基于單片機(jī)的智能消防機(jī)器人的設(shè)計(jì)

石巧婷 喬安營 張兵強(qiáng)

摘 要： 科技在不斷發(fā)展，社會(huì)在不斷進(jìn)步，遙控消防車，是無人員投入火災(zāi)現(xiàn)場必備的終端設(shè)備，使用時(shí)，以STC89C52系列單片機(jī)為控制核心設(shè)計(jì)搖控系統(tǒng)的發(fā)射器與接收器。搖控器由單片機(jī)、手機(jī)app和NRF24L01模塊等組成。手機(jī)app分別設(shè)置車的前進(jìn)和后退、左轉(zhuǎn)和右轉(zhuǎn)、啟動(dòng)滅火，控制水槍高度左右。搖控器通過NRF24L01發(fā)射出去，接收器接收后，辨別發(fā)射傳輸?shù)男畔?，對車發(fā)出命令進(jìn)行滅火。

關(guān)鍵詞： 單片機(jī);智能;消防機(jī)器人;設(shè)計(jì)

【中圖分類號】TP242 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.188

1 系統(tǒng)概述

本文根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的要求，設(shè)計(jì)出一種車體靈巧、操作便捷、人機(jī)互動(dòng)性優(yōu)越的智能消防機(jī)器人。機(jī)器人采用STM32F407芯片作為主芯片以滿足多功能任務(wù)處理。機(jī)器人外接溫度、氣體、水壓和超聲波等傳感器以及陀螺儀，用來采集火場周圍及車體姿態(tài)的相關(guān)數(shù)據(jù)，控制傳輸采用最新的433MHz數(shù)字通信模塊。在車體內(nèi)部安裝前、后、高清、熱成像4路攝像機(jī)進(jìn)行視頻顯示切換和傳輸，采用7寸分辨率1080×1024高清高亮HDMI接口顯示，無線圖傳使用了高清（HDMI）圖傳模塊，使4路攝像在后臺遙控器上清晰顯示并能實(shí)時(shí)錄制。車體設(shè)計(jì)自噴淋系統(tǒng)，可以在工作時(shí)自行降溫，保護(hù)車體內(nèi)部零件不受損壞。消防機(jī)器人由車體、人機(jī)互動(dòng)界面、感知系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、傳感器檢測系統(tǒng)和上、下位通信系統(tǒng)組成。操作人員通過人機(jī)互動(dòng)界面來根據(jù)火災(zāi)現(xiàn)場情況做出相應(yīng)的操作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)軟件簡介

KeilC51中的V8.Xx擁有很厲害的軟件、硬件仿真功能，可以進(jìn)行C語言、匯編和混合編程等，堪稱最優(yōu)的C語言開發(fā)工具和最優(yōu)的編制51單片機(jī)語言。所以，在此環(huán)境下可以開發(fā)此設(shè)計(jì)。創(chuàng)建項(xiàng)目階段：要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)新項(xiàng)目，就可以執(zhí)行菜單命令，例如：[Project]|[NewμVisionProject]等。在創(chuàng)建的過程中，可以單獨(dú)新建一個(gè)文件夾，標(biāo)注文件夾的名字，此外，在創(chuàng)建新項(xiàng)目之前，還需要給新項(xiàng)目選擇一個(gè)CPU。當(dāng)項(xiàng)目被命名后，就會(huì)彈出對話框，然后就能夠明確數(shù)據(jù)庫，用戶根據(jù)提示就能夠選擇MCU了。當(dāng)選擇AT89S52后，在界面最右邊就會(huì)出現(xiàn)單片機(jī)的情況說明，如果需要就可以單擊按鈕[確定]。此外，還能夠根據(jù)需要添加配置啟動(dòng)的代碼，啟動(dòng)目標(biāo)代碼，可以在project中加入此文件。項(xiàng)目設(shè)置階段：μVision3可以為用戶設(shè)置目標(biāo)硬件選項(xiàng)，打開工具條圖標(biāo)，或者點(diǎn)擊Files標(biāo)簽頁中的Target1，點(diǎn)擊命令按鈕[OptionsforTarge1]。各鍵對應(yīng)功能如下：C51是指的是C51編譯器的特別工具選項(xiàng);A51是特殊的工具選項(xiàng)，主要是用于設(shè)置匯編器;Listing指的是Keil輸出的文件列表等等。

2.2 滅火電路設(shè)計(jì)

電路由1個(gè)NPN三極管8050，保護(hù)二極管，電阻和6V的繼電器組成，J2為插針，J1連接滅火風(fēng)扇。Net15連接到單片機(jī)的P2.7腳，P2.7初始賦值為低電平，當(dāng)單片機(jī)輸出低電平信號時(shí)，三極管不導(dǎo)通，抽水電機(jī)不工作;當(dāng)單片機(jī)給高電平信號時(shí)，三極管導(dǎo)通，繼電器線圈吸合，常開觸點(diǎn)閉合，9V電源導(dǎo)通，給電機(jī)供9V電壓，風(fēng)扇滅火。當(dāng)火撲滅以后，單片機(jī)重新給回低電平信號，線圈斷開，常開觸點(diǎn)斷開。

2.3 消防動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)

消防動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)主要是為機(jī)器人提供整車的動(dòng)力。該系統(tǒng)采用四個(gè)獨(dú)立的直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人的運(yùn)行。直流電機(jī)加上合適的程序后，可以實(shí)現(xiàn)較為合適的速度，并利用遙控控制機(jī)器人的運(yùn)行。在車架底部設(shè)置了四個(gè)電機(jī)分別控制四個(gè)車輪的轉(zhuǎn)速，利用差速原理來實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎、避讓。針對不同的地形，還可以采用不同的驅(qū)動(dòng)輪。

2.4 調(diào)試過程與分析

在本次設(shè)計(jì)過程中，由于使用的是宏晶的STC89C52RC芯片，這個(gè)系列的程序下載只需通過MAX232下載接口就可以。使得本次設(shè)計(jì)中硬件仿真變的就比較簡單，因?yàn)橛辛擞布抡婀ぞ呔涂梢噪S時(shí)修改程序，通過一步一步的調(diào)試來達(dá)到最后的目的，同時(shí)尤其學(xué)會(huì)了分部調(diào)試的思想，這就使得當(dāng)遇到問題時(shí)不會(huì)覺得無從下手，不會(huì)覺得那么迷茫，使調(diào)試變得比較有條理。在對斷路、短路進(jìn)行檢查的基礎(chǔ)上，硬件電路不存在這種情況，可以把電源進(jìn)行接通，然后對各塊的電壓進(jìn)行測試，看是否正常，以及單片機(jī)晶振是否起振，只有晶振正常起振單片機(jī)才能工作，通過檢測，上述情況均正常。在實(shí)際電路調(diào)試過程中，由于沒有深入的了解24l01的收發(fā)機(jī)制，導(dǎo)致第一次試驗(yàn)接收器，經(jīng)常接受到亂碼，系統(tǒng)不能正常工作。在查閱相關(guān)資料和優(yōu)化代碼后，以多次檢測接受數(shù)據(jù)的方法，成功解決了該問題。

2.5 避障模塊

本系統(tǒng)對障礙物的檢測采用E18-D50NK型號的紅外傳感器，E18-D50NK傳感器是一種紅外線反射式接近開關(guān)傳感器，用于物體的反射式檢測，該傳感器具有體積小，功耗低，應(yīng)用方便，穩(wěn)定可靠等優(yōu)點(diǎn)。輸出信號為數(shù)字量，不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，可直接與單片機(jī)的I/O口相連，檢測到目標(biāo)時(shí)信號線輸出是低電平，正常狀態(tài)時(shí)為高電平，為能讓單片機(jī)正常檢測，在信號輸出端需外接一個(gè)1KΩ的上拉電阻。檢測距離可達(dá)50cm，距離可通過可調(diào)電位器調(diào)節(jié)。E18-D50NK紅外光電開關(guān)發(fā)射出紅外線，被物體阻斷或部分反射，E18-D50NK內(nèi)部紅外接收管接收到反射回來的紅外線，然后有一個(gè)由高到低的電壓變化，E18-D50NK內(nèi)部電壓比較器根據(jù)這個(gè)電壓的變化輸出數(shù)電信號給單片機(jī)處理。當(dāng)有光線反射回來時(shí)E18-D50NK信號腳輸出低電平。

2.6 檢測模塊

檢測模塊主要為障礙檢測模塊和火源檢測模塊，通過小車裝有的Wi-Fi攝像頭實(shí)現(xiàn)。攝像頭可與手機(jī)相連實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，且具有紅外線夜間拍攝的功能，必要時(shí)可進(jìn)行人工干預(yù)。此外，在Wi-Fi條件下利用自己設(shè)計(jì)的APP控制攝像頭實(shí)現(xiàn)360°旋轉(zhuǎn)，無死角監(jiān)控、遠(yuǎn)程傳輸畫面、采集信息。

結(jié)語：隨著工業(yè)技術(shù)的不斷進(jìn)步，不斷的涌現(xiàn)出各種機(jī)器人。消防機(jī)器人的種類也越來越多，功能越來越齊全。本文中設(shè)計(jì)的消防機(jī)器人在組裝測試后，整個(gè)系統(tǒng)方案切實(shí)可行，方便可靠，易于操作，希望能夠在一定程度上幫助到消防員完成滅火任務(wù)?？萍荚诓粩嗟剡M(jìn)步，期望在不久的將來可以研發(fā)出安全高效的消防機(jī)器人來代替消防員進(jìn)行危險(xiǎn)的滅火任務(wù)，降低消防員的危險(xiǎn)系數(shù)使消防員不再是一個(gè)高危的職業(yè)。

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