全程实例应用

1、10.5全程实例应用之智能灭火机器人 10.5.1概述 最近几十年中，大量的高层、地下建筑与大型的石化企业不断涌现。由于 这些建筑的特殊性，发生火灾时，不能快速高效的灭火。为了解决这一问题， 尽快救助火灾中的受害者，最大限度的保证消防人员的安全，消防机器人研究 被提到了议事日程。而机器人技术的发展也为这一要求的实现提供了技术上的 保证，使得消防机器人应运而生。 从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了消防机器人的研究。美 国和苏联最早进行消防机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开 展了消防机器人的研究，目前已有多种不同类型的消防机器人用于各种火灾场 合。 本设计中智能灭火机器人采

2、用两块SPCE061A单片机作为检测和控制的核 心，实现机器人的智能控制，包括寻找火源、躲避障碍接近火源、启用风扇灭 火等功能。火源探测使用红外传感器，障碍物判断采用集成红外传感器，电机 采用直流电机。电机控制核心采用SPCE061A单片机，控制系统与电路用光电 耦合器完全隔离以避免干扰。实现的功能是：从安全区出发，自动寻找火源并 选择路线灭火，避开障碍接近火源，启用风扇吹灭火源后结束。 10.5.2总体设计 1总体设计的任务和要求 设计制作一个智能灭火机器人的模型，能在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，场地如图所示： 图10.5.1灭火实验场地 根据要求为设计确定了以

3、下目标： 1 ）智能灭火机器人启动后能自行寻找到火源。 2）发现火源后，避开障碍物接近火源。 3）到达灭火距离时停止移动，启动风扇开始灭火。 智能灭火机器人系统总体方案设计 本系统大体上分为7个基本模块，它们的关系如图10.5.2所示 图10.5.2系统模块示意图 方案一：在智能灭火机器人的两侧安装两个轮子并由两个普通直流电机带 动，前后各安装一个万向轮，方便智能灭火机器人拐弯并起平衡支撑作用。在 智能灭火机器人两侧各安装一个火焰传感器和一个风扇，传感器输出信号经比 较器来判断火源的远近，左侧通过放大可探测到距离较远的火源，右侧传感器 没有接放大器，只可检测到近距离内的火源。另外在中间安装两个

4、传感器，左 右距离比前后两对传感器大一些，主要起定位功能。智能灭火机器人从安全区 出发后直走到达中线后左拐，开启左侧传感器探测左侧半个场地内火源的情 况，发现火源则在下一路口左拐若此时正好在障碍物所处的两条线上则智能灭 火机器人后退到前一个路口再左拐，然后两侧传感器均开启，哪一侧检测到火 源就开启哪一侧的风扇将火源吹灭。然后回到中线上继续前行探测火源，到达 边线后原地转180度对右侧的半个场地进行探测，程序与左半侧基本相同。火 源全部灭完后，智能灭火机器人沿中线返回安全区。这种方案硬件简单，软件 实现起来思路也比较清晰，但并没有真正起到避障的效果，现在是已知障碍物 的位置所以能避开，若临时改变

5、障碍物的位置，贝U这一方案就不能实现避障， 也就无法完成灭火任务。 方案二：车身设计与方案一相同，在智能灭火机器人前方增加一个红外障 碍物探测传感器，在智能灭火机器人两侧各安装一个火焰传感器和一个风扇， 传感器输出信号经电容滤波进入比较器来判断火源的远近，通过调节变阻器能 调节比较器的参考电压，从而将火源的距离分成远近两档。左侧为远距离档可 探测到105cm以内的火源，右侧传感器可检测到 30cm以内的火源，为近距离 档。另外在中间安装两个传感器，左右距离比前后两对传感器稍大一些，主要 起定位作用。智能灭火机器人从安全区出发后直走到达中线后左拐，开启左侧 传感器探测左侧半个场地内火源的情况，若

6、发现火源则在下一路口左拐，然后 两侧传感器均开启，哪一侧检测到火源就开启哪一侧的风扇将火源吹灭。然后 继续前行探测火源，到达边线后原地转180度对右侧的半个场地进行探测，程 序与左半侧基本相同。经考虑这个方案比较合适，所以采用方案二。 (2智能灭火机器人各模块方案选择 一、控制器模块 单片机控制模块在本系统中处于核心地位。其工作包括处理键盘输入、显 示模块控制、响应传感器中断、控制电机运行等。对单片机控制模块的基本要 求是具有较高的速度、资源配置满足要求。 方案一：采用传统的8位89C51单片机作为运动物体的控制中心。经典 51 单片机具有价格低廉，使用简单等特点，但其运算速度低，功能单一，R

7、AM、 ROM空间小、不稳定等缺点。本题目要求有较大的RAM，由于智能灭火机器 人的颠簸需要比较稳定的系统，若采用89C51需要做RAM，ROM来扩展其内 存空间，其硬件工作量必然大大增多。而高档的MCS-51系衍生产品价格昂 贵、冗余资源较多、使用范围较窄。采用 89C51 单片机实现，单片机软件编程 自由度大，可用编程实现各种控制算法和逻辑控制。但是 89C51 需外接模数转 换器来满足数据采样，硬件电路相对复杂。另外， 51 单片机在线操作不易掌 握，需要用仿真器来实现软硬件调试，过于复杂，所以这个方案不予采用。 方案二：采用 FPGA 作为系统控制器。 FPGA 可以实现各种复杂的逻辑

8、功 能，规模大，集成度高，体积小，稳定性好，并且可利用 EDA 软件进行仿真和 调试。 FPGA 采用并行工作方式，提高了系统的处理速度，常用于大规模实时 性要求较高的系统。在本设计中智能灭火机器人的行走速度不能过快， FPGA 的高速处理能力得不到充分发挥，所以决定不考虑这个方案。 方案三：采用 PHILIPS 公司的 LPC213X-ARM 系列为控制器核心。高集 成度的 32 位嵌入式 ARM 控制器核心功能强大速度快，逻辑功能处理能力强。 并可以进行JTAG在线仿真，支持ADS1.2集成开发环境，内置 USB接口，具 有良好的控制与通信功能。内部 PLL 电路可调整系统时钟可使 CPU

9、 时钟最大 达到 60M 赫兹，运算速度很高。用于较高的系统及操作系统，适用于 32 位 ARM 嵌入式系统的开发。作为控制智能灭火机器人的核心部件显得资源的运用 效率很低，而且 ARM 的价格比较贵，程序的要求也比较高。 方案四 :采用 16 位单片机 SPCE061A 作为智能灭火机器人运动的控制中 心。SPCE061A具有丰富的资源：RAM，ROM空间大、指令周期短、运算速度 快、低功耗、低电压、可编程音频处理，单片机SPCE061A 的晶振频率为 32.768KHZ，有32K的FLASH，3.3V供电，32位可编程并行I/O 口，两个十六 位可编程定时 /计数器，可以自动设置预设初值。

10、易于编写和调试等优点。尤其 在复杂的数学运算，其运算速度快，精度高，在控制步进电机时运行速度比一 般 51 单片机快。采用 16 位 SPCE061A 单片机。此单片机功能较强、兼容性 好、性价比高；具有体积小、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗小以及具有 较高的数据处理和运算能力，系统最高时钟频率可达49MHz，运行速度快；而 且由于凌阳SPCE061A单片机内部集成了 A/D、D/A转换器，不需外加 A/D、 D/A器件。通过采样取样，结合内部A/D、D/A，构成闭环反馈调整控制。此 种方案既能实现智能化的特点，简化硬件电路，提高测量精度，同时也能利用 软件对测量误差进行补偿，这给调试、维护

11、和功能的扩展、性能的提高，带来 了极大的方便。 按照设计要求，控制器主要接收和辨识红外传感器传来的信号，处理寻 线。火源传感器的信号处理运算。两个电机的动作控制，灭火风扇电机的控 制，以及躲避障碍物到达火源处灭火且智能灭火机器人速度，同时系统应当比 较稳定。基于以上方案对比，及其资源的利用、运算速度等各个方面的综合考 虑，我们采用方案四。 二、火源探测模块 火源探测模块是本设计中比较重要的一部分，因为要使智能灭火机器人发 挥作用，自行灭火，就必须先找到火源，这样才能决定智能灭火机器人的灭火 行进路线。如果火源探测模块出现问题，会使智能灭火机器人在火源的定位上 出现偏差或无法找到火源，导致整个设

12、计的失败，找不到火源就无法完成任 务。因此考虑了以下两种方案。 方案一：采用一个火焰传感器进行火源探测 用一个火焰传感器，安装在智能灭火机器人前方，从火焰传感器得到的信 号经整流放大，再通过 AD 转换接单片机由程序将火焰距离分为远近两档，远 距离测到火焰可确定智能灭火机器人的基本行进方向，进入近距离档后调整方 向对准火源，开启风扇将其吹灭。这个方案在硬件选择使用上比较简单方便， 但增加了程序编写的难度，并且 AD转换不够稳定，误差较大，故决定不考虑 方案二：使用两个火焰传感器及相关外围电路进行火源探测。 用两个传感器分别安装在智能灭火机器人的两侧进行远近距离的定位检 测，火焰传感器反馈的信号

13、经电容滤波，再通过比较器后，输入到单片机的I/O A端口，通过调节变阻器大小改变比较器的参考电压，从而将火焰距离分为两 个档，近距离档和远距离档，该方案优点是工作电压低，择向性好，远近距离 的定位准确，能消除火源放置的各种特殊情况，而不存在盲区。所需器件相对 价廉，方向精确度可以利用圆筒小孔定位，使方向精度提高，准确寻找到火 源。经过考虑此方案比较实用，所以决定采用。 经过比较，决定采用方案二，使用两个火焰传感器及相关外围电路进行火 源探测。 三、寻线前进模块 光电检测模块是用以实现智能灭火机器人沿着场地上标出的细线运动的， 且不能偏离该轨迹。设计中路径是一条细窄的白色亮线，周围场地是黑色胶

14、皮，所以可以利用传感器来决定前进轨迹，考虑以下多种方案。 方案一：使用可见光发光二极管与光敏二极管组成的发射-接收电路。这种 方案的缺点在于其他环境光源会对光敏二极管的工作产生很大干扰，对环境的 要求比较高。一旦外界光亮条件改变，很可能造成误判和漏判，即使是采用超 高亮发光二极管可以降低一定的干扰，但这将增加额外的功率损耗，因此决定 否定这个方案。 方案二：采用一左一右两个红外发射接收对管。电路如图1.2.2.3a所示， 在该电路中，加比较器LM311的目的，是使模拟量转化为开关量，便于处理。 为使发射有一定的功率，发射回路要求不小于20mA的电流。根据公式 故可选择R仁150Q。启动时，智能

15、灭火机器人跨骑在白色胶纸上。两个红 外发射接收对管，安装在智能灭火机器人两侧，输出为低电压，当智能灭火机 器人走偏，偏离白线时，输出为高电压。这个方案在效果上感觉比较合适，但 由于电路设计方面比较复杂，运行耗电量比较大，也不很稳定，受电源，环境 影响比较大，以及造价成本多方面考虑，并不合适。 图10.5.3红外发射接收对管处理电路 方案三：采用颜色传感器。目前颜色传感器的应用，越来越广泛，效果也 可以。但相对复杂的处理电路，并且还需要光源，对周围环境光源也有要求， 如果环境光源发生变化，就会造成一定的影响。所以决定不考虑这个方案。 方案四：采用光电传感器。当光线照射到下方场地上时会发生反射，由

16、于 黑色胶皮和白色胶纸的反射系数不同，光电传感器可根据接收到的反射光强弱 来判断是否偏离白线。使用六个集成的反射式光电传感器，其中四个传感器位 于智能灭火机器人的四个角上，呈矩形分布，中间两传感器左右距离大一些， 前后四个传感器主要是用来为前进和后退导向的，而中间两个则是为了精确定 位的，看智能灭火机器人中心是否到达路口，根据传感器状态的变化来判断智 能灭火机器人偏离胶纸的情况以及路口的不同情况，从而调整智能灭火机器人 的运动。智能灭火机器人上传感器的安装位置如图1.2.2.3b所示。 经过考虑，决定选用方案四，不易受外界干扰，并且比较容易实现。 四、障碍物检测躲避模块 障碍物检测模块是用来判

17、断智能灭火机器人前方是否有障碍物并确定智能 灭火机器人与障碍物之间的距离、障碍物的位置。为了确保智能灭火机器人在 行驶过程中避免撞到障碍物，系统需要利用测距传感器检测出障碍物与智能灭火 机器人之间的距离，或记录下障碍物所在线路，使智能灭火机器人做出正确的动 作，避免与障碍物相撞。躲避障碍物的模块有以下几种方案。 方案一：采用激光传感器测距，激光传感器能非常准确地测出智能灭火机 器人与障碍物的距离，采用激光传感器检测距离，是利用光的反射原理进行距离 的测量.激光具有方向性强,亮度高，单色性好，传输速度快（C=3X 108m/s等优点, 因此激光传感器具有抗干扰强，测量精度高，反应速度快等特点但由

18、于激光是以 光速传播的，距离与时间的关系满足：2S=CX T1,在本系统中障碍物离智能灭火机 器人的距离最大不超过2m,所以T1,即s=344t/2.但是附近的障碍也能反射超声波形成干扰，测量距离误 差比较大，而且近距离测量的精度也不是很高，所以暂不考虑。 方案三：采用两个红外传感器。红外传感器是目前使用比较普遍的一种避 障传感器，其处理电路如图1.2.1.4b所示，通过调节R23、R24两个电位器，可 调节两个红外传感器的检测距离为10 80cm，开关量输出，即输出为 TTL电 平。但电路比较复杂，不易实现，而且环境里的其他热源比如人、烟头、电源 等能热源都能影响到其工作的稳定性，故排除了这

19、种方案。 图10.5.6红外发射及接受处理电路 方案四：采用近距离可调光电开关，当智能灭火机器人寻线走到障碍物前 时光电开关发出信号使智能灭火机器人停下，并返回上一个路口转弯，走一个 “弓”字避开障碍物继续前进。这样很容易实现避障功能，造价比较低，精度 也比较高，故实现起来比较简单，容易方便稳定，满足各方面的要求。 按照设计要求需要准确识别障碍并能避开障碍，从而实现避障和灭火功 能。我们选择了方案四。 五、路程测量模块 方案一：采用开关式霍尔元件，将磁铁固定在小汽车的车轮上，当车轮转动 时，磁铁也跟着转动，霍尔元件感应到磁场的变化时，就会产生通断效果，使单片机 的定时器的输入端产生高低电平的变

20、化，从而记录智能灭火机器人车轮转动的圈 数,假设为N,并设车轮的周长为L,通过公式S=N*L 就可以计算出小汽车在一段时间内的行程。这种测量方法的测量数据只能 是车轮周长的整数倍，路程短误差还比较小，一旦走的路程长，拐弯、避障倒 车等因素比较多的时候误差就会累积起来，不精确。例如：智能灭火机器人的 车轮半径为1cm,那么这种测量方法的最小误差也将达到6cm。不符合题目的 要求，因此在最大限度提高精度方面暂不采用此方案。 图10.5.7透光式光电传感器 方案二：采用透光式光电传感器，硬件电路如图1.2.2.5所示。在小汽车的 车轮上钻若干小孔，设小孔的个数为n。在车轮转动时，发光二极管发射的光

21、被没有孔的地方遮挡时，光敏三极管不能导通，光敏三极管的集电极输出为高 电平，经CD40106反相后，单片机定时器的输入端为低电平。在有小孔的地 方，发光二极管发射的光就会透过小孔照射到光敏三极管上，使光敏三极管导 通，此时光敏三极管的集电极输出为低电平。在经CD40106反相后，单片机定 时器的输入为高电平。单片机定时器就会准确记录下这种高低电平的变化的次 数，即通过的小孔的个数。假设为 N,并设车轮的周长与方案一的相同也是 L， 某段时间内的行程计算公式为 S=N*L/ n 可以看到这种测量方法的最小误差为方案一的1/n，可较为精确地测量出小 汽车的行程。并且可以进行误差控制，因为孔的个数与

22、误差成反比，要想提高 准确度只要增加小孔的个数就可以。 方案三：由于场地的特殊性数格数计路程，路程的测量可直接在程序中实 现，由于本题中场地被均匀地分成30 cm*30 cm的小方格，只要让智能灭火机 器人走整格数并记录格数n 1,在每个路口处做出动作 继续前进或拐弯）并在 原格数基础上加1，则整格数部分的路程可直接由公式 s仁n 1*30cm 算出。另外不到整格数的部分可通过透光式光电传感器来计算，其计算公 式为 s2=N*L/n 则最后总的路程可表示为 S=s1+s2= n1*30+ N*L/ n 通过对以上方案的对比，综合考虑路程计算的精度和实现的难易程度，考 虑选用方案三。 六、智能灭

23、火机器人电机驱动模块 电机驱动模块也是本系统的重要模块之一，用于控制智能灭火机器人的运 动。因为本系统中未设置位置传感器，系统对位置的定位完全靠软件来实现， 这就要求电机的控制精度必须要高，考虑了以下几种方案。 电机驱动电路选择 方案一:利用9012、2SC8050及电机构成驱动电路。 图10.5.8电机驱动电路 如果单片机控制口输出高电平，9012截止，2SC8050截止，电机停止运 转。单片机控制口输出低电平时，9012导通，2SC8050导通，电机开始运转。 该电路比较简单，输出功率足够大，足以推动电机工作，并且电机工作时三极 管性能非常稳定。但该方案中单片机部分和电机供电部分没有完全隔

24、离，而电 动机在切换时会产生巨大的反电动势，经常烧坏单片机。故没有使用该方案。 方案二：使用多个功率放大器驱动电机。通过使用不同的放大电路和不同 参数的器件，可以达到不同的放大要求，放大后能够得到较大的功率。但由于 放大电路很难做到完全一致，当电机的功率较大时运行起来会不稳定，而且电 路的制作会比较复杂。因此也没有选择这种方案。 方案三：使用61板上四个接口 B0、B1、B2、B3来实现对智能灭火机器人 上电机的控制。首先在外部智能灭火机器人前后各放一个万向轮，两侧为双动 力轮。61板的四个控制端口 B0、B1、B2、B3分别接左电机A接口、左电机B 接口、右电机A接口、右电机B接口。 表10

25、.1.1电机转动状态编码 左电机 右电机 左电机 右电机 电动车运行状态 B0 B1 B2 B3 0 1 0 1 正转 正转 前行 0 1 1 0 正转 反转 右转 0 1 1 1 正转 停 以右电机为中心原地右转 1 0 0 1 反转 正转 左转 1 1 0 1 停 正转 以左电机为中心原地左转 1 0 1 0 反转 反转 后退 由表10.1.1可知，只要通过软件编程设定 61板的四个控制端口 B0、B1、 B2、B3的不同编码，就可得到电动车的前进，后退，旋转等不同的运行状态。 实现起来比较容易，并且误差较小。 经过考虑，决定选用方案三。 电机类型选择 方案一：采用减速小型直流电机。减速直

26、流电机控制精度很低，虽不能准 确控制电机转速，但可控制电机正转、反转、不转等动作，速度均匀性好。这 已足够我们控制智能灭火机器人前进、拐弯、后退等简单工作，且控制简单， 电源要求低，易于实现。 方案二：采用专用步进电机驱动器及与其配套的步进电机。步进电机是数 字控制电机，用这种方案的控制精度 可控制角度）、效率和可靠性都很高，但 价格过高、重量大、占用口资源多且控制复杂对电源要求也高，所以排除这个 通过以上对比，决定选择使用普通直流电机。 电机的选择方案一：采用直流电机控制悬挂物体的运动，直流电机力量 大，能获得较大的启动转矩，转动速度快，但由于存在机械触点，直流电机容 易产生噪声，而且单独使

27、用时不能完成位置控制，需要配以传感器才能控制定 位。 方案二：采用步进电机控制悬挂物体的准确运动，步进电机不需要使用传 感器就能精确定位，而且通过给定的脉冲周期，能够以任意速度转动，定距运 动较精确。虽然步进电机不能高速转动，但根据题目要求的时间和移动距离， 步进电机完全能够符合要求，是该种要求下广泛使用的一种电机。经过考虑， 决定选择方案二。 七、灭火模块 曾考虑了各种灭火方式，有放置小型灭火器、使用喷水装置灭火等。但由 于都比较复杂，并且对智能灭火机器人的稳定性要求很高，所以最后选择用风 扇将蜡烛吹灭。 用风扇能达到要求，并且简单方便各方面的实现都比较简单，工作也比较 稳定，调试快捷。适合

28、应用。使用时检测并确定火源在可吹灭的范围内后由单 图10.5.9风扇电路控制原理图 八、电源模块 采用普通的电池组供电就能实现我们的要求，我们计划一共使用六盒电 池，两盒6V电池分别用在智能灭火机器人电机上和红外探障传感器上，风扇 采用9V电源，另外两块4.5V电池用在61板和传感器的供电上。风扇使用 9V 和智能灭火机器人电机用 6V电源是为了增加驱动能力，而智能灭火机器人的 两个电机使用一个电源是为了使两电机的转速相同。 电源的选择 方案一：所有器件都采用单一电源。这样供电虽然比较简单，但是由于电 动机启动瞬间电流很大，而且给定脉冲信号驱动的电机电流波动较大，会造成 电压不稳、有毛刺等干扰

29、，对单片机系统造成严重的干扰，缺点十分明显。 方案二：双电源供电。将电机驱动电源 12V)和单片机的供电电源5V) 完全隔开，这样设计可以彻底消除电机驱动所造成的干扰，提高了系统的稳定 性。基于上述考虑，所以我们选择方案二。 (3系统各模块的最终方案 经过仔细分析和论证，我们决定系统 7个模块的最终方案如下： a控制器模块：选择 SPCE061A单片机作为智能灭火机器人运动的控制中 心。 b火源探测模块：采用双火焰传感器精确定位系统。 c寻线前进模块：采用 6个光电传感器来引导和调整智能灭火机器人的动 作。 d障碍物检测躲避模块：选用了红外传感器避障。 e智能灭火机器人电机驱动模块：采用普通直

30、流电机，双驱动四接口方 式、PWM脉宽调速。 f灭火模块：在智能灭火机器人两侧分别安装两个风扇对火源进行吹风。 g电源模块：直接采用电池组，分别做出 4.5V、6V和9V电池组。 10.5.3硬件设计 本题是一个光机电一体的综合设计，在设计中应用了检测技术、自动技术 和电子技术。系统硬件可以分为控制部分、检测部分和功能实现部分。 1控制部分 1）车身动力部分 电机部分采用普通直流电机 PWM模式控制，PWM模式易于控制电机转速 和拐弯的角度，并且采用双电机驱动以利于智能灭火机器人的原地转向、后退 等动作的完成。如原地左转则可通过控制左侧电机反转，右侧电机正传来实 现。 2）单片机控制部分 单片

31、机我们选用了一块 SPCE061A板，单片机用来接收火焰探测和路面检 测的信号以及红外探障信号并进行分析后通过控制电机转动来控制智能灭火机 器人的运动，最终避开障碍物到达火源处灭火，作为主要控制模块。 3）控制部分单元电路图 a车身动力部分电路图 VCC O JL 器2管 QI I 卿三根管&15 IOBI4 J t: Lus VJ ice i2 ICIi IS- IOBH $41 ICBif- M A K X I0A15 MIQA14 IGi13 I0A12 S- ICA11 I0AW IQA? XSLEEP VS XRQMT H&A15 OAK ICA13 H3AI3 FQA1I t&Al

32、D OA& 90- E KJQA s 建 r-d s-0- ff:iq laIQ 图10.5.12凌阳61板接口图 SPCE061A板具有以下性能： (1工作电压 VDD为2.4V3.6V (232位通用可编程输入/输出端口，且接口电压 VDDH为2.45.5V (32个16位可编程定时器/计数器 (42个10位DAC输出通道 (5内置 32K FLASH 和 2K 字 SRAM 等 POWER 08 DAC txa RESET 00 frtl A3K J KEY 图10.5.13 61板电路原理图 2检测部分 这一部分是车身控制和功能实现部分的基础，单片机通过对传感器信号的 处理来控制电机正转、反转或不转，从而控制智能灭火机器人前进、左转、右 转、后退、原地转等动作，基本原理可用下图来表示 传感器 貿出信号彳单片机 严制信号彳电动车电机 图10.5.14传感器检测部分方框图 1）传感器检测部分又包括红外火焰传感器检测、红外障碍物检测和光电 寻线传感器检测三大块。 火焰探测我们利用了温度变化对红外传感器电流的影响，同时距