灭火小车控制系统设计毕业论文

　X XX X 大学

　本

　科

　毕

　业

　设

　计

　说明书

　灭火小车控制系统的设计

　学 生 姓 名

　指

　 导

　 教

　师

　 所 在 学 院 机械电气工程学院

　专 业 电气工程及其自动化 年 级

　20XX 级电气班

　 2012 年 X 月

　X XX X 大学 毕业论文( ( 设计) ) 任务书

　机 电

　学院

　电 气

　专业

　08

　年级 课题名称 灭火小车控制系统设计

　毕 业 论 文 (设 计 )起 止时间 20XX 年 3 月-6 月

　指导教师

　 职称 副教授 学生姓名

　学号

　任 务 下 达 日期

　课题内容 本选题主要针对消防机器人控制系统的制作与研究，以单片机为控制核心，加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成，其中电源电路提供系统所需的工作电源，专用电机驱动芯片驱动电机控制机器人的前进后退以及转向，光电对管完成寻迹和避障，光敏电阻传感器检测火焰，灭火风扇进行灭火。

　课题任务的具体要求 1、设计说明书（包括设计要求、目的、意义，设计方案的比较与选择，控制系统的设计，仿真程序框图，控制软件及适当的注释，程序运行分析，控制系统的仿真调试过程中出现的问题分析与解决办法，参考文献，中英文摘要，收获与体会等）

　2、控制软件程序框图一张，控制系统图一张。

　3、仿真调试说明书一份。

　拟定的工作进度（以周为单位）

　1—2 周，调研、资料搜集、仿真软件学习；

　3—4 周，系统控制方案的确定； 5—10 周，控制程序编写，控制系统的仿真与调试； 11－12 周，整理并撰写设计说明书。

　主要参考文献 1、自动控制原理 2、现代控制理论 3、单片机原理与应用 4、传感器原理与应用

　任务下达人（签字）

　岑红蕾

　 日期：

　 年

　月

　日

　 任务接受人（签字）

　 日期：

　 年

　月

　日

　 摘 摘

　 要 要

　 随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会安全造成了很多隐患，于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，消防救援人员固然速度已经很快，但也需要一段不小的时间，而且进入救火现场还有生命危险的可能，于是消防机器小车的理念诞生了。本文是对灭火小车控制系统进行了设计，采用单片机作为控制核心，这样一来，单片机就可以充分发挥其资源丰富、有较为强大的控制功能及可以位寻址操作功能、价格低廉等优点利用其丰富的资源，实现对各模块的控制；本设计通过加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、火焰检测电路、灭火风扇以及其它电路构成，其中电源电路提供系统所需的工作电源，专用电机驱动芯片驱动电机控制机器人的前进后退以及转向，光电对管完成寻迹和避障，光敏电阻传感器检测火焰，灭火风扇进行灭火。设计的工作过程是：首先通过,光敏电阻传感器寻找火源后将信号传递给单片机，单片机根据已设定好的程序控制机器人运动，完成一系列的灭火动作。

　关键词：

　灭火小车，光敏电阻传感器，单片机，光电对管，

　Abstract

　With the development of society and the country, while rapid economic growth, the inevitable fire of all kinds of dangerous places frequent, caused a lot of hidden dangers to the social security, so the modern fire remedied in time has become an imminent need to address the problem, the fire as early as the moment experience less loss, fire and rescue personnel of course, speed is already very fast, but it also requires a small time, and enter the fire scene possible life-threatening, so the fire machine car concept was born. This article is extinguishing the car control system design, with the MCU eight microcontroller as control core, and this way, the microcontroller can give full play to its rich resources, more powerful control functions and bit-addressable operation function, low price advantage of its rich resources, to achieve control of each module; the design through to the power supply circuit, motor drives, photoelectric sensing circuit of flame detection circuit, fire fans, and other circuit, power circuit to provide the required power dedicated motor driver chip drives the motor to control the robot forward and back, and turned to put out the fire, photoelectric tube to complete the tracing and collision avoidance, photo resistor sensors to detect flame, the fire-fighting fan. The design process is: first through the photo resistor sensors to find the source of fire after signaling to the microcontroller, the microcontroller has set a good program to control the robot to complete a series of fire-fighting action. Keywords: fire-fighting car, photo resistor sensors, MCU, photoelectric tube,

　目

　录 摘

　要 ........................................................................................... I

　Abstract ................................................ III 第 1 章 绪论 ................................................................................... 1

　1.1 灭火小车控制系统的设计背景和意义 .................................. 1 1.2 国内国际研究现状 ............................................................... 1 1.3

　灭火小车控制系统的目标 ........................ 错误! 未定义书签。

　第 2 章 智能寻迹灭火小车控制系统介绍 ........................................ 3

　2.1 灭火小车系统功能概述 ........................................................ 3

　2.2 系统工作原理 ...................................................................... 4

　2.3 主要设计内容 ...................................................................... 4 2.4 本章小结 ............................................................................. 4 第 3 章 系统硬件设计 .................................................................... 5

　3.1 硬件设计框图 ...................................................................... 5

　3.2 硬件设计及主控芯片介绍 .................................................... 5

　3.2.1 AT89C52 主控芯片介绍 ................................................. 5

　3.2.2 避障模块方案设计 ........................................................ 7

　3.2.3 电机驱动系统方案设计 ................................................. 9

　3.2.4 电源系统方案设计 ...................................................... 11 3.2.5 火焰检测方案设计 ...................................................... 12 3.2.6 车体方案设计 ............................................................. 13 3.2.7 风扇方案设计 ............................................................. 13

　3.3 本章小结 ........................................................................... 14

　第 4 章 系统软件设计 .................................................................. 15

　4.1 软件设计思路 .................................................................... 15

　4.2 系统程序流程图 ................................................................ 15

　4.2.1 避障模块程序流程图 .................................................. 16

　4.2.2 驱动电机模块程序流程图 ........................................... 17

　4.2.3 灭火模块程序流程图 ........................ 错误! 未定义书签。

　4.2.4 风扇模块程序流程图 .................................................. 18 4.3 软件实现 ........................................................................... 20 4.3.1 软件开发平台介绍 ...................................................... 20

　4.4 各功能模块软件程序设计 .................................................. 20 4.4.1 避障模块主程序 ......................................................... 21

　4.4.2 驱动电机模块主程序 .................................................. 22

　4.4.3 风扇模块主程序 ............................... 错误! 未定义书签。

　4.4.4 延时子程序 ................................................................ 24

　4.5 本章小结 ........................................................................... 24

　第 5 章 仿真调试 ......................................................................... 25

　5.1 硬件调试 ........................................................................... 25

　5.1.1 避障电路驱动电机调试 ............................................... 25

　5.1.2 火焰检测模块的调试 .................................................. 27

　5.2 调试软件 WAVE 介绍 ......................................................... 28

　5.2.1 主界面 ........................................................................ 28

　5.2.2 菜单介绍 .................................................................... 28

　5.3 软件程序调试 .................................................................... 29

　5.3.1 调试的主要方法和技巧 ............................................... 29

　5.3.2 利用 WAVE 调试本系统 ................................................ 29

　5.4 综合调试 ........................................................................... 30

　5.5 本章小结 ........................................................................... 30

　结论 ............................................................................................... 31

　致谢 ............................................................................................... 32

　参考文献 ........................................................................................ 33

　附录 1 ............................................................................................ 34

　附录 2 ............................................................................................ 35

　毕业设计（论文）

　 第1章

　绪论 1.1

　灭火小车控制系统的设计背景和意义 火灾在现实生活中是非常普遍的，它被称为三大自然灾害之一。消防人员时时刻刻冲到第一线，面临生命危险，在这种背景下，智能寻迹灭火系统应运而生，实现了对安全防护的质的提高，也大大地减低了消防人员的危险。在智能灭火系统中应用单片机来代替人的思考，还可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，使单片机代替多余的消防人员，节省了国家不必要的支出，减低了危险。随着社会与国家的发展，在经济迅速增长的同时，各种危险场所不可避免的火灾频繁出现，给社会安全造成了很多隐患，于是现代火灾及时补救已成为迫在眉睫需要解决的问题，救火早一刻就少一分损失，消防救援人员固然速度已经很快，但也需要一段不小的时间，而且进入救火现场还有生命危险的可能，于是消防机器小车的理念诞生了。

　灭火小车控制系统的研究除了在科学研究方面具有深远的意义，它也是一个很好的教学平台。通过它可以使学生将理论与实践紧密地结合起来，提高学生的动手能力、创造能力、协作能力和综合能力。目前国家所提倡的素质教育中，能力培养是核心。灭火小车提供了一个对学生的能力进行培养的大舞台。对推动高校的科技创新和产学研一体化产生了积极作用，也为提高我国在智能机器领域的国际地位做出了积极贡献。

　1.2

　国内国际研究现状 我国的机器人研究开发工作始于 20 世纪 70 年代初，到现在已经历了 30年的历程。前 10 年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。

　在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV 减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达 300多条，产值约为上百亿元人民币。我国消防装备研究部门从 1997 年开始对消防

　毕业设计（论文）

　 灭火机器人进行科研开发， 2002 年 6 月，由公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海消防局三家单位共同承担的国家 863 项目"履带式、轮式消防灭火机器人"研制成功并顺利通过国家验收。消防灭火机器人，又称自行式水-泡沫消防炮，是一种结合多种消防灭火手段为一体的新型消防装备。

　2002 年 9 月 8 日，灭火机器人参加公安消防部队北京协作区反恐演习中受到公安部消防局陈家强局长的高度评价；

　2002 年我国云南、湖北省相继配备灭火机器人；

　2003 年 9 月，灭火机器人在湖北省首次投入实战；

　2003 年 10 月，我国江苏省、香港地区、马来西亚开始大规模配备消防灭火机器人。

　我国灭火小车科研事业从实验室走向生产车间最终战斗在火场一线，为我国消防装备的发展注入了新鲜血液，填补了国内空白。消防的社会意义在于它将对人类生存安全作为终极关怀，消防装备作为一种重要的火灾扑救手段，已经在消防灭火救援中显示越来越重要的作用。消防装备科研应始终贯彻"从火场中来，到火场中去"的指导思想，贴近火场一线，急火场之所急。

　不仅在我国，在世界上消防工作也是一个大难题，各国政府都千方百计地将火灾的损失降到最低点。1984 年 11 月，在日本东京的一个电缆隧道内发生了一起火灾，消防队员不得不在浓烟和高温的危险环境下在隧道内灭火。这次火灾之后，东京消防部开始对能在恶劣条件下工作的消防机器人进行研究，目前已有五种用途的消防机器人投入使用。

　遥控消防机器人 1986 年第一次使用了这种机器人。当消防人员难于接近火灾现场灭火时，或有爆炸危险时，便可使用这种机器人。这种机器人装有履带，最大行驶速度可达 10 公里/小时，每分钟能喷出 5 吨水或 3 吨泡沫。

　喷射灭火机器人 这种机器人于 1989 年研制成功，属于遥控消防机器人的一种，用于在狭窄的通道和地下区域进行灭火。机器人高 45 厘米，宽 74 厘米，长 120 厘火焰，喷嘴将水流转变成高压水雾喷向火焰。

　消防侦察机器人 消防侦察机器人诞生于 1991 年，用于收集火灾现场周围的各种信息，并在有浓烟或有毒气体的情况下，支援消防人员。机器人有 4 条履带，一只操作臂和 9 种采集数据用的采集装置，包括摄像机、热分布指示器和气体浓度测量仪。消防的社会意义在于它将对人类生存安全作为终极关怀，消防装备作为一种重要的火灾扑救手段，已经在消防灭火救援中显示越来越重要的作用。

　1.3

　灭火小车控制系统的目标 本设计开发的智能灭火小车控制系统应用范围十分广泛，设计的灭火小车应该能够实现自动避障、检测火源、吹风灭火、报警等功能，可通过光电传感器的监控来进行设定小车是否前进。本设计具有很好的开发前景，将会受到广大安全防护人员的欢迎。

　毕业设计（论文）

　 第2章

　灭火小车控制系统介绍 2.1

　灭火小车控制系统功能概述 经过开题期间的文献查阅和实际情况调研，了解到目前的消防车的研究与设计一般采用的方案大都为：通过人为报警，再由消防人员开着小车去灭火。那样消防人员会随时面临着危险。通过自己的想法。采用的方案为：通过火焰传感器、检测到火灾发生地点的温度的因素与其标准区间值不符，系统会自动派出无人消防车进行灭火等操作。

　该控制系统的最大特点：

　1. 结构简单 2. 体积小、功率低 3. 信号无干扰，传输准确度高 4. 成本低廉 5. 安全 系统各个功能模块简介：

　1. 避障模块：主要用来给小车做导航避开障碍物前进用。

　2. 电源模块：主要用来分别区分给单片机与电机、水泵驱动模块供电。

　3. 火焰模块：主要用来对火焰传感器给单片机传值的功能。

　4. 电机驱动模块：主要用来驱动两个减速直流电机，实现小车的前进、后

　 退、前左转、前右转、后左转、后右转、停车等功能。

　5. 风扇驱动模块：主要是用来控制风扇是否吹风，来实现小车灭火功能。

　图2-1

　灭火小车控制系统整体模块图 单片机 电池模块 电 机驱动 火 焰 检测模块 光 电 传感模块 相 关 辅助电路 灭 火 风扇 控 制模块

　毕业设计（论文）

　 2.2 系统工作原理 在灭火小车控制系统的设计中，工作原理：首先小车检测灭火传感器，是否有火焰信号，如果没有，小车往前行走。在行走的过程中光电对干电路检测是否遇到障碍物，若遇到障碍物，通过单片机控制系统驱动电机绕开障碍物，若无信号，继续前行。当在行走的过程中检测到火焰信号时，单片机控制小车停止，同时驱动风扇控制电路，将火吹灭。

　2.3 主要设计内容 用单片机作为控制核心，设计一个灭火小车控制系统。设计包括以下内容：

　（1）

　自动沿预设轨道行驶小车在行驶过程中，能够自动检测预先设好的轨道，实现直道和弧形轨道的前进。若有偏离，能够自动纠正，返回到预设轨道上来。

　（2）当小车探测到前进前方的障碍物时，可以自动报警调整，躲避障碍物，从无障碍区通过。小车通过障碍区后，能够自动循迹。

　（3）当小车到达火源地后，自动停车同时启动灭火风扇进行灭火，消除火源后再原路返回起点。

　2.4 本章小结 本章结合目前的智能灭火小车控制系统对当前的控制系统进行了概述，系统具备的功能以及系统控制的工作原理，通过阅读本章内容可对该系统有一个总体的了解。

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　 第3章

　系统硬件设计 3.1

　硬件设计框图 本控制系统硬件设计框图 3-1 如下所示：

　 图 3-1 硬件设计框图 在灭火小车控制系统的设计中，以单片机为控制核心，用了一片 L298N 用于驱动两个减速电机。12V 电源单独给电机供电，再用 7805 把 12V 电源降压至5V 给单片机供电。首先单片机根据火焰检测电路是否有火焰信号，来判断小车是否前进。如果没有该信号，则一直等待。当产生信号驱动小车前进，若遇到障碍物，单片机根据程序设计的要求做出相应的判断送给电机驱动模块，让小车来实现前进、左转、右转、停车等基本功能。到达火灾地点时，单片机通过晶闸管导通风扇控制电路，驱动风扇灭火。

　3.2

　硬件设计及主控芯片介绍 在灭火小车控制系统的设计中，共用了一片 AT89C52 单片机作为本控制系统的主控芯片，硬件设计模块共分为：避障模块、电机驱动模块、电源模块、火焰检测模块、风扇模块。

　3.2.1

　AT89C52 主控芯片介绍 AT89C52 简介

　本系统的核心部件AT89C52是美国ATMEL公司生产的低电压,高性能CMOS8位 主控制器 小车电机驱动 避障模块 火焰检测模块 电源部分 灭火风扇电机

　毕业设计（论文）

　 单片机,片内含2k字节的可反复擦写的只读程序存储器(PEROM)和128字节的随机存取数据存储器(RAM),器件采用ATMEL公司的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器和Flash存储单元，具有较高的性价比。设计本着应用性，因此选择AT89C52单片机作为本控制系统的中央处理器。

　AT89C52 包括：

　（1）一个 8 位微处理器 CPU。

　（2）片内数据存储器 RAM 和特殊功能寄存器 SFR。

　（3）片内程序存储器 ROM。

　（4）两个定时/计数器 T0、T1，可用作定时器，也可用以

　对外部脉冲进行计 数。

　（5）四个 8 位可编程的并行 I/O 端口，每个端口既可作输

　入，也可作输出。

　（6）一个串行端口，用于数据的串行通信。

　（7）中断控制系统。

　（8）内部时钟电路。

　AT89C52 单片机的基本组成如图 3-2 所示。

　时钟源

　系 系

　 统 统

　 总 总

　 线 线 T 0

　T 1

　P0

　 P1

　 P2

　 P3 TXD

　RXD

　 INT 0

　IN T 1

　CPU时钟电路并行端口串行端口 中断系统SFR和RAM ROM 定时/计数器

　 图 3-2 AT89C52 单片机基本结构

　AT89C52 具有如下特点：40 个引脚，8k Bytes Flash 片内程序存储器，256 bytes 的随机存取数据存储器（RAM），32 个外部双向输入/输出（I/O）口，5个中断优先级 2 层中断嵌套中断，2 个 16 位可编程定时计数器，2 个全双工串行通信口，看门狗（WDT）电路，片内时钟振荡器。

　此外，AT89C52 设计和配置了振荡频率可为 0Hz 并可通过软件设置省电模式。空闲模式下，CPU 暂停工作,而 RAM 定时计数器串行口，外中断系统可继续工作，掉电模式冻结振荡器而保存 RAM 的数据，停止芯片其它功能直至外中断

　毕业设计（论文）

　 激活或硬件复位。同时该芯片还具有 PDIP、TQFP 和 PLCC 等三种封装形式 以适应不同产品的需求。

　AT89C52 芯片的 40 个引脚功能为：

　1. Vcc：电源电压。

　2. GND：地。

　3. P0 口（P0.0～P0.7）：该端口为漏极开路的 8 位准双向口，它为外部低 8 位地址线和 8 位数据线复用端口，驱动能力为 8 个 LSTTL 负载。

　P1 口（P1.0～P1.7）：它是一个内部带上拉电阻的 8位准双向 I/O 口，P1 口的驱动能力为 4 个 LSTTL 负载。

　P2 口（P2.0～P2.7）：它为一个内部带上拉电阻的 8位准双向 I/O 口，P2 口的驱动能力也为 4 个 LSTTL 负载。在访问外部程序存储器时，作为高 8 位地址线。

　P3 口（P3.0～P3.7）：为内部带上拉电阻的 8 位准

　双向 I/O 口，P3 口除了作为一般的 I/O 口使用之外，每个引脚都具有第二功能。

　图 3-3

　AT89C52 管脚图 P3 口还用于实现 AT89C52 的各种功能，如下表 3-1 所示。

　表 3-1 P3 口各功能对照表 P 3.2P 3.3位线 引脚 第二功能P 3.0 10 RXD（ （ 串行输入口 ）P 3.1 11 TXD（ （ 串行输出口 ）12 INT0 （ 断 外部中断0）

　）13 INT1 （ 断 外部中断1）

　）P 3.4 14 T 0 （器 定时器0 的计数输入 ）P 3.5 15 T 1 （器 定时器1 的计数输入 ）16 WR（ （ 外部数据存储器写脉冲 ）17 RD（ （ 外部数据存储器读脉冲 ）位线 引脚 第二功能P 3.0 10 RXD（ （ 串行输入口 ）P 3.1 11 TXD（ （ 串行输出口 ）12 INT0 （ 断 外部中断0）

　）13 INT1 （ 断 外部中断1）

　）P 3.4 14 T 0 （器 定时器0 的计数输入 ）P 3.5 15 T 1 （器 定时器1 的计数输入 ）16 WR（ （ 外部数据存储器写脉冲 ）17 RD（ （ 外部数据存储器读脉冲 ）位线 引脚 第二功能P 3.0 10 ）

　RXD（ （ 串行输入口 ）P 3.1 11 ）

　TXD（ （ 串行输出口 ）12 INT0 外断 外部中断0）

　）

　INT0 （ 断 外部中断0）

　）13 INT1 外断 外部中断1）

　）

　INT1 （ 断 外部中断1）

　）P 3.4 14 定器 器 ）

　T 0 （器 定时器0 的计数输入 ）P 3.5 15 定器 器 ）

　T 1 （器 定时器1 的计数输入 ）16 ）

　WR（ （ 外部数据存储器写脉冲 ）17 ）

　RD（ （ 外部数据存储器读脉冲 ）

　P 3.7P 3.6

　4. RST：复位输入。RST 一旦变成高电平，所有的 I/O 引脚就复位到“1”。

　 当振荡器正在运行时，持续给出 RST 引脚两个机器周期的高电平便可完成复位。

　每一个机器周期需 12 个振荡器或时钟周期。

　 5. XTAL1：作为振荡器反相放大器的输入和内部时钟发生器的输入。

　6. XTAL2：作为振荡器反相放大器的输出。

　3.2.2

　 避障模块 方案计 设计 3.2.2.1

　用光电对管电路的设计 我设计并论证了两种光电对管检测及调理电路，电路原理图分别如图 3-4P 1.0P 1.1P 1.2P 1.3P 1.4P 1.5P 1.6P 1.7RST/VPDRXD/P 3.0TXD/P 3.1INT 0 /P 3.2INT 1 /P 3.3T0/P 3.4T1/P 3.5WR/P 3.6RD/P 3.7XTAL 2XTAL 112345678910111213141516171819204039383736353433323130292827262521222324V CCP 0.0P 0.1P 0.2P 0.3P 0.4P 0.5P 0.6P 0.7EA/VppALE/PROGPSENP 2.7P 2.6P 2.5P 2.4P 2.3P 2.2P 2.1P 2.0P 1.0P 1.1P 1.2P 1.3P 1.4P 1.5P 1.6P 1.7RST/VPDRXD/P 3.0TXD/P 3.1INT 0 /P 3.2INT 1 /P 3.3T0/P 3.4T1/P 3.5WR/P 3.6RD/P 3.7XTAL 2XTAL 1GND1234567891011121314151617181920AT89C524039383736353433323130292827262521222324V CCP 0.0P 0.1P 0.2P 0.3P 0.4P 0.5P 0.6P 0.7EA/VppALE/PROGPSENP 2.7P 2.6P 2.5P 2.4P 2.3P 2.2P 2.1P 2.0

　毕业设计（论文）

　 图 3-5 所示：

　图 3-4

　光电对管检测电路 1 图 3-4 所示电路中，R1 起限流电阻的作用，当有光反射回来时，光电对管中的三极管导通，R2 的上端变为高电平，此时 VT1 饱和导通，三极管集电极输出低电平。

　当没有光反射回来时，光电对管中的三极管不导通，VT1 截至，其集电极输出高电平。

　VT1 在该电路中起到滤波整形的作用。

　经试验和示波器验证，该电路工作性能一般，输出还有杂散干扰波的成分。如果输出加施密特触发器就可以实现良好的输出波形。

　但是这种电路用电量比较大，给此种传感器调理电路供电的电池压降较快。究其原因，是因为光敏三极管和三极管 VT1 导通时的导通电流较大。

　因此我考虑用比较器的方案。

　图 3-5 光电对管检测电路 2 在图 3-5 中，可调电阻 R3 可以调节比较器的门限电压，经示波器观察，输出波形相当规则，可以直接够单片机查询使用。

　而且经试验验证给此电路供电的电池的压降较小。因此我选择此电路作为我的传感器检测与调理电路。

　毕业设计（论文）

　 该模块在整个系统中也起到很大的作用，小车能否顺利地避开障碍物顺利到达火源处全靠避障模块的处理性能的快慢了。通过查阅相关资料，找到了一下两种可行性方案：

　3.2.2.2

　 避障模块方案的设计 方案 1 1：小车车头处装有三个光电开关，中间一个光电开关对向正前方，两侧的光电开关向两边各分开 30 度。小车在行进过程中由光电开关向前方发射出红外线，当红外线遇到障碍物时发生漫反射，反射光被光电开关接收。小车根据三个光电开关接受信号的情况来判断前方障碍物的分布并做出相应的动作。光电开关的平均探测距离为 30cm。

　方案 2 2：用红外光电开关 ST178 进行避障。光电开关的工作原理是根据投光器发出的光束，被物体阻断或部分反射，受光器最终据此做出判断反应，是利用被检测物体对红外光束的遮光或反射，当检测到有障碍物的时候，光电对管就能够接收到物体反射的红外光，其物体不限于金属，对所有能反射光线的物体均能检测。光电对管 ST178 操作简单，使用方便。当有光线反射回来时，输出低电平。当没有光线反射回来时，输出高电平。

　方案 3 3：直流驱动红外探测器电路的设计与参数计算电路如图所示。W1 和R1 及 V1 构成简单直流发光二极管驱动电路，调节 W1 可以改变发光管的发光光强，从而调节探测距离，NE555 及其外围元件构成施密特触发器，其触发电平可通过 W2 控制，接收管 V2 和电阻 R2 构成光电检测电路。通过 NE555 第 3 脚输出的 TTL 电平可以直接驱动单片机 I/O 口。由于 555 输出信号为 TTL 电平，单片机检测方便。

　 图 3-6 避障电路图 考虑到本系统只需要检测简单障碍物，没有十分复杂的环境。为了使用方便，便于操作和调试，我最终选择了方案 3。

　毕业设计（论文）

　 3.2.3

　驱动电机系统方案设计 方案 1 1：采用专用芯片 L298N 作为电机驱动芯片。L298N 是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，它相应频率高，一片 L298N 可以分别控制两个直流电机，而且还带有控制使能端。用该芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良。

　L298N 是 SGS 公司的产品，内部包含 4 通道逻辑驱动电路。是一种二相和四相电机的专用驱动器，即内含二个 H 桥的高电压大电流双全桥式驱动器，接收标准 TTL 逻辑电平信号，可驱动 46V、2A 以下的电机。其引脚排列如图 3-7中 U4 所示，1 脚和 15 脚可单独引出连接电流采样电阻器，形成电流传感信号。L298 可驱动 2 个电机，OUT1、OUT2 和 OUT3、OUT4 之间分别接 2 个电动机。5、7、10、12 脚接输入控制电平，控制电机的正反转，ENA，ENB 接控制使能端，控制电机的停转。也利用单片机产生 PWM 信号接到 ENA，ENB 端子，对电机的转速进行调节。

　 1 N L298N 的 逻辑功能 ：

　表 3-2

　SHARP GP2D12 实物图

　2 外形及封装：

　图 3-7

　L298N 实物图 方案 2 2：对于直流电机用分立元件构成驱动电路。由分立元件构成电机驱动电路，结构简单，价格低廉，在实际应用中应用广泛。但是这种电路工作性能不够稳定。

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　 因此我们选用了方案 1。

　驱动电路的设计如图 3-8 所示：

　 图 3-8 驱动电机模块原理图 3.2.4

　电源系统方案设计 由于本系统需要电池供电，我考虑了如下集中方案为系统供电。

　方案 1：

　采用 8 节 1.5V 干电池供电，电压达到 12V，给支流电机供电，然后将 12V 电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。并且电池的价格比较低。

　方案 2：采用 3 节 4.2V 可充电式锂电池串联共 12.6V 给直流电机供电，经过 7812 的电压变换后给支流电机供电，然后将 12V 电压再次降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。锂电池的电量比较足，并且可以充电，重复利用，因此，这种方案比较可行。但锂电池的价格过于昂贵，使用锂电池会大大超出我的预算，因此，我放弃了这种方案。

　方案 3：采用 12V 蓄电池为直流电机供电，将 12V 电压降压、稳压后给单片机系统和其他芯片供电。蓄电池具有较强的电流驱动能力以及稳定的电压输出性能。但蓄电池的体积过于庞大，在小型电动车上使用极为不方便，

　综上考虑，我选择了方案 1。

　采用稳压芯片给各个芯片提供稳定的工作电压，其芯片的具体参数如下：

　稳压芯片 LM7805CV、LM7812CV 1 1 ．

　LM780V 5CV 的技术指标如下表：

　表 3-3

　稳压芯片 7805 参数

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　2 2. 电源模块电路原理图 由于单片机及所有的传感器系统供电采用的是 5V 的电源，而车体要良好的运 行 电 机 的 供 电 电 压 应 该 达 到 12V， 所 以 在 电 源 的 处 理 上 采 用 了 稳 压 芯 片7805CV 和 7812CV。

　图 3-9 电源部分电路图 通过对比三个方案，发现第三个方案要比前两个更加的可靠稳定，这一点对灭火机器人的性能的发挥很重要。所以，选择第三种方案。

　3.2.5

　火焰检测系统设计 方案 1 1：火焰传感器是模拟传感器。它利用红外敏感型元件 AC4067 对红外信号强度的检测并将其转换为机器人可以识别的信号，从而来检测火焰信号。如下图为火焰传感器电路。

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　 图 3-10 火 焰 传 感 电 路

　火焰传感器可以用来探测波长在 700nm ~ 1000nm 范围内的红外线，探测角度为 60&ordm；，其中红外线波长在 880nm 附近时，其灵敏度达到最大。红外火焰探头将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过 A/D 转换器反映为 0～255 范围内数值的变化。外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。在机器人设计中，红外火焰探头起着非常重要的作用，它可以用作机器人的眼睛来寻找火源或其他物体。利用它可以制作灭火机器人、足球机器人等。

　3.2.6

　车体方案设计 方案 1：购买玩具电动车。购买的玩具电动车具有组装完整的车架车轮、电机及其驱动电路。但是一般的说来，玩具电动车具有如下缺点：首先，这种玩具电动车由于装配紧凑，使得各种所需传感器的安装十分不方便。其次，这种电动车一般都是前轮转向后轮驱动，不能适应该题目的方格地图，不能方便迅速的实现原地保持坐标转 90 度甚至 180 度的弯角。再次，玩具电动车的电机多为玩具直流电机，力矩小，空载转速快，负载性能差，不易调速。而且这种电动车一般都价格不菲。因此我们放弃了此方案。

　方案 2：自己制作电动车。经过反复考虑论证，我制定了左右两轮分别驱动，前万向轮转向的方案。即左右轮分别用两个转速和力矩基本完全相同的直流减速电机进行驱动，车体前部装一个万向轮。这样，当两个直流减速电机转向相反同时转速相同时就可以实现电动车的原地旋转，由此可以轻松的实现小车坐标不变的 90 度和 180 度的转弯。

　在安装时我保证两个驱动电机同轴。当小车前进时，左右两驱动轮与前万向轮形成了三点结构。这种结构使得小车在前进时比较平稳，可以避免出现后轮过低而使左右两驱动轮驱动力不够的情况。为了防止小车重心的偏移，前万向轮起支撑作用。

　对于车架材料的选择，我们经过比较选择了有机玻璃。用有机玻璃做的车架比塑料车架更加牢固，比铁制小车更轻便，美观。

　综上考虑，我们选择了方案2。

　3.2.7

　风扇模块设计 灭火风扇的驱动电路如图 3-12 所示。其中 Port 接到单片机的 P0.5、P0.6接口上。单片机输出 Port 控制信号用以驱动灭火电机动作。由于选用的是增强型 MOS 管，所以，当 Port 信号为高时，MOS 管在 V GS 下开始工作，MOS 导通，风扇开始动作，进行灭火；当 Port 信号为低时，由于增强型 MOS 管特点，V GS =0时，i D =0。此时，MOS 截止，风扇不动作。

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　 图 3-11 风扇控制电路 3.3

　本章小结 本章通过框图的形式介绍了各个系统模块的设计，将避障模块、驱动电机模块、电源模块、火焰检测模块、风扇控制等几部分的设计思路作了详细分析，通过阅读本章内容可对本智能灭火小车控制系统的硬件设计全面了解。

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　 第4章

　系统软件设计 对于一个完整控制系统来说，除了要有一个完整的硬件控制以外，还应该有一个能充分发挥硬件功能的软件系统来支持它，本章将详细介绍避障模块、电机驱动、火焰检测模块、风扇驱动的软件实现方法。

　4.1

　软件设计思路 根据总体设计的思想及本系统实现的功能，在软件设计中完成以下功能。

　 图4-1 系统软件图

　1. 避障模块主程序：由是否遇到障碍物产生信号的操作，信号返回到单片机，再通过单片机来实现相应的功能。

　2. 电机驱动模块主程序：主要用来控制两个直流减速电机，实现前进、后退、前左转、前右转、后左转、后右转、停车等功能。

　3. 火焰检测模块主程序：主要通过火焰传感器探测是否有火源。

　4. 风扇模块程序：主要用来控制一个报警器和风扇，实现报警、吹风等功能。

　4.2

　系统程序流程图 根据软件的总体设计思想及本系统所要实现的功能，进行其系统程序流程图设计，本系统程序流程图共分为：避障程模块序流程图、电机驱动模块程序流程图、火焰检测模块程序流程图、风扇模块程序流程图。

　灭火机器人系统软件 电机控制模块 传感器模块 转弯子程序 前进子程序 停止子程序 壁障子程序 火焰子程序

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　图 4-2

　系统功能流程图 4.2.1

　避障模块程序流程图 在小车前进的过程中，分布在小车前，左后，右后的三个传感器不停地进行扫描，若有一个方位遇到障碍物，通过单片机驱动电机控制电路，实现左转，右转，后退等功能。程序跳转到对应的位置执行，从而绕开障碍物，继续朝着火源的方向继续前进。其寻迹模块程序流程图如下图 4-1 所示：

　开始 是否到达灭NY 是 否 找 到等待灭火 打开风扇 电机停止 左转 5 o 驶向火源 启动 初始化程序（I/O、关闭风扇 结束 关闭电源 返回

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　图 4-3 避障模块程序流程图 4.2.2

　驱动电机模块程序流程图 程序运行后，首先进行初始化将 AT89C52 单片机的 P1 口全部置 0，等到有火源信号时，然后就通过单片机控制电机驱动电路前进。具体如下图 4-4 和表4-1 所示：

　N Y 接收到信号

　驱动电机模块 程序初始化

　停止

　驱动电机模块程序开始

　 NY接收停止信号行 运 机 电 图4-4 驱动电机模块程序流程图

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　 表4-1 驱动电机模块程序功能对照表 接 收 真 值 表（ 前 左 ， 后右）

　对应功能 1-1 前进 0-0 停车 1-0 左转 0-1 右转

　4.2.3

　灭火流程图 灭火子程序的流程图如图 4-5 所示。

　当机器人检测到火焰时，由于有障碍物的存在，需要对不同坐标上的火焰分别进行判断。

　由于设计中使用一个风扇，安装在机器人的正前方，没有使用舵机的方案，风扇只能朝前方吹风。为了提高灭火的准确度，我们要让机器人正面对准火焰，否则，可能会出现长时间灭不了火的现象。对火时让机器人走到火焰附近，判断左右两边火焰强度，左边火焰强，左转一点，右边火焰强，右转一点，每对一次火，前进一点。

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　开始 读入火焰传感器信息 左转 右转 对准火焰

　等待 0.5s 开灭火风扇 等待 5s 读入火焰传感器信息 火焰已灭 ？ 关风扇 结束 哪边火焰N Y N N 图 4-5

　灭火子程序流程图

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　 4.2.4

　 风扇模块程序流程图 该模块程序与驱动电机模块采用的驱动电路是一样的。都是用 L298N。针对该模块程序流程的相应调用而执行的模块。如下图 4-5 所示：

　 水泵风扇模块程序开始 跳转到水泵模块

　跳转到风扇模块

　跳转到停止模块 直流电机驱动子程序返回 是否停止?

　水泵工作?

　风扇工作?

　Y N Y Y N N

　 图4-5 水泵风扇模块程序流程图 4.3

　 软件实现 章介绍了此次毕业设计使用的编程工具 µVision2 IDE，介绍了主要的控制模块程序，编写相应的控制程序，主要是寻线控制程序和灭火控制程序。

　4.3.1.软件开发平台介绍 编程语言选用 C 语言。汇编语言作为传统的嵌入式系统的编程语言，具有执行效率高的优点，但其本身是低级语言，编程效率较低，可移植性和可读性差，维护极不方便。而 C 语言以其结构化，容易维护，容易移植的优势满足开发的需要。

　MCS-51 是支持 C 语言编程的编译器，它主要有两种：Franklin C51 编译器和 Keil C51 编译器，我们简称 C51。C51 是专为 MCS-51 开发的一种高性能的 C编译器。由 C51 产生的目标代码的运行速度极高，所需存储空间极小，完全可以和汇编语言媲美。

　Keil 软件公司提供的专用 8051 嵌入式应用开发工具套件，可以编译 C 源文件、汇编源文件、连接定位目标模块和库、生成并调试目标程序，为实际的每一种 8051 及其派生系列产品生成嵌入式应用系统。Keil C51 交叉编译器兼容 ANSI（美国国家标准协会）C 编译器，专用于为 8051 微控制器系列生成快速紧凑的目标代码。使用 Keil 8051 开发工具套件，以工程的形式组织各种文件，

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　 工程开发周期与任何其他软件开发工程的周期大致相同。

　µVision2 IDE 是 Keil 公司提供的用于开发 MCS-51 系列芯片的汇编语言与C 程序的集成开发环境，是标准的 Windows 应用程序，同其他 Windows 应用程序一样，µVision2 IDE 环境包括菜单、工具条、编辑及显示多种窗口。µVision2 IDE 支持使用的 Keil C51 工具，包括 C 编译器、宏汇编器、连接定位器、目标代码到 HEX 的转换器。

　4.4

　 各功能模块软件程序设计 在各个硬件功能模块的基础上，针对其预定实现的相应功能对各个功能模块进行软件程序设计。

　4.4.1

　避障模块主程序 程序运行后，首先进行初始化，将 P1 口置低，然后等待火焰传感器的检测信号。

　void bizhang() { en1=1; en2=1; goback(); mid_red=0; baojing(); goback(); for(i=0;i<8;i++) { en1=1; en2=1; delay(150); en1=0; en2=0; delay(50); } stop(); delay(10); turnleft(); for(i=0;i<11;i++) {

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　 en1=0; en2=1; delay(130);

　en2=0; delay(50); } stop(); delay(10); goahead(); for(i=0;i<22;i++) { en1=1; en2=1; delay(130); en1=0; en2=0;

　 delay(50); } stop(); delay(10); turnright(); for(i=0;i<18;i++) { en1=1; en2=0; delay(130); en1=0; delay(50); } 4.4.2

　 驱动电机模块序 主程序 程序运行后，首先进行初始化将 AT89C52 单片机的 P1 口全部置 0，通寻迹模块得出来的信号，传送给 L298N。该程序的具体函数代码如下：

　void qianjin()

　 //前进 {

　IN0=0;

　毕业设计（论文）

　IN1=1;

　IN2=0;

　IN3=1; } void houtui()

　 //后退 {

　IN0=1;

　IN1=0;

　IN2=1;

　IN3=0; } void ting()

　//停止 {

　IN0=0;

　IN1=0;

　IN2=0;

　IN3=0; } void zuozhuan()

　 //正向左转 {

　IN0=0;

　IN1=0;

　IN2=0;

　IN3=1; } void youzhuan()

　//正向右转 {

　IN0=0;

　IN1=1;

　IN2=0;

　IN3=0; }

　 4.4.3

　风扇模块主程序 因为水泵风扇模块电路与电机系统采用的驱动方案一样。所以该程序的与电机系统模块几乎一样的。具体函数代码如下：

　void djsbcsh()

　//电机水泵初始化 {

　ting();

　shuibeng1=0;

　shuibeng =0;

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　fengshan =0;

　fengshan1=0; }

　void sbqd()

　//水泵、风扇工作 {

　shuibeng =1;

　shuibeng1=0;

　fengshan =0;

　fengshan1=1; if(shuidi==1)

　{

　ting();

　shuibeng1=0;

　shuibeng =0;

　fengshan =0;

　fengshan1=0;

　} } 4.4.4

　延时子程序 该延时子程序主要是被本系统的各个模块根据其需要来进行调用，比如：在七段数码管消抖时就需调用该模块的延时消抖程序；再比如：在读取温度程序中为了能实现读取温度值，就必须调用其相应的延时程序。并且还有其很多的用途，在这里不一一列举了。具体代码如下：

　void delay(uint j)

　 //温度延时函数 {

　 while(j--); } void dly(int count)

　//大延时函数 {

　unsigned int a,b;

　for(b=count;b>0;b--)

　//控制左右转的时间系数；

　for(a=0;a<b;a++); } 4.5

　本章小结 本章用流程图的方法说明了智能寻迹灭火小车控制系统的软件设计，并对系统中主要程序的设计作了详细说明，通过阅读本章内容可以全面了解本控制系统的软件设计。

　毕业设计（论文）

　 第5章

　仿真调试 5.1

　硬件调试 硬件调试是用基本测试仪器（万用表、示波器等）和自己编写的测试程序进行相关的测试，来检查系统硬件中存在的问题。

　5.1.1

　避障电路驱动电机调试

　图 5-1 小车前进图

　毕业设计（论文）

　图 5-2 小车右拐图

　 ...