机器人灭火控制系统设计

徐 建，刘晓妤

(1.湖北民族学院信息工程学院，湖北恩施445000;2.江汉油田采油工艺研究院，湖北潜江433123)

灭火机器人采用高度智能化、远程无人控制的方法，能实现危险的火灾区域的灭火工作.本文设计一种简易的机器人灭火控制系统，在一个模拟房间中寻找火源，并将其熄灭.通过对系统的研究为以后设计大型多功能的机器人灭火控制系统提供指导.

传统的灭火机器人大多采用8位或是16位处理器对信号进行处理，其缺点是处理器对中断响的应速度不够快［1］.为了提高中断响应的速度，本系统采用M3单片机，它是32位的超低功耗、体积小、成本低，寻址方式灵活简单，执行效率高，指令执行速度快，并且具有极高的运算能力和极强的中断响应能力，解决了应对突发状况的响应速度.

1 机器人灭火控制系统的总体设计

系统由电机驱动模块、光源检测模块，超声波测距模块、声光报警模块、无线通讯模块以及单片机控制模块组成，采用PID控制算法对灭火机器人进行自动控制，也可以通过CC2420无线通讯模块对灭火机器人进行远程控制.本系统的总体设计如图1所示.

2 机器人灭火控制系统的硬件设计

1)电机驱动模块.L298是ST公司生产的一种高电压、大电流电机驱动芯片.其工作电压高达46 V，输出电流大，瞬间峰值电流可达3 A，持续工作电流为2 A，内含两个H桥的高电压大电流全桥式驱动器.因此，电机驱动采用L298驱动芯片来完成［2］，其电路设计如图2所示.

2)光源检测模块.光源检测电路中，采用两个光敏三极管传感器对光照强度进行采集，将采集的信号进行对比，从而控制小车的运动轨迹［3］，其电路如图3所示.

图1 系统总体结构框图Fig.1 Overall block diagram of the system

图2 电机驱动电路Fig.2 The motor drive circuit

3)超声波测距模块.用US－100超声波模块对机器人进行测速，US－100测距模块可提供2～400 cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3 mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路.通过GPIO2口TRIG触发测距，给至少10us的高电平信号;模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回;有信号返回，然后GPIO2口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间.测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2.超声波测距模块电路如图4所示［4］.

4)声光报警电路.声光报警电路由一个发光二极管和一个蜂鸣器构成，当单片机采集到火源信息后对应的I/O端口输出一个低电平，此时蜂鸣器被驱动，发出报警声.其电路如图5所示.

图3 光源检测电路Fig.3 Light source detection circuit

图4 超声波测距模块Fig.4 Ultrasonic Ranging Module

图5 声光报警电路Fig.5 Sound and light alarm circuit

5)无线通信模块.无线通信模块采用Chipcon公司的CC2420数字射频芯片，它对信号具有同时接收和发送的功能.其工作在 2.4 GHz的通用频段上，并且在短距离通信具有较高的可靠性，外围电路设 计 简 单，CC2420无线通信模块直接采用3V电池供电，其外围电路设计如图6所示.

图6 CC2420外围接口电路Fig.6 Peripheral interface circuit of CC2420

3 系统的软件设计

系统采用C语言进行软件设计，编程和调试环境为Keil 4，系统主流程图如图7所示.

4 数据处理

当系统处于自动模式时，由于外界噪声的存在，如果不加处理，会对系统的控制精度造成影响.为了减小外界环境对系统造成的影响，首先对运算发大器进行零点校正，将第一级运算放大器的输入端接地，在Uout端可以测得输出电压V01=MV0，其中M为运算放大器的闭环增益，V0是折算到运算放大器输入端的电压，通过M3内置ADC转换后输出的数字量N01=NMV0，其中N为ADC的转换系数.在单片机进行自动调零时，将采集的数字量减去N01.系统经过校正后已经消除了运算放大器的零点漂移误差.对系统的高精度提供了有力保证.

系统也采用了射频技术以及数字式PID控制算法，从而保证了对系统的精确控制［5］.

图7 系统主流程图Fig.7 Main flow chart of the system

5 系统测试结果与分析

1)测试环境及方法.在规定的专用场地上进行系统的整个功能测试.先用示波器观察传感器反馈回来的信号，并判断输出信号的采集的正确性，然后将M3单片机与CC2430进行通信，并进行系统联调.

2)测试结果.对系统进行测试，得到的结果如表1所示.

3)测试结果分析.经过测试表明灭火机器人控制系统能够循迹找到着火点，并在控制终端的控制下进行灭火，由于系统采用了数字PID控制算法，灭火机器人的控制精度较高，控制效果较好，能够在较短的时间完成灭火任务.

表1 系统测试结果Tab.1The result of system test

6 结语

本系统以M3单片机为主控制器的寻光灭火机器人，通过制作小车式机器人以单片机M3与CC2420通信模块为核心拟定了系统组成方案，完成了系统的电路硬件设计和软件设计，通过系统测试获得了较满意的结果，达到了设计目的.

［1］ 孙波，李文锋，李斌，等.基于无线网络的嵌入式机器人控制系统［J］.微计算机息，2008，24(26):179－181.

［2］ 付二寅.基于WLAN的移动机器人远程控制系统研究［D］.西安:西安理工大学，2007.

［3］ 王红云.基于超声波测距的倒车雷达系统设计［J］.国外电子元器件，2008(8):69－73.

［4］ 瞿金辉，周蓉生.智能移动机器人超声波测距定位系统的研究［J］.中国仪器仪表，2007(8):43－45.

［5］ 徐建.一种简易实用的数字温度计的设计［J］.湖北民族学院学报:自然科学版，2011，29(3):328－330.