智能灭火小车论文

摘要

本次设计CPU采用Atmel公司的AVR系列单片机中的Atmega16L。完成的是学校组织的灭火机器人大赛。完成的作品基本功能要求在规定的场地中尽快寻找到火源，然后在尽可能短的时间内作出灭火动作。

本作品使用AVR产生PWM波,控制小车的直流电动机，利用红处开关管探测障碍物，使得小车能够避开障碍，找到火源，从而做出灭火动作。同时使用液晶显示各个阶段小车的任务，使得我们对小车的运行有一个很好的了解。

关键词:Atmega16L 智能小车光电开关 PWM 液晶显示

智能灭火机器人

一设计目的与设计要求

此次比赛的场地如下图1所示，图中的H区为小车的起始地区域，蜡烛在图中圆形的区域内，中间的黑色线条表示场地中的木板，整个场地的场面为黑色，其中起跑线为白线，另外在火灾区的入口以及蜡烛之前的半圆处也各有一条白线。场地中各处的尺寸如图中所标（单位均为mm），设计要求小车能够避开障碍物（木板），在最短时

图1 灭火机器人比赛场地

间内找到火源所在的区域，然后将火吹灭，要求小车整体外形尺寸限制在30cm×30cm×30cm之内，包括机器人的触角、探测物及装饰物。

二方案设计与论证

根据设计的目的与要求，经过讨论我们一致选定左手法则，即小车一直延左墙走，当遇到障碍物就右转，直到进入火灾区时检测到白

线改为右手走法，再利用蜡烛前面的白线检测火源。因此设计的小车要求能够及时调节前进的方向，以避开障碍物，顺利找到火源。

1．直流调速系统

鉴于价格和功能的考虑，我们选择了直流电机，通过PWM控制小车的速度以及方向。电机驱动部分有以下两种方案:

方案一:使用MOSFET构成H桥式驱动电路，利用PWM波形来控制小车的速度，再用单片机两个I/O口控制电机旋转方向，此电路驱动功率比较大，小车的转速比较快。

方案二：使用直流电机驱动芯片L298N来驱动小车的电机。

L298N作为集成芯片，一块芯片能够输出两路PWM波形，控制两个电机，相对于由MOSFET构成的H桥式驱动电路来说具有电路焊接简单，焊接完成后不易出差错的优点。二者价格上差别不大，所以我们优先选择了方案二。

2．避障电路的设计

为了能够使小车快速地找到火源所在的房间，就要求避障系统比较灵敏，遇到障碍物迅速躲避，对于避障电路有以下三种方案：方案一：使用红外开关管ST168来避障

方案二：使用光电开关E3F3-DS5ON1

方案三：使用超声波避障电路

由于ST168的探测距离太近，而小车的速度不能太慢，ST168那一系列的红外开关管不能够满足要求。方案二中的光电开关，探测距离能够达到1m，而且抗干扰能力比较强，而超声波电路比较麻烦，做出来的电路精确调节不方便，因此方案二成为了最佳选择。

3．检测白线电路的设计

白线检测电路，可以将ST168放在车的底盘上，这样检测比较精准，只是考虑到比赛场地的地面不一定完全黑白分明，所以在连接电

路时，要做成可以调节探测距离的电路，完成之后调节传感器使得小车能够准确探测到白线，从而做出正确的动作。

4．显示部分设计

为了能够随时了解小车的运行情况，我们加上了显示部分，显示部分可以用数码管，1602液晶，还有诺基亚5110液晶三种。由于数码管只能显示数字，不能够很直观地反应小车的行进情形，而1602体积太大，重量也比较大，而诺基亚5110体积小，功耗低，比较省电，故最后选择使用诺基亚5110作为液晶显示器件，实时显示小车的当前任务。

5．灭火部分设计

最后小车找到火源,用什么方法来灭火,最直接的方法是用风扇,而这也是最有可能实现的办法。定下的方案是用继电器控制风扇，当检测到蜡烛前面的白线时继电器合上，使得风扇开始旋转灭火。火灭之后，风扇再停止。

6．电源部分设计

电源部分，可以使用几节5号电池串联，但是这样电池使用效率比较低，而且5号电池功率不够大，容量也太小，不能长时间供电，最后决定使用11V锂电池（3.7V锂电池串联而成），为电机和风扇供电，再利用CD2940来产生5V的直流电压，为电路中的各个芯片提供工作电压。

三硬件电路设计

1．Atmega16L单片机资源分配

此次设计主要使用了Atmega16L芯片的I/O口用于检测外部传感器的信号，TC1用来产生两路PWM波，引脚使用情况如下表：

表1 Atmega16L单片机I/O口及内部资源分配

2．电机驱动电路

使用L298N驱动小车的电机，电路图如下：

图2 电机驱动电路

图中二极管IN5817用于吸收电机反转时产生的电流，L298N的ENA和ENB两端口接单片机输出的PWM波，而IN1、IN2控制电机1（对应着OUT1、OUT2）的旋转方向，IN3、IN4对应着另一个电机的旋转方向。单片机通过控制PWM的占空比，来控制电机的转速，通过IN1~IN4控制电机的转向进而控制小车的前进方向。小车转弯时，可

以用差动转弯，即一个电机转速增加，而加一个电机转速减小，这样是弧度转弯，另一种方法是让一个电机正转，另一个电机反转，这样转弯速度比较快，但是小车行走不如前一种方式平稳。具体使用哪一种方法，经过调试之后再选择。

3．避障电路

避障电路使用的是光电开关，型号为E3F3-DS5ON1，为NPN常开型开关管，其内部有集成电路，探测距离可达到1m以外，原理是通电时，光电开关内部的发射管发射红外线，遇到能够反射红外线的障碍物接收反射回来的红外线，此时接收部分（PN结）导通，输出相应的信号。光电开关有三根引出线，棕色接电源正极，兰色接电源负极，黑色为信号输出端，送给单片机，使单片机作出相应的判断，从而控制小车作出正确的动作。

4．白线检测电路

白线检测电路使用ST168，其典型接法如下图所示：

图3 白线检测电路

当检测到白线时，ST168中的PN结导通，LM324此处作为比较器用，其负极此时为低电平，输出为低电平。单片机可以利用此信号，