基于单片机的灭火机器人设计_基于单片机的智能灭火机器人控制

目 录

摘 要 I
Abstract II
引 言 1
1 系统方案设计 4
1.1 方案论证 4
1.2 灭火机器人系统工作原理 4
2 系统硬件设计 6
2.1 单片机 6
2.2 火焰探测系统设计 8
2.3 灭火系统设计 8
2.4 循迹模块设计 9
2.5 电机驱动模块 10
3 系统软件设计 12
3.1 系统软件开发环境 12
3.2 系统总程序设计 12
3.3 各模块程序设计 13
4 项目调试 17
4.1 硬件调试 17
4.2 软件调试 17
4.3 实物调试 18
结 论 20
参考文献 21
附 录 23
致 谢 34

摘 要

由于火灾的频繁发生，人们不仅在物质上有巨大的损失，同时在精神上也饱受折磨，最让人痛心惋惜的还是那些为了国家无私奉献生命的消防人员。为了解决火灾给人们带来的巨大损害，本项目设计了一款基于单片机的灭火机器人。
本次设计利用STC89C52RC单片机为核心控制器；采用红外循迹传感器控制灭火机器人的行走轨迹，通过接收管接收到红外线的数量判定路况信息；采用火焰传感器探测火焰，通过检测的火焰判定其火焰的位置；采用L293D电机驱动芯片，通过一个芯片控制两个电机的转动；灭火主要是通过马达提供动力驱动四叶风扇旋转。
结果表明，本项目设计的成本较低、性能较好，整体设计较为合理且易于操作。同时对灭火机器人软件与硬件方面进行了调试，实现了全部预期的功能。人们可以使用灭火机器人来灭火，这样能够减少一些火灾带来的损失。灭火机器人还可以代替人员闯入火场进行灭火作业，灭火人员的人身安全得到更大保证，同时灭火也可达到预期效果。

关键词：机器人； 灭火模块； 单片机控制

Abstract

Because of the frequent occurrence of fire, people not only have huge losses in material, but also suffer from mental suffering. The most lamentable ones are the firefighters who sacrifice their lives selflessly for the country. In order to solve the great fire damage to people, the design of a fire-fighting robot based on single-chip microcomputer.
This design uses the STC89C52RC single-chip microcomputer as the core controller, infrared track sensor is used to control the walking track of the fire-fighting robot, and the number of infrared rays received by the receiving tube is used to judge the road information, and flame sensor is used to detect the flame, the position of the flame is determined by the detected flame, the L293d motor-driven chip is used to control the rotation of the two motors by one chip, and the motor-driven four-blade fan is used to put out the fire.
The results show that this project has low cost, good performance, reasonable overall design and easy operation. At the same time, the software and hardware of the fire-fighting robot are debugged, and all the expected functions are realized. People can use fire-fighting robots to put out fires, which can reduce some of the damage caused by fire. The fire-fighting robot can also replace the personnel to enter the fire site to carry out the fire-fighting operation, so that the personal safety of the fire-fighting personnel can be more guaranteed and the fire-fighting can achieve the expected effect.

Keywords: robot; fire-extinguishing module; single chip microcomputer control

引 言

火灾在我们现实生活中是经常发生的，而且不定期、不定因，是很难去估测的。每当火灾发生时，英勇的消防人员永远是第一个冲在火灾前线，与此同时他们的生命也会一直处于危险的边缘。在这种背景下，灭火机器人系统因此而诞生，该系统极大程度的降低了人员的危险系数[1]。在灭火系统中单片机充当于人脑进行判断，及时处理火灾，防止错失最好的灭火时机。
自1961年乔治•查尔斯•德沃尔申请工业机器人专利成功后，机器人行业一直处于全速发展的模式，世界各国越来越重视机器人相关的研究及应用。其中，美国研制的机器人具有全面性、精确性、适应性等特点，并且其语言研究水平较突出，超越了其他国家；日本研制的机器人以数量和密度著称；德国研制的机器人销量较高并以用途广泛而闻名。目前已有多种不同类型的消防机器人用于火灾现场。
灭火机器人的实用性强、利用价值高，世界各国都开始对灭火机器人进行研究。研究灭火机器人行业的先行者是美国和前苏联，之后英国、日本、德国也开始研究，现在世界各国都已经开始对灭火机器人进行研究了，有很多灭火机器人是可以应用在实际中，帮助人员闯入火场完成灭火作业的。
现如今灭火机器人一共有三代，第一代是程序控制，第二代是具有感觉功能，第三代则是智能化。现在机器人在我们生活中已经越来越常见并且较为流行，一个叫巨人的灭火机器人在巴黎圣母院的那场火灾中参与了灭火救援的工作[2]。国内的灭火机器人主要存在于消防部队，消防部队装备的灭火机器人已经达到了世界先进水平，但是很少有火灾现场应用此机器人。灭火机器人在中国还没有普遍的应用起来，但我们的技术已经达到先进的水平了，未来灭火机器人将被广泛的使用。
经过对相关火灾事故实际情况的分析，了解到大多数火灾是由于人们疏忽大意，错过了扑灭火灾的有利时机，没有能够在起火初期火势较小的时候，将火苗扑灭，从而导致火灾范围迅速扩大，造成了严重的生命财产损失。而且，在许多需要重点防范火灾的场合目前仍然使用的是人工巡检的方式。由于人员的精力有限，无法做到完全杜绝隐患，并且一些潜伏的火灾隐患通过人工巡检方式是发现不了的。因而，需要借助先进的科技手段，来面对日益增多的火灾隐患，避免人工巡检的弊端。
随着人工智能和传感器技术的不断发展与创新，智能机器人可代替人工实现24小时不间断的工作。采用多传感器融合技术，能够有效检测火灾隐患，提高了抵御火灾的能力。同时，可以因地制宜，针对不同的场合灭火机器人可以运用不同的工作模式，这样的工作方式会大大提高灭火效率[3]。
在仓库等封闭环境中应使用自动监测模式。在自动监测模式下，消防小车可以实现一定范围内根据所规定的路线行走[4]，并实施自动火情监测功能，可以即时发现火源，并将其火源扑灭，防止火灾意外发生造成更大的损失。
在设计灭火机器人系统的过程中要充分考虑到系统的稳定性和抗干扰能力，在面对多种复杂的火情场景时，要能够承受强电磁的干扰以及适应一定的高温、高压、高污染的环境，保证灭火机器人按照预定的工作模式稳定的运行。不仅要适应不同复杂环境和功能多样化，而且还要考虑到系统的易用性，能够满足操作人员的需求和习惯，做到上手容易，操作使用时简单、方便。在满足实际需求的前提下，也要充分考虑系统的经济性，使其具有广泛的应用前景。
本文基于STC89C52RC单片机设计的自动化灭火系统，本篇论文共分为四章，主要内容如下：
第一章：项目方案设计。着重系统设计目标和设计原则，选择合适的处理器和各个模块所需的元件。
第二章：项目硬件设计。根据系统的总体方案设计，搭建焊接单片机模块、电机驱动模块、火焰探测模块、循迹模块和灭火模块，电源模块并对这六大模块进行原理的介绍。
第三章：项目软件设计。程序软件的设计原理及总体介绍。介绍了系统的设计原理以及系统流程图。
第四章：系统调试。编写程序以及系统硬件连接的调试。完成本系统所需要识别小车灭火程序的编写的准备工作，同时对程序进行调试并总结调试时遇到主要的问题。

1 系统方案设计

1.1 方案论证
本设计对于实现灭火机器人循迹实现灭火的目的提出如下两套设计方案。
方案一：
灭火机器人处理器采用STC89C52RC芯片+按键启动小车+红外线循迹传感器+L293D的双H—桥驱动+火焰探测器+风扇灭火。此方案主要通过按键启动灭火机器人的运行，再由单片机控制整体运行，红外循迹传感器探测路径并将探测信息传出，L293D驱动根据红外传感器的信息控制灭火机器人轮子的转动，共同确定其行走路线，最后将启动风扇将火源扑灭。
方案二：
灭火机器人采用STM32处理器+声音启动小车+光敏探测器循迹+分立元件构成驱动+火焰探测器+水泵灭火。其方案主要是通过STM32控制灭火机器人的整体运行[5]，通过一定频率的声音启动灭火机器人使其运行，光敏探测器和直流电机用分立元件构成驱动，确定其行走路线，探测到火焰，将开启风扇灭火。
两种方案的对比，方案一采用按键启动，而方案二采用声音控制，声音控制是不稳定的，容易被其他噪音干扰。处理器的选择，方案一选用52单片机，价格低廉，操作方便，方案二选用的是STM32，与比方案一相比较为复杂；循迹模块的选择，方案一选用红外线传感器循迹，方案二选用光敏探测器循迹，光照影响很大，不能够稳定的工作；驱动模块的选择，方案一选用L293D的双H-桥驱动，一个芯片控制两个直流电机，操作方便，稳定性好，性能优良，方案二选用分立元件构成驱动，价格便宜但性能不稳定。因此本项目采用方案一灭火机器人的设计方案，这种方案硬件简单，软件实现起来思路也比较清晰，符合我们的实际需求，易于操作、便于维护、实用性强。
1.2 灭火机器人系统工作原理
在灭火机器人开始运行，寻找并发现火源过程中，首先需要提前调节电位器，让火源与灭火机器人保持安全距离，然后单片机通过火焰探测模块发现火源，并快速、准确的识别火源的具体位置ÿ