【正文】 人的研究，目前已有多種不同類型的滅火機(jī)器人用于各種火災(zāi)場合。但是，我國的滅火機(jī)器人的研究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機(jī)器人，協(xié)助消防人員進(jìn)行火災(zāi)的定位和滅火，將有極大的社會意義。同時也應(yīng)該看到，我國在研究消防機(jī)器人方面較國外同行已落后太多，存在技術(shù)差異和代溝，消防 機(jī)器人的不斷研制、生產(chǎn)和裝備過程，應(yīng)堅(jiān)持自主研制為主，引進(jìn)輔，提高我國消防部隊(duì)消防裝備現(xiàn)代化的水平，并及時裝備消防部隊(duì)，提高部隊(duì)打贏大仗、惡仗、硬仗和特殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊(duì)在處置大型復(fù)雜火災(zāi)和應(yīng)急救援的作戰(zhàn)效能，提高消防部隊(duì)的自我防護(hù)能力，減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保護(hù)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 6 / 56 消防人員時時刻刻沖到第一線，面臨生命危險(xiǎn)，在這種背景下，智能尋跡滅火系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，實(shí)現(xiàn)了對安全防護(hù)的質(zhì)的提高，也大大地減低了消防人員的危險(xiǎn)。 現(xiàn)今，單片機(jī)以其強(qiáng)大的控制能力已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域，配以各種接口傳感器可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的智能化。從最初的 8 位控制器到現(xiàn)在的 32位控制器都還有很大的發(fā)展和應(yīng)用空間。本設(shè)計(jì)的智能尋跡滅火小車控制系統(tǒng)應(yīng)用范圍十分廣泛，能夠?qū)崿F(xiàn)智能遙控、溫度監(jiān)控、報(bào)警、具有自動尋跡、吹風(fēng)滅火等功能，可通過溫度的監(jiān)控來進(jìn)行設(shè)定小車是否前進(jìn)。本論文所包含的內(nèi)容如下： 以單片機(jī) STC89C52RC為核心擬定了系統(tǒng)組成方案，完成了系統(tǒng)的電路硬件總體設(shè)計(jì)，包括供電模塊、單片機(jī)系統(tǒng)、尋跡系統(tǒng)、電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)、壁障系統(tǒng)、火焰檢測系統(tǒng)以及滅火系統(tǒng)和各個模塊間接口。 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 7 / 56 論文主體 1．設(shè)計(jì)方案的確定 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及方案 根據(jù)課題設(shè)計(jì)的要求和課題目標(biāo)，本論文制定出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，并通過比較論證，選擇合適的器件。 整體方案設(shè)計(jì) 課題要求設(shè)計(jì)一個簡易智能滅火小車模型，能到指定區(qū)域進(jìn)行滅火工作（以蠟燭模擬火源，分布在小車行走的場地中）。根據(jù)題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、直流電機(jī)及其驅(qū)動模塊、避障傳感器模塊、避障模塊、火焰?zhèn)鞲衅?、滅火系統(tǒng)及其驅(qū)動模塊等模塊構(gòu)成， 本系統(tǒng)的方框圖如圖 1所示。但在開發(fā)設(shè)計(jì)中選擇合適的 MCU 帶來了很大的困難。 CPLD 可以實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的邏輯功能、規(guī)模大、密度高、體積小、穩(wěn)定性高、 I/O資源豐富、易于進(jìn)行功能擴(kuò)展。 但本系 統(tǒng)不需要復(fù)雜的邏輯功能，對數(shù)據(jù)的處理速度的要求也不是非常高。 方案 2： 采用凌陽公司的 16位單片機(jī)，它是 16 位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴(kuò)展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強(qiáng)等特點(diǎn)。但是當(dāng)凌陽單片機(jī)應(yīng)用語音處理和辨識時，由于其占用的 CPU 資源較多而使得凌陽單片機(jī)同時處理其它任務(wù)的速度和能力降低。如果單純的使用凌陽單片機(jī)，在語音 播報(bào)的同時小車的控制容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。 方案 3： 采用 Atmel 公司的 ATMEGA128單片機(jī)作為主控制器。且該系列的 51 單片機(jī)可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機(jī)中下載程序。因此本論文不選擇此方案。 STC89C52 是 STC公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8 位微控制器，具有 8K在系統(tǒng)可編程Flash存儲器 。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外 STC89X52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 從方便使用和經(jīng)濟(jì)的角度考慮，且 STC系列是國產(chǎn)的，我們選擇了方案 4。由于本題要實(shí)現(xiàn)對路徑的準(zhǔn)確定位和精確測量，綜合考慮有一下兩種方案。直流 減速電機(jī)轉(zhuǎn)動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 10 / 56 方案二：采用步進(jìn)電機(jī)作為該系統(tǒng)的驅(qū)動電機(jī)。 雖然采用步進(jìn)電機(jī)有諸多優(yōu)點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩較低，隨轉(zhuǎn)速的升高而下降，且在較高轉(zhuǎn)速時會急劇下降，其轉(zhuǎn)速較低，不適用于小車等有一定速度要求的系統(tǒng) 根據(jù)分析， 直流電機(jī)能夠較好的滿足本題的要求，控制方便，因此選擇以直流電機(jī)做為小車行進(jìn)驅(qū)動電機(jī)，通過 控制兩個電機(jī)的工作狀態(tài)來達(dá)到轉(zhuǎn)向的效果。本論文綜合論證了這幾種傳感器，制定了如下幾種方案。煙霧傳感器廣泛應(yīng)用與火警檢測。紫外火焰?zhèn)鞲衅髦饕獞?yīng)用于火災(zāi)消防系統(tǒng)，尤其是一些易燃易爆 場所，用來監(jiān)測火焰的產(chǎn)生。但是紫外傳感器檢測的范圍太大，不適用于本系統(tǒng)。所謂光敏，就是對光反應(yīng)敏感。 CDS光敏電阻，靈敏度高，反應(yīng)速度快，光譜特性及γ值一致性好等特點(diǎn)外，在高溫、多濕的惡劣環(huán)境下，仍能保持其高度的穩(wěn)定性和可靠性，廣泛應(yīng)用于光探測和光自控領(lǐng)域中。用 CCD 圖像傳感器可以檢測各種被檢測量，適用于 各種量的檢測。 方案 5： 用熱釋電紅外測溫傳感器，熱釋電紅外傳感器凌陽 TN9 系列是根據(jù) LiTaO3的熱釋電效應(yīng)設(shè)計(jì)的，用作檢測器的熱釋電材料具有自發(fā)極化，其晶面能俘獲大氣中的 自由電荷，從而保持中性，當(dāng)晶面溫度稍有變化即引起自發(fā)極化強(qiáng)度的變化，從而使晶面電荷量發(fā)生相應(yīng)的變化。 從經(jīng)濟(jì)和方便的角度考慮，本論文選擇了方案 3，采用的火焰 傳感器主要芯片： LM393，紅外接收頭。 其特點(diǎn)為： 具有信號輸出指示。 輸出有效信號為低電平。 探測角度達(dá) 60度。 （ 2）避障傳感器的選擇 方案 1： 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 12 / 56 用紅外光電開關(guān) ST178進(jìn)行避障。光電對管 ST178操作簡單，使用方便。當(dāng)沒有光線反射回來時，輸出高電平。 方案 2： 用紅外傳感器進(jìn)行避障。在物理學(xué)中，我們已經(jīng)知道可見光、不可見光、紅外光及無 線電等都是電磁波，其中紅外線又稱紅外光，它具有反射、折射、散射、干涉、吸收等性質(zhì)。紅外傳感器測量時不與被測物體直接接觸，因而不存在摩擦，并且有靈敏度高，響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。為了使用方便及更易理解，便于操作和調(diào)試，本論文最終選擇了方案 2。 L293D是一個具有高電壓大電流的全橋驅(qū)動芯片，它相應(yīng)頻率高， L293D 芯片可以 驅(qū)動兩個二相電機(jī)，也可以驅(qū)動一個四相電機(jī)，輸出電壓最高可達(dá) 50V，可以直接通過電源來調(diào)節(jié)輸出電壓；可以直接用單片機(jī)的 IO 口 通過光耦芯片 提供信號；電路簡單，使用比較方便。由分立元件構(gòu)成電機(jī)驅(qū)動電路，結(jié)構(gòu)簡單，價格低廉，在實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)用廣泛。 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 13 / 56 通過比較，使用 L293D芯片充分發(fā)揮了它的功能，能穩(wěn)定地驅(qū)動步進(jìn)電機(jī)，且價格不高，故選用 L293D 驅(qū)動電機(jī)。 方案一：采用 12V 蓄電池為系統(tǒng)供電。 方案二：采用 3節(jié) 可充電式鋰電池串聯(lián)共 電，經(jīng)過 7805 的電壓變換后為單片機(jī)，傳感器和點(diǎn)擊供電。因此我們放棄了此方案。再用12V 蓄電池為系統(tǒng)供電，蓄電池具有較強(qiáng)的電流驅(qū)動能力以及穩(wěn)定的電壓輸出性能。 綜上考慮，采用了方案三。 電源電路 STC89C52 需要正 5V穩(wěn)壓直流電源，在考慮到其它外圍芯片的供電電壓和功耗，最終選擇 7805這種輸出正 5V 直流電壓穩(wěn)壓供電的 三端穩(wěn)壓集成電路 ，電源電路如下圖 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 15 / 56 微控制器模塊的設(shè)計(jì) STC89C52RC 單片機(jī)介紹 簡介 STC89C52 是 STC 公司生產(chǎn)的一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程 Flash 存儲器。在單芯片上，擁有靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 STC89C52 為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、超有效的解決方案。另外 STC89C52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2 種軟件可選擇節(jié)電模式。掉電保護(hù)方式下， RAM 內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。 特性 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 16 / 56 增強(qiáng)型 8051單片機(jī)， 6 時鐘 /機(jī)器周期和 12 時鐘 /機(jī)器周期可以 任意 選擇，指令代碼完全兼容傳統(tǒng) 8051, 工作電壓： ～ （ 5V 單片機(jī)）/～ （ 3V 單片機(jī)） ,工作頻率范圍： 0～ 40MHz，相當(dāng)于普通 8051 的 0～ 80MHz，實(shí)際工作 頻率可達(dá) 48MHz,用戶應(yīng)用程序空間為 8K 字節(jié) ,片上集成 512 字節(jié) RAM,通用 I/O 口（ 32 個），復(fù)位后為： P0/P1/P2/P3 是準(zhǔn)雙向口 /弱上拉， P0 口是漏極開路輸出，作為總線擴(kuò)展用時，不用加上拉電阻，作為 I/O 口用時，需加上拉電阻。 ； 字節(jié)程序存儲空間； 字節(jié)數(shù)據(jù)存儲空間； 2KB 的 EEPROM 存儲空間 。即定時器 T0、 T T2 4 路，下降沿中斷或低電平觸發(fā)電路， Power Down 模式可 由外部中斷低電平觸發(fā)中斷方式喚醒 11. 通用異步串行口（ UART），還可用定時器軟件實(shí)現(xiàn)多個 UART 12. 工作溫度范圍： 40～ +85℃（工業(yè)級） /0～ 75℃（商業(yè)級） 13. PDIP 封裝 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 17 / 56 電機(jī)驅(qū)動電路的設(shè)計(jì) 用 L293D 芯片作為電機(jī)驅(qū)動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良，從穩(wěn)定性方面考慮，采用電機(jī)驅(qū)動芯片 L293D 作為電機(jī)驅(qū)動。為了簡化為雙橋應(yīng)用， L293D 每個通道對都配備了一個使能輸入端。此外， L293D還內(nèi)置了箝位二極管。 L293D 是 ST公司生產(chǎn)的一種高電壓、小電流電機(jī)驅(qū)動芯片。主要特點(diǎn)是：工作電壓高，最高工作電壓可達(dá)36V；輸出電流大，瞬間峰值電流可達(dá) 2A，持續(xù)工作電流為 1A。 特性 ?L293D 每個通道的電流輸出能力達(dá) 600 mA ?L293D 每個通道的峰值輸出電流達(dá) A（非重復(fù)） ?便于使能 ?L293D 具有過溫保護(hù) ?邏輯“ 0”輸入電壓高達(dá) V（高抗噪性） ?內(nèi)置箝位二極管 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 19 / 56 電機(jī)運(yùn)行邏輯關(guān)系 傳感器電路的設(shè)計(jì) 在實(shí)際設(shè)計(jì)中，本論文選用 LM324 放大器的方案，設(shè)計(jì)出來的電路緊湊且穩(wěn)定性好?？晒ぷ髟趩坞娫聪拢妷悍秶? +16V. LM324 的特點(diǎn)： 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 20 / 56 ： 3V32V ：最大 100nA（ LM324A） 。 火焰?zhèn)鞲须娐返脑O(shè)計(jì) 尺寸： 35mm X 寬 11mm X 高 14mm 主要芯片： LM39火焰檢測探頭 工 作電壓范圍： DC 312V （默認(rèn) 5V） 工作電流： （ 5V） 特點(diǎn)： 具有信號輸出指示燈； 單路信號輸出，輸出信號可以直接接單片機(jī) IO 口； OUT 口輸出高低電平信號，高電平為 ，低電平為 0V； 靈敏度可調(diào)（精調(diào)），調(diào)節(jié)火焰檢測范圍； 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 21 / 56 帶固定安裝孔，方便安裝調(diào)試 滅火驅(qū)動電路 火風(fēng)扇的驅(qū)動電路如圖 15所示。單片機(jī)輸出 Port1， Port2 控制信號用以驅(qū)動滅火電 機(jī)動作。此時， MOS 截止，風(fēng)扇不動作。 藍(lán)牙透傳模塊可以讓你原來使用串口的設(shè)備擺脫線纜的束縛在 10米范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無線串 口通信。藍(lán)牙透傳模塊只有 4個AT 指令，分別是測試通訊，改名稱，改波特率，改配對密碼， AT 指令必須從 TXD,RXD 信號腳設(shè)置，不能通過藍(lán)牙信道設(shè)置。 特別注意： 主機(jī)模塊和從機(jī)模塊均不能切換工作模式，只能是單一的工作模式（主或從） 主機(jī)模塊只能配對 HC06 的從機(jī)模塊，主機(jī)模塊之間不能配對連接，主機(jī)模塊也不能跟帶藍(lán)牙的電腦或者手機(jī)等其他藍(lán)牙設(shè)備配對 從機(jī)模塊可以跟帶藍(lán)牙的電腦或者部分帶藍(lán)牙的手機(jī)配對使用，從機(jī)模塊之間不能連接 單片機(jī)暑期培訓(xùn) (實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目 )報(bào)告紙 23 / 56 主機(jī)模塊的 AT 指令比從機(jī)模塊