摘要：根據(jù)滅火機(jī)器人的競賽規(guī)則，給出了滅火機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案和軟件設(shè)計(jì)流程。所用的機(jī)器人處理器為AVR單片機(jī)，主要利用紅外傳感器、光敏傳感器對環(huán)境進(jìn)行檢測，使機(jī)器人在場地中按照預(yù)定的方案尋找火源并撲滅。
關(guān)鍵詞：滅火機(jī)器人；傳感器；ATmega32
1 引言
機(jī)器人競賽是近年來迅速開展起來的一種對抗活動(dòng)，它涉及人工智能、機(jī)械、電子、傳感器、精密機(jī)械等諸多領(lǐng)域。通過競賽可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)、動(dòng)手能力、團(tuán)隊(duì)寫作能力等。其中滅火比賽是開展范圍最廣、影響最大的機(jī)器人競賽項(xiàng)目之一。
比賽規(guī)則為模仿生活中消防員滅火，機(jī)器人從H點(diǎn)出發(fā)，在四個(gè)房間內(nèi)尋找任意擺放的蠟燭，并且設(shè)法將其滅掉。比賽場地的墻壁高33cm，材質(zhì)為木板，顏色為黑色。尺寸如圖1所示。對于比賽，得的分越低成績越好。另外根據(jù)選擇的模式不同，計(jì)分時(shí)要乘上相應(yīng)的系數(shù)。
圖1比賽場地平面結(jié)構(gòu)
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
系統(tǒng)以ATmega32單片機(jī)為核心，它是一種基于增強(qiáng)RISC結(jié)構(gòu)的、低功耗的8位單片機(jī)。其特點(diǎn)為：①片內(nèi)具有32K字節(jié)的可編程Flash；2K字節(jié)的片內(nèi)SRAM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器；1024個(gè)字節(jié)片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器。②片內(nèi)含JTAG接口。③外圍接口。兩個(gè)帶有分別獨(dú)立、可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；一個(gè)16位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器；四個(gè)通道的PWM輸出；8路10位ADC；32個(gè)可編程的I/O口。④低功耗，最高工作頻率為16MHz。
根據(jù)滅火比賽的規(guī)則要求，配以碰撞傳感器、灰度傳感器、火焰?zhèn)鞲衅骱图t外傳感器。通過兩路PWM控制兩只電機(jī)以驅(qū)動(dòng)滅火機(jī)器人，另外一路滅火電機(jī)由I/O口通過光電耦合器直接驅(qū)動(dòng)。
圖2系統(tǒng)總體框圖
2.2 系統(tǒng)電源部分
系統(tǒng)采用單電源供電電路時(shí)比較簡單，但是考慮到電動(dòng)機(jī)起動(dòng)瞬間電流很大，會(huì)造成電源電壓不穩(wěn)，影響單片機(jī)和輸入電路工作的穩(wěn)定性和可靠性，因此采用雙電源供電方案。將電機(jī)電源和單片機(jī)電源完全隔離。單片機(jī)以及傳感器電路使用8V供電，電動(dòng)機(jī)使用12V供電。提高電動(dòng)機(jī)的供電電壓，可以提高機(jī)器人的運(yùn)行速度，從而可以提高滅火的成績。
2.3 電機(jī)驅(qū)動(dòng)部分
機(jī)器人需要控制在一個(gè)合適的速度行駛，在滅火的過程中既要以較快的速度找到火源，又要防止因?yàn)榕鲎捕绊懕荣惖某煽儭Ｐ≤嚨乃俣仁怯蓛芍恢绷麟姍C(jī)控制。L298驅(qū)動(dòng)芯片是性能優(yōu)越的小型直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片之一。它可被用來驅(qū)動(dòng)兩個(gè)直流電機(jī)或者是雙極性步進(jìn)電機(jī)。在6—46V的電壓下，可以提供2A的額定電流。L298還有過熱自動(dòng)關(guān)斷功能，并有反饋電流檢測功能。為保證L298正常工作，建議加裝片外續(xù)流二極管。由ATmega32單片機(jī)直接輸出兩路PWM驅(qū)動(dòng)L298N。改變PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實(shí)現(xiàn)精確調(diào)速。脈沖頻率對電機(jī)轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負(fù)載能力差；脈沖頻率低則反之。通過PD2和PD3兩根I/O口線來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向。
圖3單片機(jī)電源電路
圖4電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路
2.4 傳感器部分
滅火比賽需要機(jī)器人在盡量不碰撞墻壁的基礎(chǔ)上盡可能快地找到蠟燭并將火滅掉。在完成任務(wù)的過程中首先需要不碰撞墻壁，然后需要判斷前方是否有火焰。在找到火焰后需要判斷蠟燭旁邊的白線。如果碰撞墻壁的話，需要機(jī)器人能檢測出來并進(jìn)行處理，不然就會(huì)發(fā)生機(jī)器人卡死的情況，那就不能完成任何任務(wù)。
圖5紅外傳感器電路
圖5所示為紅外傳感器的發(fā)射和接收電路。紅外射管采用脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)，工作在38KHz的頻率下，減少發(fā)射電路的功耗。脈沖發(fā)生器由NE555構(gòu)成，通過外部的電位器R1來調(diào)節(jié)占空比和脈沖頻率，由于紅外肉眼不可見，所以電路中加入一個(gè)LED指示燈來指示紅外發(fā)射管是否在工作。該LED和紅外發(fā)射管串聯(lián)，當(dāng)紅外發(fā)射管正常工作時(shí)，該LED燈會(huì)點(diǎn)亮。接收電路采用西門子公司生產(chǎn)的紅外專用集成接收芯片SFH506-38，它只有接收到38KHZ的脈沖波時(shí)才會(huì)作用。它內(nèi)部集成了選項(xiàng)、濾波、放大電路，對外只有3個(gè)引腳：①腳為信號(hào)輸出端；②腳為接地端；③腳為電源端，所以使用起來非常方便，效果比較理想。