始就編寫軟件，我們就會避免很多挫折和麻煩。 結(jié)結(jié) 論論 本論文設(shè)計了以 AT89S52 為主控制器的簡易滅火機(jī)器人。所做工作和確定的成果如下： 1、以單片機(jī) AT89S52 為核心擬定了系統(tǒng)組成方案，完成了系統(tǒng)的電路硬件總體設(shè)計， 包括供電模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、尋線系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、火焰檢測系統(tǒng)以及滅火系統(tǒng)和各個 模塊間接口。 2、完成了各個功能模塊 PCB 板的制作，手工焊制了電路板。 3、完成主要功能模塊的調(diào)試軟件設(shè)計，分別

41、完成對各個功能模塊的調(diào)試工作。 本設(shè)計制作的滅火機(jī)器人，具備機(jī)器人的一般功能， “智能” （尋線）行走，能夠自主完 成一些動作，找到“火源” ，進(jìn)行滅火。 工作展望： 使用下面一些設(shè)計，可以節(jié)約滅火時間，達(dá)到更好的滅火效果。 1、增加舵機(jī)方案。為小車安裝一個舵機(jī)，將滅火風(fēng)扇安裝在可以旋轉(zhuǎn)的舵機(jī)上，在檢 測到火焰的大致位置的情況下，可以不用調(diào)節(jié)車體位置而通過舵機(jī)的旋轉(zhuǎn)就可以輕松滅火， 可以達(dá)到節(jié)約時間的效果。 2、使用“復(fù)眼”技術(shù)。增加火焰檢測傳感器數(shù)量，同時遮蔽部分傳感器，縮短傳感器的 檢測距離，在檢測火焰的時候先遠(yuǎn)距離搜索火焰的大致位置，然后近距離定位火焰，可以更 有效的尋找火焰并能縮短時間，但是需要更多的硬件開銷。 參參 考考 文文 獻(xiàn)獻(xiàn) 1 蔣新松. 機(jī)器人與工業(yè)自動化M . 石家莊: 河北教育出版社,2003. 2 王耀南. 機(jī)器人智能控制工程M . 北京:科學(xué)出版社,2004. 3 倪星元,等. 傳感器敏感功能材料及應(yīng)用M . 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2005. 4 雨宮好文. 傳感器入門M . 北京:科學(xué)出版社,2000. 5許大中等. 電機(jī)控制M . 杭州:浙江大學(xué)出版社,2002. 6黃玉清 梁靚 張玲霞 李想.機(jī)器人的差分方向控制與實現(xiàn)J.信息與電子工程.2004-9,2(3). 7余國衛(wèi) 譚延軍.基于 AT89S52 單片機(jī)的火