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基于52系列单片机的轮式机器人开发研究的论文 摘要：本文设计的是一款基于52系列单片机的轮式机器人,以89S52单片机为机器人控制核心,以红外传感器和光电传感器为传感器对火苗与障碍进行检测,以直流减速电机作为机器人移动手段,并通过喷水方式作为灭火手段,以实现轮式机器人能够自动避障、自动寻找火源并实施灭火的功能。本文可以作为轮式灭火机器人制作与实现的理论参考。 关键词：单片机;传感器;轮式机器人;灭火机器人; 随着科学技术的不断发展,机器人在工业生产和日常生活中应用越来越广泛。轮式驱动的机器人作为比较常见的形式之一,属于移动机器人的一类,具有运动效率高、稳定性强、可搭载性强、可扩展性强等一系列优点,在AGV、救援机器人、探测机器人等领域有着广泛的实践。在未来的机器人发展过程中,移动机器人将拥有广阔的应用前景。本文设计的一款以单片机作为控制核心,能够实现对某小型火场进行火源自动寻找和自动灭火的功能。 1机器人整体结构设计 轮式灭火机器人以89S52为控制核心,在寻找火源的过程中以光电传感器实现避障,同时通过红外传感器实现对火源的探测,当发现火源后,采用喷水系统作为灭火手段,以实现精准定位火场、高效实施灭火的功能。单片机作为常用的系统控制核心,具有体积小、成本低、可扩展性强、编程简便等特点,适用于小型电子系统的开发与应用,故本系统选择单片机为系统控制核心。火光中包含红外线,故选用红外传感器作为火焰的检测手段。在机器人移动中,会遇到障碍,选择光电传感器对障碍物进行检测,当检测到障碍时将信号传送至单片机后,由单片机发出指令实现机器人的避障。 如图1所示为轮式灭火机器人整体结构框图。系统前向通道包含2类传感器,即红外传感器和光电开关传感器;后向通道包含2类执行器,分别是灭火系统执行器和直流减速电机。本系统中,运动功能是轮式机器人的关键功能之一,只有首先实现轮式机器人的运动功能,才能在此基础上实现检测、避障和灭火等功能。本设计选用双减速电机作为轮式机器人的驱动方式。减速电机具有扭矩大的特点,在执行灭火和避障任务时具有一定的优势。 图1轮式灭火机器人系统整体框图 2硬件电路设计 2.1多路电源电路设计 系统多路电源模块的功能是为轮式机器人中各个系统提供稳压电源:光电开关传感器供电电压为+5V;红外传感器供电电压为+5V;最小系统供电电压为+5V;直流电机驱动供电电压为+24V;小型喷水灭火系统供电电压为+24V。轮式机器人选用额定电压为24V、容量为10000mAh的锂电池作为系统供电电源。 综上可知,本系统的供电电压基本分为两类,即+24V和+5V。+24V供电部分采用锂电池直接供电,其额定电压为+24V,充满电量后电压小于+26V,满足直流电机驱动和小型喷水灭火系统供电电压范围的要求,因此本部分不再做稳压电路设计。而+5V电路选用稳压电路实现,其电路原理图如图2所示。 其中,稳压模块选择三端稳压模块LM7805,该模块成本较低,输入电压大于+7.5V即可稳压输出+5V电压,输出电流可达1A,功率5W,足够为传感器和控制核心提供可靠稳定的电压输出。C1选用25V/1000F电容;C2选用16V/1000F电容,以防止负载突变时提供临时电源输出;C3和C4电容是防止三端稳压芯片自激振荡。D1是电源指示LED,选用红色。通过该设计电路可以实现将额定电压为24V的锂电池输入电压稳压为+5V,为传感器和控制核心供电。 图2直流稳压电源电路 2.2系统整体电路接线设计 如图3所示为轮式灭火机器人系统整体电路图,其中,U3是系统控制核心AT89S52单片机,电路设计中包含其按钮复位电路和晶体振荡器电路,以构成最小系统电路;A1-A4位4个光电开关传感器,作用是分布于轮式灭火机器人四周,以达到检测障碍物的目的;A5和A6是红外传感器,目的是检测环境内的火源;U4和U5是两个电机驱动,控制电机部分分别与U6和U7两个电机进行接线;U8是灭火系统装置,该装置内部集成控制继电器等元件,与单片机I/O口直接接线,采用数字量控制,具有控制方便的特点,在使用时,只需单片机发出低电平控制指令,即进行喷水作业,反之单片机给出高电平指令,停止喷水作业。 3软件程序设计 3.1PWM调速部分软件设计 本系统中的2个电机驱动模块采用PWM调速形式实现控制,PWM即脉冲宽度调制信号,具有调速稳定的特点。轮式机器人电机驱动部分,采用PWM调速,可以合理控制其运行节奏,控制电机速度时主要以采用占空比进行调节,占空比与输出电压成正比,即0%占空比对应速度0,即0V电压;100%占空比对应全速,即24V电压。在设计PWM软件程序过程中,本设计采用定时中断法,以单片机的I/O口为信号输出端。电机控制频率1kHz,定时中断设置0.1ms。定时中断初始化程序,这里不赘述;PWM核心程序语句中,pwm_i是中断计数变量,IO_ZUO和IO_YOU是机器人两侧电机的占空比输出变量。具体程序如下: 3.2系统主程序流程设计 图4所示为轮式灭火机器人主程序流程图。将机器人防止在灭火区域内,然后将系统上电,完成系统初始化工作,包括定时中断初始化、传感器自检、灭火系统自检和驱动自检等。自检完毕后发出自检结束信号,随后自动运行至活在区域内,开始巡航搜索火源。在搜索过程中,当轮式机器人四周的光电传感器检测到有障碍物时,轮式机器人选择合理避障。在遇到疑似火源后,轮式机器人在保持自身安全的距离内,将对准火源,执行灭火指令,直至该处火源成功消灭。当完成一处火源灭火后,继续进行巡航并搜索火源,直至将整个区域内的火源消灭。 图3轮式灭火机器人系统整体电路图 图4主程序流程图 3.3巡航路径规划 在区域内进行灭火时,由于地势情况复杂、火源位置,为了提高灭火效率,必须进行合理的路巡航径规划,达到以最短时间内消灭所有火源的目的。本设计路径规划的方法是:通过行走距离的测算和光电传感器检测的反馈,对每次行走的位置进行记录和分析,在下一次运行时,避免走过无火患路线,从而提高运行效率。 4结语 本文设计了一款以单片机为控制核心的轮式灭火机器人,通过系统整体方案设计、硬件电路设计和软件程序设计,阐述了轮式灭火机器人基本功能的设计和实现方法,初步实现了机器人的运动功能、对障碍物的检测识别功能、对火源的检测识别功能和灭火功能。在今后的实践过程中,为了完善机器人功能,可以加入若干传感器(如摄像头传感器),从而丰富机器人的检测手段,提高灭火效率。同时加入位置传感器和SD卡记录模块,通过wifi模块和手持仪器进行通信,从而绘制出火场情况,传输火场图像,丰富救援手段。可见,轮式灭火机器人在未来的发展中,将具有更广阔的发展空间和应用价值。 参考文献