基于52系列单片机的轮式机器人开发研究的论文

上海龙凤1314 shlf　　摘要：本文设计的是一款基于52系列单片机的轮式机器人, 以89S52单片机为机器人控制核心, 以红外传感器和光电传感器为传感器对火苗与障碍进行检测, 以直流减速电机作为机器人移动手段, 并通过喷水方式作为灭火手段, 以实现轮式机器人能够自动避障、自动寻找火源并实施灭火的功能。本文可以作为轮式灭火机器人制作与实现的理论参考。

　　关键词：单片机; 传感器; 轮式机器人; 灭火机器人;

　　随着科学技术的不断发展, 机器人在工业生产和日常生活中应用越来越广泛。轮式驱动的机器人作为比较常见的形式之一, 属于移动机器人的一类, 具有运动效率高、稳定性强、可搭载性强、可扩展性强等一系列优点, 在AGV、救援机器人、探测机器人等领域有着广泛的实践。在未来的机器人发展过程中, 移动机器人将拥有广阔的应用前景。本文设计的一款以单片机作为控制核心, 能够实现对某小型火场进行火源自动寻找和自动灭火的功能。

　　1 机器人整体结构设计

　　轮式灭火机器人以89S52为控制核心, 在寻找火源的过程中以光电传感器实现避障, 同时通过红外传感器实现对火源的探测, 当发现火源后, 采用喷水系统作为灭火手段, 以实现精准定位火场、高效实施灭火的功能。单片机作为常用的系统控制核心, 具有体积小、成本低、可扩展性强、编程简便等特点, 适用于小型电子系统的开发与应用, 故本系统选择单片机为系统控制核心。火光中包含红外线, 故选用红外传感器作为火焰的检测手段。在机器人移动中, 会遇到障碍, 选择光电传感器对障碍物进行检测, 当检测到障碍时将信号传送至单片机后, 由单片机发出指令实现机器人的避障。

　　如图1所示为轮式灭火机器人整体结构框图。系统前向通道包含2类传感器, 即红外传感器和光电开关传感器;后向通道包含2类执行器, 分别是灭火系统执行器和直流减速电机。本系统中, 运动功能是轮式机器人的关键功能之一, 只有首先实现轮式机器人的运动功能, 才能在此基础上实现检测、避障和灭火等功能。本设计选用双减速电机作为轮式机器人的驱动方式。减速电机具有扭矩大的特点, 在执行灭火和避障任务时具有一定的优势。

　　图1 轮式灭火机器人系统整体框图

　　2 硬件电路设计

上海龙凤1314 shlf　　2.1 多路电源电路设计

　　系统多路电源模块的功能是为轮式机器人中各个系统提供稳压电源:光电开关传感器供电电压为+5V;红外传感器供电电压为+5V;最小系统供电电压为+5V;直流电机驱动供电电压为+24V;小型喷水灭火系统供电电压为+24V。轮式机器人选用额定电压为24V、容量为10000m Ah的锂电池作为系统供电电源。

　　综上可知, 本系统的供电电压基本分为两类, 即+24V和+5V。+24V供电部分采用锂电池直接供电, 其额定电压为+24V, 充满电量后电压小于+26V, 满足直流电机驱动和小型喷水灭火系统供电电压范围的要求, 因此本部分不再做稳压电路设计。而+5V电路选用稳压电路实现, 其电路原理图如图2所示。

上海龙凤1314 shlf　　其中, 稳压模块选择三端稳压模块LM7805, 该模块成本较低, 输入电压大于+7.5V即可稳压输出+5V电压, 输出电流可达1A, 功率5W, 足够为传感器和控制核心提供可靠稳定的电压输出。C1选用25V/1000μF电容;C2选用16V/1000μF电容, 以防止负载突变时提供临时电源输出;C3和C4电容是防止三端稳压芯片自激振荡。D1是电源指示LED, 选用红色。通过该设计电路可以实现将额定电压为24V的锂电池输入电压稳压为+5V, 为传感器和控制核心供电。

　　图2 直流稳压电源电路

上海龙凤1314 shlf　　2.2 系统整体电路接线设计

　　如图3所示为轮式灭火机器人系统整体电路图, 其中, U3是系统控制核心AT89S52单片机, 电路设计中包含其按钮复位电路和晶体振荡器电路, 以构成最小系统电路;A1-A4位4个光电开关传感器, 作用是分布于轮式灭火机器人四周, 以达到检测障碍物的目的;A5和A6是红外传感器, 目的是检测环境内的火源;U4和U5是两个电机驱动, 控制电机部分分别与U6和U7两个电机进行接线;U8是灭火系统装置, 该装置内部集成控制继电器等元件, 与单片机I/O口直接接线, 采用数字量控制, 具有控制方便的特点, 在使用时, 只需单片机发出低电平控制指令, 即进行喷水作业, 反之单片机给出高电平指令, 停止喷水作业。

　　3 软件程序设计

　　3.1 PWM调速部分软件设计

　　本系统中的2个电机驱动模块采用PWM调速形式实现控制, PWM即脉冲宽度调制信号, 具有调速稳定的特点。轮式机器人电机驱动部分, 采用PWM调速, 可以合理控制其运行节奏, 控制电机速度时主要以采用占空比进行调节, 占空比与输出电压成正比, 即0%占空比对应速度0, 即0V电压;100%占空比对应全速, 即24V电压。在设计PWM软件程序过程中, 本设计采用定时中断法, 以单片机的'I/O口为信号输出端。电机控制频率1k Hz, 定时中断设置0.1ms。定时中断初始化程序, 这里不赘述;PWM核心程序语句中, pwm_i是中断计数变量, IO_ZUO和IO_YOU是机器人两侧电机的占空比输出变量。具体程序如下:

上海龙凤1314 shlf　　3.2 系统主程序流程设计

　　图4所示为轮式灭火机器人主程序流程图。将机器人防止在灭火区域内, 然后将系统上电, 完成系统初始化工作, 包括定时中断初始化、传感器自检、灭火系统自检和驱动自检等。自检完毕后发出自检结束信号, 随后自动运行至活在区域内, 开始巡航搜索火源。在搜索过程中, 当轮式机器人四周的光电传感器检测到有障碍物时, 轮式机器人选择合理避障。在遇到疑似火源后, 轮式机器人在保持自身安全的距离内, 将对准火源, 执行灭火指令, 直至该处火源成功消灭。当完成一处火源灭火后, 继续进行巡航并搜索火源, 直至将整个区域内的火源消灭。

　　图3 轮式灭火机器人系统整体电路图

　　图4 主程序流程图

　　3.3 巡航路径规划

上海龙凤1314 shlf　　在未知区域内进行灭火时, 由于地势情况复杂、火源位置未知, 为了提高灭火效率, 必须进行合理的路巡航径规划, 达到以最短时间内消灭所有火源的目的。本设计路径规划的方法是:通过行走距离的测算和光电传感器检测的反馈, 对每次行走的位置进行记录和分析, 在下一次运行时, 避免走过无火患路线, 从而提高运行效率。

　　4 结语

上海龙凤1314 shlf　　本文设计了一款以单片机为控制核心的轮式灭火机器人, 通过系统整体方案设计、硬件电路设计和软件程序设计, 阐述了轮式灭火机器人基本功能的设计和实现方法, 初步实现了机器人的运动功能、对障碍物的检测识别功能、对火源的检测识别功能和灭火功能。在今后的实践过程中, 为了完善机器人功能, 可以加入若干传感器 (如摄像头传感器) , 从而丰富机器人的检测手段, 提高灭火效率。同时加入位置传感器和SD卡记录模块, 通过wifi模块和手持仪器进行通信, 从而绘制出火场情况, 传输火场图像, 丰富救援手段。可见, 轮式灭火机器人在未来的发展中, 将具有更广阔的发展空间和应用价值。

　　参考文献

　　[1]李小燕, 陈帝伊, 马孝义.智能灭火机器人的设计与实现[J].电子设计工程, 2010, 3.

　　[2]柏龙灏, 柏硌, 赵刚要.智能灭火机器人的设计与实现方法研究[J].合肥学院学报 (自然科学版) , 2015, 10.

　　[3]林小杰, 吴凡.灭火机器人竞赛中火焰搜索路径的设计与实现[J].浙江树人大学学报 (自然科学版) , 2014, 3.

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