消防机器人控制系统设计

乔安营 张兵强 潘超亚

摘 要： 在我国进入21世纪的新时期，经济在快速发展，社会在不断进步，针对救援、破障、逃生、避难的目的，采用了大功率电动机驱动控制技术、视频信号采集技术、无线通讯技术、无线视频信号传输与处理技术、传感器数据采集技术以及多自由度机械运动控制设计，火源搜寻与灭火等技术，实现了在出现严重危害公共安全的险情或重大灾难事故时，在无线遥控和自动控制下代替救援人员亲临险情或灾难现场，实时回传恶劣环境的视频图像，并可以实行灭火，以及帮助救援人员获取准确的现场信息，最大限度的减少人民生命财产损失的目的。试验证明：所研制系统的设计方案切实可行，为重大灾难状况发生时的营救工作提供了一种可行的解决措施，系统产品化后将具有广阔的市场前景。

关键词： 机器人;救助系统;智能消防;电机控制;视频回传

【中图分类号】TP242     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.171

引言：我国在研究消防机器人方面较国外同行已落后太多，存在技术差异和代沟，消防机器人的不断研制、生产和装备过程，应坚持自主研制为主，引进为辅，提高我国消防部队消防装备现代化的水平，并及时装备消防部队，提高消防部队打赢大仗、恶仗、硬仗和特殊战役的能力，提高消防部队在处置大型复杂火灾和应急救援的作战效能，提高消防部队的自我防护能力，减少消防指战员的人身伤亡，更好地保卫我国经济发展。

1 整体方案设计

消防机器人采用STC89C52单片机作为主要控制单元，该型单片机价格便宜、功能强大、性价比高，能够满足此次设计的要求。消防机器人通过红外传感器、光敏晶体管等器件来采集各类信息，送入主控单元单片机，处理数据后完成相应动作，达到自身控制。其中寻找火源采用的是光敏晶体管感应到火源，然后通过比较器输出数字信号送至单片机进行处理。避障用到的是红外光電开关，光电开关发射红外线当前面有障碍时红外线反射给接收管，接收管收到信号后通过比较器处理成数字信号给单片机判断处理。红外遥控行驶通过红外遥控发射红外编码信号，由红外接收头接收送至单片机进行解码，然后可以根据所按的功能键实现行驶。液晶显示用到的是1602LCD来进行实时显示工作状态。该系统设计比较灵活，更重要的是采用软件方法来解决复杂的硬件电路部分，使系统硬件简洁化，各类功能易于实现，能很好地满足要求。

2 消防机器人控制系统设计

2.1 软件设计应用环境简介

（1）Target标签：当单击此标签，各个参数会有具体的设置要求，①Xtal（MHz）：单片机的工作频率是一个默认值，为24.0MHz。②UseOn-chipROM（0x0～0x1FFF）：FlashROM。单片机的EA引脚接高电平，则一定需要选中这个选项。③MemoryModel：变量存储空间。（2）Output标签：①SelectFolderforObjects：当对编译进行选择后，就会知道目标文件的存储路径。②NameofExecutable：设置生成的目标文件的名字。③CreateExecutable：生成omf以及hex文件。④CreateHexFile：要生成hex文件一定要选中该选项。⑤CreateLibrary：生成lib库文件。（3）C51标签：通过C51标签来设置C51编译器的特别的工具选项。（4）A51标签是一种可以设置汇编器的一种特别的工具选项，例如：可以进行宏处理和条件汇编等等。（5）BL51Locate标签是重定位器和连接器，能够把分段代码进行功能连接，能够组合多个或者单个模块，形成MCS-51的执行程序。这个连接器能够处理数据，同时按需分配到固定的地址上，连接器可以根据实际情况，自动选择运行库，同时也能够在目标模块输入命令来连接连接器。（6）BL51Misc标签：Misc标签是对BL51Locate标签的补充设置。（7）Debug标签：该标签对μVision3的调试器进行设置。（8）项目的编译：当此项目完成设置了，就能够进行编译。即，在测试工具条上进行点击，在编译项目中就能够生成应用。当遇到语法错误的时候，标签页可以显示告警和错误信息。点击这个错误警告信息就能够定位到错误的地方，在对项目进行编译的时候，也同样出现错误信息提示，点击就会放置到错误处，非常容易找到。

2.2 抗干扰设计

由于工作现场具有严重的电磁干扰源，并且消防机器人有大功率变频器，电机等电感性负载;另外，通讯线和动力电源电缆共用一根电缆，这些都会给PLC和上、下位机通讯的正常工作造成严重的电磁干扰。而且，消防机器人具有严格的防爆要求，整个消防机器人工作单元不得有任何接地。因此，在硬件设计中系统的抗电磁干扰设计是个非常重要的环节，设计不好将会使整个系统无法正常工作。下位机的所有数字量和模拟量输入均采用电磁屏蔽和光电隔离技术，输出采用继电器控制。电机和变频器跟PLC和扩展模块的距离大于0.5m。变频器的输入、输出采用屏蔽线，单端接地。移动载体中的所有地通过一点与电缆中的地线相接，最后通过控制台接地。电缆的动力线单独屏蔽，与控制台接地;通讯线采用屏蔽双绞线，屏蔽线一端与控制台接地，这样能够很好地抑制磁场干扰和电场干扰。

2.3 显示模块

本次设计的显示模块用到的是用LCD液晶进行显示。由于LCD显示效果比较清晰，显示的内容丰富，信息量大，使用起来也方便并且能够快速的显示。对于此系统我们选用1602液晶能够很好的满足显示要求。

2.4 单片机主控电路设计

单片机主控电路设计是以AT89S52为核心，外接红外避障传感器模块、红外火焰传感器模块、L298N电机驱动模块、三极管开关控制继电器驱动风扇灭火模块、电源模块等硬件电路。AT89S52工作在12MHz的频率下，采用+5V的直流电源供电，根据单片机各个引脚功能，P0.0-P0.5为红外火焰避障传感器模块和红外火焰探测传感器模块，P0.6接自动和遥控切换模块的开关。P2接L298驱动行进电动机模块和继电器驱动风扇灭火模块。P1.0-P1.3接无线遥控信号模块。S1为复位开关。

2.5 下位机

下位机主要由S7-CPU214、三个数字量输出模块EM222、一个模拟量输入模块EM231（输入点数为3，模数转换时间为25us），2个变频器、探测传感器，采样控制模块以及电源系统等组成。CPU214作为下位机的控制核心，主要是存储和运行控制程序、与上位机以及扩展模块之间的通讯和控制左右驱动轮的速度。我们将变频器的参数设定为4速模式，具有制动启动和停车功能，防止在斜面上行进时出现失控现象和频繁紧急启、停车对机械系统造成损坏。利用上位机发送的速度信号控制变频器的频率设定选择实现移动载体的速度控制。DLKG模块为多输入三输出模块，由采样控制模块来控制选通传感器输入。因为EM231只具有3路A/D转换，而需要采样的传感器信号有16路，因此要对这16路信号进行循环采样。

结语：消防机器人的智能寻火，是通过火焰传感器对火焰的检测，将信号送给单片机处理，再将信号送给L298N电机驱动模块使行进电机做出相应的动作。

参考文献

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