灭火机器人论文

1、-加密号：-加密号：赛区统一编号：HLJ-A-196 HGC-A-004 学 校 名 称： 黑龙江工程学院队 长 姓 名： 队 员 姓 名： 指导教师姓名： 2012年8月摘要本系统使用8位MCU单片机为控制单元，配合寻迹绕开障碍物，使用火源传感器对火源进行寻找，反馈信号给MCU进行调整，寻火系统形成一个闭环系统，驱动风扇进行灭火。完成题目基本任务的（1）（2）（3）（4）。本系统考虑了小车重心、低功耗，稳定性能并且较经济的思路进行设计。本题目小车能到消防场地任意地点进行灭火。以蜡烛模拟火源随机分布在场地中，机器人小车自主进行寻火，灭火，反库，用时尽量少。关键词：超声波测距；智能消防小车；火源

2、传感器一、 设计任务：1. 基本要求（1）在场地中随机放置一只蜡烛。消防车从车库启动，计时开始，消防车同时发出出库声音提示。消防车从车库出口驶出车库，自动行走到距离火源10cm以内区域，发出火警声音提示，停车3秒钟。（2）消防车执行灭火工作，灭火完毕后，发出火灭声音提示。（3）消防车经由车库出口自动返回到车库，停稳后，发出返库声音提示，计时结束。（4）上述过程用时尽可能少。2. 发挥部分（1）在场地中随机放置三只蜡烛。消防车从车库启动，计时开始，消防车同时发出出库声音提示。消防车从车库出口驶出车库。（2）消防车能够找到一个火源，并自动行走到距离火源10cm以内区域，发出火警声音提示，停车3秒钟

3、。然后消防车执行灭火工作，灭火完毕后，发出火灭声音提示。（3）再寻找下一个火源，重复过程（2），直到三个火源都被扑灭。（4）扑灭三个火源后，消防车经由车库出口自动返回到车库，停稳后，发出返库声音提示，计时结束。（5）上述过程用时尽可能少。（6）其他。3.创新设计1.小车整体结构构架好，自主设计，小车采用两层结构，分放不同模块，每个接线都贴签，进行调试修改容易。2.自制灭火风扇，并采用三极管放大电路供电，最大限度加快电机转动速度。3.以7805芯片为核心稳压设计，使用L298N为核心的电机驱动设计，确保系统的稳定性。4.从出库到寻到火源期间一直在寻找火源，出库转弯后，在第5竖线，第3横线交口处原

4、地旋转360度寻找火源，如果找到，终止旋转，没找到便搜索障碍物后方火源。确保除车库及障碍物以外场地内任意地点寻到火源。5.寻迹、寻火采用闭环系统，保证寻火的稳定性。二、方案比较与论证：2.1总体设计方案总体方案为：整个电路分为电源模块、单片机控制模块、电机驱动模块、寻迹传感器模块、火源传感器模块、超声波模块、风扇模块主要共七个模块。利用对TCRT5000对路面信号进行探测，利用火源传感器检测火源信号，经过处理后，将其信号传给单片机控制模块进行处理分析，输出相应信号给驱动电机模块驱动电机转动来控制小车的整体运动。系统方案框图如图2-1所示。单片机控制系统电机驱动电路蜂鸣器模块风扇模块火源传感器模

5、块寻迹传感器模块超声波模块5V电源模块7V电源模块5V电源模块 图 2-1系统方案框图2.1.1小车的方案设计与论证方案1：自己制作电动小车（包括车体），组装合适的电机及驱动板，自制探测器，利用开发板做控制驱动小车。但自己制作的小车，平衡不能保证，车的性能不好，重量不均。小车的一体电路设计，比较难良好地实现。方案2：购买专用用带有万向轮的小车。曾经用过该类型小车，万向轮方向存在不确定性。方案3：购买专用履带小车，具有组装完整的车架车轮，和完整的电机装配以及电机驱动板。用自制模块或购买完整传感器模块，用自制单片机最小系统板控制小车运动。专用电动车装配紧凑，运行稳定，承重高，底盘低重心低。安装电路

6、板方便且规整，美观。我们不用在考虑电机装配和电机驱动的设计。综合考虑，我们选定方案3作为我们的第一步方案。2.1.2电源模块本系统中，需要用到的电源有单片机最小系统5V，L298N芯片的电源5V，超声波电源5V和电机的电源7-20V。所以电源的提供必须准确和稳定可靠。方案1：用三块蓄电池给超声波和小车供电，和单片机及其它模块供电，用蓄电池需要买充电器，整体需要高的价钱，为降低成本，不选该方案。方案2：由于超声波模块输入输出是方波模拟量，其他模块对其干扰特别大，用四节干电池为超声波供电，用八节干电池为电机单独供电，免去了分压，而且模块间干扰小，八节干电池通过AM1117，进行降压到5V,能够保证

7、单片机和其它模块的持续供电，电量充足。通过方案分析对比，考虑降低成本，选择方案2。2.1.3单片机控制模块方案1：采用ARM芯片，运行速度快，功能强大。团队ARM技术水平初级，控制不好。方案2：采用STC89C52作为主控制芯片，该芯片有足够存储空间，可以方便的在线下载程序，反复烧写达十万次，方便。该芯片使用简单灵活性高且价廉。降低成本。技术广泛，成熟。2.1.4电机驱动模块方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机 步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适合小车等有一定速度的系统。方案2：采用直流电机作为该系统的驱动电机 直流电机的控制方法比较简单，

8、只需给电机的两个控制线加上合适的电压即可使电机转动起来，电压越高电机转速则越高。改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的运行状态。综合考虑，本设计采用了方案2。2.1.5寻迹传感器模块方案1：采用光敏电阻和二极管配合，受外界干扰比较大，对地面平整要求较高。方案2：采用红外对管，由于只分辨黑白，红外光电对管利用白色反光，黑色吸光原理，并且红外光直线性强，稳定性高，速度快，电路简单成本低，方便操作。 综合分析，我们采用方案2.。2.1.6火源传感器模块方案1：采用热敏电阻，和光敏电阻作为传感器，在一定范围内空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生变化，光敏电阻受外界干扰比较大，抗干扰能力

9、极差，误差偏大，不能准确测定火源位置。方案2：采用红外接受二极管，红外接收二极管将外界红外光的变化转变为电流的变化，利用LM324进行电压比较，后输出数字开关量。红外火焰传感器可以用来探测火源或其他一些波长在760nm1100nm范围内热源，谈成为角度达60度，红外光波长在940nm近时，其灵敏度最大。比较两种方案，方案2，受外界干扰小，容易探测到火源，因此我们选用方案2。2.1.7超声波模块方案 1：红外避障，对障碍物要求近距离。方案2：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。

10、超声波传感器在避障的设计中被广泛应用。超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1内，所以用单片机作方波发生器方便有效。2.1.8风扇模块方案1：采用电机驱动模块来驱动会使得结构复杂，故障率高，维修不方便。方案2：直接利用三极管驱动直流电机。将电机放在三极管的射极，然后再基极加上一个限流电阻即可驱动电机正常工作，方案电路简单，容易实现，减少器件使用，降低故障率。同时驱动效率大，稳定性好。如果想放大更多，可以采用多个三极管并联供电的方式。综合考虑，选用方案2。2.2最终方案确定经过反复论证，确定方案如下：1 车体是购买专用履带电动车。2 采用3+4+8节干

11、电池供电。3 采用STC89C52单片机为控制器。4 用红外探测传感器作为寻迹传感器。5 用火源传感器来寻火源。6 采用三极管放大电路驱动风扇模块。三、 硬件设计分析与计算3.1系统技术路线及功能简介 本系统利用单片机STC89C52单片机作为系统的主控模块，采用反射式红外传感器识别黑线轨迹，用红外火源传感器检测火源，超声波传感器测量规定区域，由单片机对传感器识别到的信号加以分析和判断，通过对直流电机的控制来实现自动寻迹并灭火，系统工作技术路线图如图3-1所示： 图3-1 系统工作技术路线图3.2电源模块 用为保证单片机正常工作，所以用4节干电池为系统供电。再用三端稳压管转换为电机和单片机需要

12、的电压,单片机需要5V的电压，所以使用7805为其供电。电动机使用8V的电压，6个干电池串联直接为其供电。超声波5V，3个干电池直接为其供电。3.3红外寻迹传感器 该智能灭火小车在路过黑线的路面上时，由于黑线和路面对光线的反射系数不同，可以根据接收到反射红外线的强弱来判断黑线。在该模块中利用了简单、应用也比较普遍的检测方法-红外探测法。经过多次测试、比较，发现把TCRT5000传感器安装在距离检测物表面68mm时，检测效果最好，因为5mm以下是它的检测盲区，而大于10mm则很容易受另外的光电管的干扰。红外寻迹传感器原理图如图3-2所示： 图 3-2 红外寻迹传感器原理图图中可调电位器阻值来调节

13、比较器的门限电压，可方便的调节传感器的灵敏度。用此电路作为传感器检测与调理电路。3.4 L298N电机驱动JP1为逻辑输入端，为IN1IN2IN3IN4，其中IN1、IN2控制电机M1:IN3、IN4控制电机M2。UIA-UID为TLP521-4光隔离，保护因电机启动停止瞬间产生的尖峰脉冲对主控制器的影响。RN1、RN2为上下拉电阻.D1-D8为续流二极管IN4007。驱动电路如图3-3所示： 图 3-3 电机驱动电路3.5红外火源传感器远红外火源传感器能够探测到波长在700nm1100nm范围内的红外光，探测角度为60，其中红外光波长在900nm附近时，其灵敏度达到最大。原理如3-4所示：

14、图3-4 红外火源传感器模块原理图3.6风扇模块灭火风扇的驱动电压为+7V,为了增强驱动能力，我们用三极管8550做驱动电路用来加大驱动电流。在IN处接单片机的IO口，通过IO口输出高低电平来控制灭火风扇的启动和停止。灭火风扇驱动电路如图3-5所示：图 3-5 灭火风扇驱动电路四、 软件设计在进行微机控制系统设计时，我们根据单片机的具体情况使用Keil C51软件，采用主流初始化测距停车3S,风扇灭火，回库直走3线左转90°直走4线左转90°直走2线原地360°直走1线左转90°有火吗有火吗出库铃响有火吗有火吗开始结 束 图 4-1消防小车系统总体流程图

15、设计语言C语言对单片机进行编程实现各项功能。C语言功能丰富，表达能力强，目标程序效率高，可移植性好，既具有高级语言的优点，又具有低级语言的许多特点，应用十分广泛。消防小车系统总体流程图如4-1所示：五、测试方案与测试结果：首先我们按模块测试超声波测距模块，10cm以内为盲区，盲区测量显示数据：实际距离超声波实测量实际距离超声波实测量1cm95976cm1441472cm1051077cm1551563cm1151178cm1651674cm1251269cm1751775cm13413710cm185186火源传感器模块对蜡烛火焰测量范围：实际距离火源传感器实测量电压实际距离火源传感器实测量电

16、压10cm4.98V60cm2.34V20cm4.88V70cm1.92V30cm4.72V80cm1.45V40cm3.77V90cm1.15V50cm2.89V100cm0.96V六、结论、心得体会6.1结论在小组成员的共同努力下，通过大量测试调试表明，小车能够较好的完成题目要求的基本要求。我们在完成基本任务的基础上想更好的方案。尽可能的减小时间。消防小车从硬件到软件都以达到预期的目的。由于时间关系对于更好的方案有待讨论。 6.2小组心得体会 通过这次全国大学生电子设计大赛，我们从中收获了很多宝贵的知识，提高了团队协作能力，增强了团队意识。对于做控制类小车题目的我们来说，需要很强的动手能力

17、，我们在做车的过程中受益匪浅。更让我们了解大赛的整个过程和在比赛中应注意的问题，以及避免问题的方法，和对于应急事件的处理。这对于我们毕业进入社会有着很大的帮助。经历了比赛期间，也锻炼了我们的意志力与坚定信心的能力，让我们在压力下，一步一步接近成功。欢乐与汗水伴随着我们成长。电子大赛是有意义的，我们应该继续发扬大赛的精神，鼓励大学生电子设计，提高大学生的创新意识。感谢大赛组织者，和有关大赛的工作人员，祝愿电子大赛越办越好，更上一层楼，每一年都是一个突破。附录一：总原理图附录二：基本元器件清单基本元器件清单电阻150欧姆15扇叶1电阻200欧姆13蜂鸣器1电阻10K欧姆16排针若干电容104uF8

18、跳线若干电容100uF6IN58191二极管IN40078LED9三极管85506STC89C511个三极管19123红外接收管3个L298N1电路板若干47K阻排212M晶振1四位一体光耦管1开关按键3电位器1038超声波传感器1TCRT50005单片机插座1直流电机1电池盒3附录三：总程序#include <reg52.h> /包括一个52标准内核的头文件#include <intrins.h>#define uchar unsigned char /定义一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong unsigned lo

19、ngchar flarg=0;/flarg变量标志位,bug火焰规定寻迹标志位uint i=0,m=0,j=0,n=0,k=0,l=0,aa=0,aaa=0,ii=0,iii=0,t=0,h=0,r=0,w=0,ww=0,www=0,tt=0,kk=0,hh=0;/aa,ii,蜂鸣器子程序变量sbit P02=P02;/左边火焰传感器sbit P03=P03;/右边火焰传感器sbit P04=P04;/中间火焰传感器sbit P10=P10; / 超声波发射sbit P12=P12;/控制左电机sbit P13=P13;/控制左电机sbit P14=P14;/控制右电机sbit P15=P15

20、;/控制右电机sbit P16=P16;/电机使能EAsbit P17=P17;/电机使能EBsbit P20=P20;/寻迹中sbit P21=P21;/寻迹右前sbit P22=P22;/寻迹右sbit s40hHz=P10;sbit P31=P31;sbit voice=P30;uint s,t; /s为测量距离(单位:mm), t为测量时间(单位:us)uchar d4; /显示缓存uchar temperature; /当前温度值,单位为摄氏度uchar sign_failure; /测量失败标志uchar sign_complete; /测量完成标志/-延时程序-/void del

21、ay(uint a) uint x,y;for(x=a;x>0;x-) for(y=110;y>0;y-);/-电机驱动程序运行-/void fun1() /直走 P12=0;P13=1;P14=0;P15=1;void fun2() /后退 P12=1;P13=0;P14=1;P15=0;void fun3() /右走 P12=0;P13=1;P14=1;P15=1;void fun4() /左走 P12=1;P13=1;P14=0;P15=1;void fun5() /停车 P12=1;P13=1;P14=1;P15=1;void fun6() P12=1;P13=0;P14=

22、0;P15=1;/原地右转/-蜂鸣器出库，查火源，火灭，进库-aa,ii-/void chukuxiang() while(aa=0) for(ii=0;ii<100;ii+) voice=!voice;delay(20); aa=1; void huoyuanxiang() while(aaa=0) for(iii=0;iii<100;iii+) voice=!voice;delay(30); aaa=1; void huomiexiang()while(aa=0) for(ii=0;ii<100;ii+) voice=!voice;delay(80); aa=1; voi

23、d jinkuxiang()while(aa=0) for(ii=0;ii<100;ii+) voice=!voice;delay(100); aa=1;=void send_wave() uchar z;for(z=0;z<8;z+) /40kHzs40hHz=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); s40hHz=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_

24、(); _nop_(); _nop_();_nop_(); /=void measure() /超声波测距子函数 sign_failure=0; /测量开始,清测量失败标志 sign_complete=0; /测量开始, 清测量完成标志 TH2=0;TL2=1; TR2=1; /计时开始 send_wave(); while(sign_complete=0) /等待测量完成 display(1); if(sign_failure) /若T2溢出也未能检测到回波(65.536ms×314m/s=20.5m),测量失败 TR2=0; s=0; return ; TR2=0; s=t*0.

25、157; / s=314000*(t*0.000001)/2;/=void chaoshengbo()uchar d=0; T2CON=0x09; /T2工作在捕获状态 EA=1; /开总中断 ET2=1; /使能定时器2中断 s =0; while(d=0) measure(); display(80); if(s<=160)fun5(); huoyuanxiang();delay(2000);P31=0;delay(10000); P31=1;d=1; /-火焰子程序-/void xunhuoyan()/有火焰为1； uchar o;if(P02=0&&P04=0&a

26、mp;&P03=1)|(P02=0&&P04=1&&P03=1)for(o=0;o<31;o+) delay(10);fun3(); if(P02=1&&P03=0&&P04=0)|(P02=1&&P03=0&&P04=1)for(o=0;o<31;o+) delay(10);fun4(); if(P02=1&&P03=1&&P04=1)for(o=0;o<31;o+) delay(10);fun1();w=1;r=1;ww=1;www=1;

27、chaoshengbo();fun2();/-出库三个线左转九十度-i,m,n,w,c,-/void chuku()char c=0;while(w=0) if(P20=0)flarg=1;delay(20); if(P20=1)&&(flarg=1)i+;flarg=0; xunhuoyan();if(i=1) chukuxiang(); if(i=2) while(c=0) fun1(); if(P21=1)flarg=1;delay(20); if(P21=0 && flarg=1)m+;flarg=0; if(m>=8)c=1; while(w=0

28、) fun4(); xunhuoyan(); if(P21=1)flarg=1;delay(20); if(P21=0 && flarg=1)n+;flarg=0; if(n>=12)w=1; else fun1(); i=3;/-出库二直走四个线左转90度-r,j,l-/void chukutwo()while(r=0) if(P20=0)flarg=1;delay(20); if( P20=1 && flarg=1)j+;flarg=0; xunhuoyan(); if(j=3) while(r=0) fun4(); xunhuoyan(); if(P21=0)flarg=1;delay(20); if(P21=1 && flarg=1) l+;flarg=0; if(l>=12)r=1; else fun1(); j=4;/-直走两条线原地旋转三百六十度-t,h,k,ww,cc-/void chukuthree()char cc=0; while(ww=0) if(P22=0)flarg=1;delay(20); if(P22=1 && flarg=1)t+;f