轮式灭火机器人控制系统的设计

轮式灭火机器人控制系统的设计 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 自动化学位论文 中文题目:轮式灭火机器人控制系统设计 (软件设计) 英文题目:Wheel fire-extinguishing robot control system design(softdware design) 学生姓名: 学 号: 07312101 同组成员: 专 业: 自动化 指导教师: 二零一一 年 六 月 1 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 摘 要 机器人(Robot)是自动执行工作的机器装置。它既可以接受人类指挥，又可以运行预先编排的程序，也可以根据以人工智能技术制定的原则纲领行动。本设计主要是对轮式灭火机器人控制系统进行了设计，采用AT89C51作为控制核心，实现对各模块的控制。该设计实现了通过红外传感器寻找火源，通过AT89C51控制机器人驱动电机驶向火源将其启动风扇灭火等，同时利用单片机LED显示和报警功能实现工作状态的指示。本设计的硬件部分主要内容包括:AT89C51控制电路，火焰传感器电路，电机驱动电路，报警电路，LCD显示电路，红外测距电路，电源电路等。 系统的软件部分根据系统要达到的要求在硬件电路的基本原理之上进行设计，主要内容包括:程序主 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 图的设计、各子程序流程图的设计及根据流程图进行编程。这个部分的设计也包括三个方面的设计即:电机驱动部分的程序、传感器读入部分，环境分析和避障的实现。 设计的工作过程是:首先通过红外线传感器大概找到火源的方向把在由火焰传感器精准对位相对最大火源后将信号传递给AT89C51控制器，AT89C51控制器根据已设定好的程序控制机器人运动，完成一系列的灭火动作。 关键词:灭火机器人,AT89C51，火焰传感器，电机控制 2 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) Abstract Robot (Robot) is automatically performing work machine device. It can accept human command, and can run prior arrangement, can also according to the procedures set by the principle of artificial intelligence technology platform action. This design is mainly to the wheel fire-extinguishing robot control system design, AT89C51 as control core and realize the control of each module. This design realized through infrared sensor looking for fire, through the AT89C51 control robot drive motor to fire extinguishing the startup fan, and USES singlechip LED display and alarm function realizes the working state of instructions. This design hardware part main content includes: AT89C51 control circuit, flame sensor circuit, motor drive circuit, alarm circuit, LCD display circuit, infrared distance circuit, the power supply circuit, etc. According to the system of software system to achieve part requirement of the basic principles of hardware circuit design, above the main contents include: the procedure of design, each ZhuLiuCheng graph program flowchart design and son according to flow chart for programming. This part of the design also includes three aspects of design namely: motor drive part of the program, sensor read in part, environmental analysis and obstacle avoidance realization. Design work process is: first by infrared sensor probably find in the direction of the fire by the flame sensor precision contrapuntal relative biggest after fire transmit signals to AT89C51 controller, AT89C51 controller program control according to set good robot sports, through a series of extinguishing action. Keywords: fire-fighting robots, AT89C51, flame sensor, motor control 3 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 摘 要............................................................................................................................................... 2 第一章 绪论..................................................................................................................................... 5 1.1 课题的目的与意义 .......................................... 5 1.2 国际国内研究现状 .......................................... 6 1.3 主要设计内容及指标 ........................................ 9 第二章 设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ........................................................................................................................... 11 第三章 硬件电路设计 ................................................................................................................... 13 3.1 AT89C51最小系统设计 .................................... 13 3.1.1单片机复位电路 .................................... 13 3.2 电机驱动电路的设计 .................................. 13 3.3 传感检测电路设计 ....................................... 16 3.3.1 火焰传感检测电路设计 .............................. 16 3.3.3 红外检测 .......................................... 17 3.3.4声音报警与灭火 .......................................... 19 3.4 电源电路设计 ........................................... 20 第四章 软件实现 ........................................................................................................................... 22 4.1 软件开发平台介绍 ........................................ 22 4.2 主程序设计流程图如图所示 ................................ 23 4.3 避障子程序流程图 ........................................ 25 4.4 避陷阱子程序流程图 ...................................... 26 4.5 灭火程序流程图 .......................................... 27 4.6 本章小结 ................................................ 29 五、参考文献 ................................................................................................................................. 29 附录1 ............................................................. 32 附录2 ............................................................. 32 4 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 第一章 绪论 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。 机器人是指计算机控制的能模拟人的感觉、手工操纵，具有自动行走能力而又足以完成有效工作的装置。近年来，人类活动不断扩大，机器人应用也从制造领域向非制造领域发展，像海洋开发、宇宙探测、采掘、建筑、医疗、农林业、服务娱乐等行业都提出了自动化和机器人化的要求。与制造业相比，这些行业的工作环境具有非结构化和不确定性的特点，因而对机器人的要求更高，需要机器人具有行走功能、对外感知能力及局部的自主规划能力等，这是机器人技术的一个重要发展方向。 消防灭火机器人作为特种消防设备可代替消防队员接近火场实施有效的灭火救援、化学检验和火场侦察。它的应用将提高消防部队扑灭特大恶性火灾的实战能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡将产生重要的作用。 1.1 课题的目的与意义 常言道水火无情，这其中道出了水火对人类的威胁及人们对水火的无奈。提起火灾，人们会联想起一起起悲剧。据有关部门统计，仅1995年一年我国就发生火灾3800起，死亡2233人，受伤3770人，直接经济损失10.8亿多元。1997年发生火灾14万余起，死亡2722人，伤4930人，造成财产损失15.4亿元。多么触目惊心的数字啊～ 近年来，我国石化等基础工业有了飞速的发展，在生产过程中的易燃易爆和剧毒化学制品急剧增长，由于设备和管理方面的原因，导致化学危险品和放射性物质泄漏、燃烧爆炸的事故增多。消防机器人作为特种消防设备可代替消防队员接近火场实施有效的灭火救援、化学检验和火场侦察。它的应用将提高消防部队扑灭特大恶性火灾的实战能力，对减少国家财产损失和灭火救援人员的伤亡将产生重要的作用。在深圳清水河火爆炸、南京金陵石化火灾、北京东方化工厂罐区 5 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 火灾等事件发生后，国内消防部队要求研制、配备消防机器人的呼声越来越高。此次消防机器人的研制成功，对我国21世纪的消防装备的发展以及消防部队的技战术的拓展将产生重要的影响。 “机器人产业在二十一世纪将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。”从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在日益走近我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机器人技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。 机器人是具有一些类似人的功能的机械电子装置，它有三个特点，一是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能，还能完成各种动作，二是根据人的编程能自动工作。最显著的特点，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。 机器人产业在二十一世纪将成为和汽车、电脑并驾齐驱的主干产业。从庞大的工业机器人到微观的纳米机器人，从代表尖端技术的仿人型机器人到孩子们喜爱的宠物机器人，机器人正在日益走近我们的生活，成为人类最亲密的伙伴。机 器人技术和产业化在中国具有一定的现实基础和广阔的市场前景。 机器人控制除了在科学研究方面具有深远的意义，它也是一个很好的教学平台。通过它可以使学生将理论与实践紧密地结合起来，提高学生的动手能力、创造能力、协作能力和综合能力。目前国家所提倡的素质教育中，能力培养是核心。机器人提供了一个对学生的能力进行培养的大舞台。对推动高校的科技创新和产学研一体化产生了积极作用，也为提高我国在机器人领域的国际地位作出了积极贡献。 开展机器人研究和参与各项竞赛活动，对进一步加强和提高广大学生的科学素养，发展自身潜能，引导更多的人关注科技、热爱科技、走进科技，涌现出更多未来科学家和未来工程师。在积极推进基础教育和高等教育改革的过程中，渗透科学技术教育，努力培养学生的实践能力和创新精神，造就适应21世纪全球科技、经济发展需要的新一代。 1.2 国际国内研究现状 6 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 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。 在机器人基础技术方面:诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。 在机器人的 单元 初级会计实务单元训练题天津单元检测卷六年级下册数学单元教学设计框架单元教学设计的基本步骤主题单元教学设计 技术和基础元部件的研究开发方面:诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压(气动)元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。 我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达300多条，产值约为上百亿元人民币。 我国现有主要生产工业机器人厂家其生产规模较小，这与当前市场需求有较大差距。生产规模达到大批量生产能力，才能提高机器人的稳定性、可靠性及降低成本，才能占领国内市场。目前主要生产第一代示教再现型机器人。随着建筑施工、石化、食品、核工业、水下、高空及微加工行业的需求，将推出一批新机型，如大负载、高精度、无人飞行器以及家用等。目前正在逐步建立上海、沈阳、北京机器人及其自动化生产线产业基地，开发出一批有市场前景的，具有自主知 7 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 识产权的机器人及其自动化生产线产品。进一步加强与外企合作，引入先进技术及资金使我国成为国际生产机器人基地，占领国内市场，走向世界。 我国消防装备研究部门从1997年开始对消防灭火机器人进行科研开发， 2002年6月，由公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海消防局三家单位共同承担的国家863项目"履带式、轮式消防灭火机器人"研制成功并顺利通过国家验收。消防灭火机器人，又称自行式水-泡沫消防炮，是一种结合多种消防灭火手段为一体的新型消防装备。 2002年9月8日，灭火机器人参加公安消防部队北京协作区反恐演习，受到公安部消防局陈家强局长的高度评价; 2002年我国云南、湖北省相继配备灭火机器人; 2003年9月，灭火机器人在湖北省首次投入实战; 2003年10月，我国江苏省、香港地区、马来西亚开始大规模配备消防灭火机器人。 我国灭火机器人科研事业从实验室走向生产车间最终战斗在火场一线，为我国消防装备的发展注入了新鲜血液，填补了国内空白。消防的社会意义在于它将对人类生存安全作为终极关怀，消防装备作为一种重要的火灾扑救手段，已经在消防灭火救援中显示越来越重要的作用。消防装备科研应始终贯彻"从火场中来，到火场中去"的指导 思想 教师资格思想品德鉴定表下载浅论红楼梦的主题思想员工思想动态调查问卷论语教育思想学生思想教育讲话稿 ，贴近火场一线，急火场之所急。 不仅在我国，在世界上消防工作也是一个大难题，各国政府都千方百计地将火灾的损失降到最低点。1984年11月，在日本东京的一个电缆隧道内发生了一起火灾，消防队员不得不在浓烟和高温的危险环境下在隧道内灭火。这次火灾之后，东京消防部开始对能在恶劣条件下工作的消防机器人进行研究，目前已有五种用途的消防机器人投入使用。 遥控消防机器人 1986年第一次使用了这种机器人。当消防人员难于接近火灾现场灭火时，或有爆炸危险时，便可使用这种机器人。这种机器人装有履带，最大行驶速度可达10公里/小时，每分钟能喷出5吨水或3吨泡沫。 喷射灭火机器人 这种机器人于1989年研制成功，属于遥控消防机器人的一种，用于在狭窄的通道和地下区域进行灭火。机器人高45厘米，宽74厘米，长120厘米。它由喷气式发动机或普通发动机驱动行驶。当机器人到达火灾现场时，为了扑灭火焰，喷嘴将水流转变成高压水雾喷向火焰。 消防侦察机器人 消防侦察机器人诞生于1991年，用于收集火灾现场周围的各种信息，并在有浓烟或有毒气体的情况下，支援消防人员。机器人有4条履带， 8 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 一只操作臂和9种采集数据用的采集装置，包括摄像机、热分布指示器和气体浓度测量仪。 攀登营救机器人 攀登营救机器人于1993年第一次使用。当高层建筑物的上层突然发生火灾时，机器人能够攀登建筑物的外墙壁去调查火情，并进行营救和灭火工作。该机器人能沿着从建筑物顶部放下来的钢丝绳自己用绞车向上提升， 米高的建筑然后它可以利用负压吸盘在建筑物上自由移动。这种机器人可以爬70物。 救护机器人 救护机器人于 1994 年第一次投入使用。这种机器人能够将受伤人员转移到安全地带。机器人长4米，宽1.74米,高1.89米，重3860公斤。它装有橡胶履带，最高速度为4公里/小时。它不仅有信息收集装置，如电视摄像机、易燃气体检测仪、超声波探测器等;还有2只机械手，最大抓力为90公斤。机械手可将受伤人员举起送到救护平台上，在那里可以为他们提供新鲜空气。 机器人是人类的得力助手，能友好相处的可靠朋友，将来我们会看到人和机器人会存在一个空间里边，成为一个互相的助手和朋友。人们随着社会的发展，实际上把人们从繁重的体力和危险的环境中解放出来，使人们有更好的岗位去工作，去创造更好的精神财富和文化财富，机器人来做这些危险环境的工作，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，所以很多专家预测，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，目前国际上很多国家，也对机器人对人类社会的影响的估计提出了新的认识，同时，我们也可以看到机器人技术，涉及到多个学科，机械、电工、自动控制、计算机测量、人工智能、传感技术等等，它是一个国家高技术实力的一个重要标准。 1.3 主要设计内容及指标 用单片机AT89C51作为控制核心，设计一个灭火机器人控制系统。设计包括以下内容: (1)要求机器人自动寻找到火源后，驶向火源;将火焰扑灭后，再返回到出发点。 (2)要求控制系统具有两个电机，能使机器人实现前进、倒退、左转、右转、原地转圈等功能。 (3)机器人以上工作过程都具有工作状态指示。 主要设计技术指标如下: 9 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) (1)在场地自由寻找火源，当随机出现火源时，要求灭火机器人能够发现火焰并将其完全扑灭。 (2)能过自动计算和显示扑灭的火源数。 (3)能够自动计算和显示路程。 (4)能够用进行报警。 10 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 第二章 设计方案 采用MCS-51系列单片机。它拥有基于复杂指令集(CISC)的单片机内核，12个振荡周期才执行一个单周期指令，但其端口结构为准双向并行口，可兼有外部并行总线，故使其扩展性能非常强大。51的内部硬件预设，可用特殊功能寄存器对其进行编辑。 传统的51单片机具有价格低廉,使用简单等特点，但执行速度较慢，功能单一，RAM、ROM空间小，晶振频率较高，EMI性能较差等缺点，且其功耗较大，不能用于低功耗产品。图2-1为AT89C51单片机为主控芯片的设计框图。 电机驱动模块 火焰传感器 LCD显示模块 89C51 单片机 报警声音芯片 红外检测模块 风扇灭火模块 图2-1 方案一设计框图 AT89C51作为主控板，具有其优点，如体积小、重量轻，单一电源、低功耗，功能强、价格低廉，运算速度快、可靠性高等，所以该单片微机特别适用于实时控制系统。AT89C51通过传感器检测电路收集的信息控制电机驱动机器人进行灭火，还通过单片机来控制蜂鸣器来实现报警。 系统主要是以STC单片机AT89C51为核心实现的灭火机器人控制。机器人在一定的范围内通过红外火焰传感器检测到火焰位置并将信号传送到单片机，单片机根据程序的设定，控制电机的左右腿来完成机器人的前进、后退、左转、右转等动作以驶向火源位置，并完成灭火动作。 11 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 系统以AT89C51为核心，利用传感器的协调配合设计的一款简易的灭火机器人。设计中包括电机驱动模块、灭火模块、火焰传感检测模块、红外车速检测模块、LCD显示模块、报警模块以及单片机模块。 12 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(单片机复位电路) 第三章 硬件电路设计 灭火机器人控制系统硬件电路的设计包括:单片机控制系统设计、火焰传感检测电路设计、车速检测电路设计、报警电路设计、LCD显示电路设计、机器人功能电路设计、电源电路设计。 3.1 AT89C51最小系统设计 图3-2 最小系统 3.1.1单片机复位电路 复位电路的可靠性设计 1、基本复位电路 复位电路的基本功能是:系统上电时提供复位信号，直至系统电源稳定后，撤销复位信号。为可靠起见，电源稳定后还要经一定的延时才撤销复位信号，以防电源开关或电源插头分-合过程中引起的抖动而影响复位。上图所示的RC复位电路可以实现上述基本功能。 13 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 3.2电机驱动电路设计 机器人功能电路设计包括机器人腿部电机模块的设计和灭火风扇模块的设计。电机是机器人进行行走不可缺少的，通过电机驱动硬件电路从而使机器人完成各种动作。左右电机是驱动机器人完成前进、后退、左转、右转以及原地转圈等动作的。 3.6.1 电机的选择 电机是一种重要的能量转换装置，它应用于各个领域，发挥着重要作用。而永磁式小型直流电动机，以其体积小、重量轻等优势被广泛使用在小型电器和模型上。 所有电机的原理都是基于法拉第电磁感应定律和安培定律。一般原理为:采用相应的导磁和导电材料构成能相互转化的磁路和电路，以产生感应电势和电磁转矩，从而达到转换能量形态的目的。 3.5.2 电机驱动电路的设计 1(直流电机的驱动选型 方案一 14 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 采用脉冲宽度调节(Pulse Width Modulation,PWM)方式来控制电机，通过H桥驱动电路来驱动电机，达到电机旋转方向和旋转速度的控制，满足机器人调速、变向的需要。 机器人的运行和转向都采用H型双极性驱动 图5 双极性驱动可逆PWM系统的控制原理 双极性驱动是指在一个PWM的周期里，电动机电枢的电压极性呈正负变化，双极性驱动电路有两种，一只称为T型，它由2个开关管组成，采用正负电源，相当于2个不可逆系统的组合，由于形状像横放的“T”字，所以称为T型。T型双极性驱动由于开关管要承受较高的向电压，因此只用在低压小功率直流电动机驱动。 方案二 利用继电器的打开和闭合，来控制电机的转速和转向，从而达到机器人的调速和调节方向的目的。 以上两种方案中，方案一通过PWM的占空比即可精确调节电机转速，由于采用了H桥式电路，斩波频率比较高，提高看电源的利用率。但是由于开关管有一定的压降，功率损耗较大，死区电压控制不好，容易烧坏开关管，给调试带来不便，增加了设计的不确定因素。而方案二用继电器来控制直流电机，是典型的弱电控制抢点的方法。该方案虽然继电器开关的速度较慢，但是在其前级加上三极管9013推动后，利用继电器的开关动作调节占空比的方法来调节电机的转速，可以满足机器人的速度和方向控制;而且继电器触点电阻非常小，比较适合电源紧张的机器人系统。经过权衡利弊，该方案具有电路规模小，自身功耗小等诸多优点，因此采用方案二。 2(直流电机驱动电路 直流电机是最常见的、成本最低的小型电机，应用广泛。通过利用继电器的打开和闭合来控制电机实现机器人的运动。如图3-11为电机驱动电路图。 15 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 图6 电动机驱动电路 如图所示，单片机输出两路PWM波控制继电器开关。当Q1、Q3的基极电压为高电平，Q2、Q4的基极电压为低电平是，K2、K4 闭合，K1、K3断开，电动机均正转;当Q1、Q3的基极电压为低电平，Q2、Q4的基极电压为高电平时，K1、K3闭合，K2、K4断开，电动机均反转。同理，可实现左边电机正转，右边电机反转，或者左边电机反转，右边电机正转的工作状况，从而实现机器人的右转或左转。 由于使用的小车是通过控制两边的点击的转速差来控制转向的，因此在以上的四种电机工作状态下可方便地实现拐弯、曲线行驶、行驶方向校正、倒车等多种行 Hz的周期信号进行控制，通过调节占空驶方式。对于两路PWM的控制，采用40 比可达到16档速度调节，足以满足车速调整的需要。 3.3 传感检测电路设计 3.3.1 火焰传感检测电路设计 选用M177890火焰传感器是采用紫外线光敏传感器器件研制而成的传感器。具有很强的抗干扰能力，不受日光、红外线辐射、炉堂高温的影响，能可靠地检测、监测到火焰是否存在。 16 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 主要性能参数:光谱响应:180nm,280nm;环境温度:-20?,80?; 重量:0.15kg-0.8kg ;响应时间:小于1秒;输出:继电器开关输出。 如下图3-4为火焰传感器电路。 图3-4 火焰传感电路 火焰传感器可以用来探测波长在700nm ~ 1000nm范围内的红外线，探测角度为60º，其中红外线波长在880nm附近时，其灵敏度达到最大。红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为0,255范围内数值的变化。外界红外光越强，数值越小;红外光越弱，数值越大。在机器人设计中，红外火焰探头起着非常重要的作用，它可以用作机器人的眼睛来寻找火源或其他物体。利用它可以制作灭火机器人、足球机器人等。 3.3.3红外检测 采用红外线避障方法，利用一管发射另一管接收，接收管对外界红外线的接收强弱来判断障碍物的远近，由于红外线受外界可见光的影响较大，因此用250Hz的信号对38KHz的载波进行调制，这样减少外界的一些干扰。 接收管输出TTL电平，有利于单片机对信号的处理。采用红外线发射与接收原理。利用单片机产生38KHz信号对红外线发射管进行调制发射，发射距离远近由RW调节，本设计调节为10CM左右。发射出去的红外线遇到避障物的时候反射回来，红外线接收管对反射回来信号进行解调，输出TTL电平。利用单片机的中断系统，在遇障碍物时控制电机并使小车转弯。由于只采用了一组红外线收发对管，在避障转弯方向上，程序采用遇障碍物往左拐方式。如果要求小车正确判断左转还是右转，需在小车侧边加多一组对管。外界对红外信号的干扰比较小，性 17 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 价比高。调试时主要是调制发射频率为接收头能接收的频率，采用单片机程序解决。发射信号强弱的调节，由可调精密电阻调节。 18 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 3.3.4声音报警与灭火 3.3.4.1灭火驱动电路 灭火风扇的驱动电路如图3-12所示。其中Port1，Port2分别接到单片机的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信号为高电平时，MOS管在V?0工作，GSMOS导通，风扇开始动作，进行灭火;当Port信号为低电平时，由于增强型MOS管的特点，V=0时，i=0此时，MOS管截止，风扇不动作。 GSD 图3-5灭火风扇的驱动电路 3.3.4.2声音报警电路 声音报警电路如图3-11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P0.7脚。当“SPEAK”为高电 19 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 平时，三极管基极为高电平，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。 3.4 电源电路设计 由于机器人电机的耗电量很高，因此电源的好坏直接影响机器人的整体性能。如果采用传统的干电池或蓄电池直接给机器人供电。 长期以来，单片机系统中使用的集成电路器件绝大多数在5V电源电压工作。随着集成电路制造技术的发展以及数字式电子元器件的微小型化，集成电路器件制造商在保持并增强原器件功能的前提下，采用更先进精细的制造工艺，在减小集成芯片几何尺寸的同时，降低工作电压。降低IC器件工作电压的主要优点是使电池供电电流减小，电源工作时间延长;器件产生的热量减少，提高了工作可靠性;降低器件的噪声。此外，单片机和元器件可以做到更小、更轻、更精和连续使用时间更长。 在整个单片机系统设计中，电源的设计是需要首先考虑的，这决定了系统是采样单电源方案，还是多电源方案，系统的功耗有无特殊规定等。不同的电源方案决定了整个系统的方案选择和器件的选择。 单片机的电源设计包含3个方面的内容:一个方面是降低电源的功耗;二是如何设计外围电路和单片机对不同电源电压的需要，即电源分配方案的选择;三是如何实现对电源的管理和监控。 具体规划如图所示。 镍氢电池 6V 单片机 MAX1675 MAX202 9v 5.2V 数字接口 串口数据 MAX8875 MAX6192 5V 2.5V 数字罗盘 AD/MAX197 20 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 从图中看出，在本例中分别使用MAX1675、MAX8875、MAX61923种电源变换芯 片，将系统的电源电压从不稳定的5V变换到稳定的5V和电压基准2.5V。 该电路图输出稳定5V电压，直接可以给单片机提供电压 元件清单的确定: 数码管:共阴极2只(分立) 电解电容:10UF的一只 30PF的电容2只 220欧的电阻9只 4.7K的电阻一只 1.2K的电阻一只 4.7K的排阻一只， 12MHZ的晶振一只 有源5V蜂名器一只 AT89S51单片机一片 常开按钮开关1只 紧锁座一只(方便芯取下来的，绿色的) 发光二极管(5MM红色)8只 万能板电路版15*17CM S8550三极管一只 4(5V电池盒一只，导线若干。 74LS04 硬件电路的焊接 按照原理图把上面的元件焊接好，详细步骤省略。 21 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 第四章 软件实现 本章介绍了此次毕业设计使用的编程工具µVision2 IDE，介绍了主要的控制模块程序流程图和主要的子程序流程图，并编写相应的控制程序。 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。 MCS-51是支持C语言编程的编译器，它主要有两种:Franklin C51编译器和Keil C51编译器，我们简称C51。C51是专为MCS-51开发的一种高性能的C编译器。由C51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。 Keil软件公司提供的专用8051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，为实际的每一种8051及其派生系列产品生成嵌入式应用系统。Keil C51交叉编译器兼容ANSI(美国国家标准协会)C编译器，专用于为8051微控制器系列生成快速紧凑的目标代码。使用Keil 8051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。 22 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) µVision2 IDE是Keil公司提供的用于开发MCS-51系列芯片的汇编语言与C程序的集成开发环境，是标准的Windows应用程序，同其他Windows应用程序一样，µVision2 IDE环境包括菜单、工具条、编辑及显示多种窗口。µVision2 IDE支持使用的Keil C51工具，包括C编译器、宏汇编器、连接定位器、目标代码到HEX的转换器。 4.2 主程序设计流程图如图所示 主程序主要起到一个导向和决策功能，是整个设计的重要部分，主程序决定什么时候智能灭火机器人该做什么。智能灭火机器人各种功能的实现主要通过调用具体的子程序。 23 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 开始 N 正对否, 初始化 Y 读障碍子程序 调方向 直行 N 有陷阱, N 到火焰区否, Y Y 调方向、调速度 N 报警 读障碍子程序 有障碍, 风扇灭火 Y 直走 调方向、调速度 N 火灭否, Y 读火焰方位子程序 结束 24 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 4.3避障子程序流程图 开始 系统初始化 打开步进电机 进行参数初始化 读左右红外传感器 前面有障碍? 左边有障碍, 右边有障碍, 后面有障碍, 左转 右转 前进 后退 关闭设备 结束 25 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 4.4避陷阱子程序流程图 开始 系统初始化 读左灰度 传感器 是否大读右灰度 于阈值 传感器 是否大读前灰度 于阈值 传感器 是否大读后灰度 于阈值 传感器 是否大 于阈值 右转 左转 前进 后退 关闭设备 结束 26 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 4.5 灭火程序流程图 灭火子程序的流程图如图4-3所示。 当机器人检测到火焰时，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，安装在机器人的正前方，没有使用舵机的方案，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。 27 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 开始 读入左右火焰传感器信息 Y N 左边火焰强, 强, 左转 右转 N 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 N 火焰已被 灭, 关风扇 结束 图4-3 灭火子程序流程图 28 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 4.6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，为下一章做系统的调试工作打下基础。 五、参考文献 【1】单片机应用系统的设计方法和技术 单片机原理MCS-51 【2】常建生等 传感器的特性 检测与转换技术 【3】金波 信号与系统的概念 信号与系统基础 【4】张明路丁承君 段萍 移动机器人的研究现状与趋势;河北工业大学学报;2004年02期 【5】王晓东;机器人测距传感器原理与应用综述[J];传感器世界;1996年02期 【6】许大中等. 电机控制[M] . 杭州:浙江大学出版社,2002. 【7】Wang shuqin Han jianguo:THE PRINCIPLE OF INDUSTIAL ROCESS CONTROL工业自动化专业英语 【8】Ersson T, Xiaoming Hu. Path planning and navigation of mobile robots in unknown 29 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) environments [J]. Intelligent Robots and Systems, 2001.Proceedings 200IEEE/RSJ International Conference on, Volume: 2, 29 Oct-3 Nov.2001. 858-86. 【9】Fu Yili Xu Hongyan Wang Shuwww.lw20.comguo Liu Jianguo Xu He Li Han Computational Intelligence in Robotics and Automatwww.lw20.comion, 2005. CIRA 2005. Proceedings. 2005 IEEE Inter 30 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) 附录1: 附录2: 程序:#include "RobotLib.h" int gi_1=0; int gi_2=0; int gi_3=0; 31 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) int gi_4=0; int gi_5=0; int gi_6=0; int gi_7=0; int ma_1=0; int ma_2=0; int ma_3=0; int ma_4=0; int ma_5=0; int eye_1=0; /*有陷阱*/ void SubRoutine_1( ) { ma_4 = AI(3); if(ma_4 > gi_3) { /**/ gi_5=1; } else 32 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) { ma_5 = AI(4); if(ma_5 > gi_3) { /**/ gi_5=1; } } return; } /*有障碍*/ void SubRoutine_2( ) { ma_1 = AI(0); if(ma_1 > gi_2) { /**/ gi_4=1; } 33 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) else { ma_2 = AI(1); if(ma_2 < gi_2) { /**/ gi_4=1; } else { ma_3 = AI(2); if(ma_3 > gi_2) { /**/ gi_4=1; } } } return; } 34 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) /*避陷*/ void SubRoutine_3( ) { if((ma_4 > gi_3) || (ma_5 > gi_3)) { if((ma_4 > gi_3) && (ma_5 > gi_3)) { SetMoto(0,-100); SetMoto(1,-100); wait( 0.500000 ); } else { if(gi_4 > gi_3) { SetMoto(0,50); SetMoto(1,-50); wait( 0.500000 ); } else { 35 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) if(gi_5 > gi_3) { SetMoto(0,-50); SetMoto(1,50); wait( 0.500000 ); } } } } return; } /*避障*/ void SubRoutine_4( ) { if(gi_2 > gi_2) { if((gi_1 > gi_2) || (ma_3 > gi_2)) { if((gi_1 > gi_2) && (ma_3 > gi_2)) { SetMoto(0,50); 36 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) SetMoto(1,-50); wait( 0.500000 ); } } else { if(ma_1 > gi_2) { SetMoto(0,-50); SetMoto(1,50); wait( 0.500000 ); } else { if(ma_3 > gi_2) { SetMoto(0,50); SetMoto(1,-50); wait( 0.500000 ); } } } 37 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) } else { if(ma_1 > gi_2) { SetMoto(0,-50); SetMoto(1,50); wait( 0.300000 ); } else { if(ma_3 > gi_2) { SetMoto(0,50); SetMoto(1,-50); wait( 0.300000 ); } } } return; } 38 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) /*找灯回正*/ void SubRoutine_5( ) { eye_1 = EyeInMaxEx(EYE_0); if(eye_1 > gi_6) { eye_1 = EyeChMaxEx(EYE_0); if((eye_1 <= 6) && (eye_1 > 3)) { /**/ gi_1=1; } else { eye_1 = EyeChMaxEx(EYE_0); if((eye_1 >= 0) && (eye_1 < 3)) { /**/ gi_1=2; 39 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) } else { eye_1 = EyeChMaxEx(EYE_0); if((eye_1 >= 7) && (eye_1 <= 10)) { /**/ gi_1=3; } else { eye_1 = EyeChMaxEx(EYE_0); if((eye_1 > 10) && (eye_1 <= 13)) { /**/ gi_1=4; } else { /**/ 40 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) gi_1=o; } } } } if(gi_1 == 1) { SetMoto(0,80); SetMoto(1,-80); } else { if(gi_1 == 2) { SetMoto(0,80); SetMoto(1,-80); } else { if(gi_1 == 3) { SetMoto(0,-80); 41 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) SetMoto(1,80); } else { if(gi_1 == 4) { SetMoto(0,-80); SetMoto(1,80); } else { SetMoto(0,50); SetMoto(1,50); } } } } } else { SetMoto(0,50); SetMoto(1,50); 42 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) } return; } /*初始化*/ void SubRoutine_6( ) { /**/ iniarmrobot(); printf( "ok_golll\n\n\n" ); /**/ gi_6=200 /**/ gi_7=800; /**/ gi_2=550; /**/ gi_3=800; } void main() { 43 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) SubRoutine_6 (); SetMoto(0,100); SetMoto(1,100); wait( 0.300000 ); while(1) { SubRoutine_1 (); SubRoutine_2 (); if((gi_4 == 1) || (gi_5 == 1)) { if(gi_5 == 1) { SubRoutine_3 (); SetMoto(0,50); SetMoto(1,50); wait( 1.000000 ); SubRoutine_5 (); 44 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) } else { if(gi_4 == 1) { SubRoutine_4 (); SetMoto(0,50); SetMoto(1,50); wait( 1.000000 ); SubRoutine_5 (); } } } else { SetMoto(0,50); SetMoto(1,50); SubRoutine_5 (); } 45 东华理工大学长江学院毕业设计(论文) 硬件设计(红外检测) eye_1 = EyeInMaxEx(EYE_0); if(eye_1 >= gi_7) { StopMoto(0); StopMoto(1); /**/ break; } } SetDO(0, 1); wait( 0.500000 ); while(1) { } } 硬件电路原理总图 46