机电一体化毕业设计（论文）-灭火机器人设计.doc

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1、机电一体化系统产品 题 目： 姓 名： 学 号： 班 级： 平顶山工业职业技术学院 年 月 日 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 0 页 目录目录 目录目录.1 第一章第一章 绪论绪论.3 1.1 机器人产生的背景3 1.2. 灭火机器人的发展.3 第第 2 章章 系统设计及方案比较系统设计及方案比较.5 2.1 整体方案设计5 2.2 硬件实现方案6 2.2.1 MCU 的选择.6 2.2.2 电机选择.6 2.2.3 传感器的选择.7 2.2.4 硬件总体设计方案.8 2.3 软件总体设计方案8 第第 3 章章 硬件单元电路设计硬件单元电路设计.9 3.1 电源电路9 3.2 微控制器模

2、块的设计.9 3.2.1 ATmega128 单片机介绍.9 3.2.2 ATmega128 单片机最小系统电路11 3.3 电机驱动电路的设计12 3.4 寻线电路的设计14 3.5 火焰检测电路的设计17 3.6 声音报警与灭火17 3.6.1 灭火驱动电路.17 3.6.2 声音报警电路.18 第第 4 章章 软件实现软件实现.19 4.1 软件开发平台介绍19 4.2 主程序流程图19 4.3 寻线程序流程图20 4.4 灭火程序流程图20 第第 5 章章 系统功能调试系统功能调试.21 5.1 测试仪器及设备21 5.2 功能测试21 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 1 页 5.

3、2.1 驱动电路部分.21 5.2.2 寻线部分.21 5.2.3 灭火效果部分.22 5.3 调试心得22 结结 论论.23 参参 考考 文文 献献.24 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 2 页 第一章第一章 绪论绪论 1.1 机器人产生的背景机器人产生的背景 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

4、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

5、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. 灭火机器人的发展灭火机器人的发展 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

6、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 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 3 页 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

7、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

8、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。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 4 页 第第 2 章章 系统设计及方案比较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，

9、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

10、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。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 5 页 2.2 硬件实现方案硬件实现方案 2.2.1 MCU 的选择的选择 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 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

11、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。 2.2.2 电机选择电机选择 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

12、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

13、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。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 6 页 2.2.3 传感器的选择传感器的选择 火焰传感器的选择火焰传感器的选择 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。 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 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

14、敏电阻影响较大，因此我们不采用此方案。 寻迹传感器寻迹传感器 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。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 7 页 (a) ST178 示意图示意图 (b) ST178 特性表特性表 图 2-3 ST178 的示意图和特性曲线 避障传感器的

15、选择避障传感器的选择 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。 2.2.4 硬件总体设计方案硬件总体设计方案 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

16、 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。 2.3 软件总体设计方案软件总体设计方案 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，火源与传感器的距离与 传感器测得温度的大小呈负相关，温度越高，距离火源越近，所以，火源即在这三个传感器 所对的那个方向上。具体的方位可以通过相应的公式计算出来，调整小车方向并通过避障传 感器避障前进到火源位置驱动灭火风扇进行灭火。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第

17、8 页 第第 3 章章 硬件单元电路设计硬件单元电路设计 本章主要讲述了以 AT89S52 为主控制器，设计相关的硬件电路。主要硬件电路有：寻线与控制电路、 电机驱动模块、火焰检测电路、灭火风扇驱动电路以及声音报警电路。 3.1 电源电路电源电路 ATMEGA128 需要 4.5 - 5.5V 直流电压、150mA 的峰值电流，在考虑到其它外围芯片的供电电压和功 耗，最终选择 LM2940 这种专为大功率供电使用的芯片提供 5V 供电，电源电路如图 3-1。 （3-1） 3.2 微控制器模块的设计微控制器模块的设计 3.2.1 ATmega128 单片机介绍单片机介绍 ATMEL 公司的 8

18、位系列单片机的最高配置的一款单片机，应用极其广泛 ATmega128 主要特性如下： 高性能、低功耗的 AVR 8 位微处理器 先进的 RISC 结构 133 条指令 大多数可以在一个时钟周期内完成 32 x 8 通用工作寄存器 + 外设控制寄存器 全静态工作 工作于 16 MHz 时性能高达 16 MIPS 只需两个时钟周期的硬件乘法器 非易失性的程序和数据存储器 128K 字节的系统内可编程 Flash 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 9 页 寿命: 10,000 次写/ 擦除周期 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 真正的读- 修改- 写操作 4K

19、字节的 EEPROM 寿命: 100,000 次写/ 擦除周期 4K 字节的内部 SRAM 多达 64K 字节的优化的外部存储器空间 可以对锁定位进行编程以实现软件加密 可以通过 SPI 实现系统内编程 JTAG 接口( 与 IEEE 1149.1 标准兼容) 遵循 JTAG 标准的边界扫描功能 支持扩展的片内调试 通过 JTAG 接口实现对 Flash, EEPROM, 熔丝位和锁定位的编程 外设特点 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

20、辨率可编程（2 到 16 位）的 PWM 输出比较调制器 8 路 10 位 ADC 8 个单端通道 7 个差分通道 2 个具有可编程增益（1x, 10x, 或 200x）的差分通道 面向字节的两线接口 两个可编程的串行 USART 可工作于主机/ 从机模式的 SPI 串行接口 具有独立片内振荡器的可编程看门狗定时器 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 10 页 片内模拟比较器 特殊的处理器特点 上电复位以及可编程的掉电检测 片内经过标定的 RC 振荡器 片内/ 片外中断源 6 种睡眠模式: 空闲模式、ADC 噪声抑制模式、省电模式、掉电模式、Standby 模式以及 扩展的 Standby 模

21、式 可以通过软件进行选择的时钟频率 通过熔丝位可以选择 ATmega103 兼容模式 全局上拉禁止功能 I/O 和封装 53 个可编程 I/O 口线 64 引脚 TQFP 与 64 引脚 MLF 封装 工作电压 2.7 - 5.5V ATmega128L 4.5 - 5.5V ATmega128 速度等级 0 - 8 MHz ATmega128L 0 - 16 MHz ATmega128 3.2.2 ATmega128 单片机最小系统电路单片机最小系统电路 Atmega128 单片机最小系统电路如图 3-2 所示。主要包括复位电路、晶振电路、低通滤 波器电路以及各种滤波电容 平顶山 工业 职

22、业技术 学院 第 11 页 3.33.3 电机电机 驱动驱动 电路电路 的设的设 计计 用 L298 芯片 作为 电机 驱动， 操作 方便， 稳定 性好， 性能 优良， 从稳 定性 方面 考虑，采用电机驱动芯片 L298 作为电机驱动。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 12 页 L298 是 SGS 公司的产品，是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，内部 包含二个 H 桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 图 3-3 LM298 内部 H 桥原理 图 46 伏、2 安培以 下的电 机，工 作温度 范围从 25 度到 130 度。 它相应频率高，一片 L298

23、可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。其内部的 H 桥原理图如图 2-2 所示。EnA 是控制使能端，控制 OUTl 和 OUT2 之间电机的停转， IN1、IN2 脚接入控制电平，控制 OUTl 和 OUT2 之间电机的转向。当使能端 EnA 有效，IN1 为低电平 IN2 为高电平时，三极管 2，3 导通，1，4 截止，电机反转。当 IN1 和 IN2 电平相 同时，电机停转。 如表 3-1 是 L298 使能引脚、输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系 表 3-1 电机运行逻辑关系 EnAIN1IN2 电机转向 HHL 正转 HLH 反转 H 同 IN2同 IN1停止 LXX 停止

24、驱动电路的设计如图 3-4 所示。电池由 VIN 接入，通过 LM2940IMP-5.0 转化为 5v 作为信号电源 VCC。 电机由 L298 供电，由全桥进行泻流。 对电机的控制信号由 Atmega128 直接输入，M1_DIR 与 M1_PWM 为 M1 电机的控制信号， 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 13 页 （3-4） M2_DIR 与 M2_PWM 为 M2 电机的控制信号,其中 INPUT 2 与 INPUT 4 的信号是由输入 INPUT 1、INPUT 3 的信号反向后输入。通过对单片机的编程就可以实现两个直流电机的正反转。 3.4 寻线电路的设计寻线电路的设计 在实际

25、设计中，我并没有选用 ADC 而是选用 LM339 电压比较器的方案，设计出来的电 路紧凑且稳定性好。 LM339 作为一款典型的电压比较器，内部有四个独立的电压比较器，其的特点是： 1、失调电压小，典型值为 2mV； 2、电源电压范围宽，单电源为 2 - 36V，双电源为1V - 18V； 3、对比较信号源的内阻限制较宽； 4、共模范围很大，为 0 -（Vcc - 1.5V）Vo； 5、差动输入电压范围较大，最大可以等于电源电压值； 6、输出端电平可灵活方便地选用。 LM339 类似于增益不可调的运算放大器。每个比较器有两个输入端和一个输出端。一 个称为同相输入端（+） ，另一个称为反相输入

26、端（-） 。用作两个电压的比较时，任意一个输 入端加一个固定电压做参考电压（也称为门限电平，它可选择 LM339 输入共模范围的任何 一点） ，另一端加一个待比较的信号电压。当“+”端电压高于“-”端时，输出管截止，相当于 输出端开路。当“-”端电压高于“+”端时，输出管饱和，相当于输出端接低电位。两个输入端 电压差别超过 10mV 就可确保输出能够从一种状态可靠地转换到另一种状态。因此，把 LM339 用在弱信号检测等场合是比较理想的。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 14 页 LM339 的输出端相当于一只不接集电极电阻的晶体管，在使用时输出端到正电源一般 需接一只上拉电阻（选 3-1

27、5K） 。选不同阻值的上拉电阻会影响输出端高电位的值。因为当 输出晶体三极管截止时，它的集电极电压基本上取决于上拉电阻与负载的值。 LM339 的单相比较器电路及传输特性如图 3-5 所示。图 a 给出了一个基本单限比较器。 输入信号 Uin，即待比较电压，它加到同相输入端，在反相输入端接一个参考电压（门限电 平）Ur。当输入电压 UinUr 时，输出为高电平 UOH。图 b 为其传输特性。 图 3-5 LM339 的单相比较器电路及传输特性 红外线对管典型应用电路如图 3-6 所示。 图 3-6 红外线对管典型应用电路 其中，Ie是红外线接收管的导通后的发射极电流。输出电压为： 2 *RIU

28、 eout R1为发射管的限流电阻，R2是输出分压电阻，VCC是发射管供电电压，Vref 是输出信 号的参考电压，Vout 是输出信号。工作时，发射管 D 发射出的波长约为 940nm 的红外线信 号经反射面传送到接收管上，反射信号的强度随反射面的材料和颜色的不同而不同，接收管 的导通电阻 RGB 随接收到的反射信号强弱而改变，信号越强电阻越小，信号越弱电阻越大。 导通电阻和下拉电阻对 Vref 分压之后输出 Vout 的模拟电压信号送至 LM339 电压比较器的 输入端实现模数信号的转换。 设计出的电路原理图如图 3-7 所示。 R1 R2 D VCC Vre f Vou t Ie 平顶山

29、工业 职 业技术 学院 第 15 页 图 3-7 寻线传感器模块原理图 小车位置示意图如图 3-8 所示。 寻线的原理：若小车在运动时，小车中轴线位于地面引导线上，位置状态=010，使小车 前进；若小车中轴线位于地面引导线的右侧，位置状态=100，使小车左转；若小车中轴线位 于地面引导线的左侧，位置状态=001，使小车右转。 图 3-8 行进路径示意 从上面的分析可得：在寻线时，选用 3 只反射式红外传感器就可以实现小车沿曲线行走。 位置状态=010位置状态=100位置状态=001 VCC 4.7K R2 R1 U1 ST178 200 R3 4.7K R4 GND OUTPUT2 4 5 3

30、12 U2A LM339N VCC 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 16 页 当机器人偏离白线时，根据在白线上光电管的分布情况来调整机器人的行进姿态。 3.5 火焰火焰检测电路的设计检测电路的设计 TTS1000 和 TTS2000 系列热释电体两面的电极之间连接高阻抗负荷，为了将温度变化引起的表面电 荷量的变化转换为输出电压的变化，内部装场效应晶体管，同时加上阻抗匹配的电路，其结构如图 ，特 性参数如表格 。 图 3-9 表格 3-2 量程 /C 工作温度 /C 负载阻抗 /k 功率 /mW 耐温性 /（%） 响应频率 /Hz 电压 /VDC 电流 /mA 电压灵敏度 /（V/W） -1

31、001200-206010 025 5 03100 520250400 信号采集是系统通过红外测温传感器来测温度,如图 4-4 所示,左边为红外传感器组,是信 号的原始采集部分，它由八个红外测温传感器组成。传感器测得的信号直接输入到 Atmega128 单片机 A/D 转换器的模拟信号输入端口。电路图如图 3-x 所示。 3.6 声音报警与灭火声音报警与灭火 3.6.1 灭火驱动电路灭火驱动电路 灭火风扇的驱动电路如图 3-10 所示。其中 Port1，Port2 分别接到单片机的 P0.5、P0.6 接口上。单片机输出 Port1，Port2 控制信号用以驱动灭火电机动作。由于选用 平顶山

32、工业 职 业技术 学院 第 17 页 的是增强型 MOS 管，所以，当 Port 信号为高时，MOS 管在 VGS下开始工作，MOS 导通，风扇 开始动作，进行灭火；当 Port 信号为低时，由于增强型 MOS 管特点，VGS=0 时，iD=0。此时， MOS 截止，风扇不动作。 图 3-10 灭火驱动电路 3.6.2 声音报警电路声音报警电路 控制信号为“SPEAK” ，接至单片机的 I/O 口的 P1.6 脚。当“SPEAK”为高电平时，三极 管基级为高电平，此时，三极管处于截止状态，蜂鸣器不工作；当“SPEAK”为低电平时， 三极管处于放大工作状态，驱动蜂鸣器，开始发声，蜂鸣器工作。 G

33、ND VCC D1D2 M B1 M B1 Q1 MOSFET-N Q2 MOSFET-N 104 C1 104 C2 Port2Port1 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 18 页 第第 4 章章 软件实现软件实现 4.1 软件开发平台介绍软件开发平台介绍 编程语言选用 C 语言。汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高的 优点，但其本身是低级语言，编程效率较低，可移植性和可读性差，维护极不方便。而 C 语 言以其结构化，容易维护，容易移植的优势满足开发的需要。 MCS-51 是支持 C 语言编程的编译器，它主要有两种：Franklin C51 编译器和 Keil C51

34、编译器，我们简称 C51。C51 是专为 MCS-51 开发的一种高性能的 C 编译器。由 C51 产生的目 标代码的运行速度极高，所需存储空间极小，完全可以和汇编语言媲美。 Keil 软件公司提供的专用 8051 嵌入式应用开发工具套件，可以编译 C 源文件、汇编源 文件、连接定位目标模块和库、生成并调试目标程序，为实际的每一种 8051 及其派生系列 产品生成嵌入式应用系统。Keil C51 交叉编译器兼容 ANSI（美国国家标准协会）C 编译器， 专用于为 8051 微控制器系列生成快速紧凑的目标代码。使用 Keil 8051 开发工具套件，以 工程的形式组织各种文件，工程开发周期与任何

35、其他软件开发工程的周期大致相同。 Vision2 IDE 是 Keil 公司提供的用于开发 MCS-51 系列芯片的汇编语言与 C 程序的集 成开发环境，是标准的 Windows 应用程序，同其他 Windows 应用程序一样，Vision2 IDE 环境包括菜单、工具条、编辑及显示多种窗口。Vision2 IDE 支持使用的 Keil C51 工具， 包括 C 编译器、宏汇编器、连接定位器、目标代码到 HEX 的转换器。 4.2 主程序流程图主程序流程图 主程序流程图如图 4-1 所示。 用左手法则搜索整个房间，可以容易地检测到房间各个角落，避免出现检测盲区。在小 车行进过程中检测火焰，一旦

36、发现火焰则切换到趋光程序，计算火焰位置，准确定位并启动 风扇灭火，灭火后检测火焰是否被扑灭，确定火焰被扑灭后计数并回到发现火焰的位置继续 搜索房间，直至扑灭所有火焰后启动回家程序，回到原始位置。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 19 页 4.3 寻线程序流程图寻线程序流程图 寻线的程序流程图如图 4-2 所示： 小车寻线时，由 ST178 红外对管检测地面引导线，反射光越强，值越大；发射光越弱， 值越小。程序开始，先将小车放在引导线上，测得引导线与地面背景的值，求出平均值作为 阀值。若检测值大于阀值，则对应的是白色引导线，若检测值小于阀值，则对应的是深色背 景。通过比较三个寻线传感器的结果

37、，来得出小车的位置状态，从而控制小车做出响应的动 作，避免小车脱离引导线运动。 小车的控制：小车前进时，两个电机速度相同；小车左转，左轮速度降低，右轮保持不 变；小车右转，右轮速度降低，左轮保持不变；小车后退，电机反转。电机的速度采用延时 控制电机绕组电压接通与断开的时间，这样即可改变电机的平均电压达到调速的目的。 4.4 灭火程序流程图灭火程序流程图 灭火子程序的流程图如图 4-3 所示。 当小车检测到火焰时，由于有障碍物的存在，需要对不同坐标上的火焰分别进行判断。 由于设计中使用一个风扇，安装在小车的正前方，没有使用舵机的方案，风扇只能朝前 方吹风。为了提高灭火的准确度，我们要让机器人正面

38、对准火焰，否则，可能会出现长时间 灭不了火的现象。对火时让机器人走到火焰附近，判断左右两边火焰强度，左边火焰强，左 转一点，右边火焰强，右转一点，每对一次火，前进一点。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 20 页 第第 5 章章 系统功能调试系统功能调试 5.1 测试仪器及设备测试仪器及设备 表 5-1 测试仪器设备清单 仪器名称型号用途数量 PC 机联想调试及下载程序 1 数字万用表MASTECH my65测量各电路工作情况 1 秒表记录时间 1 5.2 功能测试功能测试 先将底盘上的减速电机位置固定，连接 L298 电路，在给固定的 TTL 信号，使底盘能够 向直线行走和转弯，分别调试红

39、外寻线板和红外避障电路，使有反射光接收到后使信号输出 为一个高电平，供单片进行检测。在安装好以上模块后，再检查一次，保证位置合理，能正 常得检测到外部情况。 然后是用开发板和电池来调整重心，使重心在中轴线上，在所有模块都安装好后，再布 好线路。进行总体调试。 5.2.1 驱动电路部分驱动电路部分 调试中遇到的问题和经验：由于急于求成，很快的速度焊好电路，但加电调试时，无法 正常运行，断电细查后，才发现，原来把稳压管方向接反。在电路焊接好，编制好程序调试 时，出现 2 个电机一个能正常转动，但是另外一个电机却不按照程序控制，自行无规律乱动 的情况，并且在检查软件程序无误的情况下，还是不能控制小车

40、的右电机正常动作，后来细 心的研读程序，一项一项的查找问题所在，最后，检查到，原来是在焊接的时候，由于不够 仔细，把一路线走来与焊盘焊点短路，造成了硬件电路的错误。 5.2.2 寻线部分寻线部分 将光电管 ST178 分别对准黑线和白线进行测试，所测结果如表 5-2 所示。从所测数据我 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 21 页 们可以看出，当光电管检测黑线时输出低电压，检测到白线时输出高电压，通 过 LM338 电压比较器比较之后，分别输出低电平和高电平，供单片机作控制信号。 5.2.3 灭火效果部分灭火效果部分 系统已经实现 MOS 管对灭火电机的驱动，可以在检测到光源的时候，电机动作，

41、以表 示灭火过程。同时，检测到火源的时候，蜂鸣器发声，完成“报警”功能。 5.3 调试心得调试心得 最好把驱动电机系统设计成可以承受机器人预计最终重量的两倍，这样增加模块不会太 影响控制性能。 黑线用作地线，红色用作电源(VCC)，白线用作马达馈线等等养成习惯, 如果不管什么 颜色的电线都随手抓来，那么调试起来就会很困难。 硬件和软件开发应该同步进行，它们实际上只是同一个问题的两个不同面。如果你一 开始就编写软件，我们就会避免很多挫折和麻烦。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 22 页 结结 论论 本论文设计了以 AT89S52 为主控制器的简易灭火机器人。所做工作和确定的成果如下： 1、以

42、单片机 AT89S52 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、火焰检测系统以及灭火系统和各个 模块间接口。 2、完成了各个功能模块 PCB 板的制作，手工焊制了电路板。 3、完成主要功能模块的调试软件设计，分别完成对各个功能模块的调试工作。 本设计制作的灭火机器人，具备机器人的一般功能， “智能” （寻线）行走，能够自主完 成一些动作，找到“火源” ，进行灭火。 工作展望： 使用下面一些设计，可以节约灭火时间，达到更好的灭火效果。 1、增加舵机方案。为小车安装一个舵机，将灭火风扇安装在可以旋转的舵机上，在检 测到火焰的大致位

43、置的情况下，可以不用调节车体位置而通过舵机的旋转就可以轻松灭火， 可以达到节约时间的效果。 2、使用“复眼”技术。增加火焰检测传感器数量，同时遮蔽部分传感器，缩短传感器的 检测距离，在检测火焰的时候先远距离搜索火焰的大致位置，然后近距离定位火焰，可以更 有效的寻找火焰并能缩短时间，但是需要更多的硬件开销。 平顶山 工业 职 业技术 学院 第 23 页 参参 考考 文文 献献 1 蒋新松. 机器人与工业自动化M . 石家庄: 河北教育出版社,2003. 2 王耀南. 机器人智能控制工程M . 北京:科学出版社,2004. 3 倪星元,等. 传感器敏感功能材料及应用M . 北京:化学工业出版社,2

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