基于STM32的智能滅火安防巡檢機器人設(shè)計

第1章緒論1.1課題研究背景火災(zāi)在日常生活中是非常普遍存在的，隨著經(jīng)濟的迅速增長，各種危險場所不可避免的火災(zāi)頻繁出現(xiàn)，嚴(yán)重影響人類生活環(huán)境的安全。本課題設(shè)計的基于STM32單片機的智能滅火安防巡檢機器人，就是基于實際滅火的應(yīng)用場景，通過機器人自己發(fā)現(xiàn)火源，判斷火源，并作出對應(yīng)的滅火動作，達到智能滅火的目的。由于人們的防火意識比較差，生活中火災(zāi)頻發(fā)，人們急切地希望用機械來代替人類來完成救火的工作。在未來智能化、機械化的社會中，特別是在安防巡檢事業(yè)中，一款好的智能滅火安防巡檢機器人可以起到事半功倍的作用，應(yīng)用前景十分光明。隨著我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展，以及工程建設(shè)、事故的危險性與日俱增。假如不能保證自己的生命安全的情況下，就冒冒失失地進入了火場，這將會導(dǎo)致他們無法完成自己的工作，甚至?xí)?dǎo)致他們的生命財產(chǎn)的損失。這一點，消防員們已經(jīng)有過很多次了。為更好的處理消防問題，配置智能化的消防巡邏機器人是非常必要的。消防員將要面臨的火情和緊急情況下的救護工作是非常困難。也為了保護廣大官兵們的生命安全，裝備智能滅火安防巡檢機器人已經(jīng)成為了必然。所以常規(guī)消防滅火手段面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，機器人化替代勢在必行。這種機器人作為一種替代人力進行救火任務(wù)的新技術(shù)，具有非常重要的意義。它可以在安防巡檢事業(yè)中發(fā)揮事半功倍的作用，提高巡檢效率，減輕消防員的工作壓力，在重大安全事件中發(fā)揮出重要的作用。隨著我國社會經(jīng)濟的不斷發(fā)展，工程建設(shè)和各類事故的危險性也在不斷增加。因此，在消防事務(wù)中，必須配備智能化的消防巡邏機器人，以提高消防員處理火災(zāi)和救援工作的效率。消防員在面對火情和緊急情況時需要承受極大的壓力，而裝備智能滅火安防巡檢機器人可以有效減輕他們的工作負擔(dān)，提高安全救援工作的效率。最后，智能滅火安防巡檢機器人的應(yīng)用已不僅僅局限于消防領(lǐng)域，還可以廣泛應(yīng)用于其他領(lǐng)域的安保工作中，如工廠、倉庫、商場、公共場所等。通過智能化技術(shù)的不斷創(chuàng)新，可以更好地保障人們的生命和財產(chǎn)安全REF_Ref19064\r\h[3]。圖1.1火災(zāi)事故圖1.2課題研究目的及意義智能滅火安防巡檢機器人有更高級的人工智能，能夠感知、識別、理解和判斷，并通過對體驗和知識進行歸納來提高自己的智力?；贛CU（MicroControllerUnit）的智能滅火機器人小車是一種智能機器人，它是以實際滅火應(yīng)用場景為基礎(chǔ)設(shè)計研發(fā)的。該機器人能夠發(fā)現(xiàn)火源、判斷火源情況并做出相應(yīng)的滅火動作，以實現(xiàn)滅火的目標(biāo)。智能滅火機器人的重要性有以下幾點：首先，相比傳統(tǒng)的人工滅火，智能滅火機器人的優(yōu)勢在于省時省力，可以遠程操縱和智能滅火，大大降低了人類的勞動負擔(dān)。其次，智能滅火機器人能夠保障生命安全。傳統(tǒng)的救火方式都是由消防隊員完成，但火場中存在很多危險的情況。如果消防隊員被困在火場中，那么他們的生命安全就會受到威脅。而使用機器人進行智能消防，則是解決這個問題的最佳選擇。最后，智能滅火機器人的應(yīng)用推動了整個社會消防技術(shù)水平的提高。通過使用先進的電子技術(shù)，設(shè)計出來的機器人滅火小車具有許多自動化的功能，例如自動判定、全自動滅火和自動避障等。與傳統(tǒng)工業(yè)的現(xiàn)狀相比，機器人小車的應(yīng)用將會極大地提高工業(yè)的技術(shù)瓶頸。智能滅火安防巡檢機器人按照流量大小區(qū)分有小型、中型、大型；滅火偵查機器人還分為中倍數(shù)泡沫和高倍數(shù)泡沫的。根據(jù)實際的應(yīng)用需求與應(yīng)用場景的不同，機器人向功能專用化發(fā)展，功能越來越專一，越來越強大。同時，也會根據(jù)不同領(lǐng)域的需求，開發(fā)不同結(jié)構(gòu)與功能的機器人，例如：用于海工作業(yè)的水下機器人、煤礦領(lǐng)域的礦用軌道巡檢機器人等。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在20世紀(jì)以來，機器人行業(yè)領(lǐng)域分為三個部分，第一部分為程序控制，主要是遠程控制；第二部分為功能，通過傳感器之間的配合來實現(xiàn)更多功能；第三部分為智能化，通過人機結(jié)合的目的進而向智能化的方向發(fā)展。國外在機器人領(lǐng)域的科研比國內(nèi)要提前一些，有著比較顯著成果的國家有美國、日本、德國、俄羅斯等。據(jù)國際新聞報道，這些國家對于智能機器人的研究是結(jié)合二代智能機器人和三代低級智能機器人為基礎(chǔ)，并往第三代高級智能機器人的方向大力發(fā)展。日本的科技也是排在世界前列，在上世紀(jì)80年代研制出的“彩虹5號”消防機器人，屬于第一代智能化控制機器人，成為當(dāng)時火災(zāi)搶險行動中得力的一員，后來又在國際機器人與自動化大會上發(fā)表了一部管狀機器人，連接上消防車或者消防栓之后會自動尋找火源并噴射高壓水柱，替代啦消防員抱著水帶進入火場，極大的保障啦消防人員的生命安全。意大利新一代的機器人為啦提高移動能力，使用鋁鎂合金和鈦等材料制作，重量變得更輕，移動速度也變得很快，自身的平衡性能達到最好，消防人員可以無線遠程遙控控制機器人進入火場，然后根據(jù)機器人在火場獲得的信息進行信號反饋，以此來讓消防人員對火情進行分析，并根據(jù)現(xiàn)場情況作出最佳滅火方案。2019年巴黎圣母院發(fā)生火災(zāi)，由于內(nèi)部建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法從內(nèi)部進行搶救，由于火災(zāi)的繼續(xù)蔓延，大教堂的頂尖開始出現(xiàn)倒塌的跡象，于是巴黎消防隊使用一臺名字叫做“巨人”的智能移動滅火機器人，進入火場內(nèi)部后開始持續(xù)不斷的發(fā)射高壓水槍，經(jīng)過短時間利用大量的水來滅火，火情逐漸得到了控制，該機器人防水，高溫耐熱，檢測空氣中除煙霧外是否還有其他化學(xué)有害物質(zhì)，還攜帶先進的溫度計，隨時把火場信息傳輸給火場外的消防員，續(xù)航可以達到八小時?？梢允瓜绬T不用攜帶大量的裝備進入火場，極大的減輕啦消防人員的負擔(dān)。美國海軍科研部展示啦一臺名為SAFFiR的智能消防滅火機器人，也可以叫艦載消防機器人，配備無人機進行火焰定位，采用熱成像技術(shù)識別過熱的機器，也可以用滅火劑滅掉甲板上面的火焰，通過紅外視覺和激光探測可以透過煙霧進行觀察并收集信息進行反饋，還可以自動操縱消防水管進行滅火。智能滅火安防巡檢機器人是一種特殊類型的機器人，是一種小型機器人，可以通過程序設(shè)計來實現(xiàn)某一特殊任務(wù)。與一般意義上的機器人比較，這款智能滅火安防巡檢機器人價格便宜，它具有非常大的學(xué)術(shù)價值。隨著工業(yè)機器人向成熟方向發(fā)展，多功能專用機器人向多功能方向發(fā)展，機器人技術(shù)將迎來一個美好的未來?，F(xiàn)在的世界，無時無刻不在發(fā)生著意外，比如：大火、坍塌、洪水等等。有的人能處理，有的人則束手無策。這就是機器人的作用。它能到達人所不能到達之處，能做到人所不能做到之事，并減少傷害與損失?，F(xiàn)在，隨著科技的快速發(fā)展，國內(nèi)外對小型智能系統(tǒng)的應(yīng)用越來越廣泛，種類也越來越多。

第2章功能介紹2.1組成部分圖2.1模塊組成圖完成數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析計算，并發(fā)送控制命令。包括按鈕、指示燈以及藍牙應(yīng)用程序的人機互動裝置。按下按鈕，可提供豐富，直觀，友好的信息接口;數(shù)據(jù)采集模塊完成了對火源數(shù)據(jù)信息的采集。并處理接收到的數(shù)字信號，通過按鈕來啟動救火機器人。2.2功能模塊自動尋跡模塊：是一種通過識別傳感器感應(yīng)到的黑線、白線以及其他顏色的路面信息，從而使機器人智能尋路的設(shè)備。自動尋跡模塊通常由線性光電傳感器、運放電路、微控制器等組成。當(dāng)機器人沿著黑線或白線行駛時，光電傳感器會感應(yīng)到路面的顏色變化，然后經(jīng)由運放電路將傳感器信號放大，再通過微控制器進行分析和處理。通過對路面顏色信號的處理和分析，自動尋跡模塊就可以讓機器人智能地沿著黑線或白線行駛。自動尋跡模塊通常被應(yīng)用于智能小車、智能機器人、自動掃地機等領(lǐng)域。它可以大幅提升設(shè)備的自主性和靈活度，無需人工干涉即可實現(xiàn)設(shè)備自動尋路的功能。（2）火焰?zhèn)鞲心K：是一種用于檢測火焰和熱源的電子元件。它通常由紅外線接收器、比較器和靈敏度調(diào)節(jié)電路等組成。它通常被廣泛應(yīng)用于火災(zāi)檢測、家庭安防等領(lǐng)域。（3）超聲測距模塊：采用超聲技術(shù)對目標(biāo)進行測距。該系統(tǒng)是一種用來對目標(biāo)進行測距的傳感裝置，其工作原理是將特定頻率的超聲訊號發(fā)射出去，再將其接收到的回波訊號，實現(xiàn)對目標(biāo)的測距。超聲信號在空氣中快速傳播和極低的折射率，因此可以被廣泛應(yīng)用于測量物體距離的領(lǐng)域。超聲波測距模塊通常可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射頻率、發(fā)射角度、接收器靈敏度等參數(shù)，來適應(yīng)不同的測距場景。超聲波測距模塊通常被應(yīng)用于機器人導(dǎo)航、智能停車、安防監(jiān)控等領(lǐng)域，具有測量范圍廣、精度高、響應(yīng)速度快等。（4）煙霧傳感器模塊：MQ-2傳感器對可燃氣、煙霧等氣體具有很高的靈敏度，在MQ-2的煙霧傳感器模塊中，經(jīng)過電路設(shè)計，它提供了兩種輸出方式：數(shù)字量輸出：用板載電位器來設(shè)置濃度閾值，當(dāng)檢測到周圍氣體濃度超過閾值時，它就會通過數(shù)字管腳DO輸出低電平。模擬輸出：當(dāng)濃度較高時，AO管腳的輸出電壓較高；MQ系列傳感器采用的是一種具有高度反應(yīng)活性的金屬氧化物半導(dǎo)體REF_Ref4521\r\h[9]，當(dāng)其受熱時，其導(dǎo)電性能隨氣體濃度的變化而變化。電導(dǎo)的改變可以通過一個簡單的電路被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)于這種氣體濃度的信號。（5）電機驅(qū)動模塊：馬達的驅(qū)動模組一般為晶體管、晶閘管（晶閘管）、IGBT等，當(dāng)然，在微特馬達中，亦使用整合模組。驅(qū)動電路的基本作用就是將信息電子電路發(fā)出的信號根據(jù)其控制目標(biāo)的要求，轉(zhuǎn)換為加在電力電子器件控制端和公共端之間，可以使其開啟或關(guān)斷的信號。對于半控型器件，只需要提供一種開啟控制信號，而對于全控型器件，則需要同時提供一種開啟控制信號和一種關(guān)斷控制信號，以確保器件能夠按照需要可靠地進行導(dǎo)通或關(guān)斷REF_Ref4603\r\h[8]。（６）藍牙模塊：低功耗藍牙的發(fā)展，給我們的生活提供更多的可能性，從智能家居到醫(yī)療電子，如今已經(jīng)成為物聯(lián)網(wǎng)中不可缺少的一部分。這樣低功耗，低延遲，續(xù)航時間長的藍牙對于傳感器來說是不二選擇。（7）滅火模塊：滅火模塊由繼電器模塊、水泵和兩節(jié)3.7V電池構(gòu)成，水泵裝置可以添加泡沫，干粉等滅火劑。（8）電源模塊：采用3.7V型號14500鋰電池，體積小，價格實惠，可代替一般五號電池使用率較高。

第3章硬件電路設(shè)計3.1單片機最小系統(tǒng)設(shè)計MCU最小化系統(tǒng)為整體的設(shè)計，STM32MCU是該系統(tǒng)中最核心的一部分。通常用來實現(xiàn)對傳感器進行輸入探測，并驅(qū)動LCD等輸出。此外，該單片機還具有極低功耗操作的功能，可以通過對機器人進行編程，使其在相對較低的頻率下進行操作，降低了系統(tǒng)的功耗；如果沒有任務(wù)，則會進入閑置狀態(tài)，如果找到了任務(wù)，則會被叫醒。當(dāng)有外界的干擾被觸發(fā)時，系統(tǒng)會自動將干擾還原，重新啟動MCU的工作。圖3.1TM32F103C8T6原理圖3.2超聲波避障電路設(shè)計在該系統(tǒng)的設(shè)計中，采用了兩個輸入輸出端口，分別與超聲波模塊的TRIG,ECHO接口相連，其中一個輸入輸出端口負責(zé)發(fā)送檢測信號，另外一個輸入端口負責(zé)接收回送的信號，并通過時間差異以及聲波在空中的傳播速率來計算距離。圖3.2超聲波模塊原理圖3.3電源電路設(shè)計電源輸入是7.2伏鋰電池接口，需要采用7805芯片來穩(wěn)住電壓，輸出是5伏的電壓，使用470UF的電解電容器來產(chǎn)生更好的穩(wěn)定性。圖3.3電源電路原理圖3.4電機調(diào)速電路設(shè)計在該系統(tǒng)中，6路輸入輸出端口被用來連接293芯片的控制端。其中，P10P11與一對293芯片啟動控制器連接P11P12P13P14P15通過連接293芯片的PWM1PWM2PWM3PWM4來控制電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向。圖3.4電機驅(qū)動模塊原理圖3.5火焰?zhèn)鞲衅髟O(shè)計火焰?zhèn)鞲衅魇且环N用途很廣的元件，其工作原理為：當(dāng)發(fā)射管內(nèi)的光照射到受光管上時，受光管就會被導(dǎo)通，反之關(guān)斷。火警感應(yīng)器與MCU的接口電路如下所示：圖3.5火焰?zhèn)鞲心K原理圖3.6藍牙模塊HC05藍牙模塊的特性參數(shù)如下：（1）支持藍牙SPP串口協(xié)議（2）內(nèi)置PCB天線（3）支持UART接口（4）藍牙Class2（5）數(shù)據(jù)傳輸比BLE藍牙快、可達到8K每秒以上的速率（6）支持與SPP主藍牙模塊連接通信（JDY-30為從SPP藍牙模塊）（7）支持與電腦SPP藍牙通信（8）支持Android手機SPP通信圖3.6藍牙模塊原理圖3.7煙霧傳感器模塊1.尺寸:32mmX22mmX27mm長X寬X高2.主要芯片:LM393、ZYMQ-2氣體傳感器3.工作電壓：直流5伏圖3.7煙霧傳感模塊原理圖3.8循跡模塊(1)工作電壓5V-33V(2)模塊上的電位器是用來調(diào)節(jié)靈敏度的(3)檢測反射距離:1mm-25mm適用(4)輸出形式:數(shù)字開關(guān)量輸出(0和1)(5)設(shè)有固定螺栓孔，方便安裝(6)小板PCB尺寸:3.2cmx1.4cm(7)使用寬電壓LM393比較器圖3.8循跡模塊原理圖3.9滅火模塊滅火模塊采用1路5V繼電器模塊來控制水泵，模塊接口:(1)DC+：接電源正極（電壓按繼電器要求，有5V、9V、12V和24V選擇）(2)DC-：接電源負極(3)IN：可以高或低電平控制繼電器吸合圖3.9滅火模塊原理圖

第4章系統(tǒng)軟件設(shè)計4.1系統(tǒng)主程序設(shè)計該系統(tǒng)以普通STM32單片機為主控芯片，啟動后，先對全部參數(shù)進行初始化，再進入一個死循環(huán)，在這個循環(huán)里，系統(tǒng)會以預(yù)定的速度控制著救火車向前移動，同時通過超聲波避障模塊，遇到障礙物則自動避開障礙物，發(fā)現(xiàn)火源則控制機器人自動靠近、啟動水泵開始滅火。滅火機器人主流程圖如下：圖4.1系統(tǒng)主程序流程圖4.2超聲波避障子程序設(shè)計超聲波的測距，當(dāng)輸入超過十微米的脈沖時，本模塊會在內(nèi)部產(chǎn)生8個40千赫的循環(huán)，并產(chǎn)生回聲。當(dāng)回波信號被探測到時，回波信號被輸出。回波訊號之脈寬，正比于被測量之距離。從發(fā)出信號到收到回波信號之間的間隔，就可以計算出距離。具體程序流程如下：圖4.2超聲波避障子程序流程圖4.3電源模塊子程序設(shè)計在鋰電池供電系統(tǒng)中，有三部分電路:1.鋰電池充電電路，鋰電池的充電要求較高，需要采用專用的恒壓恒流充電器進行充電；2.鋰電池保護電路，保護電路為鋰電池提供過充電、過放電、短路過流、過溫保護；3.鋰電池輸出電路，3.7V電池充滿電后為4.2V，放電平臺電壓為3.7V，對于嵌入式系統(tǒng)或其他負載電路來說，需要將3.7V電壓升降壓為5V、3.3V等電壓才能使用。圖4.3電源子程序流程圖4.4電機調(diào)速子程序設(shè)計電機控制子程序設(shè)計為循環(huán)程序，其方法是：設(shè)定初始速度值，將這個初始值與測速電路送來的值相比較，得出一個誤差值，再用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，進而對電機的轉(zhuǎn)速進行控制。下面的圖表顯示了其工作流程。主程序是一個循環(huán)程序，其基本思路是：由單片機P1口生數(shù)據(jù)送到PWM信號產(chǎn)生電路，再用PI算法輸出控制系數(shù)給PWM發(fā)生電路改變波形的占空比，來控制電機的轉(zhuǎn)速，軟件組成由1個主程序、1個中斷子程序和1個PI控制算法子程序組成。圖4.4PWM脈寬調(diào)制流程圖4.5火焰?zhèn)鞲凶映绦蛟O(shè)計（1）檢測波長范圍為760nm-1100nm（2）檢測角度60°檢測到火源信號時，其藍色指示燈將亮起。可應(yīng)用于消防機器人，火焰報警等安全監(jiān)控項目。圖4.5火焰?zhèn)鞲凶映绦蛄鞒虉D4.6藍牙模塊子程序設(shè)計由圖可知，藍牙模組和MCU之間的通訊方式仍為串行通訊方式。將藍牙模塊RXD與MCUTXD終端相連；將藍牙模塊中的TXD和MCU中的RXD相聯(lián)接，使其能夠根據(jù)藍牙標(biāo)準(zhǔn)的通訊協(xié)議來傳送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)中串口的通信速率是9600。圖4.6藍牙模塊子程序流程圖4.7煙霧傳感子程序設(shè)計特點:（1）具有信號輸出指示（2）雙路信號輸出(模擬量輸出及TTL電平輸出）（3）TTL輸出有效信號為低電平。(當(dāng)輸出低電平時信號燈亮，可直接接單片機)（4）模擬量輸出0-5V電壓，濃度越高電壓越高（5）對液化氣，天然氣，城市煤氣有較好的靈敏度（6）具有長期的使用壽命和可靠的穩(wěn)定性（7）快速的響應(yīng)恢復(fù)特性圖4.7煙霧傳感子程序流程圖4.8自動循跡子程序設(shè)計TCRT5000由紅外發(fā)射和接收器組成，通過不斷的發(fā)射和接收紅外線來進行循跡。循跡模塊的4個管腳分別是VCC、GND、AO、DO。AO是模擬信號輸出，DO是TTL電平輸出。程序流程如下：圖4.8自動循跡子程序流程圖4.9滅火控制子程序設(shè)計在該系統(tǒng)中，在滅火機器人的左側(cè)和右側(cè)各安裝了一個火焰?zhèn)鞲衅鳌Ｈ绻麥缁饳C器人左邊的感應(yīng)器檢測到火源，滅火機器人就會向右轉(zhuǎn)彎，并知道左右兩個感應(yīng)器檢測到熱源，隨后輸出信號給滅火模塊，啟動滅火程序開始滅火。程序流程圖如下圖4-3所示。圖4.9滅火控制子流程圖

第5章系統(tǒng)調(diào)試5.1硬件調(diào)試使用工具：這次調(diào)試所用的工具不僅包括數(shù)字顯示電源、多功能萬用表、示波器等基本儀器，還包括各種特殊儀器，如頻譜分析儀、信號源等。在準(zhǔn)備調(diào)試之前，需要對這些儀器進行詳細的檢查和維護，以確保它們的精度和可靠性。調(diào)試前核驗：調(diào)試前的核驗非常重要，要仔細檢查被調(diào)試電路的連接是否符合參照電路設(shè)計要求，同時還要檢查電路中是否存在虛焊、脫焊、漏焊等情況，以避免調(diào)試過程中出現(xiàn)不必要的麻煩。此外，還需要對電路中的元器件進行核驗，確保它們的質(zhì)量和功能完好。另外，還要仔細檢查被調(diào)試設(shè)備面板上的各個元器件是否都安裝在指定位置，功能開關(guān)是否正常，量程擋位是否正確等。只有在確認(rèn)所有問題都得到了妥善解決，才能按照試車作業(yè)規(guī)程進行試車。在試車過程中，仍然需要對電路和儀器進行監(jiān)控和記錄，隨時發(fā)現(xiàn)問題并及時解決。通過認(rèn)真細致的調(diào)試和試車工作，才能確保被調(diào)試設(shè)備的正常運行和性能優(yōu)越。圖5.1PCB板調(diào)試圖為待調(diào)試的電路做好準(zhǔn)備，這是幾個特定步驟：（1）連線是否正確 檢查線路的接線，如錯線，少線，多線等。按電路接線，按電路接線，按一定的次序一個接一個地進行接線檢查。這樣，更容易找出錯誤的線條和不足的線條。（2）元、器件安裝情況 因為元件數(shù)目較多，需要用萬用表來檢查二極管、器件引腳間有無短路，在連接處是否接觸不好，二極管、三極管、集成電路和電解電容極性等具有極性的東西連接不正確。（3）電源供電，信號源接線不正確，一旦上電電位為相反，就很容易燒壞芯片，要檢查直流極性，信號線是否連接正確。通電前，用萬用表看是否有短路，并切斷一根電源線。直流穩(wěn)壓電源，且其他方面也都沒有問題的話，就可轉(zhuǎn)入調(diào)試。（4）HC05藍牙模塊收發(fā)測試與調(diào)式在本次設(shè)計中，我在調(diào)試HC05藍牙模塊通訊時，碰到了許多困難，其中最突出的就是HC05和MCU之間的信號交換。一開始的時候，匹配就失敗了。經(jīng)過一段時間的調(diào)查，才知道是由于MC05系統(tǒng)和HCU系統(tǒng)出現(xiàn)問題。將單片機的GND和藍牙模組的GND連接在一起，就可以啦。HC05藍牙能否順利收發(fā)，首先是模塊的TXD、RXD兩根線與單片機的RXD、TXD兩根線要正確連接。請務(wù)必進行交叉連接，以便收發(fā)工作可以順利完成。圖5.1.1藍牙模塊調(diào)試圖5.2軟件調(diào)試1.輸出調(diào)試法：在程序中輸出一些關(guān)鍵信息，用以驗證程序的正確性。2.斷點調(diào)試法：在程序中設(shè)定了一個斷點，在程序運行到斷點時停止，方便了對程序當(dāng)前狀態(tài)和可變參數(shù)的觀測?？梢允謩釉诖a行上設(shè)置斷點，或者使用IDE自動斷點功能。3.追蹤調(diào)試法：通過追蹤程序執(zhí)行時的變量變化、函數(shù)調(diào)用、代碼執(zhí)行過程等，來找到程序中的錯誤。比如可以使用調(diào)試工具的單步執(zhí)行功能，一步一步地觀察程序的執(zhí)行情況。4.記日志調(diào)試法：使用日志系統(tǒng)記錄程序運行過程中的關(guān)鍵信息，以便在需要時查看?？梢栽诔绦蛑惺褂萌罩編靵碛涗涀兞恐?、函數(shù)調(diào)用、錯誤信息等。5.分支調(diào)試法：在程序中加入一些特定的分支條件，當(dāng)程序執(zhí)行到這些條件時會執(zhí)行特定的代碼，便于在特定場景下觀察程序狀態(tài)。比如可以在程序中加入一個特定的變量，當(dāng)該變量滿足特定條件時，執(zhí)行特定代碼。在輸出窗口的Build頁上會顯示編譯信息，如果程序中有語法錯誤，則提示錯誤信息，點擊這一行，可以找到錯誤的地方，并進行修改，得到圖示結(jié)果，通過這一點，我們可以得到一個名為exam1.hex的文件，這個文件可以由編程器讀取和寫入到芯片中，并且生成了一些其他的有關(guān)文件，可以用來進行Keil的仿真和調(diào)試REF_Ref17541\r\h[11]。當(dāng)成功地將項目組裝好，連接好后，點擊Ctrl+F5，或通過菜單->開始/停止調(diào)試會話，Keil軟件內(nèi)部修建了一個仿真的CPU，可以模擬進行程序。這個仿真CPU功能強大，無需硬件和仿真機，就可以進行調(diào)試REF_Ref4179\r\h[5]。下面展示這個模擬調(diào)試功能，它和現(xiàn)實中的的硬件在執(zhí)行過程時會有很多不一樣的地方，最顯著的地方就是時序，在模擬過程中，無法實現(xiàn)和真正的硬件一樣的時序，具體的體現(xiàn)就是，程序執(zhí)行的速度與每個人所使用的電腦有一定的關(guān)系，電腦的性能越好，它的運行速度也就越快。圖5.2軟件調(diào)試圖keil與protues的聯(lián)合仿真調(diào)試圖5.2.1聯(lián)合仿真調(diào)試圖實物圖圖5.2.2實物圖通過分析硬件電路，使用AltiumDesigner軟件制作出調(diào)試電路板，再進行各個模塊的硬件測試，避免在軟件測試過程中硬件設(shè)備出現(xiàn)故障問題。軟件調(diào)試采用Proteus進行程序的仿真運行，對每個模塊單獨進行程序測試，檢測出容易出現(xiàn)問題的程序并進行修改，使接下來的聯(lián)合仿真測試過程變得更加容易，要時時刻刻保證程序和硬件電路不出問題。全部調(diào)試好之后，在模塊設(shè)置規(guī)定的檢測范圍內(nèi)進行功能測試，煙霧傳感模塊與火焰?zhèn)鞲心K是主要的功能，在檢測到火源信號和有害氣體后，會第一時間及時的啟動滅火裝置?？偨Y(jié)和展望6.1總結(jié)在大學(xué)期間，學(xué)習(xí)到的大部分是理論知識，動手實踐的機會并不是很多，通過這次畢業(yè)設(shè)計，在理論知識的基礎(chǔ)上來完成實踐，為了完成畢業(yè)設(shè)計，我用大量的時間來查閱有關(guān)消防知識、安全防護知識、單片機的應(yīng)用、智能化機器人的發(fā)展歷程以及專業(yè)知識等內(nèi)容，不僅提高啦自己的知識儲存量，還鍛煉啦自己的意志力和抗壓能力。在進行設(shè)計并多次調(diào)試后，在整個試驗過程中，對高精度的火焰?zhèn)鞲衅魇请y度最大的一個環(huán)節(jié)，通過接受端的實時顯示，能夠直觀的顯示小車的狀態(tài)。購件，模型，焊接，組裝，最初，因為車身太小，安裝抽水泵后，重心不穩(wěn)，但是硬件沒出現(xiàn)問題，小車的電機模塊一開始總出現(xiàn)兩個電機差速過大的問題，導(dǎo)致兩個車輪的轉(zhuǎn)速不同，無法行走直線。后來請教老師之后才知道自己買的兩個電機型號不一樣，在更換電機之后便再也沒有出現(xiàn)此類問題。在煙霧傳感模塊的接線過程中，由于所使用的線太軟，所以在機器人進行安防巡檢任務(wù)時產(chǎn)生的震動把接線處焊接的部分給震斷掉，然后我不得不又重新焊接起來，并用熱膠槍把焊接處粘起來，避免再次出現(xiàn)意外。在電源部分，剛開始使用的是兩節(jié)鋰電池，這導(dǎo)致智能滅火安防巡檢機器人在工作途中出現(xiàn)電量不足的情況，因為繼電器模塊和水泵是主要功能的來源，需要大量的供電，所以我給滅火模塊又專門配置啦兩塊鋰電池，續(xù)航問題就解決啦。在研究設(shè)計的歷程中，不僅查閱了大量的相關(guān)知識和資料，還積極的與同學(xué)們進行溝通，同時還向老師詢問問題，收獲啦到了很多有用的知識。具體總結(jié)：（1）電路板焊接系統(tǒng)穩(wěn)定的關(guān)鍵以往對于電路板的焊接并沒有太多的關(guān)注，認(rèn)為只需要把電路接通就行了，但是對于這次的畢業(yè)設(shè)計這種綜合性的問題來說，電路焊接的不穩(wěn)定性將會對最終結(jié)果的呈現(xiàn)和調(diào)試的進度產(chǎn)生很大的影響我在剛開始對機器進行了較為隨便的焊接，到后來由于時間太緊，最后還得再焊接一個新的主板來實現(xiàn)所有的功能。（2）供電之前一定要先檢測導(dǎo)通因為缺乏這方面的經(jīng)驗，我在一開始把電路板焊好之后，就把電路板接上了。最后發(fā)現(xiàn)，這條線路竟然是短路的，而且還燒到了MCU芯片。若是找不到理由。所以，在電路板焊完之后，要及時地對其進行開度測試，養(yǎng)成一個好的習(xí)慣是很重要的。6.2展望隨著工廠的大量建設(shè)，火災(zāi)事故經(jīng)常發(fā)生，我國逐漸開始大量投入消防機器人作為代替消防員進入危險復(fù)雜環(huán)境的特殊裝備，市場規(guī)模在2021年達到16.28億元，預(yù)計到2024年將增長到32.9億元。目前在經(jīng)濟發(fā)達地區(qū)配備較好，一般6到8臺智能滅火機器人，主要以進口為主，隨著2018年對消防的全面改革，可見國內(nèi)對消防事業(yè)的重視程度逐日劇增，對人民生命財產(chǎn)安全提供啦充足的保護力量，預(yù)計未來國產(chǎn)消防裝備會逐步替代進口裝備。預(yù)期的滅火機器人應(yīng)該具有滅火、排煙、偵測、巡檢、危險處置、應(yīng)急救援、預(yù)警和通信的功能。環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)底盤機構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化環(huán)境適應(yīng)性技術(shù)首要就是底盤技術(shù)，一個好的底盤要求底層機構(gòu)應(yīng)具有承載力高、穩(wěn)定性好、機動性強、越障能力強、具備避障能力。輪式越障能力有限，在攀爬中會遇到多種問題，目前主要是研究履帶式越障。防護性大致上是指防水防塵，一般要求達到IP67的等級REF_Ref4179\r\h[5]。視覺感知采用多相機、多光譜的方式，同時也會采用一些算法通過強大的控制系統(tǒng)或處理器來進行測量，便于在“消”和“防”的過程中達到更精確的感知。感知技術(shù)作為火情探測的核心技術(shù)，是大空間環(huán)境下初期火災(zāi)快速識別的技術(shù)，它的技術(shù)構(gòu)成大致可分為四個步驟：目標(biāo)捕獲、噪聲消除、特征提取、目標(biāo)識別和結(jié)果輸出。定位技術(shù)有多種，包括里程計、北斗、GPS等等，網(wǎng)格定位技術(shù)，主要是使用在空間體量不大、多機器人的情況下實現(xiàn)多源感知和同步定位。作業(yè)載荷包含安全巡檢與災(zāi)情偵測作業(yè)載荷，模塊化現(xiàn)場靈巧處置作業(yè)載荷，基于液氮復(fù)合介質(zhì)滅火作業(yè)載荷等。液氮滅火可以實現(xiàn)快速降溫，快速隔離空氣的目的，減少了用水量的使用。消防排煙機器人組成部分包括排煙風(fēng)機、噴霧系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、行走底盤等REF_Ref4603\r\h[8]。人機交互技術(shù)已經(jīng)成為消防機器人技術(shù)組成中的重要部分，其中基于行為的功能和組合的功能在之后會發(fā)揮越來越重要的作用。智能滅火機器人逐漸被國家重視，并將之列入863高科技計劃研究發(fā)展項目，在中國制造2025國家政策中，提到要著重發(fā)展高智能滅火機器設(shè)備，鼓勵企業(yè)進行技術(shù)以及產(chǎn)業(yè)方面的創(chuàng)新。2030年全球機器人市場規(guī)模將從1700億元擴大到2700億元，仍有1200億元的發(fā)展空間，在新政策的扶持下，我國智能滅火機器人行業(yè)得到快速的發(fā)展，也吸引國內(nèi)大量企業(yè)紛紛加入到消防滅火機器人的研發(fā)當(dāng)中去，市場潛力巨大，為了不斷實現(xiàn)技術(shù)創(chuàng)新，我國將繼續(xù)秉承科技創(chuàng)新的發(fā)展理念，從研發(fā)到生產(chǎn)重重把關(guān)，隨時根據(jù)市場的變動趨勢進行創(chuàng)新研究，力求推出順應(yīng)市場需求的的高標(biāo)準(zhǔn)智能化滅火機器人設(shè)備，加速機器人行業(yè)現(xiàn)代化智能化發(fā)展的趨勢，保護國家生命財產(chǎn)安全貢獻一部分微弱的力量。我相信隨著信息化技術(shù)的快速發(fā)展,國內(nèi)外對于消防智能滅火機器人技術(shù)的研發(fā)與利用，在火災(zāi)搶險領(lǐng)域都發(fā)揮著毋庸置疑的作用。中國消防智能滅火機器人可以學(xué)習(xí)國外同行先進的技術(shù)與經(jīng)驗，從中得到可以長久發(fā)展與可靠的觀念，要求不斷創(chuàng)新，有大國理念，通過鮮明的特點體現(xiàn)出技術(shù)的可靠與穩(wěn)定，注重裝備的質(zhì)量，搞好技術(shù)基礎(chǔ)，使得在今后的發(fā)展當(dāng)中可以有著更好的光明前景。參考文獻張建亞智能巡檢滅火機器人關(guān)鍵技術(shù)研究[D]西安建筑科技大學(xué)2022.DOl:10.27393/dcnkigxazu.2022.000912.付婷懸掛式軌道滅火機器人噴頭機械結(jié)構(gòu)設(shè)計及優(yōu)化[D]沈陽理工大學(xué)2022.0l:10.27323/dcnkigsgyc.2022.000195.劉志勇.智能巡檢滅火機器人的設(shè)計[D].大連工業(yè)大學(xué),2017.俞凡.基于單片機的廠區(qū)智能循跡滅火車模型的設(shè)計和實現(xiàn)[D].安徽農(nóng)業(yè)大學(xué),2016.張佐權(quán).競賽用滅火機器人智能優(yōu)化技術(shù)的研究與實現(xiàn)[D].電子科技大學(xué),2012.劉征,鞠艷杰,唐雅茹,ZHONGGuotao.基于STM32的探滅一體化智能滅火機器人設(shè)計[J].自動化與儀器儀表,2023(01):207-211.DOI:10.14016/ki.1001-9227.2023.01.207.李瑞,劉琦,袁文正,潘強輝,戴慎超,陶衛(wèi)軍.新型智能消防滅火機器人設(shè)計及實現(xiàn)[J].南京理工大學(xué)學(xué)報,2022,46(05):553-560.DOI:10.14177/ki.32-1397n.2022.46.05.006.賈佳.基于多傳感器的智能自主滅火機器人的設(shè)計[J].自動化與儀表,2020,35(12):35-39.DOI:10.19557/ki.1001-9944.2020.12.008.黃圓志.智能礦井滅火機器人行走機構(gòu)設(shè)計及運動仿真[J].價值工程,2019,38(22):189-191.DOI:10.14018/13-1085/n.2019.22.073..智能消防滅火機器人亮相昆明消防展[J].消防界(電子版),2018,4(08):1.胡樹坤,劉小虎.基于STM32的智能滅火機器人設(shè)計[J].新余學(xué)院學(xué)報,2017,22(05):152-156.盛彬,喬棟.基于單片機的用電報警系統(tǒng)在智能滅火機器人中的應(yīng)用[J].通訊世界,2017(16):272-273.戴鎮(zhèn)原,馮齊全,王愉博.關(guān)于智能滅火機器人系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計的探討[J].數(shù)字通信世界,2017(08):130+64.盛彬,喬棟.智能滅火機器人自動避障和火焰搜索的設(shè)計方案[J].電子技術(shù)與軟件工程,2017(12):130-131.TemitayoO.Ejidokun,OlusegunO.Omitola,AzeezFiyinfoluwa,SamuelOnodjohwo,ChigozieOdoguwu,ChidozieOdoguwu.[J].JournalEuropéendesSystèmesAutomatisés,2022,55(3).ZhangShuo,YaoJiantao,WangRuochao,LiuZisheng,MaChenhao,WangYingbin,ZhaoYongsheng.[J].RoboticsandAutonomousSystems,2022,154.VemulapalliHarika,GudavalliMadhavi,AzaharahmedMohammed.[J].ElectrochemicalSocietyTransactions,2022,107(1).LaiqAbulHassan,KaushalBheemKant,KumarMohan,ChoubeyChandan.[J].JournalofPhysics:ConferenceSeries,2021,2062(1).RadhaD.,KumarM.Arun,TelagamNagarjuna,SabarimuthuM..SmartSensorNetwork-BasedAutonomousFireExtinguishRobotUsingIoT[J].INTERNATIONALJOURNALOFONLINEANDBIOMEDICALENGINEERING,2021,17(1).HoChao-ChingChenMing-ChenTsaiTsung-Ting.DevelopmentofSensoryFusion-BasedIntelligentFireFightingRobot[J].AdvancedScienceLetters,2011,4(6-7).附錄1.PCB版圖2.原理圖3.系統(tǒng)程序#include"main.h"http://串口1藍牙程序代碼/*串口接收識別的藍牙串口指令格式（十六進制）：300D0A--0310D0A--1320D0A--2330D0A--3340D0A--4APP發(fā)送時，定義以上十六進制編碼*///Port#defineBluetooth_PortGPIOA//Pin#defineBluetooth_RXD_PinGPIO_Pin_9#defineBluetooth_TXD_PinGPIO_Pin_10uint8_tBluetooth_Receive_Buffer[200];//接收緩存數(shù)組uint16_tBluetooth_Buffer_Address=0;//接收狀態(tài)標(biāo)記voidBluetooth_Config(uint32_tbaud){ GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure; USART_InitTypeDefUSART_InitStructure; NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure; GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=Bluetooth_RXD_Pin; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(Bluetooth_Port,&GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=Bluetooth_TXD_Pin; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(Bluetooth_Port,&GPIO_InitStructure); USART_InitStructure.USART_BaudRate=baud; USART_InitStructure.USART_WordLength=USART_WordLength_8b; USART_InitStructure.USART_StopBits=USART_StopBits_1; USART_InitStructure.USART_Parity=USART_Parity_No; USART_InitStructure.USART_Mode=USART_Mode_Rx|USART_Mode_Tx; USART_InitStructure.USART_HardwareFlowControl=USART_HardwareFlowControl_None; USART_Init(USART1,&USART_InitStructure); USART_ITConfig(USART1,USART_IT_RXNE,ENABLE); USART_Cmd(USART1,ENABLE); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=USART1_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=3; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=3; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd=ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);}voidUSART1_IRQHandler(void)//串口1藍牙接收{(diào) uint8_tReceive_Data; if(USART_GetITStatus(USART1,USART_IT_RXNE)!=RESET) { Receive_Data=USART_ReceiveData(USART1); if((Bluetooth_Buffer_Address&0x8000)==0)//接收未完成 { if((Bluetooth_Buffer_Address&0x4000)!=0)//接收到\r { if(Receive_Data!=0x0a)//如果不是\n，說明接收錯誤 Bluetooth_Buffer_Address=0;//清零重新開始接收 else Bluetooth_Buffer_Address|=0x8000;//最高位置1 } else//還未接收到\r { if(Receive_Data==0x0d)//如果接收到\r Bluetooth_Buffer_Address|=0x4000;//次高位置1 else//表示數(shù)據(jù)未接收完，將數(shù)據(jù)緩存到數(shù)組 { Bluetooth_Receive_Buffer[Bluetooth_Buffer_Address&0x3fff]=Receive_Data; Bluetooth_Buffer_Address++; } } } }}u8car_zhiling=0;u16sd_value=0;u32JL=0;intmain(){ NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); RCC_Config();//時鐘初始化 SystemInit();//初始化系統(tǒng)時鐘為72MHZ KEY_Init(); TIM3_PWM_Init(); CGQ_Init(); LED_Init(); LED1=LED2=LED3=1; delay_init(); //延時函數(shù)初始化 hcsr04_NVIC(); Hcsr04Init(); Bluetooth_Config(9600);MH=0; while(1) { key_SMG(); if(xx==0)//停止?fàn)顟B(tài) { SetMotorVoltageAndDirection(0,0); yy=0; LED1=LED2=LED3=1; zz=1;MH=0; } if(xx==1)//運行狀態(tài)：更具傳感器的狀態(tài)判斷循跡的工作 { LED1=0;//運行狀態(tài)指示燈 JL=(uint32_t)Hcsr04GetLength(); if(JL>99)JL=99; JL=JL%100; //模式切換 if(yy==0)//模式1：自主滅火模式 { LED2=1;LED3=0; //滅火小車程序算法控制 //超聲波避障模式 if(JL<30) {SetMotorVoltageAndDirection(-sd_value,-sd_value); delay_ms(1000); SetMotorVoltageAndDirection(0,sd_value); delay_ms(1000); } else { if(CG_Z1==1&&CG_Y1==1)//如果都為高電平：前進 { SetMotorVoltageAndDirection(sd_value,sd_value); } else if(CG_Z1==0||CG_Y1==0)//兩個傳感器都檢測到，表示到達接近火源的最近位置。執(zhí)行：停止、啟動水泵滅火、關(guān)閉水泵動作。 { SetMotorVoltageAndDirection(0,0);//停止 MH=1;//啟動水泵 delay_ms(5000); MH=0;//關(guān)閉水泵 } } } elseif(yy==1)//模式2：循跡模式：尋跡中檢測到滅火 { LED2=0;LED3=1; //紅外循跡模式：小車卡著黑線循跡行走 if(CG_Z1==0||CG_Y1==0)//兩個傳感器都檢測到，表示到達接近火源的最近位置。執(zhí)行：停止、啟動水泵滅火、關(guān)閉水泵動作。 { SetMotorVoltageAndDirection(0,0);//停止 MH=1;//啟動水泵 delay_ms(5000); MH=0;//關(guān)閉水泵 } else { if(CG_Z2==1&&CG_Y2==1)//左右兩個傳感器都檢測到黑線，小車執(zhí)行停止 { SetMotorVoltageAndDirection(0,0); } else if(CG_Z2==0&&CG_Y2==0)//左右兩個傳感器都沒有檢測到黑線，小車執(zhí)行前進 { SetMotorVoltageAndDirection(sd_value,sd_value); } else if(CG_Z2==1&&CG_Y2==0)//如果左傳感器檢測到黑線，表示小車車頭偏左，為修正執(zhí)行動作，小車執(zhí)行右轉(zhuǎn)的動作 { SetMotorVoltageAndDirection(sd_value,0); } else if(CG_Z2==0&&CG_Y2==1)//如果右傳感器檢測到黑線，表示小車車頭偏右，為修正執(zhí)行動作，小車執(zhí)行左轉(zhuǎn)的