基于STC89C52的循迹避障灭火机器人

论文总字数：32997字

目 录

1 绪论 1

1.1 课题开发背景 1

1.2 研究现状 1

1.3 课题研究意义 2

1.4 课题研究内容 2

2 系统基本原理与方案设计 3

2.1 基本原理 3

2.2 中央处理模块设计方案 3

2.3 避障模块设计方案 4

2.4 火焰检测模块设计方案 6

2.5 灭火模块设计方案 8

3 系统硬件设计 9

3.1 单片机系统 9

3.1.1 单片机STC89C52 9

3.1.2 STC89C52单片机最小系统 10

3.2 电机驱动模块 11

3.3 避障模块 14

3.4 火焰检测模块 15

3.5 循迹模块 16

3.6 电源模块 18

3.7 灭火模块 19

4 软件设计 20

4.1 开发环境 20

4.2 程序介绍 20

4.3 流程图 21

5 系统调试 24

5.1 实物介绍 24

5.2 存在的问题 27

6 总结与展望 27

6.1 总结 28

6.2 展望 28

参考文献 29

致谢 30

附录1：整体电路图 31

附录2：源程序 32

基于STC89C52的循迹避障灭火小车

吴沛达

,China

Abstract:This project has designed a smart vehicle which can track and follow the black line, avoid the obstacles and extinguish the fire. The whole system consists of a microprocessor, infrared obstacle avoidance sensors, flame sensors, infrared tracking sensors, power module, motor drive module, direct current machine, fire extinguishing module and so on. The obstacle avoidance sensor can detect the obstacles in front of the smart vehicle to realize the obstacle avoidance function. The infrared tracking sensor detects the black line signal and then sends the signal to the system to follow the black line. The infrared flame sensors are used to detect whether there is a fire source in the room. When the fire source is detected, the vehicle will stop immediately and give signals to the micro-controller to start fans to extinguish the fire in front of the vehicle. In addition, there is an infrared remote controller to individually control the direction of the vehicle.

Key words:STC89C52; tracking module; infrared obstacle avoidance; infrared remote control

1 绪论

1.1 课题开发背景

随着人工智能的快速发展以及计算机网络的更新换代和技术的提升，当今智能小车、智能机器人的研究已经进入到了一个全新的领域，不再是以往对行走方面的要求，更是在操作控制等方面的要求逐步提高。目前，随着研究的逐步深入，对于智能移动机器人的行进路线、自主判断、主动避障等方面的要求也在逐步提高，同时这也成为了当今国内外面临的一项严峻的挑战。如今，因为单片机是一种高度集成的芯片，并且其控制性能强、易扩展、功耗低等，所以已经被普遍应用于众多领域，例如在灾情救援领域、工业生产领域、国防安全领域等，均需要通过单片机和微控制器实现智能化操作和控制。

智能小车是一种融合了多种先进操作程序，可以通过传感器实现智能化工作的一种机器人。它能够通过内部传感器探测外界环境，收集各类信息，并将信号传送到单片机内进行分析处理工作，从而实现在复杂环境下的高难度复杂运动。智能小车不仅为人们提供了稳定的生活秩序，还可以为人们提供复杂环境下更准确的信息以及代替人们实现危险地区的排查搜救等工作。

1.2 研究现状

国外研究概况：国外对于智能机器人领域的研究大约始于60年代末，随后斯坦福研究院（SRI）研制出一台可以自主移动的智能机器人，其代号为Shakey^[1]。而在消防救援领域，国外又相继出现了Brokk-50型消防破拆型机器人、陆虎60消防型机器人、格拉曼MP60消防型机器人等智能机器人^[2]。

其中，德国施密玆公司的陆虎60消防型机器人，能够在地下黑暗狭小空间进行灭火救援工作。除了保留有陆虎60原有的功能，格拉曼MP60消防型机器人也有相应的拓展，可以实现破拆障碍物、内部环境的图像采集工作、对周边环境的侦查检测工作、无线反馈信息等功能^[2]。

国内研究概况：我国智能小车、智能机器人技术方面的项目开展研究仅仅始于上世纪80年代。尽管我国在智能机器人方面研究的开始进程晚于国外，并且必须承认仍然存在一些关键技术上的差距，但是不得不承认，最近十几年里，我国智能机器人的研究已经实现了质的飞跃，不仅在数量质量上有了很大的提升，而且我国研究院已经掌握了许多尖端的关键技术，这些将确保我国智能机器人的研究发展会开始一个崭新的里程。

例如我国上海消防研究所开发制造出的机器人，其代号为JMX-LT50/LD50，它是我国首台消防类型的机器人。这台机器人常常又被称为“六轮机器人”，它的爬坡性能强劲，适用于复杂地形的勘察工作，并且操作非常简单，只需要通过遥控即可进入到火灾现场进行灭火、救援等工作^[3]。与此同时消防人员可以通过使用无线遥控器来控制机器人身上的消防炮的喷射方向和喷射量，从而进行火源的彻底扑灭工作和有毒气体的稀释工作等救援工作。另外该款机器人还在其车体上装了一个摄像机，用于对行进的周围状况开展图像采集工作，并将火灾动态图像传送至系统屏幕上向现场的搜救人员提供最为关键有效的救援信息，以便消防人员对火灾内部环境进行严格缜密的计划制定。又如上海消防研究所和上海交通大学等协作开发的智能机器人JZX-GL/A，它是我国首台消防防爆机器人，具有消防侦察能力。该机器人可以准确探测火灾现场是否含有可燃气体、有毒气体以及它们的含量，还可以探测火灾现场的热辐射值，从而自主控制机器人内外温度。同时还配备有GPS定位系统、摄像机、热成像等先进仪器^[4]。

尽管当前在国内智能机器人配备数量有限，通常只能在经济实力较领先的城市装配有数量较少的智能机器人，但是随着我国经济和技术的飞速发展，这一定会为智能机器人的研究提供一个更加良好的环境和稳定的保障。

1.3 课题研究意义

现阶段机器人可以应用在某些狭小、黑暗的地方，它能够取代消防员进入火灾场所，实施最为直接有效快速的火情侦察工作，并实施最为有效的灭火救援工作。在许多大型工厂，火灾会直接导致化学物品燃烧爆炸、放射性物质泄露，严重时会导致人员伤亡事故的发生和地区辐射危害。此时消防员不仅需要灭火搜救受灾人员，还要面对高温、毒气、浓烟、辐射等等会伤及搜救人员自身生命的危害，这种情况对于他们是很不利的。这时，消防机器人的出现可以替代搜救人员进行灭火救援任务，而且不会受到辐射、毒气等的危害^[5]。

在生活中，由于人们的消防意识薄弱，导致火灾现象频发，其原因有很多种，例如烟花爆竹、煤气泄漏、电器老化等等。尤其是在危险系数较大的场合，消防人员仍然必须冲到火灾现场进行救援，此时他们与被救人员一样也将面临生命危险。在这种情况下，消防机器人就可以在保障消防员的自身生命安全的基础上，替代消防员进入火灾现场救援抢险工作。智能灭火机器人可以有效降低人员伤亡数量和二次伤害数量。这样，搜救人员可以先用机器人勘察地形以及灭火等工作，在风险系数降低的情况下，再进入区域进行搜救与二次勘察，这种方法实现了人员安全系数的提高，也在很大程度上地降低了救援人员的自身危险指数。

总的来说，智能机器人的应用将可以在很大程度上提高搜救灭火工作的效率，同时对于国家财产损失的降低和受害人员伤亡程度的降低，都具有很大的帮助。因此，研制开发本课题的智能循迹避障灭火小车具有举足轻重的意义。

1.4 课题研究内容

本课题研究的主要内容是一个智能循迹避障灭火小车系统。该小车系统的主程序控制芯片的型号是STC89C52单片机，将所要实现功能的程序模块化，并结合本科传感器的相关常识和所学知识，从而实现小车相应的功用。在设计完成后，可以实现红外线避障灭火、红外线遥控、循迹功能，能够到火源区域进行灭火工作（其中我们将以分布场地中的蜡烛代替真实火灾现场来模拟火源）。小车必须通过红外避障传感器、红外循迹传感器、火焰传感器等传感器采集现场环境，将各个传感器所探测到的信息传送至单片机内进行分析并做出相应的动作指令，最终达到避障灭火循迹功能。总体来讲，该系统的硬件组成模块包含电源模块、红外避障模块、灭火模块、遥控模块、循迹模块、电机驱动模块等，并且结合软件、编程设计，最终完成该智能循迹避障灭火小车功能的实现和模型的设计。

2 系统基本原理与方案设计

2.1 基本原理

该系统可以进行障碍物检测、自主避障、自主循迹、灭火、遥控等功能。因此系统主要由避障模块、火焰检测模块、循迹模块、电源模块、电机驱动、灭火模块等组成。其中，避障模块采用的是红外避障传感器，火焰检测模块采用的是远红外火焰传感器，而循迹模块采用的是红外循迹传感器。系统总体框图如图2.1所示。

图2.1 系统总体框图

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