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1、 学科分类号 0712 本科生毕业论文(设计)题目（中文）： 灭火机器人的设计实现（硬件）（英文）： Design and Implementation of Fire Fighting Robot ( Hardware ) 学生姓名： 学号： 系别： 物理与信息工程系专业： 电子信息科学与技术指导教师： 起止日期： 2011.10.182012.5.18 2012年 5 月 18日怀化学院本科毕业论文（设计）诚信声明作者郑重声明：所呈交的本科毕业论文（设计），是在指导老师的指导下，独立进行研究所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，论文不含任何其他个人或集体已经发表
2、或撰写过的成果。对论文的研究做出重要贡献的个人和集体均已在文中以明确的方式标明。本声明的法律结果由作者承担。本科毕业论文（设计）作者签名：年 月 日目 录摘 要I关键词IAbstractIKey wordsI1 绪 论11.1 机器人产生的背景11.2 灭火机器人31.3 本文的主要内容42 系统设计及方案比较52.2 硬件实现方案52.2.1 MCU的选择52.2.2 电机选择72.3 传感器的选择82.3.1 火焰传感器的选择82.3.2 寻迹传感器的选择92.3.3 硬件总体设计方案112.4 软件总体设计方案112.4.1 软件设计思路112.4.2 软件开发平台介绍123 硬件单元电
3、路设计123.1 电源电路133.2 微控制器模块的设计133.2.1 STC89C52单片机介绍133.2.2 STC89C52单片机最小系统电路153.3 电机驱动电路的设计163.4 寻线电路的设计183.4.1 运放LM324193.4.2 红外对管ST188203.5 灭火驱动电路设计223.6 声音报警电路的设计233.7 火焰温度传感电路233.7.1 工作原理243.7.2 DS18B20的主要特性264 软件实现275 调试286 结论31参考文献32致 谢34附录A 主要程序35灭火机器人的设计实现（硬件）摘 要本设计主要就是针对灭火机器人的制作与研究，机器人以STC89C
4、52单片机为控制核心，加以电源电路、电机驱动、光电传感电路、温度传感电路、灭火风扇以及其他电路构成。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，红外对管完成寻迹，DS18B20温度传感器实现风扇对准火源，灭火风扇进行灭火。本设计制作的灭火机器人具有简易灭火功能，达到实现现场灭火的目的。关键词 机器人；灭火；电机驱动；传感器;硬件Design and Implementation of Fire Fighting Robot（Hardware）AbstractThis design is mainly for the production and research fire robot
5、, robot with STC89C52 SCM as control core and power circuit, motor drive, flame detection circuit, fan and other circuits. Special motor drive chip motor control of the robot, forward and backward and turned on the photoelectric complete tracing, Infra-red sensor detection flame, fire extinguishing
6、fan. The design of the fire extinguishing function, simple robot to achieve the goal.Key wordsrobot；extinguishing；motor driver；sensor；hardware1 绪 论1.1 机器人产生的背景机器人技术的发展，它应该说是一个科学技术发展共同的一个综合性的结果，同时也是为社会经济发展产生了一个重大影响的一门科学技术，它的发展归功于在第二次世界大战中，各国加强了经济的投入，就加强了本国的经济的发展。那么什么是机器人呢？人们一般的理解来看，机器人是具有一些类似人的功能的机械电
7、子装置，或者叫自动化装置，它仍然是个机器，它有三个特点，一个是有类人的功能，比如说作业功能，感知功能，行走功能；还能完成各种动作，它还有一个特点是根据人的编程能自动的工作，这里一个显著的特点，就是它可以编程，改变它的工作、动作的对象，和工作的一些要求，它是人造的机器或机械电子装置。但从完整的更为深远的机器人定义来看，应该更强调机器人智能，所以人们又提出来机器人的定义是能够感知环境，能够有学习、情感和对外界一种逻辑判断思维的这种机器。这给机器人提出了更高层次的要求，展望21世纪，机器人将是一个与20世纪计算机的普及一样，会深入地应用到各个领域，在21世纪的前20年是机器人从制造业走向非制造业的发
8、展一个重要时期，也是智能机器人发展的一个关键时期。那么总结一下，我们认为，机器人有三个发展阶段，那么也就是说，我们习惯于把机器人分成三类，一种是第一代机器人，那么也叫示教再现型机器人，它是通过一个计算机，来控制一个多自由度的一个机械，通过示教存储程序和信息，工作时把信息读取出来，然后发出指令，这样的话机器人可以重复的根据人当时示教的结果，再现出这种动作，比方说汽车的点焊机器人，它只要把这个点焊的过程示教完以后，它总是重复这样一种工作，它对于外界的环境没有感知，这个力操作力的太小，这个工件存在不存在，焊的好与坏，它并不知道，那么实际上这种第一代机器人，也就存在缺陷，因此，在20世纪70年代后期，
9、人们开始研究第二代机器人，叫带感觉的机器人，这种带感觉的机器人具有类似人在某种功能的感觉，比如说力觉、触觉、滑觉、视觉、听觉和人进行相类比，有了各种各样的感觉，比方说在机器人抓一个物体的时候，它实际上力的大小能感觉出来，它能够通过视觉，能够去感受和识别它的形状、大小、颜色。抓一个鸡蛋，它能通过一个触觉，知道它的力的大小和滑动的情况1。那么第三代机器人，也是我们机器人学中一个理想的所追求的最高级的阶段，叫智能机器人，那么只要告诉它做什么，不用告诉它怎么去做，它就能完成运动，感知思维和人机通讯的这种功能和机能，那么这个目前的发展还是相对的只是在局部有这种智能的概念和含义，但真正完整意义的智能机器人
10、实际上并没有存在，而只是随着我们不断的科学技术的发展，智能的概念越来越丰富，它内涵越来越宽。那么从三代机器人发展过程中，从另一个方面，我们对机器人从应用的角度进行了分类，比如说工业机器人，它包括点焊、弧焊、喷漆、搬运、码垛，在工业现场中工作的这种机器人，我们统称为工业机器人，那么从不同的应用中，到水下去作业的叫水下机器人，到空间作业的叫空间机器人，同时又存在农业、林业、牧业，还包括娱乐机器人，建筑和居室上用的机器人。1.2 灭火机器人近几十年中，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
11、的保证消防人员的安全，灭火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，使得灭火机器人应运而生。从二十世纪八十年代开始，世界许多国家都进行了灭火机器人的研究。美国和苏联最早进行灭火机器人的研究，而后日本、英国、法国等国家都纷纷开展了灭火机器人的研究，目前已有多种不同类型的灭火机器人用于各种火灾场合。 我国从八十年代末期开始灭火机器人的研究，公安部上海消防研究所等单位在灭火机器人的研究中取得了大量的成果，“自行式消防炮”已经投入市场，“履带轮式灭火侦察机器人”也于2000年6月通过了国家验收。但是，我国灭火机器人的研究还处在初级阶段，还有许多有待研究的问题。
12、比如，高层建筑发生火灾时，消防人员不可能在短时间内到达高处的火灾发生地点，在地下建筑中，由于环境比较潮湿，烟气不易扩散，消防人员不容易快速的判定火源位置；而在石化企业发生火灾时，将产生大量的毒气，消防人员在灭火时极易中毒。研制能够用于这些场合的侦察灭火机器人，协助消防人员进行火灾的定位和灭火，将有极大的社会意义。 基于人工智能的不断发展，各项高新技术的不断成熟，在可预见的将来，灭火机器人在功能上会更具多样特点，在较多危险区域可以完全代替消防员，避免消防员生命伤亡。同时也应该看到，我国在研究消防机器人方面较国外同行已落后太多，存在技术差异和代沟，消防机器人的不断研制、生产和装备过程，应坚持自主研
13、制为主，引进为辅，提高我国消防部队消防装备现代化的水平,并及时装备消防部队，提高消防部队打赢大仗、恶仗、硬仗和特殊战役的能力，提高消防部队在处置大型复杂火灾和应急救援的作战效能, 提高消防部队的自我防护能力,减少消防指战员的人身伤亡，更好地保卫我国经济发展。1.3 本文的主要内容本论文设计了以STC89C52单片机作为主控制器，DS18B20作为本系统的火焰传感器，用ST188型光对管进行寻迹，L298N作为直流电机的驱动芯片。所做工作和确定成果如下：1、以单片机STC89C52为核心拟定了系统的组成方案，完成了系统的电路硬件总体设计，包括供电模块、单片机最小系统、红外对管寻迹模块、电机驱动模
14、块、温度传感模块以及灭火系统和各个模块间的接口。2、完成主要功能模块的程序设计，分别完成对各个功能模块的程序进行调试工作。2 系统设计及方案比较根据课题设计的要求和课题目标，我制定了系统的设计方案，并通过比较论证，选择合适的器件。采用STC89C52单片机作为主控制器，用ST188型光对管进行寻迹，DS18B20作为火焰的温度传感器，L298N作为直流电机的驱动芯片的设计方案。根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、温度传感器模块、寻迹模块、灭火系统及其驱动模块构成，本系统的方框图如图2.1。图2.1 系统总体框图2.2 硬件实现方案2.2.1 MCU的选择近年来
15、，单片机的应用技术发展迅速，为智能装置的开发设计带来了很大的便利。但在开发设计中选择合适的的MCU带来了很大的困难。方案1：采用可编程逻辑器件CPLD作为控制器。CPLD可以实现各种复杂的逻辑功能、规模大、密度高、体积小、稳定性高、I/O资源丰富、易于进行功能扩展。采用并行的输入输出方式，提高了系统的处理速度，适合作为大规模控制系统的控制核心。但本系统不需要复杂的逻辑功能，对数据处理速度的要求也不是很高。且从使用及经济的角度考虑我放弃了此方案。方案2：采用凌阳公司的16位单片机，它是16位控制器，具有体积小、驱动能力高、集成度高、易扩展、可靠性高、功耗低、结构简单、中断处理能力强等特点。处理速
16、度高，尤其使用于语音处理和识别等领域。但是当凌阳单片应用语音处理和辨识时，由于其占用的CPU自源较多而使得凌阳单片机同时处理其他任务的速度和能力降低。本系统主要进行寻迹和火焰传感器检测以及电机控制，兼有声音报警。如果单纯的使用凌阳单片机，在语音播报的同时机器人的控制容易出现不稳定的情况。从系统的稳定和编程的间接性考虑，我放弃单纯使用凌阳单片机而考虑其他方案。方案3：采用Atmel公司的AT89S52单片机作为主控制器。AT89S52是一个低功耗，高性能的51内核的CMOS 8位单片机，片内含8K空间的可反复擦写1000次的Flash只读存储器，具有256bytes的随机存储数据存储器（RAM）
17、，32个I/O口，2个16位可编程定时计数器。且该系列的51单片机可以不用烧写器而直接用串口或并口就可以像单片机中下载程序但是考虑到本系统要进行火焰传感器的检测以及电机驱动控制、声音报警，但使用AT89S52可能在数据处理方面有一些不足。因此我不选择此方案。方案4：采用Atmel公司的STC89C52单片机作为主控制器。STC89C52单片机是宏晶科技推出的新一代告诉/低功耗超强抗干扰能力的单片机，指令代码完全兼容传统的8051单片机，12时钟机器周期和6时钟机器周期可以任意选择。片内含8K空间可反复擦写10000次的Flash只读存储器（RAM），32个I/O口，2个16位可编程定时计数器。
18、从方便使用和经济角度的考虑，我选择了方案42。2.2.2 电机选择本系统为智能机器人，对于机器人来说，其驱动电机的选择就显得十分重要。下面我分析了几种常见的电机。步进电机由于其转过的角度可以精确地定位，可以实现机器人前进的路程和位置的精确定位。虽然采用步进电机有诸多优点，步进电机的输出力矩较低，随转速的升高而下降，且在较高转速时会急剧下降，但其转速较低，不适用于机器人等有一定速度要求的系统。直流减速电机转动力矩大，体积小，重量轻，装配简单，使用方便。由于其内部由高速电动机提供原始动力，带动变速（减速）齿轮组，可以产生大扭力。舵机，顾名思义是控制舵面的电动机。舵机的出现最早是作为遥控模型控制舵面
19、、油门等机构的动力来源，但是由于舵机具有很多优秀的特性，在制作机器人时常能看到它的应用。舵机是一种位置可伺服的驱动器。驱动范围一般不能超过180度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中。比方说机器人的关节、飞机的舵面等。直流电机能够较好的满足系统的要求，控制方便，因此我选择了直流电机作为机器人行进驱动电机3。2.3 传感器的选择2.3.1 火焰传感器的选择火焰检测有紫外传感器、烟雾传感器、温度传感器、红外传感器以及CCD图像传感器和DS18B20温度传感器。我综合论证了这几种传感器，制定了如下几种方案。方案1：用烟雾传感器。烟雾传感器广泛应用与火警检测。但是由于此题目的火源是用蜡烛模
20、拟的，没有太大的烟雾，因此用烟雾传感器作为此小型机器人的火焰传感器也不够实用，因此我放弃了此方案。方案2：用紫外传感器检测火焰。紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统，尤其是一些易燃易爆场所，用来监测火焰的产生。紫外线火焰传感器的灵敏度高，反应速度快，抗干扰能力强，对明火特别敏感，能对火灾立即做出反应。但是紫外传感器检测的范围太大，不适用于本系统。方案3：用光敏电阻作为传感器。所谓光敏，就是对光反应敏感。光敏电阻在光照条件下电阻值随外界光照强弱（明暗）变化而变化的组件，光越强阻值越小，光越弱阻值越大。CDS光敏电阻，灵敏度高，反应速度快，光谱特性及值一致性好等特点外，在高温、多湿的恶劣环境下，仍
21、能保持其高度的稳定性和可靠性，广泛应用于光探测和光自控领域中。但自然光对光敏电阻影响较大，因此我没有采用此方案。方案4：用CCD图像传感器。用CCD图像传感器可以检测各种被检测量，适用于各种量的检测。但是用CCD图像传感器需要处理的信号量太大，且体积较大，不适合用于本系统。方案5：用DS18B20做温度传感器，DS18B20数字温度传感器接线方便，封装成后可应用于多种场合，如管道式，螺纹式，磁铁吸附式，不锈钢封装式，型号多种多样，有LTM8877，LTM8874等等。主要根据应用场合的不同而改变其外观。封装后的DS18B20可用于电缆沟测温，高炉水循环测温，锅炉测温，机房测温，农业大棚测温，洁
22、净室测温，弹药库测温等各种非极限温度场合。耐磨耐碰，体积小，使用方便，封装形式多样，适用于各种狭小空间设备数字测温和控制领域4。从经济和方便的角度考虑，我选择了方案5。2.3.2 寻迹传感器的选择方案1：用红外发射管和接收管自己制作红外对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收能接收到反射回的光线，则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我放弃了这个方案。方案2：用光敏电阻组成光敏探测器。光敏电阻的阻值可以跟随周围环境
23、光线的变化而变化。当光线照射到白线上面时，光线发射强烈，光线照射到黑线上面时，光线发射较弱。因此光敏电阻在白线和黑线上方时，阻值会发生明显的变化。将阻值的变化值经过比较器就可以输出高低电平。但是这种方案受光照影响很大，不能够稳定的工作。因此我们考虑其他更加稳定的方案。方案3：用ST188型红外对管。ST188为反射取样式红外线对管作为核心传感器件。它采用高发射功率红外光电二极管和高灵敏度光电晶体管组成，以非接触检测方式，检测距离可调整范围大，4-13mm可用。ST188的硬件示意图和工作特性曲线如图2.3。当发光二极管发出的光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳
24、定5。因此我选择了方案3。 (a)ST188示意图 （b）ST188特性表图2.3 ST188的示意图和特性曲线2.3.3 硬件总体设计方案经过反复比较论证，我最终确定了如下方案：1、手工制作模拟机器人。2、采用STC89C52单片机作为主控制器。3、用ST188型光对管进行寻迹。4、DS18B20作为本系统的火焰传感器。5、L298作为直流电机的驱动芯片。6、使用蜂鸣器进行灭火报警。2.4 软件总体设计方案2.4.1 软件设计思路DS18B20把测得的温度传递给单片机，单片机经过处理之后，比较得出温度最高的地方，然后调整机器人的方向，将安置在上面的风扇对准火源，然后驱动风扇灭火。2.4.2
25、软件开发平台介绍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 805
26、1开发工具套件，以工程的形式组织各种文件，工程开发周期与任何其他软件开发工程的周期大致相同。Vision2 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，Vision2 IDE环境包括菜单、工具条、编辑及显示多种窗口。Vision2 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。3 硬件单元电路设计这里主要讲述了以STC89C52为主要控制器，设计相关的硬件电路。主要硬件电路有：寻迹与控制电路、电机驱动模块、温度传感电路、灭火风扇驱动
27、电路以及声音报警电路。3.1 电源电路STC89C52需要5V的正电源供电，而电机需要用到7V的电源，这里我是用两块手机电池，容量都在1000mA/h以上，之所以要这么大的容量是为了保证机器人有足够的电量走完全程并完成灭火6。电源电路如图3.1。图3.1 电源电路3.2 微控制器模块的设计3.2.1 STC89C52单片机介绍STC89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有 8K 在系统可编程Flash 存储器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash，使得STC89C52为众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、超有效的解决方案。具有以下标准功能： 8k字节Fla
28、sh，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，三个16 位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口。另外 STC89X52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。最高运作频率35MHZ，6T/12T可选。其硬件图如图3.2。图3.2 STC89C52引脚图具体引脚介绍如下：主电源引脚(2根)VCC(Pin40)：电源输入，接+5
29、V电源GND(Pin20):接地线外接晶振引脚(2根)XTAL1(Pin19):片内震荡电路的输入端XTAL2(Pin18):片内震荡电路的输出端控制引脚(4根)RST/VPP(Pin9):复位电路，引脚上出现2个机器周期的高电平将使单片机复位ALE/PROG(Pin30)：地址锁存允许信号PSEN(Pin29)：外部存储器读选通信号EA/VPP(Pin31):程序存储器的内外部选通，接低电平从外部程序存储器读指令，如果接高电平则从内部程序存储器读指令。可编程输入/输出引脚(32根)STC89C52单片机油4组8位的可编程I/O口，分别是P0、P1、P2、P3口，每个口有8位(8根引脚)，共3
30、2根。P0口(Pin32-Pin39):8位双向I/O口线，名称为P0.0-P0.7P1口(Pin1-Pin8)：8位准双向I/O口线，名称为P1.0-P1.7P2口(Pin21-Pin28)：8位准双向I/O口线，名称为P2.0-P2.7P3口(Pin10-Pin17)：8位准双向I/O口线，名称为P3.0-P3.73.2.2 STC89C52单片机最小系统电路STC89C52单片机最小系统电路如图3.3。主要包括复位电路、晶振电路、以及各种滤波电容。图3.3 单片机最小系统3.3 电机驱动电路的设计L298N有Mutiatt和PowerSO20两种不同封装，在本设计中我采用的是第一种封装，
31、其管脚部分图如图3.4。图3.4 L298N引脚示意图用L298N芯片作为电机驱动，操作方便，稳定性好，性能优良，稳定好。L298N是SGS公司的产品，是一个具有高电压大电流的全桥驱动芯片，内部包含二个H桥的高电压大电流桥式驱动器，接收标准TTL逻辑电平信号，可驱动46伏、2安培以下的电机，工作温度范围从25度到130度。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。其内部的H桥原理图如图3.4所示。ENA是控制使能端，控制OUT l和OUT2之间电机的停转， IN1、IN2脚接入控制电平，控制OUT l和OUT2之间电机的转向。当使能端ENA有效，IN1为低电平
32、IN2为高电平时，三极管2，3导通，1，4截止，电机反转；IN1为高电平IN2为低电平时，三极管2,3截止，1,4导通，电机正转；当IN1和IN2电平相同时，电机停转7。图3.4 L298N内部H桥原理图如表3-1是L298使能引脚、输入引脚和输出引脚之间的逻辑关系。表3-1 L298N各引脚逻辑关系EnAIN1IN2电机转向HHL正转HLH反转H同IN2同IN1停止LXX停止在实际应用中，我所用到的L298N控制电机电路图如图3.5。图3.5 L298控制电机电路图用L298N可以同时驱动两个直流电机的。引脚6，9可用于PWM控制。如果机器人项目只要求直行前进，则可将5，10和7，12两对引
33、脚分别接高电平和低电平，仅用单片机的两个端口给出PWM信号控制6，11即可实现直行、转弯、加减速等动作。ENA,IN1,IN2的输入信号与电机的转动情况在表3-1中已经列出，ENB，IN3,IN4的输入信号与电机的转动情况和ENA,IN1,IN2的输入信号一致，通过单片机输入信号就可以实现对电机正反转、前进以及停止的控制。另外在直流电机的两端并联一个瓷片电容104，以稳定电机的电压不致对单片机造成干扰，实际使用的效果也不错，省掉了通过光耦隔离TPL521实现单片机输出信号与电机驱动信号隔离的环节，节约了成本。D1D8为二级管IN4007，它能保护电路中的其他器件因突然断线的反向电流过大而被烧坏
34、，即起到续流保护的作用8。3.4 寻线电路的设计3.4.1 运放LM324在实际设计中我并没有使用ADC而是直接用LM324四运放集成芯片，加以红外对管ST188，对采集到的信号进行放大直接传输给单片机处理。LM324四运放放大器是内含4个特性近似相同的高增益、内补偿放大器的单电源（也可以是双电源）运算放大器。芯片可以在+5V或双电源15V下工作，功耗低。每个运放静态功耗约0.8mA，但驱动电流可达40mA。LM324采用14脚双列直插塑料封装9。LM324特性参数如下所述。双电源工作电压：515V。单电源工作范围：330V DC。电压增益：l00dB。单位增益带宽：1MHz。输入失调电压：2
35、mV(最大值7mV)。输入偏置电压：2.05.0mV。输入偏置电流：50150nA。输入失调电流：550nA。放大器间隔离度：-120dB （f0为120kHz）。共模抑制比：典型值为80dB。LM324引脚图如图3.6。图3.6 LM324引脚图3.4.2 红外对管ST188红外对管的在本设计中的实际应用电路如图3.8所示。之所以在这里选择了10K这么大的电阻是为了提高输出信号的灵敏度，在这里，由于红外对管反馈回来的信号很小，这个电阻主要是起一个上拉的作用，能将这个反馈回来的微弱信号转化一个稍强的信号送至LM324的输入端口与基准电压进行比较，从而得出正确的逻辑电平10。图3.8 红外对管典
36、型应用电路ST188的内部电路图如图3.9。图3.9 ST188内部电路图当没有物体反射红外线时，ce之间截止，无电流流过，输出电压为电源电压，高电平。当有物体反射红外线时，be饱和导通ce也就导通了，输出端就相当于接地。输出电压为低电平。将这些高低电平信号输入至单片机的I/O口就可以实现对小车前进方向的控制。在理论上我们是把5V的电压判别为高电平1,0V判别为低电平0，但是在实际应用中，不能做到这么精确，为了在实际应用中，做到正确的区分高低电平，在这里，特别做如下区分：0-1.5V判为0；2-3V为判决门限；3.5-5V判为1；1.5-2V和3-3.5V为保险区，这也被称为“电路中的和谐设计
37、”。当出现错误的时候，我们可以加入奇偶纠错电路，当电压超出保险区域，也可以采用纠错电路。机器人位置示意图如图3.10。寻线的原理如下：若机器人在运动时，机器人中轴线位于地面引导线上，位置状态010，使机器人前进；若机器人中轴线位于地面引导线的左侧，位置状态100，使机器人右转；若机器人中轴线位于地面引导线的右侧，位置状态001，使机器人左转11。图3.10 机器人位置示意图从上面的分析可得：在寻线时，选用3只反射式红外传感器就可以实现机器人沿给定线路行走。3只对管摆成一条直线，中间的始终对准黑线，两遍的对准旁边的白线，当出现偏差时，反馈到单片机I/O口的电平将出现跳变，然后通过软件进行调整机器
38、人到正确的行进位置。3.5 灭火驱动电路设计本设计中的火源，我是用蜡烛代替的，另外，采用电机驱动一个小风扇进行灭火。电机为直流电机，这是因为这样的电机转速较快，从而能驱动风扇较快转动，在较短的时间内把模拟火源熄灭。具体电路如图3.11。图3.11 灭火驱动电路当检测到的温度为预定设定的温度时，通过软件控制，给给定的单片机I/O高电平，从而驱动风扇转动，达到灭火的目的12。3.6 声音报警电路的设计设计一个报警电路，是在小车检测到火源开始灭火的时候，便启动报警系统，蜂鸣器持续发出蜂鸣声，直至灭火结束。具体的电路如图3.12。图3.12报警驱动电路控制FM电平高低的单片机I/O口是P2.3，未开始
39、灭火的时候，FM始终保持低电平，三极管截止，蜂鸣器不工作；开始灭火的时候，给FM接上高电平，三极管9013导通，从而驱动蜂鸣器发声，蜂鸣器开始工作，灭火结束后，立即将I/O口P2.3置为低电平，蜂鸣器停止报警13。3.7 火焰温度传感电路机器人寻迹到终点的时候，先停止。这个时候，关键就需要把机器人上的风扇对准火源，才能启动风扇灭火。在这里，用到的温度传感器是DS18B20，它能很好的感应温度高的地方。机器人在到达终点后，不断的调整机器人的位置，找到一个温度的最高点，然后调整机器人的位置，将机器人上的风扇对准火源，最后，启动安装在机器人前面的风扇灭火。DS18B20与单片机接口的具体电路图如图3
40、.13。图3.13 DS18B20温度传感电路在这个电路图中可以看出，DS18B20和单片机的连接非常简单，单片机只需要一个I/O口就可以控制DS18B20。DS18B20的工作原理及主要特性特性如下所述14。3.7.1 工作原理硬件电路接好以后，单片机需要怎样工作才能将DS18B20中的温度数据读取出来呢？下面给出详细的分析。首先来看它的一些指令：33H，读ROM。读DS18B20温度传感器ROM中的编码（即64位地址）。55H，匹配ROM。发出此命令之后，接着发出64位ROM编码，访问单总线上与该编码相对应的DS18B20并使之做出响应，为下一步对该DS18B20的读/写做准备。F0H，搜
41、索ROM。用于确定挂接在同一总线上DS18B20的个数，识别64位ROM地址，为操作各器件做好准备。CCH，跳过ROM。忽略64位ROM地址，直接向18B20发温度变换命令，适用于一个从机工作。ECH，告警搜索命令。执行后只有温度超过设定值上限或下限的芯片才能做出响应。44H，温度转换。启动DS18B20进行温度转换，12位转换时最长为750ms（9位为93.75ms）。结果存入内部9字节的RAM中。BEH，读暂存器。读内部RAM中9个字节的数据。4EH，写暂存器。发出向内部RAM的第2,3字节写上、下限温度数据命令，紧跟该命令之后，是传送两字节的数据。48H，复制暂存器。将RAM中第2,3字
42、节的内容复制到E2PROM中。B8H，重调E2PROM。将E2PROM中内容恢复到RAM中的第3,4字节。DS18B20在出厂时默认配置设置为12位，其中最高位为符号位，即温度值共有11位，单片机在读取数据时，一次会读2字节共16位，读完后将低11位的二进制数转化为十进制数后再乘以0.0625便为所测的实际温度值。另外，还需要判断温度的正负。前5个数字为符号位，这5位同时变化，所以我们只需要判断11位即可。前5位为1时，读取的温度为负值，且测到的数值需要取反加1再乘以0.0625才可得到实际温度值。前5位为0时，读取的温度为正值，且温度为正值时，只要将测得的数值乘以0.0625即可得到实际温度
43、值。3.7.2 DS18B20的主要特性适应电压范围宽，电压范围：3.0V5.5V，在寄生电源方式下可由数据线供电；独特的单线接口方式，DS18B20在于微处理器连接时仅需要一条接口线即可实现微处理器与DS18B20的双向通讯；DS18B20支持多点组网功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，实现组网多点测温；DS18B20在使用时不需要任何外围元件，全部传感元件及转换电路集成在形如一只三极管的集成电路内；温度范围-55+125，在-1085时的精度为0.5；可编程的分辨率为912位，对应的分辨温度分别为0.5、0.25、0.125、0.0625，可实现高精度测温；在9位分辨率时最多在
44、93.75ms内把温度转换为数字，12位分辨率时最多在750ms内把温度值转换为数字，速度更快；测量结果直接输出数字温度信号，以“一线总线”串行传送给CPU，同时可传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力；负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作15。4 软件实现4.1 软件设计流程图软件流程图如图4.1。具体操作过程是，机器人在一定的范围内，按照给定的线路前进。前进线路是由黏在白色平面内的黑色胶带给定。中间的红外对管对准黑线，两边的红外对管对准白线，当偏离给定位置后，通过软件控制，调整机器人的位置，到达终点后，首先，机器人停止，然后寻找火源，找到火源后，将机器人机身上
45、的风扇对准火源，进行灭火，程序运行至此结束，机器人也停止16。5 调试 经过整体整体的硬件方案设计，我制作出来的硬件电路图如图5.1a和图5.1b。图5.1a单片机核心控制部分 这部分电路主要包括单片机的最小系统和电源输入模块以及蜂鸣器报警、DS18B20温度传感器模块、风扇电机驱动模块、与单片机40个管脚连接的排针几个部分，之所以在单片机的40个管脚都连上排针就可以通过杜邦线直接连接各个单片机的I/O口与直流电机的输入I/O口，方便控制。图5.1b电机驱动模块本部分是电机驱动的核心部分，J9为六个排针，通过连接这六个排针到单片机的I/O口，就可以通过软件来控制电机的正转与反转了。根据上述原理
46、图，我最后制成的硬件实物如图5.2。 a 整体俯视图 b 硬件俯视图 c 左侧视图 d 右侧视图图5.2 硬件总体实物图在调试的过程中，最开始，由于硬件制作过程的疏忽，电机驱动芯片的一个接地的管脚忘记接上，导致把8V的电机驱动电压一接上去就被拉低到1V左右，输出只有0.6V左右，这根本就无法驱动电机。首先我以为是电机驱动模块的续流二极管由于接反而被烧坏或者是滤波电容被击穿，所以我把这些元件都换了，结果还是原来一样。接着我检查了各点的导通性以及是否有短路的点，但是电路连接正常。后来，我仔细看了原理图才发现，我在给电路板覆铜的时候，选择的是覆地，而L298N有三个管脚是要接地的，覆地之后，有一个管脚被覆成了死区铜，没有和外界的地连接到一起，这才导致了电平被拉17。在解决了上述问题后，机器人的前进、后退、左转、右转等基本功能便得到了实现。然后就是解决寻迹。在焊接好红外对管实现寻迹的相关元件，上电后，我首先在静态模式下旋转10K精密可调电位器，将比较电平调好，在有光线反射回来（对管对着白纸）的情况下，输出为高电平，无光线反射（对管对着黑纸）的时候为低电平。刚开始，我以为是错的，以为对管对着白线的话，光被反射回来，应该输出为低电平，而对着黑线的时候，光被吸收，输出为高电平，后
