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唐山师范学院本科毕业论文标 题 消防机器人的设计和制作作 者 llllll指导教师 赵欣讲师年 级 2008级专 业 电子信息科学与技术系 别 物理系 唐山师范学院物理系2012年5月郑重声明 本人的毕业论文（设计）是在指导教师赵欣的指导下独立撰写完成的。如有剽窃、抄袭、造假等违反学术道德、学术规范和侵权的行为，本人愿意承担由此产生的各种后果，直至法律责任，并愿意通过网络接受公众的监督。特此郑重声明。毕业论文（设计）作者（签名）： 年 月 日目 录消防机器人的设计和制作1摘 要11.引言12.方案的论证及选取22.1寻迹系统设计方案22.2驱动电机系统方案设计22.3电源系统方案设计32.4灭火装置选择33.硬件设计33.1硬件设计33.1.1系统模块33.1.2电机驱动模块43.1.3寻迹模块53.1.4电源模块73.1.5水泵灭火模块73.1.6避障模块83.2程序设计84.主要程序代码及调试104.1单片机控制的电机驱动模块程序104.2电机避障寻迹主程序115.结束语11参考文献12致 谢13附 录A14外文页17消防机器人的设计和制作刘志伟摘 要 文章对消防机器人进行了研究。介绍了消防机器人的背景并简单描述系统硬件AT89C52、传感器E18-D80NK、L298N、7805和火焰传感器的工作原理，并附以电路图加以说明，通过传感器连接电压比较器输出电平由AT89C52单片机处理实现寻找火源。最后由火焰传感器测距输入AT89C52单片机实现停车并输出信号控制继电器闭合从而控制水泵灭火。论文详细阐述了程序流程和实现过程。此设计以数字集成电路技术为基础并以单片机技术为核心。依据传感器的信号传入单片机实现各种指令处理。小车在接近火源的过程中左右波动前进，躲避障碍物，最后找到火源打开水泵灭火。关键词 AT89C52单片机；小车底座；E18-D80NK；火焰传感器1.引言目前由于人们的防火意识比较差，生活中火灾频发，消防战士在灭火中牺牲宝贵生命的事件不在少数，迫切要求机器代替人去执行灭火任务。针对这个问题，前人已经做了很多的研究，有基于MSP430的灭火小车，能实现灭火功能。还有的是人为地控制机器人的活动和灭火，这样使得不得不靠人来控制，浪费人力资源，不能很好的实现灭火的效果。此设计在前人研究的基础上，通过不断地学习相关的知识，力求对消防机器人设计达到更深的了解和研究，促进消防机器人在火灾中的应用并推广在相关领域的研究，使消防研究工作不断向前发展，具有很大的学术价值。在未来智能化和机械化的世界中，尤其是在消防事业中，一款好的机器的使用能够达到事半功倍的效果。消防机器人的应用前景非常明朗。消防机器人随着社会经济的迅猛发展，建筑和企业生产的特殊性，导致化学危险品和放射性物质泄漏以及燃烧、爆炸、坍塌的事故隐患增加，事故发生的概率也相应提高。 一旦发生灾害事故，消防员面对高温、黑暗、有毒和浓烟等危害环境时，若没有相应的设备贸然冲进现场，不仅不能完成任务，还会徒增人员伤亡，这方面公安消防部队已历经诸多血的教训。尤其是当新消防法出台后，抢险救援已成为公安消防部队的法定任务，面对新时期面临的新情况新任务，也为了更好地解决前述难题，消防机器人的配备显得日益重要。消防部队将面对的火灾和应急救援的形势相当复杂。尤其是在高温、有毒、易燃易爆等复杂环境中，为切实增强消防部队扑救大火的能力，也为更好地保护广大官兵的生命安全，配备消防机器人已势在必行。机器人自60年代初问世以来，经历40余年的发展，己经取得长足进步，社会各行各业皆可见其身影。 从1986年日本东京消防厅首次在灭火中采用了“彩虹5号”机器人后，消防机器人就逐渐在灭火救灾领域得到广泛的应用，消防机器人技术也得到快速的发展。截至目前，消防机器人已经稳步向高端智能机器人前进。2.方案的论证及选取2.1寻迹系统设计方案方案1：利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时，光线发射强烈，光线照射黑线上时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显变化。将阻值的变化值经过比较就可以输出高低电平。方案2：利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输出高电平。方案3：利用RPR220型光电对管。其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度硅平面光电三极管。方案4：应用红外避障传感器E18-D80NK进行避障，应用远红外传感器进行火源的探测，这样可以有效地进行对场地的控制，能够实现自动寻找火源，与上述三种方案相比具有很大的操控性，方案13用的设计思路为先设定寻迹路线然后小车寻迹检测火源，而第4方案则是灭火机器人自己寻找火源并实现自动避障功能，具有更好的现场灭火的实践性。由于方案1，2受外界光线影响较大，方案3能稳定寻迹，但鉴于对实际灭火环境复杂的考虑，本次设计应用方案4。2.2驱动电机系统方案设计方案1：采用专用芯片L298N作为电机驱动芯片。L298N是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，频率高，一片L298N可以分别控制两个直流电机，而且还有控制使能端。用该芯片作为电机驱动稳定性好，性能优良，操作方便。方案2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路，但是其性能不稳定。所以选择方案1。2.3电源系统方案设计方案1：采用4节1.5V干电池，电压达到6V，给直流电机供电，然后将6电压降压，稳压后给单片机系统和其他芯片供电。电池价格比较低。方案2：采用6V蓄电池为直流电机供电，将6V降压稳压后给单片机系统和其他芯片供电，蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能，但蓄电池体积太大，在消防机器人身使用不方便。由此选择方案1。2.4灭火装置选择方案1：干冰灭火 干冰升华时，吸收大量的热，降低可燃物温度，同时二氧化碳气体会覆盖在可燃物上，将助燃物和可燃物隔离开。对于我们的课题此方案的劣势太多。方案2：喷水灭火 利用微型水泵喷出适量的水来灭掉火源。喷水灭火是现实生活中灭火的最主要的方式。方案3：风扇灭火 利用一个不减速的直流小电机带动一个小扇叶进行简单的灭火。但其有可能使火势越来越大。所以选择方案2。3.硬件设计3.1硬件设计系统硬件部分分为E18-D80NK红外避障模块，火焰传感器寻迹模块，继电器灭火模块，基于L298N电机驱动模块，单片机最小系统。3.1.1系统模块系统由电机驱动模块，寻迹模块，电源模块，水泵灭火模块，火焰传感器测距模块和避障模块六个个部分构成，系统整体设计图如图1所示。 图1 整体设计图3.1.2电机驱动模块L298N可接受标准TTL逻辑电平信号VSS，VSS可接457 V电压。4脚VS接电源电压，VS电压范围VIH为2546 V。输出电流可达25 A，可驱动电感性负载。91脚和15脚下管的发射极分别单独引出以便接入电流采样电阻，形成电流传感信号。L298可驱动2个电动机，OUT1，OUT2和OUT3，OUT4之间可分别接电动机。5，7，10，12脚接输入控制电平，控制电机的正反转。EnA，EnB接控制使能端，控制电机的停转。L298N双H桥直流电机驱动芯片驱动部分端子供电范围Vs：5V35V，如需要板内取电，则供电范围Vs：+7V+35V，驱动部分峰值电流Io为2A，逻辑部分端子供电范围Vss：5V7V（可板内取电5V），逻辑部分工作电流范围为036mA，控制信号输入电压范围为低电平：0.3VVin1.5V，高电平：2.3VVinVss，使能信号输入电压范围是低电平：0.3Vin1.5V（控制信号无效）高电平：2.3VVinVss（控制信号有效），最大功耗：20W（温度T75时），存储温度：25130。10直流电机电机驱动的选择方法：要确定直流电的额定参数：比如说额定电压、输出额定功率，扭矩和启动电流等，这样就可以根据这些参数确定所需电机驱动器的基本参数电机的额定工作电压是12V，那么所用的电机驱动器的工作电压范围至少要大于12V。另外电机的启动电流也是一个应该注意到的问题，一般直流电机的启动电流和正反转换向时的电流都是很大的，如果电机驱动器可忍受的瞬时尖峰电流与之相差太远的话,有能会导致电机驱动器不能正常。确定直流电机的最大负载连续工作电流。直流电机在不同负载下其工作电流是不同的，在为电机选择驱动器的时候，必须先确认最大负载的时候，电机的工作电流。这个电流不能单单以电机的额定电流为参考标准，一定要以在电机在工作过程中最大负载时的电流为标准。因为，如果最大负载电流没有超过额定电流，那以额定电流作为参考没有什么关系，但是如果最大负载电流超过额定电流，如果还以额定电流为参考，那就不行了。测试直流电机的工作时最大负载电流有很多放大。可以用一个带输出电流显示的电压源给直流电机供电，让电机工作在需要的最大负载条件下，就可以知道这时直流电机的工作电流。9电机驱动模块接通电源开始工作，检测单片机输出的信号对应IN1,IN2,IN3,IN4驱动两个电机运动。图2 电机驱动模块电路图注意：当用单片机IO口控制电路时将EA,EB用杜邦线连接到单片机的IO口上，电源供电采用5V电源供电，驱动板上的开关不用按下，将J1靠近L298N的2芯短接。3.1.3寻迹模块火焰传感器的输出方式为数字电平信号和模拟量电压信号双输出，工作电压为5V，VCC接5V电源正极，GND接5V电源负极。DO为数字量电平输出，AO为模拟量电压信号输出（0V-5V）但需要AD转换。因为火焰传感器对光的敏感程度很高，尤其是对光的敏感程度很大，所以一般采用模拟量信号输出会更稳定，在寻迹时会借助于火焰传感器一对通过电压比较器进行火焰的位置对比，通过高低电平的不同来判断火焰位置并控制小车的转向，通过另一个火焰传感器来判断距离火焰的距离。6图3 火焰传感器图LM393: 8 脚电源，4 脚电源，1 脚比较器 A 输出，2脚比较器 A 反相输入，3 脚比较器 A 同向输入，5 脚比较器 B 同向输入，6 脚比较器 B 反相输入，7 脚比较器B输出。9图4 火焰传感器图电压比较器芯片主要采用LM339和LM393。LM339类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。两个输入端一个称为同相输入端，用“+”表示，另一个称为反相输入端，用“-”表示。用作比较两个电压时，任意一个输入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择LM339输入共模范围的任何一点），另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端电压差别大于10mV就能确保输出能从一种状态可靠地转换到另一种状态，因此，把LM339用在弱信号检测等场合是比较理想的。10 图5 LM339电压比较器电路图3.1.4电源模块采用4节1.5V电池串联的方式为电机和系统供电。3.1.5水泵灭火模块本模块电路主要为继电器控制，当需要灭火时单片机发出指令给继电器，继电器连接电源和水泵，接单信号时继电器闭合实现灭火，一段时间后继电器断开电源关闭水泵。继电器型号为：SRD-5VDC-SL-C 继电器 T73-5V，其主要参数为触电数量：常开+常闭，线圈电压：DC-5V;线圈电阻：70-80欧，线圈引脚：3、5常开触点：2、4常闭触点：1、4。图6 SRD-5VDC-SL-C 继电器 T73-5V 3.1.6避障模块避障模块采用一个远红外传感器E18-D80NK，这是一种集发射与接收于一体的光电传感器。检测距离可以根据要求进行调节。该传感器具有探测距离远、受可见光干扰小、价格便宜、易于装配、使用方便等特点，可以广泛应用于机器人避障、流水线计件等众多场合。通过高低电平判断有无障碍物，若有障碍物再通过电压比较器来判断前方障碍物并通过单片机实现转向。E18-D80NK参数电气特性：U: 5VDC I: 100mA Sn: 3-80CM，红色：接4.5-5V电源高电平（加一个限流电阻更好）黄色：接单片机，输出TTL电平给单片机（加上拉电阻），绿色（黑色）：接GND 0V 电源低电平，前方无障碍输出高电平，有障碍输出口（黄色）电平会从高电平变成低电平背面图有一个电位器可以调节障碍的检测距离，一旦调节好电位器（如调节好的最大距离60cm）则在有效距离内（如40cm处有障碍物、10cm处有障碍物）则输出低电平，低电平刚好给单片机识别。6在电路设计中可以再输出端黄线加上拉电阻10K到5V，再接入单片机检测，会比较稳定，如果采用随机检测可以采用单片机的外部硬件中断INT0 INT1等来实现。图7 E18-D80NK 3.2程序设计本程序主要实现小车的自动寻找火源，遇到障碍物自动躲避，接近火源时喷水灭火功能。程序的主要部分分为四大模块：电机驱动模块，通过传感器传出的电平用单片机控制L298N驱动模块实现电机控制，从而控制小车的前进。寻迹模块，由传感器输出电压比较后输出高低电平来判别火焰位置最后由红外火焰传感器测距灭火避障模块，通过比较器对比一个E18-D80NK的电压信号输出高低电平传入单片机控制电机转动避障。水泵灭火模块则在火焰传感器测距后给出信号打开继电器接通水泵电源进行灭火。程序流程图如图8所示。开始电机驱动小车启动火焰传感器输出是否为低电平小车左轮加速右轮减速一秒Y停止变速后并前进E18-D80NK输出低电平电机左轮加速右轮减速进行变速是否有障碍物Y三秒后停止变速并前进N小车右轮加速左轮减速一秒停止变速后并前进N左右轮同速前进火焰传感器距离为5cm时打开继电器灭火NY喷水15秒关闭继电器结束图8 程序流程图解释说明：接通电源开关，电机开始转动，火焰传感器开始检测火焰位置，如果是低电平小车右转，如果是高电平小车左转。当遇到障碍物时小车右转避障。两秒后继续寻火焰前进。当火焰传感器测距5cm时停止运动，打开继电器接通水泵电源开始灭火，15s后停止喷水。4.主要程序代码及调试4.1单片机控制的电机驱动模块程序/*电机右转子程序*/void youzhuan() in1=1; in2=0; in3=0; in4=0;/*电机左转子程序*/ void zuozhuan() in1=0; in2=0; in3=1; in4=0;/*电机直走子程序*/ void zhizou() in1=1; in2=0; in3=1; in4=0;/*电机停止子程序*/ void ting() in1=0; in2=0; in3=0; in4=0;/*小车旋转180子程序*/ void xuanzhuan () in1=1; in2=0; in3=0; in4=1;4.2电机避障寻迹主程序void main() do if(echo1=0) && (echo2=1) youzhuan(); delay(20); else if(echo1=1) && (echo2=0) zuozhuan(); delay(20); else zhizou(); delay(30); if(trig1=1) youzhuan(); delay(20); zhizou(); while (out_huoyan=1);ting();xuanzhuan ();delay (20); miehuo(); 5.结束语本系统采用MSC-52系列单片机AT89C52，结合了基于L298N芯片和7805芯片的电机驱动模块实现了小车的运动，结合火焰传感器和红外避障传感器的作用实现了车的寻迹和避障，最终由火焰传感器测距发出信号驱动继电器进行灭火，但是本次设计小车不能实现扑灭大规模的火情，具有学术意义，实际意义不明显。参考文献1 张毅刚，彭喜元，彭宇.单片机原理及应用.高等教育出版社M,2010,35-66.2 胡汉才. 单片机原理及接口技术M.北京:清华大学出版社M,1996,69-85.3 高明.单片微机接口与系统设计M.哈尔滨工业大学出版社，1995,110-124.4 楼然苗，李光飞.51单片机设计实例M.北京航空航天大学出版社，2005,137-154.5 梅丽风，王秋艳，张军.单片机原理及接口技术M.清华大学出版社，北京交通大学出版社58-69. 6 陈黎敏.传感器技术及其应用.机械工业出版社M，2010,49-60.7王文华. 基于89C51单片机的智能小车设计J.山西电子技术，2010,117-123.8 穆兰，刘自然主编.单片机为计算机原理及其接口技术M.机械工业出版社，1998,46-50.9 童诗白，华成英.模拟电子技术基础M，第五版，北京：高等教育出版社 ，2006.10 阎石.数字电子技术基础（第五版）M，高等教育出版社，2009.11 余孟尝.数字电子技术基础简明教程M.高等教育出版社，1999,99-106.12 潘永雄，沙河.电子线路CAD实用教程M.西安电子科技大学出版社,2007.75-81.致 谢行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我四年的大学时光也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。感谢育我成才的老师。感谢我的指导老师赵欣，这篇论文是在赵老师的悉心指导与鼓励下完成的。赵老师渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的高尚师德，都将深深地感染和激励着我。赵老师不仅在学业上给我以悉心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向赵老师致以诚挚的感谢！感谢我的同学，是你们让我的大学生活变得更加丰富多彩，我们一起亲历了大学的别样生活，愿同窗友谊之树长青。附 录A#include<reg52.h>#include<intrins.h>#define uchar unsigned char#define uint unsigned int/*E18-D80NK端口定义*/ sbit trig1=P20;/*火焰传感器端口定义*/sbit echo1=P21; sbit echo2=P22;/*继电器端口定义*/sbit trig2=P23; /*电机驱动端口定义*/sbit in1=P00;sbit in2=P01;sbit in3=P02;sbit in4=P03;/*火焰感器端口定义 * /sbit out_huoyan=P04;/*电机控制子程序*/ /*电机右转子程序*/void youzhuan() in1=1; in2=0; in3=0; in4=0; /*电机左转子程序*/ void zuozhuan() in1=0; in2=0; in3=1; in4=0;/*小车旋转180子程序*/ void xuanzhuan () in1=1; in2=0; in3=0; in4=1; /*电机直走子程序*/ void zhizou() in1=1; in2=0; in3=1; in4=0;/*电机停止子程序*/ void ting() in1=0; in2=0; in3=0; in4=0;/*水泵灭火子程序*/void miehuo() trig2=1; trig2=0; /* /延时函数1s* void delay(uint t)uint j; for(;t>0;t-) for(j=6245;j>0;j-); void main() do if(echo1=0) && (echo2=1) youzhuan(); delay(20); else if(echo1=1) && (echo2=0) zuozhuan(); delay(20); else zhizou(); delay(30); if(trig1=1) youzhuan(); delay(20); zhizou(); while (out_huoyan=1);ting();xuanzhuan ();delay (20); miehuo(); 外文页The design and production of fire-fighting robot Liu Zhiwei Directed by Lecturer Zhao Xin Abstract The article of fire-fighting robot. Fire-fighting robot background and a brief description of the system hardware on AT89C52 the sensor E18-D80NK, L298N, 7805, and flame sensor works accompanied by a schematic illustrated by the sensor is connected to the voltage comparator output level by the AT89C52 MCU processing to achieve to find the source of fire. Entered by the flame sensor ranging AT89C52 microcontroller to stop and the output signal to control the relay is closed to control the pump fire. The paper elaborated on the process flow and implementation process. This design of digital integrated circuit technology based on microcontroller technology as the core. Achieve a variety of command processing according to the sensor signals into the microcontroller. Car about fluctuations near the source of the fire forward, avoid obstacles, finally found the source of fire to open fire-fighting pumps.Key words AT89C52 car base E18-D80NK flame sensor