基于单片机的智能消防机器人的设计

石巧婷 乔安营 张兵强

摘 要： 科技在不断发展，社会在不断进步，遥控消防车，是无人员投入火灾现场必备的终端设备，使用时，以STC89C52系列单片机为控制核心设计摇控系统的发射器与接收器。摇控器由单片机、手机app和NRF24L01模块等组成。手机app分别设置车的前进和后退、左转和右转、启动灭火，控制水枪高度左右。摇控器通过NRF24L01发射出去，接收器接收后，辨别发射传输的信息，对车发出命令进行灭火。

关键词： 单片机;智能;消防机器人;设计

【中图分类号】TP242     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.26.188

1 系统概述

本文根据实际应用的要求，设计出一种车体灵巧、操作便捷、人机互动性优越的智能消防机器人。机器人采用STM32F407芯片作为主芯片以满足多功能任务处理。机器人外接温度、气体、水压和超声波等传感器以及陀螺仪，用来采集火场周围及车体姿态的相关数据，控制传输采用最新的433MHz数字通信模块。在车体内部安装前、后、高清、热成像4路摄像机进行视频显示切换和传输，采用7寸分辨率1080×1024高清高亮HDMI接口显示，无线图传使用了高清（HDMI）图传模块，使4路摄像在后台遥控器上清晰显示并能实时录制。车体设计自喷淋系统，可以在工作时自行降温，保护车体内部零件不受损坏。消防机器人由车体、人机互动界面、感知系统、运动系统、传感器检测系统和上、下位通信系统组成。操作人员通过人机互动界面来根据火灾现场情况做出相应的操作。

2 系统软件设计

2.1 设计软件简介

KeilC51中的V8.Xx拥有很厉害的软件、硬件仿真功能，可以进行C语言、汇编和混合编程等，堪称最优的C语言开发工具和最优的编制51单片机语言。所以，在此环境下可以开发此设计。创建项目阶段：要創建一个新项目，就可以执行菜单命令，例如：[Project]|[NewμVisionProject]等。在创建的过程中，可以单独新建一个文件夹，标注文件夹的名字，此外，在创建新项目之前，还需要给新项目选择一个CPU。当项目被命名后，就会弹出对话框，然后就能够明确数据库，用户根据提示就能够选择MCU了。当选择AT89S52后，在界面最右边就会出现单片机的情况说明，如果需要就可以单击按钮[确定]。此外，还能够根据需要添加配置启动的代码，启动目标代码，可以在project中加入此文件。项目设置阶段：μVision3可以为用户设置目标硬件选项，打开工具条图标，或者点击Files标签页中的Target1，点击命令按钮[OptionsforTarge1]。各键对应功能如下：C51是指的是C51编译器的特别工具选项;A51是特殊的工具选项，主要是用于设置汇编器;Listing指的是Keil输出的文件列表等等。

2.2 灭火电路设计

电路由1个NPN三极管8050，保护二极管，电阻和6V的继电器组成，J2为插针，J1连接灭火风扇。Net15连接到单片机的P2.7脚，P2.7初始赋值为低电平，当单片机输出低电平信号时，三极管不导通，抽水电机不工作;当单片机给高电平信号时，三极管导通，继电器线圈吸合，常开触点闭合，9V电源导通，给电机供9V电压，风扇灭火。当火扑灭以后，单片机重新给回低电平信号，线圈断开，常开触点断开。

2.3 消防动力传动系统

消防动力传动系统主要是为机器人提供整车的动力。该系统采用四个独立的直流电机驱动机器人的运行。直流电机加上合适的程序后，可以实现较为合适的速度，并利用遥控控制机器人的运行。在车架底部设置了四个电机分别控制四个车轮的转速，利用差速原理来实现机器人的转弯、避让。针对不同的地形，还可以采用不同的驱动轮。

2.4 调试过程与分析

在本次设计过程中，由于使用的是宏晶的STC89C52RC芯片，这个系列的程序下载只需通过MAX232下载接口就可以。使得本次设计中硬件仿真变的就比较简单，因为有了硬件仿真工具就可以随时修改程序，通过一步一步的调试来达到最后的目的，同时尤其学会了分部调试的思想，这就使得当遇到问题时不会觉得无从下手，不会觉得那么迷茫，使调试变得比较有条理。在对断路、短路进行检查的基础上，硬件电路不存在这种情况，可以把电源进行接通，然后对各块的电压进行测试，看是否正常，以及单片机晶振是否起振，只有晶振正常起振单片机才能工作，通过检测，上述情况均正常。在实际电路调试过程中，由于没有深入的了解24l01的收发机制，导致第一次试验接收器，经常接受到乱码，系统不能正常工作。在查阅相关资料和优化代码后，以多次检测接受数据的方法，成功解决了该问题。

2.5 避障模块

本系统对障碍物的检测采用E18-D50NK型号的红外传感器，E18-D50NK传感器是一种红外线反射式接近开关传感器，用于物体的反射式检测，该传感器具有体积小，功耗低，应用方便，稳定可靠等优点。输出信号为数字量，不需要进行A/D转换，可直接与单片机的I/O口相连，检测到目标时信号线输出是低电平，正常状态时为高电平，为能让单片机正常检测，在信号输出端需外接一个1KΩ的上拉电阻。检测距离可达50cm，距离可通过可调电位器调节。E18-D50NK红外光电开关发射出红外线，被物体阻断或部分反射，E18-D50NK内部红外接收管接收到反射回来的红外线，然后有一个由高到低的电压变化，E18-D50NK内部电压比较器根据这个电压的变化输出数电信号给单片机处理。当有光线反射回来时E18-D50NK信号脚输出低电平。

2.6 检测模块

检测模块主要为障碍检测模块和火源检测模块，通过小车装有的Wi-Fi摄像头实现。摄像头可与手机相连实现远程监控，且具有红外线夜间拍摄的功能，必要时可进行人工干预。此外，在Wi-Fi条件下利用自己设计的APP控制摄像头实现360°旋转，无死角监控、远程传输画面、采集信息。

结语：随着工业技术的不断进步，不断的涌现出各种机器人。消防机器人的种类也越来越多，功能越来越齐全。本文中设计的消防机器人在组装测试后，整个系统方案切实可行，方便可靠，易于操作，希望能够在一定程度上帮助到消防员完成灭火任务。科技在不断地进步，期望在不久的将来可以研发出安全高效的消防机器人来代替消防员进行危险的灭火任务，降低消防员的危险系数使消防员不再是一个高危的职业。

参考文献

[1] 徐振亚，姜树海.森林消防机器人执行机构的设计与仿真[J].制造业自动化，2017（12）：58-59.

[2] 倪银堂，吕迪洋，王振豪.消防机器人的研究现状综述与展望[J].自动化应用，2017（2）：72-73.

[3] 王哲，孙洪超，张皖军.基于单片机灭火机器人的设计[J].农机使用与维修，2017（10）：58-60.

[4] 宋凯，董大正，沈锎洋.国内外消防同行迎盛会[J].中国消防，2017（9）：105-106.