移动灭火机器人研究报告与设计方案.docx

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移动灭火机器人研究报告与设计方案

西南科技大学城市学院

论文<设计）

论文题目：

基于移动灭火机器人的研究与设计

系别：

专业：

班级：

学号：

学生姓名：

指导教师：

基于移动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AT89S52单片机为控制核心，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

TheDesignofDualSerialServerBasedonC8051F340

Abstract:

Withthesocialandnationaldevelopment,rapideconomicgrowth,theinevitablefiresavarietyofdangerousplacesfrequently,totheSocialSecuritycreatedalotofhiddendangers,sothemodernfireremediedintime,hasbecomeanurgentneedtoaddresstheproblem,thefireAsearlyasthemomentoflossontheShaoyiFen,firerescuepersonnelofcourse,speedhasbeenfast,butitalsoneedsabigtime,andenterthefirescenethereisthepossibilityoflife-threatening,sowasborntheconceptoffire-fightingrobot,stupiddesignismainlyfortheproductionoffire-fightingrobotandresearch,carinordertoAT89S52microcontrollertocontrolthecore,

Topowersupplycircuits,motordrives,photoelectricsensorcircuit,theflamedetectioncircuit,firefans,andothercircuit.Powercircuittoprovidethenecessaryworkingpowersupplysystems,special-purposemotordriverchipdrivescarforwardbackwardmotorcontrol,aswellassteering,photoelectrictracingthecompletionofthetubeandavoidobstacles,andphotosensitiveresistancesensordetectsflame,fire-fightingfansputoutthefire.Thisdesignproducedasimplecarfireextinguishingcapabilitiestoachievetherealizationofon-sitefire-fightingpurposes,thedesigngoalofabetterwaytocompleteatask.

Keywords:

sensor。

fire-extinguishingrobot。

DCmotor。

tracing

3.2

3.2.1ATmega128单片机介绍……………………………………………

3.2.2ATmega128单片机最小系统电路…………………………………

3.5火焰检测电路的设计…………………………………………………….17

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

第一章绪论

1.1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。

1.2机器人技术发展及现状

1.2.1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，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、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。

1.2.2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ATMEGA128单片机作为主控制器，光敏电阻作为本系统的火焰传感器，用ST178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、以单片机ATMEGA128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、单片机系统、寻线系统、电机驱动系统、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2章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ATMEGA128单片机作为主控制器，用ST178型光电对管进行避障，TTS型热释电非接触式温度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。

2.1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

2.2.1MCU的选择

近年来，单片机应用技术发展迅速，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：

采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。

CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。

采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。

但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据的处理速度的要求也不是非常高。

且从使用及经济的角度考虑我放弃了此方案。

方案2：

采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。

处理速度高，尤其适用于语音处理和识别等领域。

但是当凌阳单片机应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU资源较多而使得凌阳单片机同时处理其它任务的速度和能力降低。

本系统主要是进行避障和火焰传感器的检测以及电机的控制，兼有声音报警。

如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时小车的控制容易出现不稳定的情况。

从系统的稳定性和编程的简洁性考虑，我放弃了单纯使用凌阳单片机而考虑其它的方案。

方案3：

采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。

AT89S52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS8位单片机，片内含8k空间的可反复擦些1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存取数据存储器

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AT89S52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4：

采用Atmel公司的Atmega128高端单片机作为主控制器。

ATmega128为基于AVRRISC结构的8位低功耗CMOS微处理器。

先进的RISC结构,133条指令且大多数可以在一个时钟周期内完成。

具有非易失性的程序和数据存储器，具有独立锁定位、可选择的启动代码区，通过片内的启动程序实现系统内编程。

支持JTAG接口同时与IEEE1149.1标准兼容。

两个具有独立的预分频器和比较器功能的8位定时器/计数器，两个具有预分频器、比较功能和捕捉功能的16位定时器/计数器。

具有独立预分频器的实时时钟计数器，两路8位PWM，6路分辨率可编程<2到16位）的PWM，8路10位ADC，可以方便的进行模数转换。

从方便使用和经济的角度考虑，我选择了方案4。

2.2.2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。

舵机，顾名思义是控制舵面的电动机。

舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面、油门等机构的动力来源，但是由于舵机具有很多优秀的特性，在制作机器人时也时常能看到它的应用。

舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围一般不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。

比方说机器人的关节、飞机的舵面等。

直流电机能够较好的满足系统的要求，控制方便，因此我选择以直流电机做为小车行进驱动电机，用舵机来做小车的驱动转向电机。

2.2传感器的选择

2.2.1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γ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。

但自然光对光敏电阻影响较大，因此我们不采用此方案。

方案4：

用CCD图像传感器。

用CCD图像传感器可以检测各种被检测量，适用于各种量的检测。

但是用CCD图像传感器需要处理的信号量太大，且体积较大，不适合用于本系统。

方案5：

用热释电红外测温传感器，热释电红外传感器TTS1000和TTS2000系列是根据LiTaO3的热释电效应设计的，用作检测器的热释电材料具有自发极化，其晶面能俘获大气中的自由电荷，从而保持中性，当晶面温度稍有变化即引起自发极化强度的变化，从而使晶面电荷量发生相应的变化。

由于它是非接触式测温，用于测量火焰温度非常方便。

从经济和方便的角度考虑，我选择了方案5。

2.2.2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ST178型光电对管。

ST178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。

ST178的示意图和特性曲线如图2-3所示。

当发光二极管发出的光反射回来时，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。

因此我选择了方案3。

（a>ST178示意图（b>ST178特性表

图2-3ST178的示意图和特性曲线

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：

用红外光电开关ST178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ST178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、手工制作车体。

2、采用Atmega128单片机作为主控制器。

3、用ST178型光电对管进行避障。

4、热释电红外测温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

2.3.2软件总体设计方案

传感器组把测得温度分别通过模数转换传给单片机，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