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智能滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

2017-5-5 來源：山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院自動(dòng)化系作者：董蘊(yùn)慧 , 畢征程 , 張　程 , 呂光

摘要：根據(jù)制造一個(gè)自主控制的機(jī)器人在一間平面結(jié)構(gòu)房子模型里運(yùn)動(dòng)并找到一根蠟燭盡快將它熄滅的任務(wù)，利用開關(guān)二極管、濾波電容、電阻、光電耦合、L298N、LM2596 等元器件，設(shè)計(jì)出穩(wěn)壓降壓電路和 L298N 驅(qū)動(dòng)模塊的 PCB 板，并通過 STC12C5A60S2 單片機(jī)導(dǎo)入自己設(shè)計(jì)的一系列如尋墻、尋火、滅火、回家等子程序，合理布局地面灰度傳感器、紅外光電傳感器并在不斷改進(jìn)和調(diào)試下成功制作出能夠準(zhǔn)確完成任務(wù)的滅火機(jī)器人。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人 ; 滅火 ; 傳感器 ; 電機(jī)驅(qū)動(dòng) ; 穩(wěn)壓電路

1.系統(tǒng)的整體方案設(shè)計(jì)

　　整體選定右手法則，即小車基本一直沿右墻走，當(dāng)進(jìn)入房間后，如果沒有火，則尋找下一個(gè)房間；如果有火，則開始執(zhí)行尋火程序，直到離蠟燭 30cm 的檢測到白線，再利用風(fēng)扇將蠟燭熄滅，完成滅火功能。因此設(shè)計(jì)的小車要求能夠及時(shí)調(diào)節(jié)前進(jìn)的方向，以便快速進(jìn)入房間，順利找到火源。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖 1：

圖 1　系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖

2.硬件設(shè)計(jì)

　　該方案是設(shè)計(jì)一個(gè)在規(guī)定區(qū)域能自主搜索火源并實(shí)施滅火的智能機(jī)器人小車，設(shè)計(jì)使用的主控芯片為 STC12C5A60S2 單片機(jī)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)在傳感器和電機(jī)驅(qū)動(dòng)上

2.1DC-DC 降壓電路

　　采用 LM2596s-5.0 芯片。輸入端給入 11.1V~12.8V 電壓，輸出端輸出 5V 電壓。LM2596 開關(guān)電壓調(diào)節(jié)器是降壓型電源管理單片集成電路，能夠輸出 3A 的驅(qū)動(dòng)電流，同時(shí)具有很好的線性和負(fù)載調(diào)節(jié)特性。本方案采用 LM2596s-5.0，輸入端給入 11.1V~12.8V 電壓，輸出端輸出5V 電壓。該器件內(nèi)部集成頻率補(bǔ)償和固定頻率發(fā)生器，開關(guān)頻率為150KHz，與低頻開關(guān)調(diào)節(jié)器相比較，可以使用更小規(guī)格的濾波元件。由于該器件只需 4 個(gè)外接元件，可以使用通用的標(biāo)準(zhǔn)電感，這更優(yōu)化了 LM2596 的使用，極大地簡化了開關(guān)電源電路的設(shè)計(jì)。

2.2　避障傳感器及其輔助電路

　　本方案采用紅外測距傳感器來實(shí)現(xiàn)過程中的尋墻功能。紅外傳感器是一種集發(fā)射與接收于一體的光電傳感器。具有受可見光干擾小、價(jià)格便宜、易于配裝、使用方便的特點(diǎn)。檢測距離可以根據(jù)要求適度調(diào)節(jié)。

　　兩種紅外傳感器均在傳感器接收不到反射光時(shí)，輸出高電平；當(dāng)傳感器接收到反射光時(shí)，輸出低電平。通過前面五個(gè)、左邊兩個(gè)、右邊一個(gè)共八個(gè)傳感器的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)左右手法走迷宮、倒車、旋轉(zhuǎn)等功能。

2.3火焰?zhèn)鞲衅骷捌漭o助電路

　　該方案為實(shí)現(xiàn)探測火源的功能，采用 6 路火焰?zhèn)鞲衅鱽硖綔y房間內(nèi)的是否有火源。能夠探測火焰發(fā)出的波段范圍分別為 700—1100 nm的短波近紅外線 (SW-NIR)，通過電信號(hào)（電壓信號(hào)）進(jìn)行輸出。當(dāng)傳感器接收到火焰信息時(shí)，輸出電壓為 0.5~2.5V。通過給單片機(jī)的比較口的輸入信號(hào)電壓，即可實(shí)現(xiàn)測火。傳感器探測距離可達(dá) 2m，但受日光影響較大。通過信號(hào)燈的導(dǎo)通狀態(tài)，可觀察是否檢測到信號(hào)。

2.4灰度傳感器及其輔助電路

　　灰度傳感器的主要作用是探測房間門口處，終點(diǎn)處以及火焰圈處的白線。該方案采用的型號(hào)為：CK019 循跡傳感器。檢測距離為1~3cm。白線輸出高電平，黑線輸出低電平。

3.軟件設(shè)計(jì)

　　軟件設(shè)計(jì)方案是以上述硬件電路為基礎(chǔ)的，包括電機(jī)控制模塊、傳感器模塊的程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。程序設(shè)計(jì)采用 C 語言編寫，編程環(huán)境是集成 Keil C51 編譯器的集成編譯環(huán)境。滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)的軟件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖 2 所示。

圖 2　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框圖

4總結(jié)

　　本次的滅火機(jī)器人小車設(shè)計(jì)主要涉及驅(qū)動(dòng)模塊、避障模塊、灰度模塊、滅火模塊、單片機(jī)開發(fā)、程序設(shè)計(jì)等等。我們采用額定電壓為12V，轉(zhuǎn)速為 333rad/s 的電機(jī)，11.1V，25C 的電池，并在小車左右分別加了一個(gè)傳感器作為反饋調(diào)節(jié)消除誤差，設(shè)計(jì)出運(yùn)行穩(wěn)定的智能滅火機(jī)器人。

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