灭火机器人论文

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赛区统一编号：HLJ-A-196 HGC-A-004

学校名称：黑龙江工程学院

队长姓名：

队员姓名：

指导教师姓名：

2012年8月

摘要

本系统使用8位MCU单片机为控制单元，配合寻迹绕开障碍物，使用火源传感器对火源进行寻找，反馈信号给MCU进行调整，寻火系统形成一个闭环系统，驱动风扇进行灭火。完成题目基本任务的（1）（2））（3）（4）。本系统考虑了小车重心、低功耗，稳定性能并且较经济的思路进行设计。本题目小车能到消防场地任意地点进行灭火。以蜡烛模拟火源随机分布在场地中，机器人小车自主进行寻火，灭火，反库，用时尽量少。

关键词：超声波测距；智能消防小车；火源传感器

一、设计任务：

1. 基本要求

（1）在场地中随机放置一只蜡烛。消防车从车库启动，计时开始，消防车同时发出出库声音提示。消防车从车库出口驶出车库，自动行走到距离火源10cm以内区域，发出火警声音提示，停车3秒钟。

（2）消防车执行灭火工作，灭火完毕后，发出火灭声音提示。

（3）消防车经由车库出口自动返回到车库，停稳后，发出返库声音提示，计时结束。

（4）上述过程用时尽可能少。

2. 发挥部分

（1）在场地中随机放置三只蜡烛。消防车从车库启动，计时开始，消防车同时发出出库声音提示。消防车从车库出口驶出车库。

（2）消防车能够找到一个火源，并自动行走到距离火源10cm以内区域，发出火警声音提示，停车3秒钟。然后消防车执行灭火工作，灭火完毕后，发出火灭声音提示。

（3）再寻找下一个火源，重复过程（2），直到三个火源都被扑灭。

（4）扑灭三个火源后，消防车经由车库出口自动返回到车库，停稳后，发出返库声音提示，计时结束。

（5）上述过程用时尽可能少。

（6）其他。

3.创新设计

1.小车整体结构构架好，自主设计，小车采用两层结构，分放不同模块，每个接线都贴签，进行调试修改容易。

2.自制灭火风扇，并采用三极管放大电路供电，最大限度加快电机转动速度。

3.以7805芯片为核心稳压设计，使用L298N为核心的电机驱动设计，确保系统的稳定性。

4.从出库到寻到火源期间一直在寻找火源，出库转弯后，在第5竖线，第3横线交口处原地旋转360度寻找火源，如果找到，终止旋转，没找到便搜索障碍物后方火源。确保除车库及障碍物以外场地内任意地点寻到火源。

5.寻迹、寻火采用闭环系统，保证寻火的稳定性。

二、方案比较与论证：

2.1总体设计方案

总体方案为：整个电路分为电源模块、单片机控制模块、电机驱动模块、寻迹传感器模块、火源传感器模块、超声波模块、风扇模块主要共七个模块。

利用对TCRT5000对路面信号进行探测，利用火源传感器检测火源信号，经过处理后，将其信号传给单片机控制模块进行处理分析，输出相应信号给驱动电机模块驱动电机转动来控制小车的整体运动。系统方案框图如图2-1所示。

图2-1系统方案框图

2.1.1小车的方案设计与论证

方案1：自己制作电动小车（包括车体），组装合适的电机及驱动板，自制探测器，利用开发板做控制驱动小车。但自己制作的小车，平衡不能保证，车的性能不好，重量不均。小车的一体电路设计，比较难良好地实现。

方案2：购买专用用带有万向轮的小车。曾经用过该类型小车，万向轮方向存在不确定性。

方案3：购买专用履带小车，具有组装完整的车架车轮，和完整的电机装配以及电机驱动板。用自制模块或购买完整传感器模块，用自制单片机最小系统板控制小车运动。专用电动车装配紧凑，运行稳定，承重高，底盘低重心低。安装电路板方便且规整，美观。我们不用在考虑电机装配和电机驱动的设计。

综合考虑，我们选定方案3作为我们的第一步方案。

2.1.2电源模块

本系统中，需要用到的电源有单片机最小系统5V，L298N芯片的电源5V，超声波电源5V和电机的电源7-20V。所以电源的提供必须准确和稳定可靠。

方案1：用三块蓄电池给超声波和小车供电，和单片机及其它模块供电，用蓄电池需要买充电器，整体需要高的价钱，为降低成本，不选该方案。

方案2：由于超声波模块输入输出是方波模拟量，其他模块对其干扰特别大，用四节干电池为超声波供电，用八节干电池为电机单独供电，免去了分压，而且模块间干扰小，八节干电池通过AM1117，进行降压到5V,能够保证单片机和其它模块的持续供电，电量充足。

通过方案分析对比，考虑降低成本，选择方案2。

2.1.3单片机控制模块

方案1：采用ARM芯片，运行速度快，功能强大。团队ARM技术水平初级，控制不好。

方案2：采用STC89C52作为主控制芯片，该芯片有足够存储空间，可以方便的在线下载程序，反复烧写达十万次，方便。该芯片使用简单灵活性高且价廉。降低成本。技术广泛，成熟。

2.1.4电机驱动模块

方案1：采用步进电机作为该系统的驱动电机步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，在较高转速时会急剧下降，其转速较低，不适合小车等有一定速度的系统。

方案2：采用直流电机作为该系统的驱动电机直流电机的控制方法比较简单，只需给电机的两个控制线加上合适的电压即可使电机转动起来，电压越高电机转速则越高。改变正负极可方便的改变电机转动的方向，方便改变小车的运行状态。

综合考虑，本设计采用了方案2。

2.1.5寻迹传感器模块

方案1：采用光敏电阻和二极管配合，受外界干扰比较大，对地面平整要求较高。

方案2：采用红外对管，由于只分辨黑白，红外光电对管利用白色反光，黑色吸光原理，并且红外光直线性强，稳定性高，速度快，电路简单成本低，方便操作。

综合分析，我们采用方案2.。

2.1.6火源传感器模块

方案1：采用热敏电阻，和光敏电阻作为传感器，在一定范围内空气温度变化非常小，热敏电阻几乎不发生变化，光敏电阻受外界干扰比较大，抗干扰能力极差，误差偏大，不能准确测定火源位置。

方案2：采用红外接受二极管，红外接收二极管将外界红外光的变化转变为电流的变化，利用LM324进行电压比较，后输出数字开关量。红外火焰传感器可以用来探测火源或其他一些波长在760nm~1100nm范围内热源，谈成为角度达60度，红外光波长在940nm近时，其灵敏度最大。

比较两种方案，方案2，受外界干扰小，容易探测到火源，因此我们选用方案2。

2.1.7超声波模块

方案 1：红外避障，对障碍物要求近距离。

方案2：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。超声波传感器需要40KHz的方波信号来工作，超声波传感器对工作频率要求较高，偏差在1％内，所以用单片机作方波发生器方便有效。

2.1.8风扇模块