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1、lTAIYUAN UNIVERSITY OF SCIENCE & TECHNOLOGY毕业设计（论文）毕业设计（论文）题目：基于火焰传感器的灭火机器人题目：基于火焰传感器的灭火机器人学学 生生 姓姓 名名: : 学学 号号: : 班班 级级: : 电气电气 081501081501所属院（系）所属院（系）: :电子信息工程学院电子信息工程学院指指 导导 教教 师师 : : 2012 年 6 月 14 日l太原科技大学毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写发给学生）学院（直属系）： 电子学院 时间： 2012 年 2 月 24 日学 生 姓 名 指 导 教 师设计（论文）题目基于火焰传感器的灭火
2、机器人主要研究内容学习和掌握单片机的基本原理，利用单片机及其扩展电路设计一种可检测火源并能够灭火的机器人，并能够通过液晶显示机器人的速度等运动状态，能够实现避障等基本功能，从而更好的把所学的专业知识运用到实践中去。研究方法理论分析、硬件设计、实验室调试主要技术指标(或研究目标)用单片机实现具有特定功能的机器人，能够检测火源，并能够通过水泵实现灭火的功能。主要参考文献1 陈寅多传感器信息融合技术及其在智能机器人系统中的应用研 究D学位论文(博士)上海交通大学，2000 2 四驱版DIY竞赛小车使用手册 M. 3 王化祥，张淑英. 传感器原理及应用M. 天津：天津大学出 版社，2OO2. 4 何希
3、才，邹炳强.通用电子电路应用400例 M.北京：电子工业 出版社，2005. 5 光电开关E3F3-DS50M使用手册 M. 6 王远，模拟电子技术 M，机械工业出版社，2000.说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系） 。l目 录摘要IVABSTRACT V第 1 章绪论.11.1机器人的发展概述11.2基于火焰传感器的灭火机器人概述11.2.1国外现状.11.2.2国内现状.11.3本课题的目标及内容2第 2 章灭火机器人逻辑设计与原理分析.32.1灭火机器人设计要求32.1.1设计任务.32.1.2设计要求.32.1.3创新设计.42.2设计内容分析42.2
4、.1灭火机器人.42.2.2设计内容.42.3总体设计方案52.4小车的方案设计与论证62.5各模块的选定62.5.1驱动电机模块的选定.62.5.2避障模块的选定.72.5.3火焰传感器模块的选定.72.5.4水泵模块的选定.8l2.5.5电源模块的选定.82.5.6单片机控制模块的选定.92.6最终方案9第 3 章系统硬件设计.103.1系统工作原理及功能简介103.2系统硬件总体概述113.2.1总体框图.113.2.2元器件的选择.113.2.3小车底盘的选择.123.3灭火机器人的硬件组成133.3.1火焰传感器模块.133.3.2报警模块.143.3.3避障模块.153.3.4稳压
5、芯片模块.163.3.5光电耦合电路模块.163.3.6水泵电机驱动模块.183.3.7测速模块.193.3.8按键电路模块.213.4主控单片机系统213.4.1C8051F320 单片机主要特性.223.4.2SPI 总线介绍.233.5LCD 显示电路.243.5.1液晶显示模块.243.6电源电路263.6.13.3V 电源方案.263.6.25V 电源系统.273.6.3电源监控.27l3.7灭火机器人整体设计283.7.1整体结构.283.7.2CPU 引脚的设定.28第 4 章系统的软件设计.294.1灭火机器人系统总体流程图294.2程序流程图304.2.1小车灭火的主程序软件
6、流程图.304.2.2小车避障模块程序软件流程图.304.2.3火源模块程序软件流程图.314.3液晶显示的编程324.3.1SPI 总线工作原理.324.3.2液晶编程.33第 5 章系统实现.34第 6 章总结.35参考文献36致谢37附 录38l基于火焰传感器的灭火机器人摘要本次设计主控 CPU 采用新华龙公司的 51 系列单片机中的 C8051F320。设计的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 C8051F320 单片机内部产生双路 PWM 波，控制小车的直流电动机，利用光电开关管探测障碍物，使得小车能够避开障碍，利用火焰传感器探测
7、火源，找到火源，进而使单片机控制水泵电路并做出灭火动作。同时使用液晶显示小车速度，使得我们对小车的运行状态有一个更好的了解。关键词关键词: : C8051F320 ，火焰传感器 ，光电开关 ，PWM， 液晶lBased on the flame of the fire fighting robot sensorAbstractThe main control CPU of the design is one of the 51 series microcontroller C8051F320.The basic function of the design requires the robot
8、 find fire as soon as possible in the stipulated field, and then within the shortest possible time to make fire fighting action.This robot make C8051F320 generate double road PWM waves, controlling the direct-current motor of the car , using photoelectric switch tube detect obstacles, making the car
9、 can avoid obstacles, using flame sensor probe fire, finding the fire, and the single chip microcomputer controls the circuit of the pump . At the same time, use liquid crystal display vehicle speed, making us have a better understand of the running car. Key words: C8051F320 ，Flame sensor ，Photoelec
10、tric switches， PWM ，Liquid crystal l第 1 章 绪论1.1 机器人的发展概述机器人技术是一项综合性的学科,涉及机械、电子、计算机、人工智能等领域。智能机器人技术应用了信息技术中的感测技术、传感技术、控制技术等,是信息技术课程和相关科技活动的良好载体。一些发达国家已经看好智能机器人教育对未来高科技社会的作用和影响。在中小学的信息技术教育中都不同程度地对学生进行智能机器人知识的教育1。自从人类创造了第一台机器人以后，机器人就显示出它极大的生命力，在几十年间，机器人技术得到迅速发展。1.2 基于火焰传感器的灭火机器人概述1.2.1 国外现状消防机器人的研究开发及应
11、用，日本最为领先，其次是美国、英国和俄罗斯等发达国家。国际上对消防机器人的研究，在控制技术上可分为三个阶段：第一代是遥控消防机器人，第二代是具有感觉功能的计算机辅助遥控消防机器人，第三代是自适应智能化消防机器人。第一代和部分第二代消防机器人已开始服役，但其结构和功能在各个国家都各有特点和独到之处。目前发达国家正在加快开发不同功能的第二代实用型消防机器人，而第三代智能型消防机器人尚在探索之中，日本、美国和英国已开始进入预研和论证阶段2。1.2.2 国内现状近年来，我国的消防机器人研究已在机器人感觉识别技术、操作移动技术、人机接口技术、系统化技术等方面取得了可喜的成就，但这些成果主要应用于工业装配
12、、焊接、喷涂、搬运、探伤、水下作业、过程测量等方面，而适用于在有毒有害，尤其是在火场等恶劣环境中进行特殊作业的消防机器人的研究尚属起步阶段。l1.3 本课题的目标及内容本文围绕火焰传感器灭火机器人技术的实现，详细地分析和叙述了系统硬件和软件各部分的组成及设计原理，并分析误差的形成原因和解决办法。本论文主要由以下几个部分构成：第 1 章：绪论。分析了研究灭火机器人的意义，介绍了国内外灭火机器人的发展与现状。第 2 章：灭火机器人逻辑设计与原理分析。简述灭火机器人的设计要求及项目内容，分析了基于火焰传感器的灭火机器人原理以及具体设计方案，介绍了具体实现方式。第 3 章：系统硬件设计。详细介绍各电路
13、模块的工作原理以及所选器件的性能。第 4 章：系统软件设计。系统软件设计部分采用 C 语言进行编写，对软件部分各个组成模块的软件运行流程作以详尽的介绍，阐述了各部分的功能及设置。第 5 章：系统实现。介绍了灭火机器人的安装、校验调整过程，分析了产生系统误差的原因，讨论了解决的具体方法。第 6 章：总结。对论文完成的内容和得出的数据进行了总结，给出了系统的实现结果。l第 2 章灭火机器人逻辑设计与原理分析2.1 灭火机器人设计要求2.1.1 设计任务设计制作一个基于火焰传感器的灭火小车模型，能到指定区域进行灭火工作。以蜡烛模拟火源，随机分布在场地中，模拟灭火场地如图2.1所示。火源火源火源入口出
14、口火源图2.1 模拟灭火场地图2.1.2 设计要求1. 智能灭火小车手动启动后，自动躲避障碍物。2. 智能灭火小车能够检测到火源。3. 智能灭火小车检测到火源后能启动水泵喷水灭火。4. 若有则继续灭火，若无则由出口结束本次任务。l2.1.3 创新设计1. 小车车体结构好，完全自主设计，小车采用三层结构，分放不同模块的元件，调试过程和修改过程相对简单。2根据小车需要和实际情况，自行设计传感器，不仅花费较少，而且使用效果好。3自制蓄水池，水泵采用三极管放大电路供电，最大限度的加大电机转速。4使用以7805芯片为核心的稳压设计，以L293为核心的电机驱动设计，保证系统的稳定性。2.2 设计内容分析2
15、.2.1 灭火机器人在机器人灭火设计中，要求机器人实现在场地里迅速找到蜡烛将其熄灭，在寻找过程中要避免碰撞墙壁与蜡烛，并且在找到蜡烛后控制机器人将其熄灭，最后由出口出来，所用时间最少为最佳。所以灭火机器人必须实现以下功能：(1)由于在实验场地中，任何地方都有可能摆放蜡烛，所以机器人必须能够实现搜索任意位置。在行走过程中不允许碰撞墙壁，而且尽可能快的完成行进路线，不走重复的路程。(2)机器人在行走过程中要不断的判断是否有火源；如有，还要判断火源在机器人的哪个方位、离机器人的距离等。(3)找到火源后，通过灭火装置迅速将火熄灭。根据以上要求，设计机器人灭火逻辑并在在线编程环境下，编辑机器人行为控制程
16、序，下载并反复调试控制程序，实现机器人灭火实验。2.2.2 设计内容在场地内任意一个地方里点上蜡烛，让机器人像消防队员一样，自己能找到火源（蜡烛）并完成一系列灭火动作。这个设计主要由3部分组成，即避障、找火、灭火。1. 避障机器人在行走过程中必须能避开障碍物，所以在考虑“行走”时必须分两种情况：l（1） 正常行走（无障碍物）；（2） 避障行走（有障碍物）。对于第一种情况，无需在硬件上添加任何传感器，只需要对单片机编程就可以达到目的。但当遇到第二种情况时，我们就需要采取措施，在硬件上需要添加两组光电开关，进而对其进行编程控制，让机器人在遇到障碍物时能够及时避开，以便顺利前进寻找火源。2.找火为了找到火源，必须有探测火源的装置。所以本设计中选用火焰传感器（火焰探头）是至关重要的。在寻找火源时机器人的左前、右前、正前3个方向各装上一个火焰探头，以提高探火效率。“找火”分成3部分：（1） 确定
