【正文】 究。 我國從八十年代末期開始消防機器 人的研究，公安部上海消防研究所等單位在消防機器人的研究中取得了大量的成果， 自行式消防炮 已經(jīng)投入市場， 履帶輪式消防滅火偵察機器人 也于 2021 年 6 月通過了國家驗收。比如，高層建筑發(fā)生 火災(zāi)時，消防人員不可能在短時間內(nèi)到達高處的火災(zāi)發(fā)生地點，在地下建筑中，由于環(huán)境比較潮濕，煙氣不易擴散，消防人員不容易快速的判定火源位置；而在石化企業(yè)發(fā)生火災(zāi)時，將產(chǎn)生大量的毒氣，消防人員在滅火時極易中毒。 基于人工智能的不斷發(fā)展，各項高新技術(shù)的不斷成熟，在可預(yù)見的將來，消防機器人在功能上會更具多樣特點，在較多危險區(qū)域可以完全代替消防員，避免消防員生命傷亡。 本文的主要內(nèi)容 本論文設(shè)計了以 ATMEGA128 單片機作為主控制器，光敏電阻作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲行熘輲煼洞髮W(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機器人的設(shè)計 4 器 ， 用 ST178 型光電對管進行尋線和避障， L298 作為直流電機的驅(qū)動芯片。 完成主要功能模塊的程序設(shè)計，分別完成對各個 功能模塊的程序進行調(diào)試工作。采用 ATMEGA128 單片機作為主控制器，用 ST178 型光電對管進行避障， TTS 型熱釋電非接觸式溫度傳感器 作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳎?L298 作為直流電機的驅(qū)動芯片的設(shè)計方案。 機器人 必須通過內(nèi)部設(shè)備采集現(xiàn)場環(huán)境情況進行分析并做出相應(yīng)的動作，以達 到 機器人 智能滅火的目的。 圖 21 系統(tǒng)方框圖 為較好的實現(xiàn)各模塊的功能，我分別設(shè)計了幾種方案并分別進行了論證。 但在開發(fā)設(shè)計中選擇合適的 MCU帶來了很大的困難。 CPLD 可以實現(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、易于進行功能擴展。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，它是 16 位控制器，具有體積小、驅(qū)動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、中斷處理能力強等特點。但是當凌陽單片機應(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，在語音播報的同時 機器人 的控制 容易出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。 方案 3：采用 Atmel 公司的 AT89S52 單片機作為主控制器。且該系列的 51 單片機可以不用燒寫器而直接用串口或并口就可以向單片機中下載程序。因此我們不選擇此方案。 ATmega128 為基于 AVR RISC 結(jié)構(gòu)的 8 位低功耗 CMOS 微處理器。 具有非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器，具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū)，通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程。 兩個具有獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 / 計數(shù)器，兩個具有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 / 計數(shù)器。 從方便使用和經(jīng)濟的角度考慮，我選擇了方案 4。 下面我們分析了幾種常見電機 。雖然采用步進電機有諸多優(yōu)點，步進 電機的輸出力矩較低，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 機器人 等有一定速度要求的系統(tǒng)。由于其內(nèi)部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產(chǎn)生大扭力。舵機的出現(xiàn)最早是作為遙控模型控制舵面、油門等機構(gòu)的動力來源，但是由于舵機具有很多優(yōu)秀的特性，在制作機器人時也時常能看到它的應(yīng)用。比方說機器人的關(guān)節(jié)、飛機的舵面等 。 傳感器的選擇 火焰?zhèn)鞲衅鞯倪x擇 火焰檢測有紫外傳感器、煙霧傳感器、溫度傳感器、紅外傳感器以及 CCD 圖像傳感器。 方案 1：用煙霧傳感器。但是由于此題目的火源是用蠟燭模擬的，沒有太大的煙霧，因此用煙霧傳感器作為此小型 機器人 的火焰?zhèn)鞲衅饕膊粔驅(qū)嵱茫?此我放棄了此方案 方案 2：用紫外傳感器檢測火焰。 紫外線火焰?zhèn)鞲衅鞯撵`敏度高，相應(yīng)速度快，抗干擾能力強，對明火特別敏感，能對火災(zāi)立即做出反應(yīng)。 方案 3：用光敏電阻作為傳感器。光敏電阻在光照條件下電阻值隨外界光照強弱（明暗）變化而變化的組件，光越強阻值越小，光越弱阻值越大。 但自然光對光敏電阻影響較大，因此我們不采用此方案。用 CCD 圖像傳感器可以檢測各種被檢測量，適用于徐州師范大學(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機器人的設(shè)計 7 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 TTS1000 和 TTS2021 系列是根據(jù) LiTaO3 的熱釋電效應(yīng)設(shè)計的，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，當晶面溫度稍有變化即引 起自發(fā)極化強度的變化，從而使晶面電荷量發(fā)生相應(yīng)的變化。 從經(jīng)濟和方便的角度考慮，我選擇了方案 5。紅外發(fā)射管發(fā)出紅外線，當發(fā)出的紅外線照射到白色的平面后反射，若紅外接收管能接收到反射回的光線則檢測出白線繼而輸出低電平，若接收不到發(fā)射管發(fā)出的光線則檢測出黑線繼而輸出高電平。 方案 2：用光敏電阻組成光敏探測器。當光線照射到白線上面時，光線發(fā)射強烈，光線照射到黑線上面時，光線發(fā)射較弱。將阻值的變化值經(jīng)過比較器就可以輸出高低電平。因此我們考慮其他更加穩(wěn)定的方案。 ST178 為反射取樣式紅外線對管作為核心傳感器件。 ST178 的示意圖和特性曲線如圖所示。此光電對管調(diào)理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。 徐州師范大學(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機器人的設(shè)計 8 （ a） (b) (a) ST178 示意圖 (b) ST178 特性表 圖 23 ST178 的示意圖和特性曲線 . 避障傳感器的選擇 方案 1：用超聲波傳感器進行避障。然后將這信號放大后送入單片機。但是超聲波傳感器需要40KHz 的方波信號來工作，因為超聲波傳感器對工作頻率要求較高，偏差在 1％內(nèi)，所以用模擬電路來做方波發(fā)生器比較難以實現(xiàn)。因此我考慮其他的方案。光電開關(guān)的工作原理是根據(jù)投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據(jù)此做出判斷反應(yīng)，是利用被檢測物體對紅外光束的遮光或反射，當檢測到有障礙物的時候，光電對管就能夠接收到物體反射的紅外光，其物體不限于金屬，對所有能反射光線的物體均能檢測。當有光線反射回來時，輸出低電平。 考慮到本系統(tǒng)只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復(fù)雜的環(huán)境。 硬件總體設(shè)計方案 徐州師范大學(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機器人的設(shè)計 9 經(jīng)過反復(fù)比較論證，我最終確定了如下方案 ： 手工制作 模擬機器人 。 用 ST178 型光電對管進行避障。 L298 作為直流電機的驅(qū)動芯片。 圖 24 為 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 軟件總體設(shè)計方案 傳感器組把測得溫度分別通過模數(shù)轉(zhuǎn)換傳給單片機，單片機通過一定的處理，比較得出溫度最高的三個傳感器，根據(jù)能量在自由空間的衰減規(guī)律可知，火源與傳感器的距離 與傳感器測得溫度的大小呈負相關(guān)，溫度越高，距離火源越近，所以，火源即在這三個傳感器所對的那個方向上。 3 硬件單元電路設(shè)計 本章主要講述了以 AT89S52 為主控制器，設(shè)計相關(guān)的硬件電路。 ST178 光電對管尋跡 滅火風扇 火焰?zhèn)鞲衅? 聲音報警模塊 L298 驅(qū)動直流電機 Atmega128控制芯片 光電開關(guān)避障 模塊 徐州師范大學(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機器人的設(shè)計 10 電源電路 ATMEGA128 需要 直流電壓、 150mA 的峰值電流，在考慮到其它外圍芯片的供電電壓和功耗，最終選擇 LM2940 這種 專為大功率供電使用的 芯片提供 5V 供電，電源電路如圖 31。 高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器 非易失性的程序和數(shù)據(jù)存儲器 – 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程 Flash 壽命 : 10,000 次寫 / 擦除周期 – 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū) 通過片內(nèi)的啟動程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 真正的讀 修改 寫操作 – 4K字節(jié)的 EEPROM 徐州師范大學(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機器人的設(shè)計 11 壽命 : 100,000 次寫 / 擦除 周期 – 4K 字節(jié)的內(nèi)部 SRAM – 多達 64K 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空間 – 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)軟件加密 – 可以通過 SPI 實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)編程 外設(shè)特點 – 兩個具有獨立的預(yù)分頻器和比較器功能的 8 位定時器 / 計數(shù)器 – 兩個具 有預(yù)分頻器、比較功能和捕捉功能的 16 位定時器 / 計數(shù)器 – 具有獨立預(yù)分頻器的實時時鐘計數(shù)器 – 兩路 8 位 PWM – 6 路分辨率可編程（ 2 到 16 位）的 PWM – 輸出比較調(diào)制器 – 8 路 10 位 ADC 8 個單端通道 7 個差分通道 2 個具有可編程增益（ 1x, 10x, 或 200x）的差分通道 – 面向字節(jié)的兩線接口 – 兩個可編程的串行 USART – 可工作于主機 / 從機模式的 SPI 串行接口 – 具有獨立片內(nèi)振蕩器的可編程 看門狗定時器 – 片內(nèi)模擬比較器 I/O 和封裝 – 53 個可編程 I/O 口線 – 64引 腳 TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝 徐州師范大學(xué)本科畢業(yè)生論文設(shè)計 滅火機器人的設(shè)計 12 速度等級 – 0 8 MHz ATmega128L –