基于52系列單片機的輪式機器人開發研究的論文

　　摘要：本文設計的是一款基于52系列單片機的輪式機器人, 以89S52單片機為機器人控制核心, 以紅外傳感器和光電傳感器為傳感器對火苗與障礙進行檢測, 以直流減速電機作為機器人移動手段, 并通過噴水方式作為滅火手段, 以實現輪式機器人能夠自動避障、自動尋找火源并實施滅火的功能。本文可以作為輪式滅火機器人制作與實現的理論參考。

　　關鍵詞：單片機; 傳感器; 輪式機器人; 滅火機器人;

　　隨著科學技術的不斷發展, 機器人在工業生產和日常生活中應用越來越廣泛。輪式驅動的機器人作為比較常見的形式之一, 屬于移動機器人的一類, 具有運動效率高、穩定性強、可搭載性強、可擴展性強等一系列優點, 在AGV、救援機器人、探測機器人等領域有著廣泛的實踐。在未來的機器人發展過程中, 移動機器人將擁有廣闊的應用前景。本文設計的一款以單片機作為控制核心, 能夠實現對某小型火場進行火源自動尋找和自動滅火的功能。

　　1 機器人整體結構設計

　　輪式滅火機器人以89S52為控制核心, 在尋找火源的過程中以光電傳感器實現避障, 同時通過紅外傳感器實現對火源的探測, 當發現火源后, 采用噴水系統作為滅火手段, 以實現精準定位火場、高效實施滅火的功能。單片機作為常用的系統控制核心, 具有體積小、成本低、可擴展性強、編程簡便等特點, 適用于小型電子系統的開發與應用, 故本系統選擇單片機為系統控制核心。火光中包含紅外線, 故選用紅外傳感器作為火焰的檢測手段。在機器人移動中, 會遇到障礙, 選擇光電傳感器對障礙物進行檢測, 當檢測到障礙時將信號傳送至單片機后, 由單片機發出指令實現機器人的避障。

　　如圖1所示為輪式滅火機器人整體結構框圖。系統前向通道包含2類傳感器, 即紅外傳感器和光電開關傳感器;后向通道包含2類執行器, 分別是滅火系統執行器和直流減速電機。本系統中, 運動功能是輪式機器人的關鍵功能之一, 只有首先實現輪式機器人的運動功能, 才能在此基礎上實現檢測、避障和滅火等功能。本設計選用雙減速電機作為輪式機器人的驅動方式。減速電機具有扭矩大的特點, 在執行滅火和避障任務時具有一定的優勢。

　　圖1 輪式滅火機器人系統整體框圖

　　2 硬件電路設計

　　2.1 多路電源電路設計

　　系統多路電源模塊的功能是為輪式機器人中各個系統提供穩壓電源:光電開關傳感器供電電壓為+5V;紅外傳感器供電電壓為+5V;最小系統供電電壓為+5V;直流電機驅動供電電壓為+24V;小型噴水滅火系統供電電壓為+24V。輪式機器人選用額定電壓為24V、容量為10000m Ah的鋰電池作為系統供電電源。

　　綜上可知, 本系統的供電電壓基本分為兩類, 即+24V和+5V。+24V供電部分采用鋰電池直接供電, 其額定電壓為+24V, 充滿電量后電壓小于+26V, 滿足直流電機驅動和小型噴水滅火系統供電電壓范圍的要求, 因此本部分不再做穩壓電路設計。而+5V電路選用穩壓電路實現, 其電路原理圖如圖2所示。

　　其中, 穩壓模塊選擇三端穩壓模塊LM7805, 該模塊成本較低, 輸入電壓大于+7.5V即可穩壓輸出+5V電壓, 輸出電流可達1A, 功率5W, 足夠為傳感器和控制核心提供可靠穩定的電壓輸出。C1選用25V/1000μF電容;C2選用16V/1000μF電容, 以防止負載突變時提供臨時電源輸出;C3和C4電容是防止三端穩壓芯片自激振蕩。D1是電源指示LED, 選用紅色。通過該設計電路可以實現將額定電壓為24V的鋰電池輸入電壓穩壓為+5V, 為傳感器和控制核心供電。

　　圖2 直流穩壓電源電路

　　2.2 系統整體電路接線設計

　　如圖3所示為輪式滅火機器人系統整體電路圖, 其中, U3是系統控制核心AT89S52單片機, 電路設計中包含其按鈕復位電路和晶體振蕩器電路, 以構成最小系統電路;A1-A4位4個光電開關傳感器, 作用是分布于輪式滅火機器人四周, 以達到檢測障礙物的目的;A5和A6是紅外傳感器, 目的是檢測環境內的火源;U4和U5是兩個電機驅動, 控制電機部分分別與U6和U7兩個電機進行接線;U8是滅火系統裝置, 該裝置內部集成控制繼電器等元件, 與單片機I/O口直接接線, 采用數字量控制, 具有控制方便的特點, 在使用時, 只需單片機發出低電平控制指令, 即進行噴水作業, 反之單片機給出高電平指令, 停止噴水作業。

　　3 軟件程序設計

　　3.1 PWM調速部分軟件設計

　　本系統中的2個電機驅動模塊采用PWM調速形式實現控制, PWM即脈沖寬度調制信號, 具有調速穩定的特點。輪式機器人電機驅動部分, 采用PWM調速, 可以合理控制其運行節奏, 控制電機速度時主要以采用占空比進行調節, 占空比與輸出電壓成正比, 即0%占空比對應速度0, 即0V電壓;100%占空比對應全速, 即24V電壓。在設計PWM軟件程序過程中, 本設計采用定時中斷法, 以單片機的I/O口為信號輸出端。電機控制頻率1k Hz, 定時中斷設置0.1ms。定時中斷初始化程序, 這里不贅述;PWM核心程序語句中, pwm_i是中斷計數變量, IO_ZUO和IO_YOU是機器人兩側電機的占空比輸出變量。具體程序如下:

　　3.2 系統主程序流程設計

　　圖4所示為輪式滅火機器人主程序流程圖。將機器人防止在滅火區域內, 然后將系統上電, 完成系統初始化工作, 包括定時中斷初始化、傳感器自檢、滅火系統自檢和驅動自檢等。自檢完畢后發出自檢結束信號, 隨后自動運行至活在區域內, 開始巡航搜索火源。在搜索過程中, 當輪式機器人四周的光電傳感器檢測到有障礙物時, 輪式機器人選擇合理避障。在遇到疑似火源后, 輪式機器人在保持自身安全的距離內, 將對準火源, 執行滅火指令, 直至該處火源成功消滅。當完成一處火源滅火后, 繼續進行巡航并搜索火源, 直至將整個區域內的火源消滅。

　　圖3 輪式滅火機器人系統整體電路圖

　　圖4 主程序流程圖

　　3.3 巡航路徑規劃

　　在未知區域內進行滅火時, 由于地勢情況復雜、火源位置未知, 為了提高滅火效率, 必須進行合理的路巡航徑規劃, 達到以最短時間內消滅所有火源的目的。本設計路徑規劃的方法是:通過行走距離的測算和光電傳感器檢測的反饋, 對每次行走的位置進行記錄和分析, 在下一次運行時, 避免走過無火患路線, 從而提高運行效率。

　　4 結語

　　本文設計了一款以單片機為控制核心的輪式滅火機器人, 通過系統整體方案設計、硬件電路設計和軟件程序設計, 闡述了輪式滅火機器人基本功能的設計和實現方法, 初步實現了機器人的運動功能、對障礙物的檢測識別功能、對火源的檢測識別功能和滅火功能。在今后的實踐過程中, 為了完善機器人功能, 可以加入若干傳感器 (如攝像頭傳感器) , 從而豐富機器人的檢測手段, 提高滅火效率。同時加入位置傳感器和SD卡記錄模塊, 通過wifi模塊和手持儀器進行通信, 從而繪制出火場情況, 傳輸火場圖像, 豐富救援手段。可見, 輪式滅火機器人在未來的發展中, 將具有更廣闊的發展空間和應用價值。

　　參考文獻

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