TOP3 智能滅火機器人硬件電路的設計

　　為實現機器人高速精確地按照規定路徑行走，要求機器人的CPU能夠實時迅速地讀取多個傳感器端口數值，并在較短的時間內完成對各端口數值的存儲、運算和輸出等多種任務。由于嵌入式微處理器對實時任務具有很強的支持能力，能夠完成多任務并且具有較短的中斷響應，因此在設計過程中選用以嵌入式微處理器ARM9為核心的控制器，其內部采用哈佛結構，每秒可執行一億一千萬條機器指令。本設計還設置了 4路PWM控制信號輸出端口，用以驅動4路大功率直流電機，實現對轉速的精確調節；此外，還設置了7路Do數字輸出端口，用以驅動伺服電機、蜂鳴器、繼電器、發光二極管等。為了給龐大和復雜的程序提供更多的執行空間，本設計附加設置了100 KB的數據存儲器（RAM）和512 KB的程序存儲器（Flash ROM），用以存儲更多的數據和命令。

　　電源是保證機器人穩定、可靠運行的關鍵部件，它直接影響著機器人性能的好壞。由于本機器人電機驅動和控制器采用兩種不同等級電壓的電源，為避免2個電源相互干擾，本機器人采用雙電源供電系統：電機電源采用高放電倍率聚合物鋰電池，容量為2 500 MAH，工作電壓為24 V，能提供40 A的穩定供電電流，是普通電池的10倍；控制器電源采用8.4 V鋰電池，并提供電壓采樣端口，以供電池檢測，電路圖如圖2所示。

　　為獲得CPU各端口電路所需要的不同等級的電壓，本設計采用 1個LM317T三端穩壓器和2個AMS1117低壓差線性電壓調整器，并通過其附屬電路，得到精確穩定的5 V、3.3 V、1.8 V 三種電壓；采用1個發光二極管LD1和限流電阻R5作為電源指示燈，以顯示電源開關的狀態；為實時采樣電源電壓，防止鋰電池過放或過充，設計中通過R1、 R2分壓，引出AD19端口作為電源采樣端口。

　　直流電機驅動電路設計

　　由于電機功率較大，并要求能實現雙向、可調速運行，本文設計了半橋式電力MOSFET管，成功實現了對電機的控制。如圖3所示，2路PWM信號通過 IR2104半橋驅動器（half-bridge driver）和相應保護電路連接至型號為IRF2807 的MOSFET管，控制電源與電動機連接線路的通與斷，達到控制電機速度的目的。當PWM信號占空比較大時，線路導通時間長，電機速度大；相反，當PWM 占空比較小時，線路導通時間短，電機速度小。4個MOSFET管在不同時刻導通組合，實現控制電機轉動方向：當MSFET管1和4導通時，電機端口1為正、2為負，電機正轉；當MOSFET管2和3導通時，電機端口2為正、1為負，電機反轉。

　　遠紅外火焰傳感器組電路設計

　　為能完成滅火任務，機器人必須能確定火焰的大致位置，并能對火焰是否被撲滅做出判斷。本文設計了由28個紅外接收管組成的2個遠紅外火焰傳感器組，前后每個方位各有14個紅外接收管組成，每2個并聯并指相同一個方向，2個傳感器組共指向14個方向，可以覆蓋360°范圍。如圖所示，14個端口通過 CD4051八路轉換開關連接至ATMEGA8—16PC單片機，其中 SCK、MISO、MOSI為位選擇端口。此外，本設計還可以通過對14路讀取數據進行比較，從而確定其最大最小值及相應端口值，方便火源方位的確定。

　　通過對遠紅外傳感器組的不同端口值的比較，還可以確定機器人和火源的相對位置，以判斷前進方向，完成趨光動作。當機器人與火源相對位置如圖5（b）所示時，可以讀取端口2和端口4的值，并進行作差，端口2的值大于端口4（說明2更靠近火源），則執行左拐命令，使其差值在一定范圍內，然后執行直行命令趨近火源。