摘要：根據(jù)滅火機器人的競賽規(guī)則，給出了滅火機器人的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計方案和軟件設(shè)計流程。所用的機器人處理器為AVR單片機，主要利用紅外傳感器、光敏傳感器對環(huán)境進行檢測，使機器人在場地中按照預(yù)定的方案尋找火源并撲滅。
　　
　　1、引言
　　
　　機器人競賽是近年來迅速開展起來的一種對抗活動，它涉及人工智能、機械、電子、傳感器、精密機械等諸多領(lǐng)域。通過競賽可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識、動手能力、團隊寫作能力等。其中滅火比賽是開展范圍zui廣、影響zui大的機器人競賽項目之一。
　　
　　比賽規(guī)則為模仿生活中消防員滅火，機器人從H點出發(fā)，在四個房間內(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，計分時要乘上相應(yīng)的系數(shù)。　　　　
　　2、系統(tǒng)硬件設(shè)計
　　
　　2.1系統(tǒng)總體設(shè)計
　　
　　系統(tǒng)以ATmega32單片機為核心，它是一種基于增強RISC結(jié)構(gòu)的、低功耗的8位單片機。其特點為：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)存儲器；1024個字節(jié)片內(nèi)在線可編程EEPROM數(shù)據(jù)存儲器。②片內(nèi)含JTAG接口。③外圍接口。兩個帶有分別獨立、可設(shè)置預(yù)分頻器的8位定時器/計數(shù)器；一個16位定時器/計數(shù)器；四個通道的PWM輸出；8路10位ADC；32個可編程的I/O口。④低功耗，zui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控制兩只電機以驅(qū)動滅火機器人，另外一路滅火電機由I/O口通過光電耦合器直接驅(qū)動。　　　　
　　2.2系統(tǒng)電源部分
　　
　　系統(tǒng)采用單電源供電電路時比較簡單，但是考慮到電動機起動瞬間電流很大，會造成電源電壓不穩(wěn)，影響單片機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。將電機電源和單片機電源*隔離。單片機以及傳感器電路使用8V供電，電動機使用12V供電。提高電動機的供電電壓，可以提高機器人的運行速度，從而可以提高滅火的成績。
　　
　　2.3電機驅(qū)動部分
　　
　　機器人需要控制在一個合適的速度行駛，在滅火的過程中既要以較快的速度找到火源，又要防止因為碰撞而影響比賽的成績。小車的速度是由兩只直流電機控制。L298驅(qū)動芯片是性能*的小型直流電機驅(qū)動芯片之一。它可被用來驅(qū)動兩個直流電機或者是雙極性步進電機。在6—46V的電壓下，可以提供2A的額定電流。L298還有過熱自動關(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單片機直接輸出兩路PWM驅(qū)動L298N。改變PWM調(diào)制脈沖占空比，可以實現(xiàn)調(diào)速。脈沖頻率對電機轉(zhuǎn)速有影響，脈沖頻率高連續(xù)性好，但帶負載能力差；脈沖頻率低則反之。通過PD2和PD3兩根I/O口線來控制電機的轉(zhuǎn)動方向。　　　　　　
　　2.4傳感器部分
　　
　　滅火比賽需要機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，需要機器人能檢測出來并進行處理，不然就會發(fā)生機器人卡死的情況，那就不能完成任何任務(wù)。　　　　
　　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，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)，當紅外發(fā)射管正常工作時，該LED燈會點亮。接收電路采用西門子公司生產(chǎn)的紅外集成接收芯片SFH506-38，它只有接收到38KHZ的脈沖波時才會作用。它內(nèi)部集成了選項、濾波、放大電路，對外只有3個引腳：①腳為信號輸出端；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。