火灾消防机器人设计报告

基于ATmega2560单片机的智能避障灭火小车

一、设计方案：

1、控制系统：

Arduino Mega2560是采用USB接口的核心电路板，具有54路数字输入输出，适合需要大量IO接口的设计。处理器核心是ATmega2560，同时具有54路数字输入/输出口（其中16路可作为PWM输出），16路模拟输入，4路UART接口，一个16MHz晶体振荡器，一个USB口，一个电源插座，一个ICSP header和一个复位按钮。Arduino Mega2560也能兼容为Arduino UNO设计的扩展板。

该核心电路板能提供大量IO接口，因此为以后的传感器和功能拓展提供了便捷，同时搭配传感器拓展板，在使用和调试便捷性上优于其它单片机。

Arduino2560原理电路：

2、传感器：

方案一：光电循迹传感器+火焰传感器+红外线测距传感器

光电开关在一般情况下，由三部分构成，它们分为：发送器、接收器和检测电路。

它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，它的检测头里也装有一个发光器和一个收光器，但前方没有反光板。正常情况下发光器发出的光受光器是接收不到的，当有物体通过时挡住了光，并把光反射回来，受光器就接收到了光信号，输出一个开关信号。

当遇到黑色线格的时候，由于黑色吸收了大部分光线，因此光电开光就会输出电平变化，单片机接收到信号以后做出相应的动作。

火焰传感器的基本构成及原理:

火焰传感器由红外线接收管、电平比较电路、灵敏度调节电位器三部分组成。通过红外线接收管探测周围环境，当接收到较强的红外线的时候，由电平比较器反馈给单片机电平变化信号。可通过电位器调节火焰传感器的灵敏度。

红外测距传感器：

红外测距传感器由四部分构成，红外线二极管，红外线接收管，电平比较器，距离调节电位器。

通过红外线二极管发射出红外线，接收管收到物体反射的红外线，通过电平比较器后输出一个变化电平信号。通过电位器调节，可以控制接收管给电平比较器的信号，而达到控制探测距离的目的。但由于红外线测距模块对火焰比较敏感，因此用在消防机器人上面不是很合适。

方案二：光电循迹传感器+火焰传感器+超声波传感器

该方案使用了超声波测距模块，利用超声波发射和接收模组，通过一定频率的超声波并接收该频率的反射波，通过两者的时差进行计算，准确得出障碍距小车的距离，屏蔽了火焰对测距模块的影响，能有效应用于避障机构。

3、动力机构：

方案一、四线二相步进电机*2

该方案中，步进电机能够按照特定的步进角进行运转，设定好步数，电机则运行相应的角度以下图为例：

虽然步进电机能很准确的对小车进行控制，但是由于其功耗和控制电路的因素，该方案未采用。

方案二、直流减速电机*2

使用L298N驱动两个直流电机，L298N驱动电路如下图：

该驱动电路可两路直流电机或一路步进电机，控制直流电机时，IN1、IN2、IN3、IN4分别接单片机数字IO口，通过IO口控制电机的转动方向，ENA、ENB 接单片机PWM输出口，控制电机的转速。该方案电路简单，控制方便，故采用该方案。

4、灭火风扇：

方案一：采用模块化设计，在调试和安装上方便快捷。用两个直流小电机作为灭火装置，由单片机IO口控制，并通过三极管扩流，由L7805将12V锂电池电压稳压为5V，供全部系统使用，在测试过程中发现，当火焰传感器探测到火焰，电机转动时使得系统板电压骤降，导致单片机不断复位，达不到灭火的效果。

方案二：通过给单片机系统单独供电，用IO口控制两个继电器来间接控制灭火小电机，电机电源采用电机驱动板上的5V电源接口。该方案解决了单片机因电压不足而无限重启的现象，使得单片机系统能够稳定运作。因此我采用该方案。

5、电源模块：

现有2200mah航模锂电池一块，输出电压11.1V，最大放电能力30C，完全满足小车需要。采用两路L7805单独给单片机系统和电机驱动系统供电，传感器由单片机系统电源供电，灭火风扇由电机驱动系统供电。电源模块电路原理图如下：

6、数据交互模块：

传感器的数据除了传递给小车系统之外，还需要通过显示屏呈现出来，同样的，有两套方案，

方案一：系统接收到数据之后直接处理，然后显示到LCD1602。该方案使用到1602液晶，在arduino 上使用液晶来显示数据参数不是很困难，但是由于小车所使用到的单片机系统为8位单片机，虽然已经有很丰富的IO 接口，但数据处理能力着实一般，在使用液晶和单总线的DIS18B20温度传感器时，会使得系统的操作显得很慢，导致程序不能够正常运行。而且1602液晶只能显示两行、16个字符，对于该小车来说着实有点紧张。

方案二：单片机在处理传感器数据的同时，将数据通过串口转发给另一单片机，在另一单片机进行处理后，将参数显示到2004液晶上面，将控制信号反馈给主控单片机，最大限度的使主控单片机的速度不受影响。由于本系统采用集成串口的mega2560单片机与mega328p 单片机，只需要通过TXD 和RXD 两根线进行通信。而且能将部分控制指令直接分配给mega328p ，因此，提高了系统的稳定性和工作效率。因此我采用方案二。

二、 小车结构：

三、 程序设计：

小车从安全位置出发，无固定路线，在火焰传感器的引导下自行选择靠近火源的路线行走，距离火源一定距离时停下，进行灭火操作。灭火完成后继续前往下一个火源。途中遇到障碍物时能够自行避开障碍物，寻找离火源最近的路线前进。小车能够自行判断自己在场地中的位置，防止走出场地，其位置判断与火源计数以及报警部分由mega328p 进行。

部分程序：

//mega2560部分//

int Motor_L=4;

int Motor_R=5;

int Track_L=30; 灭火小车系统板 电源模块

电机驱动模块 四路循迹模块

火焰传感器模块 灭火模块 数据交互模块