基于ARM2103的灭火机器人设计

1、嵌入式设计系统实践论文嵌入式设计系统实践论文 -基于基于 arm2103arm2103 的灭火机器人设计的灭火机器人设计 系 别： 机电学院 专 业：自动化 班 级：093 班 学 号：02 03 学生姓名：黄 文黎书堂 指导教师：王 祖 麟 基于基于 arm2103arm2103 灭火机器人的研究与设计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有生命

2、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arm2103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 thethe designdesign ofof dualdual serialserial serverse

3、rver basedbased onon arm2103arm2103 abstractabstract: with the social and national development, rapid economic growth, the inevitable fires a variety of dangerous places frequently, to the social security created a lot of hidden dangers, so the modern fire remedied in time, has become an urgent need

4、 to address the problem, the fire as early as the moment of loss on the shaoyi fen, fire rescue personnel of course, speed has been fast, but it also needs a big time, and enter the fire scene there is the possibility of life-threatening, so was born the concept of fire-fighting robot, stupid design

5、 is mainly for the production of fire-fighting robot and research, car in order to arm2103 microcontroller to control the core, to power supply circuits, motor drives, photoelectric sensor circuit, the flame detection circuit, fire fans, and other circuit. power circuit to provide the necessary work

6、ing power supply systems, special-purpose motor driver chip drives car forward backward motor control, as well as steering, photoelectric tracing the completion of the tube and avoid obstacles, and photosensitive resistance sensor detects flame, fire-fighting fans put out the fire. this design produ

7、ced a simple car fire extinguishing capabilities to achieve the realization of on-site fire-fighting purposes, the design goal of a better way to complete a task. keywords:keywords: sensor; fire-extinguishing robot; dc motor; tracing 第 1 章 绪论 1.1 机器人产生的背景 .1 1.2 机器人技术发展现状 .2 1.2.1 机器人的发展 .2 1.2.2 灭火

8、机器人 .2 1.3 本文的主要内容及组织 .3 第 2 章 整体方案设计及背景知识 2.1 整体方案设 计.4 2.2 硬件实现方 案.5 2.2.1 mcu 的选择.5 2.2.2 电机的选择5 2.2.2 传感器的选择.5 2.2.2. 火焰传感器的选择5 2.2.2. 避障传感器的选择5 2.2.3 硬件总体设计方案.7 2.3 软件实现方案7 第 3 章 系统硬件电路设计 3.1 电源电路14 3.2 微控制器模块设计14 3.2.1 arm2103 3.2.2 arm2103 最小系统电路 3.3 电机驱动电路的设计15 3.4 寻线电路的设计.15 3.5 火焰检测电路的设计.1

9、7 3.6 声音警报与灭火20 3.6.1 灭火驱动电路. 3.6.2 声音警报电路 3.7 本章小结. 第 4 章 软件的实现 4.1 软件开发平台介绍24 4.2 主程序流程图24 4.3 寻线程序流程图.25 4.4 灭火程序流程图.26 4.5 本章小结28 第一章第一章 绪论绪论 1.11.1 机器人产生的背景机器人产生的背景 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

10、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

11、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。 刚才我们用了短暂的时间，讲了机器人的发展以及我们对机器人的看法，进行了简 单地介绍，相信大家在今后的学习中，能够加入到我们研究机器人这个行列中。 1.21.2 机器人技术发展及现状机

12、器人技术发展及现状 1.2.11.2.1 机器人的发展机器人的发展 机器人技术的发展，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

13、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

14、，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

15、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 funac 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

16、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

17、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，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

18、、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。 1.2.21.2.2 灭火机器人的发展灭火机器人的发展 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

19、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

20、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

21、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 arm2103 作为主控制器，光敏电阻作为本系统的火焰传感器，用 tcrt5000 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 arm2103 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、arm2103 系统、寻线系统、电机驱动系

22、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。 第第 2 2 章章 系统设计及方案比较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 arm2103 作为主控制器，用 st178 型 光电对管进行避障，光敏电阻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。 2.12.1 整体方案设计整体方案设计 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

23、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 硬件实现方案 2.2.1 微控制器的选择 近年来，arm 微控制器应用技术发展迅速，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：采用单片机作为主控制器。p8

24、9v51rc2 是一个低功耗，高性能的 51 内核 的 cmos 8 位单片机，片内含 8k 空间的可反复擦多次的 flash 只读存储器，具有 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 p89v51rc2 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 2：采用周立功公司的 arm2103 作为主控制器。lpc2103 是一个基于支持实时 仿真的 16/

25、32 位 arm7 tdmi-s cpu 的微控制器，并带有 32kb 的嵌入高速 flash 存 储器，128 位宽度的存储器接口和独特的加速结构使 32 位代码能 够在最大时钟速率 下运行。 较小的封装和极低的功耗使 lpc2103 适用于访问控制器和 pos 机等小型应 用系统中； 由于内置了宽范围的串行通信接口（2 个 uart、spi、ssp 和 2 个 i2c） 和 8kb 的片内 sram，lpc2103 也适合用在通信网关和协议转换器中。32/16 位定时器、 增强型 10 位 adc、定时 器输出匹配 pwm 特性、多达 13 个边沿、电平触发的外部中 断、32 条高速 gp

26、io，使得 lpc2103 微控制器特别适用于工业控制和医疗系统中。 16/32 位 arm7 tdmi-s 微控制器，超小 lqfp48 封装；8kb 的片内静态 ram 和 32kb 的片内 flash 程序存储器。128 位宽度接口/加速器 可实现高达 70 mhz 工作频率； 通过片内 boot 装载程序实现在系统/在应用编程（isp/iap） 。单个 flash 扇区或整 片擦除时间为 100ms，256 字节编程时间为 1ms； 嵌入式 ice rt 通过片内 realmonitor 软件提供实时调试； 10 位 a/d 转换器提供 8 路模拟输入（每个通道 的转换时间低至 2.4

27、4us） ，以及特 定的结果寄存器来最大限度地减少中断开销；2 个 32 位定时器/外部事件计数器（带 7 路捕获和 7 路比较通道） ；2 个 16 位定时器/外 部事件计数器（带 3 路捕获和 7 路比较通道） ；低功耗实时时钟（rtc）具有独立的电 源和特定的 32khz 时钟输入；多个串行接口，包括 2 个 uart（16c550 协议标准） 、2 个高速 i2c 总线（400 kbit/s） 、 spi 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的 ssp； 向量中断控制器（vic ） ，可配置优先级和向量地址；多达 32 个通用 i/o 口（可承 受 5v 电压） ；多达 13 个边沿、电平

28、触发的外部中断管脚；通过一个可编程的片内 pll （100us 的设置时间）可实现最大为 70mhz 的 cpu 操作频率，其具有 10mhz25mhz 的输入频率；片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为 125mhz；低功耗模式包括空闲模式、带 rtc 的睡眠模式和掉电模式；可通过个别使 能/禁止外围功能和外围时钟分频来优化额外功耗；通过外部中断或 rtc 将处理器从掉 电模式中唤醒。 。 从方便使用和经济的角度考虑，我们选择了方案 2。 2.2.22.2.2 电机选择电机选择 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

29、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。 本课题选用的是直流电机。 2.22.2 传感器的选择传感器的选择 2.2.12.2.1 火焰传感器的选择火焰传感器的选择 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

30、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，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

31、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。 从经济和方便的角度考虑，本课题选择了方案 3。 2.2.22.2.2 寻迹传感器寻迹传感器 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

32、线的影响，因此我放弃了这个方案。 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 tcrt5000 型光电对管。tcrt5000 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。

33、所示。当发光二极管发出的光反射回， 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。因此本课题选择 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，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

34、光电开关 tl1838a2 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 tl1838a2 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。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

35、车体。 2、采用 arm2103 作为主控制器。 3、用 tl1838a2 型光电对管进行避障。 4、光敏电阻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。 图 2-4 系统结构框图 2.3.22.3.2 软件总体设计方案软件总体设计方案 传感器组把测得温度分别通过 ad 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，调整小车方向并通过避障传感器避障前进到火 源位

36、置驱动灭火风扇进行灭火。 tl1838a2 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 arm2103 控制芯片 光电开关避障模块 第第 3 3 章章 硬件单元电路设计硬件单元电路设计 本章主要讲述了以 arm2103 为主控制器，设计相关的硬件电路。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 arm2103 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 l7805acv 这种专为大功率供电使用的芯片提供 5v 供电， 电源

37、电路如图 3-1。 （3-1） 3.2 微控制器模块的设计 3.2.1 arm2103 微控制器介绍 周立功公司的 基于支持实时仿真的 16/32 位 arm7 tdmi-s cpu 的较高配置的 一款微控制器，应用极其广泛 atmega128 主要特性如下： 16/32 位 arm7 tdmi-s 微控制器，超小 lqfp48 封装； 8kb 的片内静态 ram 和 32kb 的片内 flash 程序存储器。 128 位宽度 接口/加速器，可实现高达 70 mhz 工作频率； 通过片内 boot 装载程序实现在系统 /在应用编程（ isp/iap）。单个 fl ash 扇区或整片擦除时间为

38、100ms，256 字节编程时间为 1ms；嵌入式 ice rt 通过片内 realmonitor 软件提供实时调试。 10 位 a/d 转换器提供 8 路模拟输入（每个通道的转换时间低至 2.44 us），以及特定的结果寄存器来最大限度地减少中断开销。 2 个 32 位定时器/外部事件计数器（带 7 路捕获和 7 路比较通道）。 2 个 16 位定时器/外部事件计数器（带 3 路捕获和 7 路比较通道）。 低功耗实时时钟（ rtc）具有独立的电源和特定的 32khz 时钟输入。 多个串行接口，包括 2 个 uart（16c550 协议标准）、 2 个高速 i2c 总线（400 kbit/s）

39、 ，spi 和具有缓冲作用和数据长度可变功能的 ss p； 向量中断控制器（ vic ），可配置优先级和向量地址。 多达 32 个通用 i/o 口（可承受 5v 电压）； 多达 13 个边沿、电平触发的外部中断管脚； 通过一个可编程的片内 pll （100us 的设置时间）可实现最大为 70m 的 cpu 操作频率，其具有 10mhz25mhz 的输入频率。 片内集成振荡器与外部晶体的操作频率范围为 125mhz。 低功耗模式包括空闲模式、带 rtc 的睡眠模式和掉电模式。 可通过个别使能 /禁止外围功能和外围时钟分频来优化额外功耗。 通过外部中断或 rtc 将处理器从掉电模式中唤醒。 3.2

40、.2 arm2103 最小系统电路 arm2103 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。 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 图 3-3 lm298 内部 h 桥原理图 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 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 l29

41、8 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。 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

42、 停止 驱动电路的设计如图 3-4 所示。电源由变压器提供，通过稳压模块转化为 5v 作为信号 电源 vss。 电机由 l298 供电，由全桥进行泻流。 对电机的控制信号由 arm2103 的 p0.12 p0.15 p0.16 p0.17 四个 io 口直接输入，p0.19 与 p0.20 为两个电机的控制信 号， （3-4） 通过对 arm2103 的编程就可以实现两个直流电机的正反转。 电源模块为经过变压器变压后在经过稳压器稳压之后的电压，稳压器的电路的原理图 如下： 3.4 寻线电路的设计 在实际设计中，我们并选用 ad 采样的方案来判断红外线的接收与否。 红外线对管典型应用电路如图

43、3-6 所示。 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： 2 *riu eout r1 r2 d vc c vre f vo ut ie 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 vou

44、t 的模拟电压信号 送至 ad 端口判断信号的接收。 本次课题还应用 tl838a2 红外线接收头。该接收头的特点是：低功耗，高灵敏度， 抗干扰性强。使用 tl1838a2 红外线接收头接收信号时应用 38khz 频率三分之一占空比 的载波发送红外线并且用探头接收。 tl1838a2 极限参数 电源电压vcc（v）6工作温度topr（） -2585 功耗pd(mw)30存储温度tstg()-40125 在发送端口发送 38khz 频率的 pwm 方波，发送 600us 以后停止发送红 外线，停止的时间为 900us。之后不断的重复的定时发送。 设计出的电路原理图如图 3-7 所示。 图 3-7

45、 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；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。 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。 3.53.5 火焰火焰检测电路的设计检测电路的设计 光敏传感器的设计电路如图所示，光敏电阻串联一个 1000 欧姆的上拉电阻，通 过端

46、口的输出信号，来判断是否检测到火源，而右边的风扇开关驱动电路是光敏电阻 串联一个下拉电阻，图中二极管用来保护电路，当检测到火源，光敏电阻的阻值减小 ，三极管基极电压升高，三极管导通，启动风扇驱动电路，从而直接达到灭火的目的 ，读者也可以通过 arm 端口来控制风扇驱动电路。 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 arm2103a/d 转换器的模拟信号输 入端口。电路图如图 3-x 所示。 3.3.6 6 声音报警与灭火声音报警与灭火 位置状态=010位置状态=10

47、0位置状态=001 3.6.13.6.1 灭火驱动电路灭火驱动电路 图 3-9 灭火风扇的驱动电路如图 3-10 所示。其中 port1，port2 分别接到 arm2103 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，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

48、-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 gnd vcc d1d2 m b1 m b1 q1 mosfet-n q2 mosfet-n 104 c1 104 c2 port2port1 +5 100 r1 510 r2 ls1 speaker q1 8050 speak 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。 3.73.7 本章小结本章小结 本章主要讲述了以 arm2103 为主控制器

49、，设计相关的硬件电路。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。 第第 4 4 章章 软件实现软件实现 本章介绍了此次毕业设计使用的编程工具 ads1.2，介绍了主要的控制模块程序， 编写相应的控制程序，主要是寻线控制程序和灭火控制程序。 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。 arm2103 是支持 c 语言编程的编译器，它主要有

50、两种：arm 的 c 编译器和 c+编译 器。c 编译器是 arm 软件开发的一种高性能的 c 编译器。由 c 编译器产生的目标代码的 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。 周立功公司提供的专用 arm 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 arm 及其派生系列 产品生成嵌入式应用系统。使用 ads1.2 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。 ads1.2 是周立功公司提供的用于开发 arm 系列芯片的汇编语言与 c 程序的集成开 发环境。ads

51、1.2 环境包括菜单、工具条、编辑及显示多种窗口。ads1.2 支持使用的 arm2103 工具，包括 c 编译器、宏汇编器。 4.24.2 主程序流程图主程序流程图 主程序流程图如图 4-1 所示。 用右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。 n y y n 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

52、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 4.34.3 寻线程序流程图寻线程序流程图 寻线的程序流程图如图 4-2 所示： 小车寻线时，由 tcrt5000 红外对管检测地面引导线，反射光越强，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。 图 4-2 寻线子程序流程图 y n y n 开始 初始化定时

53、器 1 设置外中断边沿触发 开中断 等待中断 置通道号=0，flag1=0 flag1=1? flag2=1? 计算小车位置状态 不是阀值 控制小车 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，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。 4.44.4 灭火程序流程图灭火程序流程图 灭火子程序的流程图如图 4-3 所示。 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。 由于设计中使用一个风扇，安装在小车的正前方，没

54、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。 图 4-3 灭火子程序流程图 y y n n ny 开始 读入左右火焰传感器信息 左边火焰强？ 左转右转 对准火焰？ 等待 0.5s 开灭火风扇 等待 5s 读入火焰传感器信息 火焰已被灭？ 关风扇并记录时间 结束 4.54.5 本章小结本章小结 本章介绍主程序设计思路与流程图，寻线程序流程图，灭火程序的流程图，编制 了相关调试程序，为下一章做系统

55、的调试工作打下基础。 第第 5 5 章章 系统功能调试系统功能调试 本章节介绍了系统调试所做的工作以及心得体会。 5.15.1 测试仪器及设备测试仪器及设备 表 5-1 测试仪器设备清单 仪器名称型号用途数量 pc 机调试及下载程序 1 数字万用表测量各电路工作情况 1 秒表记录时间 1 5.25.2 功能测试功能测试 先将底盘上的减速电机位置固定，连接稳压电路电路，在给固定的驱动信号，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

56、板和稳压源来调整重心，使重心在中轴线上，在所有模块都安装好 后，再布好线路。进行总体调试。 5.2.15.2.1 驱动电路部分驱动电路部分 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

57、的错误。 5.2.25.2.2 寻线部分寻线部分 将光电管 tcrt5000 分别对准黑线和白线进行测试，所测结果如表 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 过电压比较器比较之后，分别输出低电平和高电平，供 arm 作控制信号。 表 5-2 光电管采样数据 tcrt500 0-1 tcrt500 0-2 tcrt500 0-3 tcrt500 0-4 tcrt500 0-5 tcrt500 0-6 tcrt500 0-7 tcrt500 0-8 第 1 次 1.71v1.69v1.62v1.61v1.71v1.45v1.47v1.43v 寻 黑 线 第 2 次 1.74v1.69v1.66v1.65v1.74v1.48v1.51v1.47v 第 1 次 4.35v4.30v4.26v4.23v4.3