【正文】 行特殊作業(yè)的消防機器人的研究尚屬起步階段。第 2 章：滅火機器人邏輯設計與原理分析。第 4 章：系統(tǒng)軟件設計。第 6 章：總結?；鹪椿鹪椿鹪慈肟诔隹诨鹪?模擬滅火場地圖 設計要求1. 智能滅火小車手動啟動后，自動躲避障礙物。 創(chuàng)新設計1. 小車車體結構好，完全自主設計，小車采用三層結構，分放不同模塊的元件，調試過程和修改過程相對簡單。 設計內容分析 滅火機器人在機器人滅火設計中，要求機器人實現(xiàn)在場地里迅速找到蠟燭將其熄滅，在尋找過程中要避免碰撞墻壁與蠟燭，并且在找到蠟燭后控制機器人將其熄滅，最后由出口出來，所用時間最少為最佳。(3)找到火源后，通過滅火裝置迅速將火熄滅。1. 避障機器人在行走過程中必須能避開障礙物，所以在考慮“行走”時必須分兩種情況：（1） 正常行走（無障礙物）；（2） 避障行走（有障礙物）。所以本設計中選用火焰?zhèn)鞲衅鳎ɑ鹧嫣筋^）是至關重要的。要想滅火，就得采用合適的滅火方法。當火焰探頭檢測的數(shù)據(jù)都近似于滅火定位的基準值時，調用滅火函數(shù)，開啟滅火裝置。優(yōu)先級由高到低為：避障、找火、滅火。C 8 0 5 1 F 3 2 0驅動電機模塊電源模塊避障模塊火焰?zhèn)鞲衅髂K水泵模塊 系統(tǒng)設計方案框圖 小車的方案設計與論證方案1：自己制作電動車，自己制作車體，組裝合適的電機及電機驅動板，自制探測器，并利用開發(fā)板做控制驅動小車。這種專用電動車裝配緊湊，各種所需電路的安裝十分方便，看起來也比較美觀。但步進電機的輸出力矩較低，隨轉速的升高而下降，且在較高轉速時會急劇下降，其轉速較低，不適用于小車等有一定速度的系統(tǒng)。PWM調速就是使加在直流電機兩端的電壓為方波形式，通過改變方波的占空比實現(xiàn)對電機轉速的調節(jié) [4]。5．低速性能好，穩(wěn)定精度高，調速范圍寬。方案2：采用光電開關探頭，光電開關原理簡單，自行發(fā)射紅外線，當一定距離內有障礙物時，自身能夠檢測到電平的變化，單片機端口接收電平的變化從而判斷是否附近有障礙物，從而實現(xiàn)避障功能 [5]。 火焰?zhèn)鞲衅髂K的選定方案1：采用兩個熱敏電阻作為核心的傳感器，實驗中發(fā)現(xiàn)在一定距離范圍內，空氣溫度變化非常小，熱敏電阻幾乎不發(fā)生任何變化 [6]。外界紅外光越強，數(shù)值越小，根據(jù)數(shù)值的變化能判斷紅外光線的強弱,從而能大致判別出火源的遠近。 水泵模塊的選定由于風扇體積比較大，而本設計中車體又比較小，故作中選擇了水泵抽水滅火。電機的轉速和轉向都不需要控制，只要在一定范圍內轉的越開越好。將電機放在三極管的漏極，然后控制柵源之間電壓正負即可驅動電機正常工作，這種方案不僅電路簡單、易實現(xiàn)，會減少很多電路上不必要的麻煩，而且驅動效率也大大提高，不僅如此其維修性也很強，出現(xiàn)故障能及時快速維修。方案1：采用UT3W提供的電源方案為電機供電，采用UT3W提供的電源接口為單片機提供電源。 單片機控制模塊的選定考慮到整個系統(tǒng)的簡單、方便性，控制模塊采用C8051F320作為主控制芯片，該芯片有足夠的存儲空間，可以方便的在線ISP下載程序，能夠滿足該系統(tǒng)軟件的需要，該芯片提供了兩個計數(shù)器中斷，對于本作品系統(tǒng)已經足夠，采用該芯片可以比較靈活的選擇各個模塊控制芯片，能夠準確的計算出時間，有很好的實時性。2．采用C8051F320單片機作為控制核心。6．采用場效應管作為驅動電機模塊。根據(jù)系統(tǒng)的原理，本設計選用了16位單片機C8051F320進行編程控制，利用C8051F320 較強的運算處理能力、超低功耗及豐富的片上外圍設備等優(yōu)點，實現(xiàn)了較高精度的運行系統(tǒng)。最終本設計的硬件結構大體可以分成九個部分：火焰?zhèn)鞲衅髂K，避障電路模塊，報警模塊，穩(wěn)壓芯片模塊，光電耦合模塊，水泵電機驅動模塊，測速模塊，主控制器CPU模塊，LCD液晶顯示模塊，各供電電源模塊。二、參數(shù)說明 [7]成品尺寸：231220(cm) ；車體：四電機/兩路電機驅動；供電：電池（2）；工作電壓：DC：；擴展電路3V；工作電流：運動時：～；帶水泵2A～3A；最大運行速度：60cm/s；三、電路接口說明電機控制部分，選用了最常見的 L293D 芯片作為驅動芯片。外界紅外光越強，數(shù)值越?。环粗畡t越大。此外，遠紅外火焰探頭探測角度為60176。蜂鳴器在電路中用字母“H”或“HA” 表示。當接通電源后（～15V 直流工作電壓），多諧振蕩器起振，～，阻抗匹配器推動壓電蜂鳴片發(fā)聲。接通電源后，振蕩器產生的音頻信號電流通過電磁線圈，使電磁線圈產生磁場。 避障模塊機器人要避開障礙物，就需要一雙“眼睛”，這個功能主要由傳感器及相關控制完成。該傳感器具有探測距離遠、受可見光干擾小、價格便宜、易于裝配、使用方便等特點，額定工作電壓為5V，可以廣泛應用于機器人避障、流水線計件等眾多場合 [10]。它是NPN型光電開關；輸出狀態(tài)是0、1，即數(shù)字電路中的高電平和低電平?！?0V之間就可以將輸出電壓穩(wěn)定在5V，輸出電流最大 [11]。它對輸入、輸出電信號有良好的隔離作用，所以，它在各種電路中得到廣泛的應用。這就完成了電—光—電的轉換，從而起到輸入、輸出、隔離的作用。在計算機數(shù)字通信及實時控制中作為信號隔離的接口器件，可以大大增加計算機工作的可靠性。光耦合電路原理圖如圖 所示：圖 光耦合電路圖 水泵電機驅動模塊由于風扇體積比較大，不易裝車且效率不是很好，本次設計中選用了水泵滅火。發(fā)射器能發(fā)出紅外光或可見光，在無阻情況下接收器能收到光，但當被檢測物體從槽中通過時，光被遮擋，光電開關便動作，輸出一個開關控制信號，切斷或接通負載電流，從而完成一次控制動作。二、采用PWM調速的直流電機脈寬調制的全稱為：Pulse WidthModulator ，簡稱PWM，由于它的特殊性能，常被用于直流負載回路中、燈具調光或直流電動機調速。電壓或電流源是以一種通(1)或斷(0)的重復脈沖序列被加到模擬負載上去的。因此，我們可以通過單片機，生成固定頻率的脈沖信號，通過改變脈沖信號中的“占空比”來控制電機的轉速。H型電路可以實現(xiàn)轉速和方向的控制，采用PWM 進行直流電機調速，其實就是把波形作用于電機驅動電路的使用端，因此下面對電機驅動電路進行介紹。要使電機運轉，必須導通對角線上的一對場效應管。 按鍵電路模塊為了更好的控制機器人的啟動、停止以及節(jié)省能量，本設計中應用了撥碼開關。以下對 SPI 及內部比較器做詳細介紹。SilabsIDE 軟件支持觀察和修改存儲器、寄存器，支持斷點運行，堆棧指示器和單步執(zhí)行。 C8051F320 單片機主要特性高速、流水線結構的 8051 兼容的微控制器內核（可達 25MIPS） 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調試接口（片內） 通用串行總線（USB）功能控制器，有 8 個靈活的端點管道，集成收發(fā)器和 1K FIFO RAM 電源穩(wěn)壓器（5V 至 3V） 真正 10 位 200ksps 的 17 通道單端/差分 ADC，帶模擬多路器 片內電壓基準和和溫度傳感器 片內電壓比較器（兩個） 高精度可編程的 12MHz 內部振蕩器和 4 倍時鐘乘法器 16KB 可在系統(tǒng)編程的 FLASH 存儲器 2304 字節(jié)片內 RAM（256+1K+1K USB FIFO ） 硬件實現(xiàn)的 SMBus/I2C、增強型 UART 和增強型 SPI 串行接口 4 個通用的 16 位定時器 具有 5 個捕捉/比較模塊和看門狗定時器功能的可編程計數(shù)器/定時器陣列（PCA） 片內上電復位、VDD 監(jiān)視器和時鐘丟失檢測器 25/21 個端口 I/O（容許 5V 輸入）C8051f320 是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。調試邏輯支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持斷點、單步、運行和停機命令。端口 I/O 和 RST 引腳都容許 5V 的輸入信號電壓 [7]。從選擇信號（NSS）可被配置為輸入以選擇工作在從方式的 SPI0，或在多主環(huán)境中禁止主方式操作，以避免兩個以上主器件試圖同時進行數(shù)據(jù)交換時發(fā)生 SPI 總線沖突。另外，320 單片機的端口為采用浮動的交叉開關配置型的，在使用之前必須對其進行配置，才能將 SPI 總線信號引出單片機引腳 [16]。MISO 為主輸入從輸出信號。模組為串行SPI接口，接口簡單、操作方便；與各種MCU均可進行方便簡單的接口操作。所以本次我們選用 4 節(jié)可充鋰離子電池作為能量源。其中，BAT54C 內部是兩個二極管，內部電路為 ，其作用相當于一個或門電路。此時，BAT54C 的 2 都為低電平，三極管截止，集電極為高電平，從而使場效應管截止，使后續(xù)電路斷電。體積小巧，而且功耗極低，經測量關斷情況下漏電流為 。共有 5 個引腳，1 為 IN，是電源的輸入端，輸入范圍是 4V 到 10V。輸出 的穩(wěn)定電壓。 滅火機器人整體設計 整體結構滅火小車的第一層擴展板結構主要有：火焰?zhèn)鞲衅?個（車頭的中間及左右各有一個），LM339電壓比較器電路，5V穩(wěn)壓芯片電路，水泵電機驅動電路，光耦驅動電路，電源檢測電路，電源端口等。具體接口如圖 ：圖 單片機接口示意圖第 4 章 系統(tǒng)的軟件設計在進行微機控制系統(tǒng)設計時，我們根據(jù)單片機的具體情況使用 Silicon Laboratories IDE 軟件，采用主流設計語言 C 語言對單片機進行編程實現(xiàn)各項功能。判斷是否有火源 ？小車初始化結束開始調整方向否是滅火繼續(xù)前進圖 控制流程圖系統(tǒng)總體流程是：小車進入驅動后，由入口進入場地，能夠避開障礙物前進，一旦檢測到有火源，就由單片機控制啟動水泵電機，進行滅火。 程序流程圖 小車滅火的主程序軟件流程圖如圖 所示，首先對小車進行初始化，在這個階段讓小車檢測火源，確定自己的位置。有障礙物 ？判斷周圍是否有障礙物結束開始否是左側檢測到 ？右側檢測到 ？都未檢測到 ？都檢測到 ？是是是是否否否否繼續(xù)前進直線前進右轉左轉后退圖 避障模塊 火源模塊程序軟件流程圖如果火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘栵@示火焰在小車的前方，則小車繼續(xù)前進一段距離，啟動水泵，滅火；如果檢測到火焰在小車的左方，則小車左轉 90 度，啟動水泵，滅火；如果小車檢測到火焰在小車的右方，則小車右轉 90 度，啟動水泵，滅火。通過將主允許標志（MSTEN，）置 1 將 SPI0 置于主方式。在傳輸結束后 SPIF（）標志被置為邏輯 1。從從器件接收的數(shù)據(jù)字節(jié)以 MSB 在先的形式傳送到主器件的移位寄存器。如果模組復位不正常時，將無法正常工作。2 次小車能夠基本躲避障礙物并滅掉部分蠟燭。測試顯示，在小車的直線運行過程中，小車會出現(xiàn)左右搖擺的現(xiàn)象，如下所示。小車還出現(xiàn)了滅火時水泵噴水位置不準確的情況。第 6 章 總結歷經幾個月的畢業(yè)設計，從最初的資料查找、方案設計，經過最基本的電路設計、調試過程，再到軟件設計、測試，我學習了單片機系統(tǒng)設計的整個過程。但是本系統(tǒng)中還存在著不足：小車的直線行進的穩(wěn)定性未得到很好的解決，通過測試小車在直線行走時與小車的初始角度、小車的速度、小車的轉彎，我認為小車的穩(wěn)定性可能還與紅外探測器之間的間距、黑帶寬度的比值、小車的慣性等有關。參考文獻[1]楊瑩，丁堃，[J].2022(3):3.[2[3]楊廣映，凌斯，[J].江西科學出版社,2022(2):2～6.[4][J].2022(1):12～26.[5][J].1987(3):22～36.[6] 王化祥，[M].天津：天津大學出版社，～42.[7] [8] 陳寅．多傳感器信息融合技術及其在智能機器人系統(tǒng)中的應用研究[D]．學位論文(博士)，上海交通大學，2022．42～50.[9]高國富，謝少榮，羅均編著．機器人傳感器及其應用[M].北京：化學工業(yè)出版社2022．142～146.[10]王化祥，[J].～34.[11]比滿清，王黎明，：電子工業(yè)出版社，～15.[12]夏路易，高文華，：電子工業(yè)出版社，～70.[13] 光電開關E3F3DS50M使用手冊[M].33～75.[14] 何希才，[M].北京：電子工業(yè)出版社，～178.[15] c8051f320 使用手冊[M].2～58.[16]張毅剛， 單片機應用設計[M].哈爾濱工業(yè)大學出版社，～51.[17] 12864液晶使用手冊[M].12～27. [18]機器人競技系列叢書[J]．北京：科學出版社2022:9．[19]徐春梅，楊平，曾婧婧，蔣式勤，彭道剛．機器人直賽道賽跑方案和走直線控制策略的設計與實現(xiàn)[J]．計算機信息，2022(3)：153156．致謝歷時三個月的畢業(yè)設計已經告一段落。通過這次畢業(yè)設計，我深刻地認識到了學好專業(yè)知識的重要性，也理解了理論聯(lián)系實際的含義，并且檢驗了大學四年的學