馮國文，王 彬，王籽涵，劉世運(yùn)，黃健俊，徐天如，郭海港（山東科技大學(xué) 山東 青島 266590）

1 總體方案設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)采集模塊，主要由火焰采集模塊和避障模塊構(gòu)成，實(shí)現(xiàn)了滅火機(jī)器人的對(duì)各類參數(shù)的采集，是控制器核心部分。

（2）信息處理單元，用單片機(jī)作為信息處理單元，實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)的采樣及數(shù)據(jù)分析運(yùn)算，并發(fā)出控制指令。

（3）人機(jī)交互單元，由按鍵及顯示單元組成。按鍵實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互；顯示采用LCD1602 液晶模塊，可以提供豐富、直觀、友好的信息界面。

（4）控制模塊，控制模塊主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、滅火模塊等組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)及開啟風(fēng)扇滅火。

圖1 滅火機(jī)器人系統(tǒng)框圖

圖1 中，數(shù)據(jù)采集模塊對(duì)障礙物方位、火焰數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，并將數(shù)據(jù)送給MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。MCU根據(jù)接收的信息發(fā)出控制指令控制電機(jī)或風(fēng)扇工作，顯示單元可顯示當(dāng)前滅火的次數(shù)和行進(jìn)狀態(tài)。按鍵用于用戶啟動(dòng)滅火機(jī)器人。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 控制電路

由于我們?cè)谥悄苘嚋缁饡r(shí)所經(jīng)過的路徑是不確定的但同時(shí)又要求小車精準(zhǔn)的到達(dá)目的地，所以我們選用了直流減速電機(jī)。直流減速電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)機(jī)械扭矩比較大，而且體積小，重量輕，使用也方便。我們經(jīng)過對(duì)比后選擇的直流電機(jī)減速比為1:78，電機(jī)在減速后速度可達(dá)為350r/min。滅火智能車車輪我們采用的直徑為8cm，因此最大速度V=2r·v=2*3.14*0.04*300/60=0.942m/s，這個(gè)速度在測(cè)試時(shí)已經(jīng)足夠快；實(shí)現(xiàn)滅火工作的是采用3.3V空心杯電機(jī)驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇，試驗(yàn)所采用的火源為小蠟燭產(chǎn)生的火焰，火勢(shì)較小，空心杯電機(jī)產(chǎn)生的風(fēng)力足夠在幾秒內(nèi)滅火。

2.2 火焰測(cè)量電路

火焰測(cè)量電路是用來控制二極管檢測(cè)火源點(diǎn)的，該電路設(shè)計(jì)時(shí)采用紅外接收二極管，它的探測(cè)角度足夠大，為60度，能探測(cè)到光波長度在750納米～1000納米內(nèi)的紅外光，當(dāng)紅外光波長在880納米左右時(shí)，其靈敏度達(dá)到最大值。紅外接收二極管能夠?qū)⑼饨鐧z測(cè)到的紅外光的強(qiáng)弱變化轉(zhuǎn)化為電流的變化再通過測(cè)試電阻兩端的電壓數(shù)值的變化。外界紅外光越強(qiáng)，數(shù)值越??；紅外光越弱，數(shù)值越大。

2.3 避障模塊

本設(shè)計(jì)對(duì)障礙物的檢測(cè)采用E18-D50NK型號(hào)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(cè)，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)。該傳感器輸出信號(hào)為數(shù)字量，所以我們不需要進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，便可直接與stc15w4k系列芯片的I/O口相連，當(dāng)單片機(jī)檢測(cè)到障礙物時(shí)信號(hào)線輸出為低電平，正常時(shí)為高電平。

2.4 單片機(jī)系統(tǒng)

我們?cè)谶@里選用STC15W4K32S4單片機(jī)為核心，配合直流微型電機(jī)、電機(jī)接口電路，電壓調(diào)整電路，八路信號(hào)收發(fā)器，調(diào)試接口等電路組成系統(tǒng)板電路。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)主程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)語言有三種：機(jī)器語言、匯編語言和高級(jí)語言。本系統(tǒng)就選用了C語言來編制本設(shè)計(jì)的程序。使用C語言，大大減少程序的指令，可以快速地完成本設(shè)計(jì)的程序。滅火機(jī)器人的軟件部分可以分成主程序設(shè)計(jì)、尋火模塊、避障模塊、控制模塊等。

本設(shè)計(jì)軟件方框圖如圖2所示，小車初始化后主程序開始判斷是否有火源，若沒有火，小車直線行駛，進(jìn)行避障，繼續(xù)尋找火源；若有火就調(diào)用尋火程序模塊，找到火源并滅火。

圖2 滅火小車系統(tǒng)流程圖

3.2 尋火模塊的設(shè)計(jì)

單片機(jī)不斷讀火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘?hào),當(dāng)有火時(shí)，單片機(jī)判斷火源位置。當(dāng)左邊的兩個(gè)傳感器有信號(hào)時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)左轉(zhuǎn)；當(dāng)右邊的兩個(gè)傳感器有信號(hào)時(shí)，單片機(jī)控制直流電機(jī)右轉(zhuǎn)；當(dāng)中間的遠(yuǎn)紅外接收二極管有信號(hào)時(shí)，單片機(jī)控制電機(jī)直行；當(dāng)中間的近紅外接收二極管有信號(hào)時(shí)，主程序調(diào)用滅火模塊熄滅火焰。

3.3 避障模塊的設(shè)計(jì)

單片機(jī)采集紅外光電對(duì)管的信號(hào)，判斷障礙的位置。沒有障礙，小車就直行尋光。有障礙時(shí)，首先判斷前面有無火源，如果有火源就進(jìn)行避障，會(huì)影響滅火。在判定沒有火源時(shí)，（1）兩個(gè)傳感器都有信號(hào)，小車停止，后退之后右轉(zhuǎn)90°；（2）右邊傳感器有信號(hào)時(shí)，就停下來再左轉(zhuǎn)45°；（3）當(dāng)左邊傳感器有信號(hào)時(shí)，小車停下并右轉(zhuǎn)45°。

4 結(jié)語

我們?cè)陔娐钒搴附油赀M(jìn)行上電測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)電源指示燈沒有亮，然后聞到了燒焦味，穩(wěn)壓芯片用手一摸很燙，我們趕緊關(guān)掉電源。最后發(fā)現(xiàn)穩(wěn)壓芯片接反了。還有在避障傳感器調(diào)試的時(shí)候，發(fā)現(xiàn)只安裝一個(gè)避障傳感器時(shí)無法準(zhǔn)確判斷遇到的障礙物的方向，我用程序無法調(diào)試，所以就無法控制小車，后來經(jīng)過調(diào)試發(fā)現(xiàn)在小車車頭左右各裝一個(gè)傳感器就可以準(zhǔn)確的解決問題了。同時(shí)，在于各個(gè)高校的同學(xué)一塊比賽的過程中，我們也看到了與別人的差距，也更加激勵(lì)我們不要墨守成規(guī)，拘泥于課本的知識(shí)和方法，要積極開發(fā)創(chuàng)新能力，更大的進(jìn)步。