消防機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

常彥凱 喬安營 張兵強(qiáng)

摘 要： 在我國進(jìn)入21世紀(jì)的新時期，經(jīng)濟(jì)在快速發(fā)展，社會在不斷進(jìn)步，針對救援、破障、逃生、避難的目的，采用了大功率電動機(jī)驅(qū)動控制技術(shù)、視頻信號采集技術(shù)、無線通訊技術(shù)、無線視頻信號傳輸與處理技術(shù)、傳感器數(shù)據(jù)采集技術(shù)以及多自由度機(jī)械運動控制設(shè)計，火源搜尋與滅火等技術(shù)，實現(xiàn)了在出現(xiàn)嚴(yán)重危害公共安全的險情或重大災(zāi)難事故時，在無線遙控和自動控制下代替救援人員親臨險情或災(zāi)難現(xiàn)場，實時回傳惡劣環(huán)境的視頻圖像，并可以實行滅火，以及幫助救援人員獲取準(zhǔn)確的現(xiàn)場信息，最大限度的減少人民生命財產(chǎn)損失的目的。試驗證明：所研制系統(tǒng)的設(shè)計方案切實可行，為重大災(zāi)難狀況發(fā)生時的營救工作提供了一種可行的解決措施，系統(tǒng)產(chǎn)品化后將具有廣闊的市場前景。

關(guān)鍵詞： 機(jī)器人;救助系統(tǒng);智能消防;電機(jī)控制;視頻回傳

【中圖分類號】TP242 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.29.167

1 整體方案設(shè)計

消防機(jī)器人采用STC89C52單片機(jī)作為主要控制單元，該型單片機(jī)價格便宜、功能強(qiáng)大、性價比高，能夠滿足此次設(shè)計的要求。消防機(jī)器人通過紅外傳感器、光敏晶體管等器件來采集各類信息，送入主控單元單片機(jī)，處理數(shù)據(jù)后完成相應(yīng)動作，達(dá)到自身控制。其中尋找火源采用的是光敏晶體管感應(yīng)到火源，然后通過比較器輸出數(shù)字信號送至單片機(jī)進(jìn)行處理。避障用到的是紅外光電開關(guān)，光電開關(guān)發(fā)射紅外線當(dāng)前面有障礙時紅外線反射給接收管，接收管收到信號后通過比較器處理成數(shù)字信號給單片機(jī)判斷處理。紅外遙控行駛通過紅外遙控發(fā)射紅外編碼信號，由紅外接收頭接收送至單片機(jī)進(jìn)行解碼，然后可以根據(jù)所按的功能鍵實現(xiàn)行駛。液晶顯示用到的是1602LCD來進(jìn)行實時顯示工作狀態(tài)。該系統(tǒng)設(shè)計比較靈活，更重要的是采用軟件方法來解決復(fù)雜的硬件電路部分，使系統(tǒng)硬件簡潔化，各類功能易于實現(xiàn)，能很好地滿足要求。

2 消防機(jī)器人控制系統(tǒng)設(shè)計

2.1 軟件設(shè)計應(yīng)用環(huán)境簡介

（1）Target標(biāo)簽：當(dāng)單擊此標(biāo)簽，各個參數(shù)會有具體的設(shè)置要求，①Xtal（MHz）：單片機(jī)的工作頻率是一個默認(rèn)值，為24.0MHz。②UseOn-chipROM（0x0～0x1FFF）：FlashROM。單片機(jī)的EA引腳接高電平，則一定需要選中這個選項。③MemoryModel：變量存儲空間。（2）Output標(biāo)簽：①SelectFolderforObjects：當(dāng)對編譯進(jìn)行選擇后，就會知道目標(biāo)文件的存儲路徑。②NameofExecutable：設(shè)置生成的目標(biāo)文件的名字。③CreateExecutable：生成omf以及hex文件。④CreateHexFile：要生成hex文件一定要選中該選項。⑤CreateLibrary：生成lib庫文件。（3）C51標(biāo)簽：通過C51標(biāo)簽來設(shè)置C51編譯器的特別的工具選項。（4）A51標(biāo)簽是一種可以設(shè)置匯編器的一種特別的工具選項，例如：可以進(jìn)行宏處理和條件匯編等等。（5）BL51Locate標(biāo)簽是重定位器和連接器，能夠把分段代碼進(jìn)行功能連接，能夠組合多個或者單個模塊，形成MCS-51的執(zhí)行程序。這個連接器能夠處理數(shù)據(jù)，同時按需分配到固定的地址上，連接器可以根據(jù)實際情況，自動選擇運行庫，同時也能夠在目標(biāo)模塊輸入命令來連接連接器。（6）BL51Misc標(biāo)簽：Misc標(biāo)簽是對BL51Locate標(biāo)簽的補(bǔ)充設(shè)置。（7）Debug標(biāo)簽：該標(biāo)簽對μVision3的調(diào)試器進(jìn)行設(shè)置。（8）項目的編譯：當(dāng)此項目完成設(shè)置了，就能夠進(jìn)行編譯。即，在測試工具條上進(jìn)行點擊，在編譯項目中就能夠生成應(yīng)用。當(dāng)遇到語法錯誤的時候，標(biāo)簽頁可以顯示告警和錯誤信息。點擊這個錯誤警告信息就能夠定位到錯誤的地方，在對項目進(jìn)行編譯的時候，也同樣出現(xiàn)錯誤信息提示，點擊就會放置到錯誤處，非常容易找到。

2.2 抗干擾設(shè)計

由于工作現(xiàn)場具有嚴(yán)重的電磁干擾源，并且消防機(jī)器人有大功率變頻器，電機(jī)等電感性負(fù)載;另外，通訊線和動力電源電纜共用一根電纜，這些都會給PLC和上、下位機(jī)通訊的正常工作造成嚴(yán)重的電磁干擾。而且，消防機(jī)器人具有嚴(yán)格的防爆要求，整個消防機(jī)器人工作單元不得有任何接地。因此，在硬件設(shè)計中系統(tǒng)的抗電磁干擾設(shè)計是個非常重要的環(huán)節(jié)，設(shè)計不好將會使整個系統(tǒng)無法正常工作。下位機(jī)的所有數(shù)字量和模擬量輸入均采用電磁屏蔽和光電隔離技術(shù)，輸出采用繼電器控制。電機(jī)和變頻器跟PLC和擴(kuò)展模塊的距離大于0.5m。變頻器的輸入、輸出采用屏蔽線，單端接地。移動載體中的所有地通過一點與電纜中的地線相接，最后通過控制臺接地。電纜的動力線單獨屏蔽，與控制臺接地;通訊線采用屏蔽雙絞線，屏蔽線一端與控制臺接地，這樣能夠很好地抑制磁場干擾和電場干擾。

2.3 顯示模塊

本次設(shè)計的顯示模塊用到的是用LCD液晶進(jìn)行顯示。由于LCD顯示效果比較清晰，顯示的內(nèi)容豐富，信息量大，使用起來也方便并且能夠快速的顯示。對于此系統(tǒng)我們選用1602液晶能夠很好的滿足顯示要求。

2.4 單片機(jī)主控電路設(shè)計

單片機(jī)主控電路設(shè)計是以AT89S52為核心，外接紅外避障傳感器模塊、紅外火焰?zhèn)鞲衅髂K、L298N電機(jī)驅(qū)動模塊、三極管開關(guān)控制繼電器驅(qū)動風(fēng)扇滅火模塊、電源模塊等硬件電路。AT89S52工作在12MHz的頻率下，采用+5V的直流電源供電，根據(jù)單片機(jī)各個引腳功能，P0.0-P0.5為紅外火焰避障傳感器模塊和紅外火焰探測傳感器模塊，P0.6接自動和遙控切換模塊的開關(guān)。P2接L298驅(qū)動行進(jìn)電動機(jī)模塊和繼電器驅(qū)動風(fēng)扇滅火模塊。P1.0-P1.3接無線遙控信號模塊。S1為復(fù)位開關(guān)。

2.5 下位機(jī)

下位機(jī)主要由S7-CPU214、三個數(shù)字量輸出模塊EM222、一個模擬量輸入模塊EM231（輸入點數(shù)為3，模數(shù)轉(zhuǎn)換時間為25us），2個變頻器、探測傳感器，采樣控制模塊以及電源系統(tǒng)等組成。CPU214作為下位機(jī)的控制核心，主要是存儲和運行控制程序、與上位機(jī)以及擴(kuò)展模塊之間的通訊和控制左右驅(qū)動輪的速度。我們將變頻器的參數(shù)設(shè)定為4速模式，具有制動啟動和停車功能，防止在斜面上行進(jìn)時出現(xiàn)失控現(xiàn)象和頻繁緊急啟、停車對機(jī)械系統(tǒng)造成損壞。利用上位機(jī)發(fā)送的速度信號控制變頻器的頻率設(shè)定選擇實現(xiàn)移動載體的速度控制。DLKG模塊為多輸入三輸出模塊，由采樣控制模塊來控制選通傳感器輸入。因為EM231只具有3路A/D轉(zhuǎn)換，而需要采樣的傳感器信號有16路，因此要對這16路信號進(jìn)行循環(huán)采樣。

結(jié)語：消防機(jī)器人的智能尋火，是通過火焰?zhèn)鞲衅鲗鹧娴臋z測，將信號送給單片機(jī)處理，再將信號送給L298N電機(jī)驅(qū)動模塊使行進(jìn)電機(jī)做出相應(yīng)的動作。

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