基于 ST M32 的智能滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

楊　斌，劉思美（山東科技大學(xué)　電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院　自動(dòng)化系，山東　青島　266590）

基于 ST M32 的智能滅火機(jī)器人設(shè)計(jì)方案

楊斌，劉思美
（山東科技大學(xué)電氣與自動(dòng)化工程學(xué)院自動(dòng)化系，山東青島266590）

本系統(tǒng)以stm32微控制器為核心控制單元，以安裝在車體兩側(cè)紅外傳感器來(lái)循跡，通過(guò)聲音傳感器啟動(dòng)，使用火焰?zhèn)鞲衅鱽?lái)檢測(cè)火焰，以溫度傳感器檢測(cè)與火源的距離，并用風(fēng)扇來(lái)滅火。車身主要以相隔30度的五個(gè)紅外傳感器來(lái)調(diào)整車身的角度，實(shí)現(xiàn)了對(duì)運(yùn)動(dòng)方向的控制，進(jìn)而躲避障礙物，實(shí)現(xiàn)了在規(guī)定區(qū)域能自主搜索火源并實(shí)施滅火的功效。

stm32；傳感器；滅火機(jī)器人

1　系統(tǒng)整體方案設(shè)計(jì)

智能滅火機(jī)器人在聲音或人工啟動(dòng)后，左右兩側(cè)的電機(jī)被驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，小車在前進(jìn)的過(guò)程中，通過(guò)兩側(cè)夾角固定紅外傳感器，來(lái)調(diào)整兩輪的轉(zhuǎn)速，是車體達(dá)到前行方向，前行過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否有火源存在，若火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)到有火源時(shí)，向火源靠攏，當(dāng)與貨源達(dá)到一定距離時(shí)，溫度傳感器接收到信號(hào)，在單片機(jī)處理下使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，直至火源被滅才停止旋轉(zhuǎn)，然后繼續(xù)尋找下一火源。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖1。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在綜合考慮工作受地面摩擦、機(jī)器人慣性、機(jī)器人電機(jī)的轉(zhuǎn)數(shù)差、齒輪箱與輪子的摩擦、電壓變化等多個(gè)因素影響后，為了方便小車在前進(jìn)過(guò)程中，能夠直線前進(jìn)，且沒(méi)有左右較大的晃動(dòng)，而且能夠平穩(wěn)轉(zhuǎn)彎，我們采用圓形車體，兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，前后各安裝一個(gè)萬(wàn)向輪。

車體主要由電路板，車底盤(pán)，風(fēng)扇架，車輪等構(gòu)成，為了更加節(jié)省車體空間，我們?cè)谠O(shè)計(jì)電路板時(shí)，將穩(wěn)壓芯片，電機(jī)驅(qū)動(dòng)，stm32芯片都焊接在一塊板子上，使整個(gè)車體看起來(lái)更整潔更美觀。在車體前方安裝5個(gè)紅外傳感器，并且距中心紅外各岔開(kāi)30度，將兩個(gè)傳感器放在車盤(pán)后面，距中心岔開(kāi)60度。這樣能夠使探測(cè)的范圍更大，有利于對(duì)墻壁的探測(cè)。紅外的距離大概8cm，經(jīng)過(guò)檢測(cè)，這樣車體能夠最快修正，更加平穩(wěn)。電池放于車底盤(pán)下面，將車的重心降低，更有利于車體穩(wěn)定。將風(fēng)扇提高能夠略高于火源，而溫度傳感器與火焰?zhèn)鞲衅饕话闩c火源同等高度，風(fēng)扇要有大概10度的向下傾角，這樣就能保證最大范圍的滅火。

2.2電源管理模塊設(shè)計(jì)

電源管理模塊包括穩(wěn)壓模塊與驅(qū)動(dòng)模塊。由于單片機(jī)及所有的傳感器系統(tǒng)供電采用的是5V的電源，而車體要良好的運(yùn)行電機(jī)的供電電壓應(yīng)該達(dá)到12V，所以在電源的處理上采用了穩(wěn)壓芯片，LM2596來(lái)穩(wěn)5V，以供傳感器使用，電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊使用直流12V，使用一款MC34063升壓芯片。由于傳感器數(shù)量較多，尤其紅外傳感器所消耗的電流較大，這便是我們使用LM2596的原因。

電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片我們采用的是LR7843，電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路為一個(gè)由分立元件制作的直流電動(dòng)機(jī)可逆雙極型橋式驅(qū)動(dòng)器，其功率元件由4片N 溝道功率MOS 管組成，額定工作電流可以輕易達(dá)到100A 以上，大大提高了電動(dòng)機(jī)的工作轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速。該驅(qū)動(dòng)器主要由以下部分組成：功率MOS 管柵極驅(qū)動(dòng)電路、IR2104驅(qū)動(dòng)芯片、74HC08D與門(mén)芯片等。

2.3傳感器模塊設(shè)計(jì)

紅外傳感器采用E18-D80NK，傳感器具有探測(cè)距離遠(yuǎn)、受可見(jiàn)光干擾小、價(jià)格便宜、易于裝配、使用方便等特點(diǎn)。紅外發(fā)射管發(fā)射出經(jīng)過(guò)調(diào)制過(guò)的38KHZ的紅外光，當(dāng)前方?jīng)]有障礙物時(shí)，接收器收不到紅外光，相反當(dāng)前方有障礙物時(shí)，接受器可以收到紅外光。根據(jù)此原理，機(jī)器人可以感知前方的路況從而決定是否前行。聲音傳感器是固定頻率聲控的，內(nèi)部含有鑒頻器，可以對(duì)固定頻率音頻信號(hào)識(shí)別；放大器對(duì)麥克風(fēng)的聲音進(jìn)行100倍放大，并從接口插針輸出，可以精密多圈電位器調(diào)節(jié)頻率。這樣我們就可以更加準(zhǔn)確的控制小車，不至于在雜音下啟動(dòng)。溫度傳感器采用的是DS18B20測(cè)溫模塊，其板載DS18B20芯片，同時(shí)留有3P圓孔座，方便插拔DS18B20芯片，芯片引腳已經(jīng)全部引出，內(nèi)置上拉電阻，方便使用，價(jià)格便宜，能夠精確檢測(cè)與火源距離，使小車實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化。火焰?zhèn)鞲衅髋c風(fēng)扇模塊選材，滿足需求即可，但其位置有較為嚴(yán)格要求，火焰?zhèn)鞲衅髯詈檬褂?路，分布原理與紅外傳感器分布原理相似，方便在檢測(cè)火源后校正角度。風(fēng)扇最好選用大功率空心杯等，能夠保證足夠的風(fēng)力滅火，使用繼電器控制其開(kāi)關(guān)。

3　軟件設(shè)計(jì)

程序的開(kāi)發(fā)是在Keil開(kāi)發(fā)環(huán)境下進(jìn)行的，包括源程序的編寫(xiě)、編譯和鏈接，并最終生成可執(zhí)行文件。軟件設(shè)計(jì)部分包括系統(tǒng)初始化、數(shù)據(jù)采集與處理、電機(jī)控制、滅火等部分。

在小車接收到信號(hào)啟動(dòng)后，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是否有火源存在，在紅外傳感器沒(méi)有檢測(cè)到物體時(shí)，小車則向兩邊斜向靠攏，以便貼近障礙物行駛。若檢測(cè)到火源，根據(jù)火焰?zhèn)鞲衅鱽?lái)判別火源的方向，并逐漸向火源靠攏，靠近過(guò)程中及時(shí)修正車體方向，在距火源達(dá)到一定距離后，溫度傳感器接收到信號(hào)，通過(guò)單片機(jī)控制繼電開(kāi)通，促使風(fēng)扇轉(zhuǎn)動(dòng)，直至檢測(cè)不到火源時(shí)風(fēng)扇停止。為防止火復(fù)燃，需小車在原地靜定幾秒鐘，確定無(wú)火源時(shí)再離開(kāi)，繼續(xù)尋找下一火源。

4　結(jié)論

順應(yīng)于現(xiàn)代滅火技術(shù)的理念，基于stm32核心處理器，合理搭建小車機(jī)械結(jié)構(gòu)，使用紅外傳感器避障，聲音傳感器啟動(dòng)，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測(cè)火源，溫度傳感器控制與火源距離，用風(fēng)扇滅火，我們?cè)O(shè)計(jì)出一種運(yùn)行穩(wěn)定，價(jià)格低廉，可靠且可行的全自動(dòng)智能滅火機(jī)器人。

［1］（美）麥庫(kù)姆.小型智能機(jī)器人制作全攻略［M］.（第4版）北京：人民郵電出版社，2013（06）.

［2］蔡自興等編.機(jī)器人學(xué)基礎(chǔ)［M］.（第2版）北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2015（03）.

［3］劉火良，楊森編.STM32庫(kù)開(kāi)發(fā)實(shí)戰(zhàn)指南［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2013（06）.

10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.10.127

楊斌（1993-），男，河南盧氏人，本科。