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；

2、火源传感器一、 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

3、出火警声音 提示，停车 3 秒钟。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

4、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

5、车的整体运动。系统方案框图如图 2-1 所示。图2-1系统方案框图，组装合适的电机及驱动板，自制探测器，禾用 平衡不能保证，车的性能不好，重量不均。小（包括车体）2.1.1小车的方案设计与论证 方案1:自己制作电动小车开发板做控制驱动小车。但自己制作的小车， 车的一体电路设计，比较难良好地实现。曾经用过该类型小车，万向轮方向存在不确定方案2:购买专用用带有万向轮的小车。 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。安装电路板方便且

6、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

7、保证单片机和其它模块的持续供电，电量充足。2。通过方案分析对比，考虑降低成本，选择方案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。步进电机的输出力矩较低，随转速的升 不适合小车等有一定速度的系统。 直流电机的控制方法比较简单， 只需给电 电压越高电机转速则越高。改变正负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

8、高而下降，在较高转速时会急剧下降，其转速较低，方案 2：采用直流电机作为该系统的驱动电机 机的两个控制线加上合适的电压即可使电机转动起来， 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

9、， 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760nm-1100nm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。2。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2.1.7 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

10、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。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

11、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。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：0从岀徒就一昌在寻火.

12、肓利満利火漏7寸 岂ft钛*陣"到迄寻心直图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

13、，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用此电图中可调电位器阻值来调节比较器的门限电压，可方便的调节传感器的灵敏度。 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器的影响。RN1、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 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:TVi：&

14、#39;n和 fii 1PVTI 2CT： XTJ昭寸IJI.st：y3ZL31 rrrk11二 5=1?K1»*图3-3电机驱动电路原理如 3-4所示:图3-4红外火源传感器模块原理图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 700nm-110 Onm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。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10 口，通过10 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：1K图3-5

15、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，采用主流图4-1消防小车系统总体流程图设计语言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1cm95976cm1441472cm1051077 cm1551563cm1151178cm1651674cm12

16、51269cm1751775cm13413710cm185186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

17、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，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，

18、每一年都是一个突破。=曙尼IH-_ - _ _ . *'11 , -r ,LS復也 £芻4 尊口 贯n fi-3 目一一 Ha："卜宀r- .r ITIfJI h"I-'卜卜卜*!卜卜巴卜hN "=h'r 归！ |切笛hkFr ：卜.Hd 1 r I £H_l 1 N Blf L _ LmAlLnIT0仝slBr生产*" 'Ar* -T -i-rII- JI F|君tr1|'書< IT工电讨甘73r PlB !arj=Sl+V壮环丽用：瘟兄阀，兄爲占g占I 丁冲g P去严隔3,7h“eHi

19、-?<- .-s-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4. 7K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/包括一个 52 标准内核的头文件#include <reg52.h>#include <intrins.h>#define

20、 uchar unsigned char /定/ 义一下方便使用#define uint unsigned int#define ulong unsigned longchar flarg=0;/flarg 变量标志位 ,bug 火焰规定寻迹标志位uinti=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,i i,蜂鸣器子程序变量sbit P 02=P0N2;/左边火焰传感器sbit P 03=POA3；/右边火焰传感器sbit P04=POM;/中间火焰传感器s

21、bit P10=PMO; /超声波发射sbit P12=P1A2;/控制左电机sbit P13=PIA3；/控制左电机sbit P14=P1M;/控制右电机sbit P15=PIA5;/控制右电机EAsbit P16=Pip /电机使能EBsbit P17=PIA7; / 电机使能sbit P20=P"。;/寻迹中sbit P 21= P2A1;/寻迹右前sbit P 22=P2A2;/寻迹右sbit s40hHz=PIP;sbit P 31= Pai;sbit voice=卩3八0;uints,t;/s为测量距离（单位:mm）, t为测量时间（单位:us）uchard4;/显示缓存

22、uchartemperature;/当前温度值 ,单位为摄氏度ucharsign_failure;/测量失败标志ucharsign_complete;/测量完成标志/ 延时程序 /void delay(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()/

23、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=0;P15=1; / 原地右转/ 蜂鸣器出库，查火源，火灭，进库 aa,iivoid 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); aa

24、a=1;void huomiexiang()while(aa=0)for(ii=0;ii<100;ii+) voice=!voice;delay(80); aa=1;void 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+) s40hHz=0; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();/40kHz_nop_(); _nop_(); _nop_();

25、_nop_(); _nop_(); s40hHz=1; _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_(); _nop_();_nop_(); /=void measure() sign_failure=0; sign_complete=0; TH2=0;TL2=1; TR2=1; send_wave();/超声波测距子函数/测量开始 ,清测量失败标志/ 测量开始 , 清测量完成标志/计时开始while(sign_complete=0) /等待测量完成 display(1);if(sign_failure

26、)若T2溢出也未能检测到回波(65.536msX314m/s=20.5m)测量失败TR2=0;s=0;return ;TR2=0;/ s=314000*(t*0.000001)/2;s=t*0.157;/= void chaoshengbo()/T2 工作在捕获状态 /开总中断 /使能定时器 2 中断uchar d=0;T2CON=0x09;EA=1;ET2=1;s =0;while(d=0) measure(); display(80);if(s<=160)fun5(); huoyuanxiang();delay(2000);P31=0;delay(10000); P31=1;d=1;

27、/ 火焰子程序 -void xun huoya n()/ 有火焰为 1; uchar o;if(P02=0&&P04=0&&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&

28、;&P04=1)for(o=0;o<31;o+) delay(10);fun1();w=1;r=1;ww=1;www=1;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(P2

29、1=0 && flarg=1)m+;flarg=0; if(m>=8)c=1;while(w=0)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=