畢業(yè)設計---滅火機器人的設計

1、<p>　　本科生畢業(yè)論文（設計）</p><p>　　論 文 題 目： 滅火機器人的設計 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　院 系： 工學院 </p><p>　　專 業(yè)： 電

2、氣工程及其自動化 </p><p>　　班 級： </p><p>　　指 導 教 師： </p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　機器人（Robot）是自動執(zhí)行工作的機器裝置。它既

3、可以接受人類指揮，又可以運行預先編排的程序，也可以根據以人工智能技術制定的原則綱領行動。它的任務是協(xié)助或取代人類工作的工作，例如生產業(yè)、建筑業(yè)，或是危險的工作。</p><p>　　現(xiàn)在，國際上對機器人的概念已經逐漸趨近一致。一般說來，人們都可以接受這種說法，即機器人是靠自身動力和控制能力來實現(xiàn)各種功能的一種機器。聯(lián)合國標準化組織采納了美國機器人協(xié)會給機器人下的定義：“一種可編程和多功能的，用來搬運材料、零件、工

4、具的操作機；或是為了執(zhí)行不同的任務而具有可改變和可編程動作的專門系統(tǒng)?！?lt;/p><p>　　隨著社會與國家的發(fā)展，在經濟迅速增長的同時，各種危險場所不可避免的火災頻繁出現(xiàn)，給社會安全造成了很多隱患，于是現(xiàn)代火災及時補救已成為迫在眉睫需要解決的問題，救火早一刻就少一分損失，消防救援人員固然速度已經很快，但也需要一段不小的時間，而且進入救火現(xiàn)場還有生命危險的可能，于是消防機器人的理念誕生了，笨設計主要就是針對消防機

5、器人的制作與研究，機器人以AT89S52單片機為控制核心，加以電源電路、電機驅動、光電傳感電路、火焰檢測電路、滅火風扇以及其它電路構成。電源電路提供系統(tǒng)所需的工作電源，專用電機驅動芯片驅動電機控制機器人的前進后退以及轉向，光電對管完成尋跡和避障，光敏電阻傳感器檢測火焰，滅火風扇進行滅火。本設計制作的消防機器人具有簡易滅火功能，達到了實現(xiàn)現(xiàn)場滅火的目的，設計較好地完成了課題目標。</p><p><b>

6、　　Abstract</b></p><p>　　The Robot is automatic Robot (executed) the machine work. It can accept human command, and can run in the program, also can be arranged according to the principle of artificial

7、intelligence technology platform for action. Its mission is to assist or replace human work work, such as manufacturing, construction, or dangerous job.</p><p>　　Now, on the concept of international robot ha

8、s gradually reaching agreement. Generally speaking, people can accept this statement, namely the robot is under their own power and control ability to achieve various functions of a machine. UN standardization organizati

9、on adopted American association of robot to robot definition: "a programmable and multi-function, material handling, parts and tools for CaoZuoJi; or different tasks and can change and programmable action of special

10、 system."</p><p>　　Along with the development of society and the state, in rapid economic growth, at the same time, various dangerous places inevitably occur frequently, and give the fire caused many hi

11、dden danger of social security, and has become a modern fire timely remedial urgent needs to solve the problem of fire, as a moment, fire crews loss rate is fast, but also needs to have a period of time, and enter the fi

12、re scene and dangerous life may be, so fire robot concept was born, stupid design is mainly for t</p><p><b>　　1 緒 論</b></p><p>　　1.1 機器人產生的背景</p><p>　　機器人技術的發(fā)展，它應該說是一個科學

13、技術發(fā)展共同的一個綜合性的結果，也同時，為社會經濟發(fā)展產生了一個重大影響的一門科學技術，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中，各國加強了經濟的投入，就加強了本國的經濟的發(fā)展。</p><p>　　另一方面它也是生產力發(fā)展的需求的必然結果，也是人類自身發(fā)展的必然結果，那么人類的發(fā)展隨著人們這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科

14、技發(fā)展過程中的一個客觀需要。</p><p>　　那么什么是機器人呢？人們一般的理解來看，機器人是具有一些類似人的功能的機械電子裝置，或者叫自動化裝置，它仍然是個機器，它有三個特點，一個是有類人的功能，比如說作業(yè)功能，感知功能，行走功能，還能完成各種動作，它還有一個特點是根據人的編程能自動的工作，這里一個顯著的特點，就是它可以編程，改變它的工作、動作、工作的對象，和工作的一些要求，它是人造的機器或機械電子裝置。但

15、從完整的更為深遠的機器人定義來看，應該更強調機器人智能，所以人們又提出來機器人的定義是能夠感知環(huán)境，能夠有學習、情感和對外界一種邏輯判斷思維的這種機器。那么這給機器人提出來更高層次的要求，展望21世紀，機器人將是一個與20世紀計算機的普及一樣，會深入地應用到各個領域，在21世紀的前20年是機器人從制造業(yè)走向非制造業(yè)的發(fā)展一個重要時期，也是智能機器人發(fā)展的一個關鍵時期。</p><p>　　1.2 機器人技術發(fā)展

16、及現(xiàn)狀</p><p>　　1.2.1 機器人的發(fā)展</p><p>　　機器人技術的發(fā)展，它應該說是一個科學技術發(fā)展共同的一個綜合性的結果，同時，為社會經濟發(fā)展產生了一個重大影響的一門科學技術，它的發(fā)展歸功于在第二次世界大戰(zhàn)中各國加強了經濟的投入，就加強了本國的經濟的發(fā)展。比如說日本，戰(zhàn)后以后開始進行汽車的工業(yè)，那么這時候由于它人力的缺乏，它迫切需要一種機器人來進行大批量的制造，提高

17、生產效率降低人的勞動強度，這是從社會發(fā)展需求本身的一個需求。另一方面它也是生產力發(fā)展的需求的必然結果，也是人類自身發(fā)展的必然結果，那么人類的發(fā)展隨著人們逐漸的這種社會發(fā)展的情況，人們越來越不斷探討自然過程中，在改造自然過程中，認識自然過程中,來需求能夠解放人的一種奴隸。那么這種奴隸就是代替人們去能夠從事復雜和繁重的體力勞動，實現(xiàn)人們對不可達世界的認識和改造，這也是人們在科技發(fā)展過程中的一個客觀需要。但另一方面，盡管人們有各種各樣的好的想

18、法，但是它也歸功于電子技術，計算機技術以及制造技術等相關技術的發(fā)展而產生了提供了強大的技術保證。</p><p>　　那么機器人怎么產生的呢？這是在1920年，有一個捷克斯洛伐克的一個作家叫卡佩克，他寫了一本科幻小說，叫《羅薩姆的機器人萬能公司》。這本小說中他構思了一個和幻想了一個機器人，它的名字叫羅伯特，也就是我們英文中的Robot，它可以不吃飯，它能夠不知疲勞的，不知疲倦地進行工作。在1920年前后，大家也知

19、道是在第一次世界大戰(zhàn)以后，是各國工業(yè)發(fā)展比較迅速的時期，我們看到電影《摩登時代》，卓別林主演的人變成了機器人，在生產線中天天的進行勞動。人們在這種煩躁的體力勞動中就幻想有一種能代替人完成這樣工作的想像、一種需要，這個小說在1924年和1927年的時候被紛紛傳到了日本、法國和歐洲國家，還變成了一種當時的木偶劇和一些話劇，所以這樣的一個機器人的名詞就向全世界鋪展開來，當時人們還認為是一個科幻小說，還沒有把它跟我們日常的學習工作和生產結合起來

20、。</p><p>　　在20世紀70年代到20世紀80年代初期，工業(yè)機器人變成產品以后，得到全世界的普遍應用以后，那么很多研究機構開始研究第二代具有感知功能的機器人，出現(xiàn)了瑞典的ABB公司，德國的KUKA機器人公司，日本幾家公司和日本的FUNAC公司，都在工業(yè)機器人方面都有很大的作為，同時我們也看到機器人的應用在不斷拓寬，它已經從工業(yè)上的一些應用，擴展到了服務行業(yè)，擴展了它的作業(yè)空間，向海洋空間和服務醫(yī)療等等行

21、業(yè)的使用。所以從這張圖可以看出機器人發(fā)展的幾個過程。</p><p>　　那么總結一下，我們認為，機器人有三個發(fā)展階段，那么也就是說，我們習慣于把機器人分成三類，一種是第一代機器人，那么也叫示教再現(xiàn)型機器人，它是通過一個計算機，來控制一個多自由度的一個機械，通過示教存儲程序和信息，工作時把信息讀取出來，然后發(fā)出指令，這樣的話機器人可以重復的根據人當時示教的結果，再現(xiàn)出這種動作，比方說汽車的點焊機器人，它只要把這個

22、點焊的過程示教完以后，它總是重復這樣一種工作，它對于外界的環(huán)境沒有感知，這個力操作力的大小，這個工件存在不存在，焊的好與壞，它并不知道，那么實際上這種從第一代機器人，也就存在它這種缺陷，因此，在20世紀70年代后期，人們開始研究第二代機器人，叫帶感覺的機器人，這種帶感覺的機器人是類似人在某種功能的感覺，比如說力覺、觸覺、滑覺、視覺、聽覺和人進行相類比，有了各種各樣的感覺，比方說在機器人抓一個物體的時候，它實際上力的大小能感覺出來，它能夠

23、通過視覺，能夠去感受和識別它的形狀、大小、顏色。抓一個雞蛋，它能通過一個觸覺，知道它的力的大小和滑動的情況。</p><p>　　那么第三代機器人，也是我們機器人學中一個理想的所追求的最高級的階段，叫智能機器人，那么只要告訴它做什么，不用告訴它怎么去做，它就能完成運動，感知思維和人機通訊的這種功能和機能，那么這個目前的發(fā)展還是相對的只是在局部有這種智能的概念和含義，但真正完整意義的這種智能機器人實際上并沒有存在，

24、而只是隨著我們不斷的科學技術的發(fā)展，智能的概念越來越豐富，它內涵越來越寬。</p><p>　　那么從三代機器人發(fā)展過程中，從另一個方面，我們對機器人從應用的角度進行了分類，比如說工業(yè)機器人，它包括點焊、弧焊、噴漆、搬運、碼垛，在工業(yè)現(xiàn)場中工作的這種機器人，我們統(tǒng)稱為工業(yè)機器人，那么從不同的應用中，到水下去作業(yè)的叫水下機器人，到空間作業(yè)的叫空間機器人，同時又存在農業(yè)、林業(yè)、牧業(yè)，對醫(yī)療機器人叫醫(yī)用機器人，還包括娛

25、樂機器人，建筑和居室上用的機器人，所以從應用分類，它包括從行業(yè)、應用角度，也可以進行這樣簡單的分類。</p><p>　　1.2.2 滅火機器人</p><p>　　近幾十年中，大量的高層、地下建筑與大型的石化企業(yè)不斷涌現(xiàn)。由于這些建筑的特殊性，發(fā)生火災時，不能快速高效的滅火。為了解決這一問題，盡快救助火災中的受害者，最大限度的保證消防人員的安全，消防機器人研究被提到了議事日程。而機器人

26、技術的發(fā)展也為這一要求的實現(xiàn)提供了技術上的保證，使得消防機器人應運而生。</p><p>　　從二十世紀八十年代開始，世界許多國家都進行了消防機器人的研究。美國和蘇聯(lián)最早進行消防機器人的研究，而后日本、英國、法國等國家都紛紛開展了消防機器人的研究，目前已有多種不同類型的消防機器人用于各種火災場合。 </p><p>　　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

27、防機器人的研究中取得了大量的成果，"自行式消防炮"已經投入市場，"履帶輪式消防滅火偵察機器人"也于2000年6月通過了國家驗收。但是，我國消防機器人的研究還處在初級階段，還有許多有待研究的問題。比如，高層建筑發(fā)生火災時，消防人員不可能在短時間內到達高處的火災發(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)生火災時，將產生大量的毒氣，消防人員在

28、滅火時極易中毒。研制能夠用于這些場合的偵察滅火機器人，協(xié)助消防人員進行火災的定位和滅火，將有極大的社會意義。 </p><p>　　基于人工智能的不斷發(fā)展，各項高新技術的不斷成熟，在可預見的將來，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。同時也應該看到，我國在研究消防機器人方面較國外同行已落后太多，存在技術差異和代溝，消防機器人的不斷研制、生產和裝備過程，應堅持自主研

29、制為主，引進為輔，提高我國消防部隊消防裝備現(xiàn)代化的水平,并及時裝備消防部隊，提高消防部隊打贏大仗、惡仗、硬仗和特殊戰(zhàn)役的能力，提高消防部隊在處置大型復雜火災和應急救援的作戰(zhàn)效能, 提高消防部隊的自我防護能力,減少消防指戰(zhàn)員的人身傷亡，更好地保衛(wèi)我國經濟發(fā)展。</p><p>　　1.3本文的主要內容</p><p>　　本論文設計了以ATMEGA128單片機作為主控制器，光敏電阻作為本系統(tǒng)

30、的火焰?zhèn)鞲衅?，用ST178型光電對管進行尋線和避障，L298作為直流電機的驅動芯片。所做工作和確定的成果如下：</p><p>　　1、以單片機ATMEGA128為核心擬定了系統(tǒng)組成方案，完成了系統(tǒng)的電路硬件總體設計，包括供電模塊、單片機系統(tǒng)、尋線系統(tǒng)、電機驅動系統(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。</p><p>　　2、完成主要功能模塊的程序設計，分別完成對各個功能

31、模塊的程序進行調試工作。</p><p><b>　　2系統(tǒng)設計</b></p><p>　　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?，L298作為直流電機的驅動芯片的設計方案。</p><p>　　2.1 整體方案設計</p><p&

32、gt;　　課題要求設計一個簡易滅火機器人模型，能到指定區(qū)域進行滅火工作（以蠟燭模擬火源，分布在機器人行走的場地中）。機器人必須通過內部設備采集現(xiàn)場環(huán)境情況進行分析并做出相應的動作，以達到機器人智能滅火的目的。</p><p>　　根據題目要求，本系統(tǒng)主要由控制器模塊、電源模塊、直流電機及其驅動模塊、避障傳感器模塊、避障模塊、火焰?zhèn)鞲衅?、滅火系統(tǒng)及其驅動模塊等模塊構成，本系統(tǒng)的方框圖如圖2-1所示。</p&g

33、t;<p><b>　　圖2-1系統(tǒng)方框圖</b></p><p>　　采用Atmel公司的Atmega128高端單片機作為主控制器。ATmega128為基于AVR RISC結構的8位低功耗CMOS微處理器。先進的 RISC 結構,133 條指令且大多數(shù)可以在一個時鐘周期內完成。具有非易失性的程序和數(shù)據存儲器，具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū)，通過片內的啟動程序實現(xiàn)系統(tǒng)內編程

34、。支持JTAG 接口同時與IEEE 1149.1 標準兼容。 兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器，兩個具有預分頻器、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， 8路10 位ADC，可以方便的進行模數(shù)轉換。</p><p>　　2.2.2 電機選擇</p><p>　

35、　本系統(tǒng)為智能機器人，對于機器人來說，其驅動電機的選擇就顯得十分重要。下面我們分析了幾種常見電機。</p><p>　　步進電機由于其轉過的角度可以精確的定位，可以實現(xiàn)機器人前進路程和位置的精確定位。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，不適用于機器人等有一定速度要求的系統(tǒng)。</p><p>　　直流減速電機轉動力矩大

36、，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便。由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產生大扭力。</p><p>　　舵機，顧名思義是控制舵面的電動機。舵機的出現(xiàn)最早是作為遙控模型控制舵面、油門等機構的動力來源，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用。舵機是一種位置伺服的驅動器，轉動范圍一般不能超過180 度，適用于那些需要角度不斷變化并可以保持的驅動當中。比方說機器

37、人的關節(jié)、飛機的舵面等。</p><p>　　直流電機能夠較好的滿足系統(tǒng)的要求，控制方便，因此我選擇以直流電機做為機器人行進驅動電機，用舵機來做機器人的驅動轉向電機。</p><p><b>　　2.3傳感器</b></p><p>　　2.3.1 火焰?zhèn)鞲衅?lt;/p><p>　　用熱釋電紅外測溫傳感器，熱釋電紅外傳感

38、器TTS1000和TTS2000系列是根據LiTaO3的熱釋電效應設計的，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)生相應的變化。由于它是非接觸式測溫，用于測量火焰溫度非常方便。</p><p>　　2.3.2尋跡傳感器</p><p>　　用ST178型光電對管。ST178為反射取樣式紅外

39、線對管作為核心傳感器件。它采用高發(fā)射功率紅外光電二極管和高靈敏度光電晶體管組成，以非接觸檢測方式，檢測距離可調整范圍大，4-10mm可用。ST178的示意圖和特性曲線如圖所示。當發(fā)光二極管發(fā)出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平。此光電對管調理電路簡單，工作性能穩(wěn)定。</p><p>　　圖2-3 ST178的示意圖和特性曲線</p><p>　　ST178示意圖

40、 (b) ST178特性表</p><p>　　圖2-3 ST178的示意圖和特性曲線</p><p>　　2.3.3. 避障傳感器</p><p>　　考慮到本系統(tǒng)只需要檢測簡單障礙物，沒有十分復雜的環(huán)境。為了使用方便，便于操作和調試。</p><p>　　用紅外光電開關ST178進行避障。光電開關的工作原理是根據

41、投光器發(fā)出的光束，被物體阻斷或部分反射，受光器最終據此做出判斷反應，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。光電對管ST178操作簡單，使用方便。當有光線反射回來時，輸出低電平。當沒有光線反射回來時，輸出高電平。</p><p>　　2.3.4 硬件總體設計方案</p><p>

42、;　　經過反復比較論證，我最終確定了如下方案：</p><p>　　1、手工制作模擬機器人。</p><p>　　2、采用Atmega128單片機作為主控制器。</p><p>　　3、用ST178型光電對管進行避障。</p><p>　　4、熱釋電紅外測溫傳感器作為本系統(tǒng)的火焰?zhèn)鞲衅鳌?lt;/p><p>　　5、L29

43、8作為直流電機的驅動芯片。</p><p>　　6、使用蜂鳴器進行滅火報警。</p><p>　　圖2--4為系統(tǒng)結構框圖</p><p>　　2.4 軟件總體設計方案</p><p>　　傳感器組把測得溫度分別通過模數(shù)轉換傳給單片機，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

44、傳感器測得溫度的大小呈負相關，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。具體的方位可以通過相應的公式計算出來，調整機器人方向并通過避障傳感器避障前進到火源位置驅動滅火風扇進行滅火。</p><p>　　3 硬件單元電路設計</p><p>　　本章主要講述了以AT89S52為主控制器，設計相關的硬件電路。主要硬件電路有：尋線與控制電路、電機驅動模塊、火焰檢測電路、

45、滅火風扇驅動電路以及聲音報警電路。</p><p><b>　　3.1 電源電路</b></p><p>　　ATMEGA128需要4.5 - 5.5V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3-1。</p><p><b>　　

46、（3-1）</b></p><p><b>　　圖3-1</b></p><p>　　3.2微控制器模塊的設計</p><p>　　3.2.1 ATmega128單片機介紹</p><p>　　ATMEL公司的 8位系列單片機的最高配置的一款單片機，應用極其廣泛</p><p>　　A

47、Tmega128主要特性如下：</p><p>　　· 高性能、低功耗的 AVR 8 位微處理器 </p><p>　　· 先進的 RISC 結構 </p><p>　　– 133 條指令 – 大多數(shù)可以在一個時鐘周期內完成 </p><p>　　– 32 x 8 通用工作寄存器 + 外設控制寄存器 </p>

48、<p><b>　　– 全靜態(tài)工作 </b></p><p>　　– 工作于16 MHz 時性能高達16 MIPS </p><p>　　– 只需兩個時鐘周期的硬件乘法器 </p><p>　　· 非易失性的程序和數(shù)據存儲器 </p><p>　　– 128K 字節(jié)的系統(tǒng)內可編程Flash <

49、/p><p>　　壽命: 10,000 次寫/ 擦除周期 </p><p>　　– 具有獨立鎖定位、可選擇的啟動代碼區(qū) </p><p>　　通過片內的啟動程序實現(xiàn)系統(tǒng)內編程 </p><p>　　真正的讀- 修改- 寫操作 </p><p>　　– 4K字節(jié)的EEPROM </p><p>　　壽

50、命: 100,000 次寫/ 擦除周期 </p><p>　　– 4K 字節(jié)的內部SRAM </p><p>　　– 多達64K 字節(jié)的優(yōu)化的外部存儲器空間 </p><p>　　– 可以對鎖定位進行編程以實現(xiàn)軟件加密 </p><p>　　– 可以通過SPI 實現(xiàn)系統(tǒng)內編程 </p><p>　　· JTA

51、G 接口( 與IEEE 1149.1 標準兼容) </p><p>　　– 遵循JTAG 標準的邊界掃描功能 </p><p>　　– 支持擴展的片內調試 </p><p>　　– 通過JTAG 接口實現(xiàn)對Flash, EEPROM, 熔絲位和鎖定位的編程 </p><p><b>　　· 外設特點 </b>&

52、lt;/p><p>　　– 兩個具有獨立的預分頻器和比較器功能的8 位定時器/ 計數(shù)器 </p><p>　　– 兩個具有預分頻器、比較功能和捕捉功能的16 位定時器/ 計數(shù)器 </p><p>　　– 具有獨立預分頻器的實時時鐘計數(shù)器 </p><p>　　– 兩路8 位PWM </p><p>　　– 6路分辨率可編程

53、（2 到16 位）的PWM </p><p>　　– 輸出比較調制器 </p><p>　　– 8路10 位ADC </p><p><b>　　8 個單端通道 </b></p><p><b>　　7 個差分通道 </b></p><p>　　2 個具有可編程增益（1x,

54、10x, 或200x）的差分通道 </p><p>　　– 面向字節(jié)的兩線接口 </p><p>　　– 兩個可編程的串行USART </p><p>　　– 可工作于主機/ 從機模式的SPI 串行接口 </p><p>　　– 具有獨立片內振蕩器的可編程看門狗定時器 </p><p>　　– 片內模擬比較器 <

55、/p><p>　　· 特殊的處理器特點 </p><p>　　– 上電復位以及可編程的掉電檢測 </p><p>　　– 片內經過標定的RC 振蕩器 </p><p>　　– 片內/ 片外中斷源 </p><p>　　– 6種睡眠模式: 空閑模式、ADC 噪聲抑制模式、省電模式、掉電模式、Standby 模式以及

56、 </p><p>　　擴展的Standby 模式 </p><p>　　– 可以通過軟件進行選擇的時鐘頻率 </p><p>　　– 通過熔絲位可以選擇ATmega103 兼容模式 </p><p>　　– 全局上拉禁止功能 </p><p>　　· I/O 和封裝 </p><p>

57、;　　– 53個可編程I/O 口線 </p><p>　　– 64引腳TQFP 與 64 引腳 MLF 封裝 </p><p><b>　　· 工作電壓 </b></p><p>　　– 2.7 - 5.5V ATmega128L </p><p>　　– 4.5 - 5.5V ATmega128 </p

58、><p><b>　　· 速度等級 </b></p><p>　　– 0 - 8 MHz ATmega128L </p><p>　　3.2.2 ATmega128單片機最小系統(tǒng)電路</p><p>　　Atmega128單片機最小系統(tǒng)電路如圖3-2所示。主要包括復位電路、晶振電路、低通濾波器電路以及各種濾波電容&

59、lt;/p><p>　　3.3 電機驅動電路的設計</p><p>　　用L298芯片作為電機驅動，操作方便，穩(wěn)定性好，性能優(yōu)良，從穩(wěn)定性方面考慮，采用電機驅動芯片L298作為電機驅動。</p><p>　　L298是SGS公司的產品，是一個具有高電壓大電流的全橋驅動芯片，內部</p><p>　　包含二個H橋的高電壓大電流橋式驅動器，接收標準

60、TTL邏輯電平信號，可驅動</p><p>　　圖3-3 LM298內部H橋原理圖</p><p>　　46伏、2安培以下的電機，工作溫度范圍從－25度到130度。它相應頻率高，一片L298可以分別控制兩個直流電機，而且還帶有控制使能端。其內部的H橋原理圖如圖3-3所示。EnA是控制使能端，控制OUTl和OUT2之間電機的停轉， IN1、IN2腳接入控制電平，控制OUTl和OUT2之間電機

61、的轉向。當使能端EnA有效，IN1為低電平IN2為高電平時，三極管2，3導通，1，4截止，電機反轉。當IN1和IN2電平相同時，電機停轉。</p><p>　　如表3-1是L298使能引腳、輸入引腳和輸出引腳之間的邏輯關系</p><p>　　表3-1電機運行邏輯關系</p><p>　　驅動電路的設計如圖3-4所示。電池由VIN 接入，通過LM2940IMP-5.

62、0轉化為5v作為信號電源VCC。 電機由L298供電，由全橋進行瀉流。 對電機的控制信號由Atmega128直接輸入，M1_DIR與M1_PWM為M1電機的控制信號，</p><p><b>　?。?-4）</b></p><p>　　M2_DIR與M2_PWM為M2電機的控制信號,其中INPUT 2與INPUT 4的信號是由輸入INPUT 1、INPUT 3的信號反

63、向后輸入。通過對單片機的編程就可以實現(xiàn)兩個直流電機的正反轉。</p><p>　　3.3.1 L298控制直流電機加減速的89c51單片機C程序：</p><p>　　#include<reg51.h> </p><p>　　#include<math.h> </p><p>　　#define uchar unsig

64、ned char </p><p>　　#define uint unsigned int </p><p>　　sbit en1=P3^0; /* L298的Enable A */ </p><p>　　sbit s1=P3^2; /* L298的Input 1 */ </p><p>　　sbit s2=P3^3; /* L298的Inp

65、ut 2 */ </p><p>　　uchar t=0; /* 中斷計數(shù)器 */ </p><p>　　uchar m1=0; /* 電機1速度值 */ </p><p>　　uchar tmp1; /* 電機當前速度值 */ </p><p>　　/* 電機控制函數(shù) index-電機號(1,2); speed-電機速度(-100—100)

66、 */ </p><p>　　void motor(uchar index, char speed) </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　if(speed>=-100 && speed<=100) </p><p><b>　　{ </b>&l

67、t;/p><p>　　if(index==1) /* 電機1的處理 */ </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　m1=abs(speed); /* 取速度的絕對值 */ </p><p>　　if(speed<0) /* 速度值為負則反轉 */ </p><p><

68、;b>　　{ </b></p><p><b>　　s1=0; </b></p><p><b>　　s2=1; </b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　else /* 不為負數(shù)則正轉 */ </p><p&

69、gt;<b>　　{ </b></p><p><b>　　s1=1; </b></p><p><b>　　s2=0; </b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p>

70、<p><b>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　void delay(uint j) /* 簡易延時函數(shù) */ </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　for(j;j>0;j--); &

71、lt;/p><p><b>　　} </b></p><p>　　void main() </p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　uchar i; </b></p><p>　　TMOD=0x02; /* 設定T0的工作模式為

72、2 */ </p><p>　　TH0=0x9B; /* 裝入定時器的初值 */ </p><p>　　TL0=0x9B; </p><p>　　EA=1; /* 開中斷 */ </p><p>　　ET0=1; /* 定時器0允許中斷 */ </p><p>　　TR0=1; /* 啟動定時器0 */ </p&

73、gt;<p>　　while(1) /* 電機實際控制演示 */ </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　for(i=0;i<=100;i++) /* 正轉加速 */ </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　motor(1,i);

74、</p><p>　　delay(5000); </p><p><b>　　} </b></p><p>　　for(i=100;i>0;i--) /* 正轉減速 */ </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　motor(1,i); </

75、p><p>　　delay(5000); </p><p><b>　　} </b></p><p>　　for(i=0;i<=100;i++) /* 反轉加速 */ </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　motor(1,-i); </p&g

76、t;<p>　　delay(5000); </p><p><b>　　} </b></p><p>　　for(i=100;i>0;i--) /* 反轉減速 */ </p><p><b>　　{ </b></p><p>　　motor(1,-i); </p>

77、<p>　　delay(5000); </p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p><p><b>　　} </b></p><p>　　void timer0() interrupt 1 /* T0中斷服務程序 */

78、</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　if(t==0) /* 1個PWM周期完成后才會接受新數(shù)值 */ </p><p><b>　　{ </b></p><p><b>　　tmp1=m1; </b></p><p><

79、b>　　} </b></p><p>　　if(t<tmp1) en1=1; else en1=0; /* 產生電機1的PWM信號 */ </p><p><b>　　t++; </b></p><p>　　if(t>=100) t=0; /* 1個PWM信號由100次中斷產生 */ </p><

80、;p><b>　　}</b></p><p>　　圖L298N步進電機驅動集成電路（3-5）</p><p>　　用L298驅動兩臺直流減速電機的電路。引腳6，9可用于PWM控制。如果機器人項目只要求直行前進，則可將5，10和7，12兩對引腳分別接高電平和低電平，僅用單片機的兩個端口給出PWM信號控制6，11即可實現(xiàn)直行、轉彎、加減速等動作。</p>

81、<p>　　圖（3-6）L298電機驅動電路</p><p>　　3.4 尋線電路的設計</p><p>　　在實際設計中，我并沒有選用ADC而是選用LM339電壓比較器的方案，設計出來的電路緊湊且穩(wěn)定性好。</p><p>　　LM339作為一款典型的電壓比較器，內部有四個獨立的電壓比較器，其的特點是：</p><p>　　

82、1、失調電壓小，典型值為2mV；</p><p>　　2、電源電壓范圍寬，單電源為2 - 36V，雙電源為±1V - ±18V；</p><p>　　3、對比較信號源的內阻限制較寬；</p><p>　　4、共模范圍很大，為0 -（Vcc - 1.5V）Vo；</p><p>　　5、差動輸入電壓范圍較大，最大可以等于電源

83、電壓值；</p><p>　　6、輸出端電平可靈活方便地選用。</p><p>　　LM339 類似于增益不可調的運算放大器。每個比較器有兩個輸入端和一個輸出端。一個稱為同相輸入端（+），另一個稱為反相輸入端（-）。用作兩個電壓的比較時，任意一個輸入端加一個固定電壓做參考電壓（也稱為門限電平，它可選擇LM339 輸入共模范圍的任何一點），另一端加一個待比較的信號電壓。當“+”端電壓高于“-

84、”端時，輸出管截止，相當于輸出端開路。當“-”端電壓高于“+”端時，輸出管飽和，相當于輸出端接低電位。兩個輸入端電壓差別超過10mV就可確保輸出能夠從一種狀態(tài)可靠地轉換到另一種狀態(tài)。因此，把LM339用在弱信號檢測等場合是比較理想的。</p><p>　　LM339引腳圖3-6合適尺寸 實際尺寸 </p><p>　　LM339 的輸出端相當于一只不接集電極電阻的晶體管，在使用時輸出端到正

85、電源一般需接一只上拉電阻。選不同阻值的上拉電阻會影響輸出端高電位的值。因為當輸出晶體三極管截止時，它的集電極電壓基本上取決于上拉電阻與負載的值。</p><p>　　LM339的單相比較器電路及傳輸特性如圖3-7所示。圖a給出了一個基本單限比較器。輸入信號Uin，即待比較電壓，它加到同相輸入端，在反相輸入端接一個參考電壓（門限電平）Ur。當輸入電壓Uin>Ur時，輸出為高電平UOH。圖b為其傳輸特性。<

86、;/p><p>　　圖3-7 LM339的單相比較器電路及傳輸特性</p><p>　　紅外線對管典型應用電路如圖3-8所示。</p><p>　　圖3-8紅外線對管典型應用電路</p><p>　　其中，Ie是紅外線接收管的導通后的發(fā)射極電流。輸出電壓為：</p><p>　　R1為發(fā)射管的限流電阻，R2是輸出分壓電阻，

87、VCC是發(fā)射管供電電壓，Vref是輸出信號的參考電壓，Vout是輸出信號。工作時，發(fā)射管D發(fā)射出的波長約為940nm的紅外線信號經反射面?zhèn)魉偷浇邮展苌?，反射信號的強度隨反射面的材料和顏色的不同而不同，接收管的導通電阻RGB隨接收到的反射信號強弱而改變，信號越強電阻越小，信號越弱電阻越大。導通電阻和下拉電阻對Vref分壓之后輸出Vout的模擬電壓信號送至LM339電壓比較器的輸入端實現(xiàn)模數(shù)信號的轉換。</p><p&g

88、t;　　設計出的電路原理圖如圖3-9所示。</p><p>　　圖3-9尋線傳感器模塊原理圖</p><p>　　機器人位置示意圖如圖3-10所示。</p><p>　　尋線的原理：若機器人在運動時，機器人中軸線位于地面引導線上，位置狀態(tài)=010，使機器人前進；若機器人中軸線位于地面引導線的左側，位置狀態(tài)=100，使機器人右轉；若機器人中軸線位于地面引導線的右側，位

89、置狀態(tài)=001，使機器人左轉。</p><p><b>　　圖3-10</b></p><p>　　從上面的分析可得：在尋線時，選用3只反射式紅外傳感器就可以實現(xiàn)機器人沿曲線行走。當機器人偏離白線時，根據在白線上光電管的分布情況來調整機器人的行進姿態(tài)。</p><p>　　3.5 火焰檢測電路的設計</p><p>　

90、　TTS1000和TTS2000系列熱釋電體兩面的電極之間連接高阻抗負荷，為了將溫度變化引起的表面電荷量的變化轉換為輸出電壓的變化，內部裝場效應晶體管，同時加上阻抗匹配的電路，其結構如圖 3-11，</p><p><b>　　圖 3-11</b></p><p><b>　　表格 3-2</b></p><p>　　信號

91、采集是系統(tǒng)通過紅外測溫傳感器來測溫度,如圖 4-4所示,左邊為紅外傳感器組,是信號的原始采集部分，它由八個紅外測溫傳感器組成。傳感器測得的信號直接輸入到Atmega128單片機A/D轉換器的模擬信號輸入端口。電路圖如圖3-x所示。</p><p>　　3.6 聲音報警與滅火</p><p>　　3.6.1 滅火驅動電路</p><p>　　滅火風扇的驅動電路如圖

92、3-12所示。其中Port1，Port2分別接到單片機的P0.5、P0.6接口上。單片機輸出Port1，Port2控制信號用以驅動滅火電機動作。由于選用的是增強型MOS管，所以，當Port信號為高時，MOS管在VGS下開始工作，MOS導通，風扇開始動作，進行滅火；當Port信號為低時，由于增強型MOS管特點，VGS=0時，iD=0。此時，MOS截止，風扇不動作。</p><p>　　圖3-12 滅火驅動電路<

93、;/p><p>　　3.6.2 聲音報警電路</p><p>　　聲音報警電路如圖3-11所示：</p><p>　　圖3-13 聲音報警電路</p><p>　　控制信號為“SPEAK”，接至單片機的I/O口的P1.6腳。當“SPEAK”為高電平時，三極管基級為高電平，此時，三極管處于截止狀態(tài)，蜂鳴器不工作；當“SPEAK”為低電平時，三極

94、管處于放大工作狀態(tài)，驅動蜂鳴器，開始發(fā)聲，蜂鳴器工作。</p><p><b>　　3.7 本章小結</b></p><p>　　本章主要講述了以AT89S52為主控制器，設計相關的硬件電路。主要硬件電路有：尋線與控制電路、電機驅動模塊、火焰檢測電路、滅火風扇驅動電路以及聲音報警電路。</p><p><b>　　4 軟件實現(xiàn)<

95、;/b></p><p>　　本章介紹了此次畢業(yè)設計使用的編程工具µVision2 IDE，介紹了主要的控制模塊程序，編寫相應的控制程序，主要是尋線控制程序和滅火控制程序。</p><p>　　4.1 軟件開發(fā)平臺介紹</p><p>　　編程語言選用C語言。匯編語言作為傳統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)的編程語言，具有執(zhí)行效率高的優(yōu)點，但其本身是低級語言，編程效率

96、較低，可移植性和可讀性差，維護極不方便。而C語言以其結構化，容易維護，容易移植的優(yōu)勢滿足開發(fā)的需要。</p><p>　　MCS-51是支持C語言編程的編譯器，它主要有兩種：Franklin C51編譯器和Keil C51編譯器，我們簡稱C51。C51是專為MCS-51開發(fā)的一種高性能的C編譯器。由C51產生的目標代碼的運行速度極高，所需存儲空間極小，完全可以和匯編語言媲美。</p><p&g

97、t;　　Keil軟件公司提供的專用8051嵌入式應用開發(fā)工具套件，可以編譯C源文件、匯編源文件、連接定位目標模塊和庫、生成并調試目標程序，為實際的每一種8051及其派生系列產品生成嵌入式應用系統(tǒng)。Keil C51交叉編譯器兼容ANSI（美國國家標準協(xié)會）C編譯器，專用于為8051微控制器系列生成快速緊湊的目標代碼。使用Keil 8051開發(fā)工具套件，以工程的形式組織各種文件，工程開發(fā)周期與任何其他軟件開發(fā)工程的周期大致相同。</p

98、><p>　　µVision2 IDE是Keil公司提供的用于開發(fā)MCS-51系列芯片的匯編語言與C程序的集成開發(fā)環(huán)境，是標準的Windows應用程序，同其他Windows應用程序一樣，µVision2 IDE環(huán)境包括菜單、工具條、編輯及顯示多種窗口。µVision2 IDE支持使用的Keil C51工具，包括C編譯器、宏匯編器、連接定位器、目標代碼到HEX的轉換器。</p>

99、<p>　　4.2 主程序流程圖</p><p>　　主程序流程圖如圖4-1所示。</p><p>　　用左手法則搜索整個房間，可以容易地檢測到房間各個角落，避免出現(xiàn)檢測盲區(qū)。在機器人行進過程中檢測火焰，一旦發(fā)現(xiàn)火焰則切換到趨光程序，計算火焰位置，準確定位并啟動風扇滅火，滅火后檢測火焰是否被撲滅，確定火焰被撲滅后計數(shù)并回到發(fā)現(xiàn)</p><p>　　火

100、焰的位置繼續(xù)搜索房間，直至撲滅所有火焰后啟動回家程序，回到原始位置。</p><p>　　圖4-1 主程序流程圖</p><p>　　4.3 尋線程序流程圖</p><p>　　尋線的程序流程圖如圖4-2所示：</p><p>　　機器人尋線時，由ST178紅外對管檢測地面引導線，反射光越強，值越大；反射光越弱，值越小。程序開始，先將機器人

101、放在引導線上，測得引導線與地面背景的值，求出平均值作為閥值。若檢測值大于閥值，則對應的是白色引導線，若檢測值小于閥值，則對應的是深色背景。通過比較三個尋線傳感器的結果，來得出機器人的位置狀態(tài)，從而控制機器人做出響應的動作，避免機器人脫離引導線運動。</p><p>　　機器人的控制：機器人前進時，兩個電機速度相同；機器人左轉，左輪速度降低，右輪保持不變；機器人右轉，右輪速度降低，左輪保持不變；機器人后退，電機反轉

102、。電機的速度采用延時控制電機繞組電壓接通與斷開的時間，這樣即可改變電機的平均電壓達到調速的目的。</p><p>　　4.4 滅火程序流程圖</p><p>　　滅火子程序的流程圖如圖4-3所示。</p><p>　　當機器人檢測到火焰時，由于有障礙物的存在，需要對不同坐標上的火焰分別進行判斷。</p><p>　　由于設計中使用一個風扇，

103、安裝在機器人的正前方，沒有使用舵機的方案，風扇只能朝前方吹風。為了提高滅火的準確度，我們要讓機器人正面對準火焰，否則，可能會出現(xiàn)長時間滅不了火的現(xiàn)象。對火時讓機器人走到火焰附近，判斷左右兩邊火焰強度，左邊火焰強，左轉一點，右邊火焰強，右轉一點，每對一次火，前進一點。</p><p><b>　　5 參考文獻</b></p><p><b>　　參 考 文

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