簡易滅火機器人設計

李鳳強

德州職業技術學院 253034

簡易滅火機器人設計

李鳳強

德州職業技術學院 253034

本設計以AVR單片機為核心，通過傳感器的檢測使滅火機器人自動調整自身位置，自動完成沿軌跡行駛尋找火源，并將其撲滅，模擬滅火現場。本系統采用ATmega48作為控制核心，CPU產生的PWM脈沖波形觸發H橋的功率元件，實現對電機的斬波調速，從而實現對直流電機高、低速運行的切換。

滅火機器人； AVR；直流電機；光電傳感器

引言

近年來，隨著石化等基礎工業的飛速發展，在生產過程中的易燃易爆和劇毒化學制品的使用急劇增長，由于設備和管理方面的原因，導致化學危險品和放射性物質泄漏、燃燒爆炸的事故增多。消防機器人作為特種消防設備可代替消防隊員接近火場實施有效的滅火救援、化學檢驗和火場偵察。它的應用將提高消防部隊撲滅特大惡性火災的實戰能力，對減少國家財產損失和滅火救援人員的傷亡將產生重要的作用。

1 設計要求

制作一個由計算機程序控制的機器人，在一間模擬平面結構的房間里運動，找到一根燃燒的蠟燭并盡快將它撲滅。

滅火要求: 機器人不能運用任何破壞性的或危險的方法來撲滅蠟燭火焰。它可以運用類似水、空氣等物質,或者使用機械方式，但是禁止使用任何危險的或可能破壞滅火現場的方法或物質。比如，不能通過燃放爆竹產生沖擊來使蠟燭熄滅，也不能通過碰倒蠟燭而使蠟燭熄滅。

2 機器人的機械結構

圖1 機器人基本結構

機器人的結構包括執行機構、傳感器、控制部分及信息處理部分組成。小型機器人為了考慮其穩定性及轉向的靈活性，通常其機械結構主要設計以輪式為主，常見有以上四種結構，每種結構有各自的特點，根據本設計的要求，在有軌道的房間里運行，應該選擇車體較長, 旋轉半徑較大的第一種驅動方式，易于尋找軌道。

圖2 火源探測傳感器

3 機器人采用的傳感器

本設計所使用的傳感器主要有兩種，一種是反射式光電傳感器，它主要被用于機器人在尋找火源過程中躲避障礙物。這一類傳感器比較常見不過多介紹。本設計中要用到的另一種傳感器是火源探測傳感器，它最主要的元件是用到光敏二極管。根據光敏二極管的特性，自行設計了一種火源探測傳感器，電路如圖2所示，當沒有強光照射時Q2的電流很小，Q1的基極電位很低，三極管處于截止狀態，輸出2腳為高電平；當發現火源時，傳感器有強光照射使少數載流子的密度增加，Q2的電流增大，從而使三極管的基極電位抬高，三極管處于飽和導通狀態，輸出2腳為底電平，信號傳遞給單片機。調節R4可以改變傳感器的靈敏度。

圖3 Atmega48的引腳排列

4 機器人的執行器

本設計的主要執行裝置采用的是電機，根據不同的控制要求電機可以分很多種，有直流電機、步進電動機、舵機、伺服電動機等等。各種不同的電機有各自不同的控制方式，和工作特性。本設計的執行器主要包括機器人的行進系統和滅火裝置，底盤驅動需要控制簡單方便，價格便宜，對控制精度沒有過高要求，所以可選擇小型直流電動機，額定電壓DC9V，額定轉速200r/ min。該滅火機器人的滅火機構設計采用一個離心水泵，所以同樣選擇一個直流電動機即可。

5 機器人的控制器

控制器是機器人的“大腦”，是機器人的核心部分，其主要功能有：①機器人行動的規劃，使機器人有序的工作；②了解工作環境，采集和存儲工作現場的信息，并進行火災情況的判斷和分析；③與外界進行信息的交互。

針對本設計選擇控制器的問題，綜合比較了51單片機與AVR單片機，由于AVR單片機具有編程靈活，使用C語言編程更容易，并自帶PWM功能，支持ISP功能，而且中斷源比較多。相比較而言51單片機抗干擾性能差，需要外圍電路復雜，沒有自帶的PWM和AD功能，而且中斷源少。綜合這些特點及本設計的控制要求和設計思路，最終選擇AVR單片機ATmega48作為控制器。

5.1 ATmega48單片機的引腳排列及各管腳功能介紹

5.1.1 信號引腳介紹：

如圖3所示。

★輸入/輸出口線

I/O口線：ATmega48單片機有3組I/O接口，即PB口、PC口和PD口。其中，PB口（PB0～PB7）和PD口（PD0～PD7）為8位I/O口，PC口（PC0～PC6）為7位I/O口。

★AGND 模擬/數字轉換器的電源地

★AVCC 模擬/數字轉換器的電源

★AREF 模擬/數字轉換器的參考電源輸入端

★VCC 電源

★GND 電源地

5.1.2 編程軟件介紹

ICCAVR 是一種使用符合ANSI 標準的C語言來開發微控制器MCU程序的一個工具，它有以下幾個主要特點：ICCAVR 是一個綜合了編輯器和工程管理器的集成工作環境IDE，可在WINDOWS9X/NT 下工作。

5.2 電機控制電路設計

本設計采取PWM調速控制電動機轉速，采用Mega48的16位定時計數器1來產生PWM波形，相位與頻率修正PWM 模式，可以產生高精度的、相位與頻率都準確的PWM波形。

本電路采用H型驅動電路改變電機電樞電壓的極性，實現電機的正反轉，用單片機產生的PWM脈沖波形觸發H橋的功率元件，實現對電機的斬波調速。如圖4所示：A路PWM從PB1輸出接L298的IN1，同時經反向器接IN2；B路從PB2輸出接L298的IN3，同時經反向器接IN4。L298的輸出OUT1、OUT2接一個電機，OUT3、OUT4接一個直流電機，PWM波經L298放大后驅動電機進行調速。

圖4 直流電機驅動電路

圖5 H橋工作原理圖

L298里面有兩組H橋，可以驅動兩個小型直流電動機。如圖5所示每一組H橋有四個三極管，當輸入為高電平時，T1、T4導通，電流流向如圖中實線所示，假設電機為正轉；當輸入為低電平時，T2、T3導通，電流流向為虛線所示這時電機反轉。那么在一個周期內的直流平均功率為正，則電機正轉，直流平均功率為負，則電機反轉。比如說：80%占空比時，電機正轉；20%占空比時電機反轉；50%占空比時電機停轉。

6 小結

本設計采用性價比較高的AVR單片機ATmega48作為控制器，設計了一款簡易的滅火機器人模型。本設計的滅火機器人還存在一定的技術問題，機器人的活動范圍受到局限，反應不靈敏以及干擾問題。在探測火源以及滅火方式還有很大的完善空間。而且，一種滅火機器人不可能適用于不同的建筑場合。因此，必須研究不同建筑結構特殊性，有針對性的研制相應的滅火機器人，以使滅火機器人發揮最大的作用。

[1] 林以敏編著.機器人制作.機械工業出版社,2010.7

[2]黃任編著.AVR單片機與CPLD/FPGA綜合應用入門.北京航空航天大學出版社,2004.8

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.076