基于单片机的灭火机器人毕业设计论文.docx

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基于单片机的灭火机器人毕业设计论文

计算机科学与工程学院

综合设计报告

设计名称：

嵌入式综合设计

设计题目：

机器人灭火比赛

说明：

1、报告中的第一、二、三项由指导教师在综合设计开始前填写并发给每个学生；四、五两项（中英文摘要）由学生在完成综合设计后填写。

2、学生成绩由指导教师根据学生的设计情况给出各项分值及总评成绩。

3、指导教师评语一栏由指导教师就学生在整个综合设计期间的表现、设计完成情况、报告的质量及答辩等方面，给出客观、全面的评价。

4、所有学生必须参加综合设计的答辩环节。

凡不参加答辩者，其成绩一律按不及格处理。

答辩小组成员应由2人及以上教师组成。

5、报告正文字数一般应不少于5000字，也可由指导教师根据本门综合设计的情况另行规定。

6、平时表现成绩低于6分的学生，其综合设计成绩按不及格处理。

7、此表格式为武汉工程大学计算机科学与工程学院提供的基本格式（适用于学院各类综合设计），各教研室可根据本门综合设计的特点及内容做适当的调整，并上报学院批准。

答辩记录表

学生姓名：

陆晓学号：

1205030215班级：

12智能科学与技术02班

答辩地点：

J523

答辩内容记录：

答辩成绩

合计

分值

各项分值

评分标准

实际得分

合计得分

备注

25

10

在规定时间内能就所设计的内容进行阐述，言简意明，重点突出，论点正确，条理清晰。

15

在规定时间内能准确、完整、流利地回答教师所提出的问题。

答辩小组成员（签字）：

年月日

成绩评定表

学生姓名：

陆晓学号：

1205030215班级：

12智能科学与技术02班

类别

合计

分值

各项分值

评分标准

实际得分

合计得分

备注

平时表现

10

10

遵守学习纪律，表现良好，积极完成综合设计任务，无旷课、迟到、早退等情况。

设计完成情况

30

20

按照要求完成设计内容，方案合理，功能完善，设计工作量饱满，能运用专业知识和技能去发现与解决实际问题。

10

在设计过程中展现出了较强的学习能力、动手实践能力、团队协作能力和创新意识。

报告质量

35

10

报告格式规范，表述清晰，章节内容组织恰当。

符号统一，图表完备，符合规范要求。

参考文献数量在5篇以上，格式及引用符合要求。

15

报告内容翔实，结构严谨合理。

课题背景介绍清楚，综述充分。

设计与实现等主要过程完整，论述具体透彻。

能运用所学专业知识对问题加以分析和求解。

无抄袭现象。

10

设计报告对整个设计过程进行了全面总结，体现了收获，得出了有价值的结论或结果。

答辩情况

25

10

在规定时间内能就所设计的内容进行阐述，言简意明，重点突出，论点正确，条理清晰。

15

在规定时间内能准确、完整、流利地回答教师所提出的问题。

总评成绩

指导教师评语

指导教师：

（签字）日期：

年月日

一、综合设计目的、条件、任务和内容要求：

1.1综合设计目的

培养学生对知识进行总结与分析的正确方法，培养学生发现创新点、探索创新的意识。

1.2综合设计条件

能够连接校园网的PC机，每位学生一台。

1.3综合设计任务

了解单片机的主要功能、相关原理、应用领域和发展方向，以及智能控制、避障等技术在单片机研发中的应用。

了解使用单片机方法。

1.4综合设计内容及要求

使用搜索引擎收集整理单片机的主要功能、相关原理、应用领域和发展方向，以及智能控制、避障等技术在单片机研发中的应用，了解超声波避障原理、火焰传感器的特点，撰写相应的综合设计报告，并规范排版。

二、进度安排：

第１~4学时：

学习并了解单片机的功能；

第5~10学时：

收集资料、撰写报告；

第11~18学时：

编写代码，测试小车

第19~20学时：

小组答辩；

三、应收集资料及主要参考文献：

[1]赵德安，单片机原理与应用，北京：

机械工业出版社，2009．

[2]胡汉才，单片机原理及其接口技术[M]，北京：

清华大学出版社2005．

[3]朱正伟，何宝祥，数字电路逻辑设计，北京：

清华大学出版社，2006．

[4]何宝祥，模拟电路及其应用，北京：

清华大学出版社，2008．

[5]高明，单片机微机接口与系统设计。

哈尔滨工业大学出版社，1995.

[6]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,．

[7]陈黎敏，传感器技术及其应用，机械工业出版社[M]，2010．

[8]姜志海，黄玉青等，单片机原理及应用.电子工业出版社，2005．

[9]罗杰，电子线路设计实验，北京：

电子工业出版社，2008．

[10]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．

[11]邓岳，周辉，谭英姿，基于MC9S12DG128单片机智能车设计与实现，实验室研究与探索2008．

[12]B.D.Theelena,*,A.C.Verschuerenb,V.V.ReyesSu_arezc,M.P.J.Stevensa,A.Nunez.Ascalablesingle-chipmulti-processorarchitecturewithon-chipRTOSkernel.[J].2003

[13]JayantaMukherjeea,*,ManfredK.Langb,S.K.Mitra.Demosaicingofimagesobtainedfromsingle-chipimagingsensorsinYUVcolorspace.[J].2005

[14].HoneywellMagneticSensorProductsUser’sManual．HoneywellApplicationNote，2001

四、摘要：

该文设计了一款基于单片机的灭火机器人模型的设计。

系统以STC89C52单片机为控制核心，创新自制火焰传感器用于火焰探测，红外光电传感器用于探测障碍物，L298驱动电机前后转动，LCD1602液晶显示器用于显示灭火个数。

该系统火焰探测采用自制六路火焰传感器，是由五路远红外接收二极管和一路近红外接收二极管构成，它相对于目前其他火焰探测器，具有火焰探测精确度高、结构简单，性能可靠等优点。

避障采用E18-D50NK型号的光电传感器，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。

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。

系统加入液晶显示器，使得系统具有可查看灭火的次数的人性化特点。

实验结果表明，该设计具有成本低、可靠性高、灭火速度快、安装调试方便等特征，非常适用于危险系数较大的火场，具有较好的应用前景。

关键词：

STC89C52单片机、光敏晶体管、红外光电开关、1602液晶模块、L298N

五、Abstract：

Inthispaper,thedesignmodelforthedesignofamicrocontroller-basedfire-fightingrobot.SystemtoSTC89C52RCmicrocontrollerforcontrolcore,innovationhomemadeflamesensorisusedtomeasurethesourceoffire,useinfraredreceiverdiodetodetecttheroadblock,theL298drivemotorrotationLCD1602displaythenumberoffireswhichareputout.

ThesystemusesixinnovationhomemadeflamesensorswhichconsistoffiveremoteInfraredreceiverdiodesandonecloseInfraredreceiverdiodetomeasurethesourceoffire,whichcompareothermeasurementswithhighprecision,simplestructure,reliableperformancecharacteristics.ObstacleavoidanceusestheE18-D50NKmodelsofphotoelectricsensor,thesensorhasalongdetectiondistance,smallinterferencebyvisiblelight,thepriceischeap,easytoassembleandconvenientuse,etc.Thisdesignisbasedondigitalintegratedcircuittechnologyandsingle-chipmicrocomputertechnologyasthecore,accordingtothesensorsignaltomicrocontrollerprocessingallkindsofinstructions.Addliquidcrystaldisplay,makingthesysteminextinguishingViewextinguishingthenumberofuser-friendlyfeatures.

Theexperimentalresultsshowthatthedesignoflowcost,highreliability,firefast,easyinstallationfeatures,verysuitableforlargefireriskcoefficient,hasagoodapplicationprospect.

Keywords:

STC89C52microcontroller,photosensitivetransistor,infraredphotoelectricswitch,1602LCDmodule,L298N

摘要

该文设计了一款基于单片机的灭火机器人模型的设计。

系统以STC89C52单片机为控制核心，创新自制火焰传感器用于火焰探测，红外光电传感器用于探测障碍物，L298驱动电机前后转动，LCD1602液晶显示器用于显示灭火个数。

该系统火焰探测采用自制六路火焰传感器，是由五路远红外接收二极管和一路近红外接收二极管构成，它相对于目前其他火焰探测器，具有火焰探测精确度高、结构简单，性能可靠等优点。

避障采用E18-D50NK型号的光电传感器，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。

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。

系统加入液晶显示器，使得系统具有可查看灭火的次数的人性化特点。

实验结果表明，该设计具有成本低、可靠性高、灭火速度快、安装调试方便等特征，非常适用于危险系数较大的火场，具有较好的应用前景。

关键词：

STC89C52单片机、光敏晶体管、红外光电开关、1602液晶模块、L298N

Abstract

Inthispaper,thedesignmodelforthedesignofamicrocontroller-basedfire-fightingrobot.SystemtoSTC89C52RCmicrocontrollerforcontrolcore,innovationhomemadeflamesensorisusedtomeasurethesourceoffire,useinfraredreceiverdiodetodetecttheroadblock,theL298drivemotorrotationLCD1602displaythenumberoffireswhichareputout.

ThesystemusesixinnovationhomemadeflamesensorswhichconsistoffiveremoteInfraredreceiverdiodesandonecloseInfraredreceiverdiodetomeasurethesourceoffire,whichcompareothermeasurementswithhighprecision,simplestructure,reliableperformancecharacteristics.ObstacleavoidanceusestheE18-D50NKmodelsofphotoelectricsensor,thesensorhasalongdetectiondistance,smallinterferencebyvisiblelight,thepriceischeap,easytoassembleandconvenientuse,etc.Thisdesignisbasedondigitalintegratedcircuittechnologyandsingle-chipmicrocomputertechnologyasthecore,accordingtothesensorsignaltomicrocontrollerprocessingallkindsofinstructions.Addliquidcrystaldisplay,makingthesysteminextinguishingViewextinguishingthenumberofuser-friendlyfeatures.

Theexperimentalresultsshowthatthedesignoflowcost,highreliability,firefast,easyinstallationfeatures,verysuitableforlargefireriskcoefficient,hasagoodapplicationprospect.

Keywords:

STC89C52microcontroller,photosensitivetransistor,infraredphotoelectricswitch,1602LCDmodule,L298

第一章引言

1.1课题的开发背景

火灾在现实生活中是非常普遍的，它被称为三大自然灾害之一。

随着经济的迅速增长，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。

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。

1.2课题的研究现状

智能小车方面：

智能小车，也称轮式机器人，是一种以汽车电子为背景，涵盖控制、模式识别、传感技术、电子、电气、计算机、机械等多学科的科技创意性设计。

智能汽车作为一种智能化的交通工具，体现了车辆工程、人工智能、自动控制、计算机等多个学科领域理论技术的交叉和综合，是未来汽车发展的趋势。

机器人技术方面：

目前已经开发出了多种类型机器人机构，其结构有串联、并联及垂直关节和平面关节多种。

目前研究重点是机器人新的结构、功能及可实现性，其目的是使机器功能更强、柔性更大、满足不同目的的需求。

同时机器人机构向着模块化、可重构方向发展。

机器人控制技术现已实现了机器人的全数字化控制，基于传感器的控制技术已取得了重大进展。

目前重点研究开放式、模块化控制系统，人机界面更加友好，具有良好的语言及图形编辑界面。

同时机器人的控制器的标准化和网络化以及基于PC机网络式控制器已成为研究热点。

机器人已经实现了全数字交流伺服驱动控制，绝对位置反馈。

目前正研究利用计算机技术，探索高效的控制驱动算法，提高系统的响应速度和控制精度；同时利用现场总线技术，实现的分布式控制[1]。

1.3课题的研究意义

智能避障灭火机器人实现了对安全防护的质的提高，也大大地减低了消防人员的危险。

在智能灭火系统中应用单片机来代替人的思考，还可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，使单片机代替多余的消防人员，节省了国家不必要的支出，降低了危险。

自动灭火避障智能小车可以理解为机器人的一种特例，它是一种能够通过编程手段完成特定任务的小型化机器人。

与普遍意义上的机器人相比该智能小车制作成本低廉，电路结构简单，程序调试方便，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。

1.4课题任务

根据自动控制的基本要求，自动灭火避障智能小车必须在无人干预的情况下依靠处理器自动完成所有的系统设计要求。

灭火通过火焰检测传感器找到蜡烛，控制电机引导小车走向蜡烛附近并吹灭蜡烛。

自动避障通过红外光电开关感应前方的障碍物，程序判断处理控制小车转弯避开障碍物。

系统具体设计要求如下：

1.实现直流减速电机的启、停、正、反控制；

2.利用直流减速电机实现对小车的运动控制；

3.利用稳压芯片为单片机电路系统提供稳定电压；

4.利用红外线光电开关对障碍物的检测；

5.利用光敏晶体管对火源的检测;

6.通过单片机控制小车运动状态实现小车的灭火避障；

7.利用1602液晶的工作状态显示；

8.通过编程实现系统程序的模块化设计；

第二章系统基本原理与总体方案设计

2.1灭火机器人的基本原理

灭火机器人灭火原理如图1所示。

单片机采集火焰检测模块和避障模块的信号，通过控制电机驱动模块使小车避障行驶去找寻火源，在找到火源之后，单片机控制电机停止，开启风扇灭火，液晶显示小车行进状态和总扑灭火源个数，从而实现对整个火灾点灭火的过程。

图1系统原理方框图

2.2灭火机器人的整体设计

灭火机器人由四部分组成：

1、数据采集模块，主要由火焰采集模块和避障模块构成，实现了灭火机器人的对各类参数的采集，是控制器核心部分。

2、信息处理单元，用单片机作为信息处理单元，实现对数据的采样及数据分析运算，并发出控制指令。

3、人机交互单元，由按键及显示单元组成。

按键实现人机交互；显示采用LCD1602液晶模块，可以提供丰富、直观、友好的信息界面。

4、控制模块，控制模块主要由电机驱动电路、灭火模块等组成，实现对驱动电机运转及开启风扇灭火。

图2灭火机器人系统框图

图2中，数据采集模块对障碍物方位、火焰数据进行采集，并将数据送给MCU进行数据处理。

MCU根据接收的信息发出控制指令控制电机或风扇工作，显示单元可显示当前灭火的次数和行进状态。

按键用于用户启动灭火机器人。

2.3灭火机器人模型的测量方案

避障及火焰测量是灭火机器人最重要部分之一，它是实现其他功能的基本条件，这一部分性能好坏将关系到整个系统的性能，所以设计一个成本低、可靠性高、灭火效率高、调试简便的测量方案是该设计的关键。

2.3.1避障模块

方案1：

用超声波传感器进行避障。

超声波传感器的原理如图3所示：

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[2]。

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。

而用单片机来作方波发生器未免有些浪费资源。

因此我们考虑其他的方案。

图3超声波传感器原理图

方案2:

用红外光电开关进行避障。

光电开关的工作原理如图4所示：

根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此作出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，由同步回路选通而检测物体的有无，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。

红外光电开关操作简单，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[4][7]。

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，我们最终选择了方案2。

图4红外光电对管测量系统图

2.3.2火焰检测方案

火焰检测有温度传感器、烟雾传感器、红外传感器、紫外传感器以及CCD传感器。

综合论证这几种传感器，因本设计使用蜡烛模拟火源，对环境温度影响小，烟雾少，排除了烟雾传感器。

考虑到易用性，排除了CCD传感器，从而主要考虑以下三种方案。

●NTC热敏电阻和光敏晶体管测量方案

图5NTC热敏电阻和光敏电阻测量系统图

如图5所示，利用热敏或光敏电阻的阻值随温度光亮变化的特性，将热敏或光敏电阻与线性电阻构成分压电路，当温度光亮变化时其阻值变化，进而分压变化，然后将这电压信号经过运放放大调理成0—5V的电压信号，经A/D转换变成数字信号送给单片机。

实验中发现在一定距离范围内，空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生任何变化。

光敏电阻在灯光下，易受干扰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，抗干扰能力极差，误差偏大，不能准确测定火源位置[5][6]。

●使用紫外传感器识别火焰方案

图6紫外线传感器识别方案

紫外线传感器只对185～260nm狭窄范围内的紫外线进行响应，而对其它频谱范围的光线不敏感，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。

具有灵敏度高，检测及时准确、抗干扰性强的特点。

主要缺点是价格是红外传感器的8-10倍。

●

红外接收二极管识别火焰方案

图7红外接收二极管原理图

红外接收二极管可以用来探测波长在700nm~1000nm范围内的红外线，探测角度为60°；，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压的变化，通过电位比较器来反应高低电平的变化。

外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。

经验证红外接受二极管检测距离远，线性度好，检测准确，且体积较小在机器人设计中，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