基于Arduino的灭火机器人设计+程序(4)
2.1 设计目标
本文的设计目标是研发一个寻火和灭火速度较快，而且准确度较高，数据处理能力很强的灭火机器人。本文为研究具体化，把灭火机器人比赛的场地作为背景场地。理由是比赛用的场地对火灾发生时的情况模拟程度较高，且难度高，便于应用于实际。
2.2 系统总体框图
机器人实现灭火功能的步骤为：首先，要在不触碰障碍物（包括墙壁）的情况下在过道进行行走；其次，到达房间门口需要确定房间内是否有火源；再次，前往指定的火源发生区域；然后，启动灭火装置；最后，回到起始位置。
为了解决上述问题，设计需要采用模块化思想，对硬件和软件分而治之，进行设计。硬件电路设计包括：控制主板（CPU）、检测装置（各种传感器）、运动执行装置、灭火装置。其中控制主板为Arduino开发板，检测装置包括火焰传感器、避障传感器、寻迹传感器等，运动执行装置为小车，灭火装置为灭火风扇，对这些子电路分别进行不同的设计[6]。软件设计包括：灭火模块及程序设计、避障模块及程序设计、寻迹模块及程序设计和各个驱动子程序设计等，对这些程序分别进行相应的处理。系统总体框图为图2-1所示：
图2-1 系统总体框图
2.3 系统方案比较
2.3.1 控制芯片的选型
控制芯片对于机器人来说就是人的大脑，因为所有的输入和输出信号都需要控制芯片先进行处理然后作用于机器人的执行装置。在选择控制芯片的时候，一定要考虑机器人所要求的功能、设计的复杂性和成本。目前市场上主流的微控制芯片有DSP、51系列单片机、FPGA、ARM、凌阳16位单片机和AVR单片机。
方案一：DSP。DSP是采用改进的哈佛结构和精简指令集（RSIC）的数字信号处理芯片，采用流水线的方式将读取指令和数据同时进行。芯片内部提供专用的硬件乘法器，可以让系统快速地实现复杂地数字信号处理，这也会大大提高处理数据地能力，能让系统对外部环境做出快速反应。该芯片具有较好的稳定性、高精度、高速度、方便的接口和集成，但是成本高消耗功率大不适合机器人的开发，故舍弃该方案。
方案二：51系列单片机。51单片机是8位CPU，不仅有4KB的程序存储器和128bytes的数据存储器，而且有32个I/O口。该芯片具有低功耗、廉价、稳定的性能，但是对于本系统的避障、火焰、寻迹检测模块和电机控制，需要强大的数据处理能力，51系列单片机很难满足这个要求，故不能采用该方案。
方案三：FPGA。FPGA是现场可编程门阵列，是一种半定制电路。它内部包含七个部分：可配置逻辑模块（CLB）、输入输出模块（IOB）、完整的时钟管理模块（DCM）、嵌入式RAM、丰富的布线资源、内嵌的专用硬件模块和底层内嵌功能单元。FPGA和传统的逻辑电路和门阵列（CPLD器件）相比，FPGA有着不同的结构，使用更为方便，编辑是更加灵活。该芯片具有高集成度和高可靠性，开发设计周期短等特点，能处理复杂的逻辑功能，但是本系统对逻辑功能的处理和数据速度的要求不是很高，从节省成本的角度，放弃该方案。
方案四：凌阳公司的16位单片机。凌阳公司的16位单片机SPCE061A有两个16位可编程定时器/计数器和两个10位数模转换输出通道，32位通用输入输出口和14个中断源，有强大的保密能力，处理数据速度快，功耗低，该芯片一般适用于语音信号处理和控制方面。由于本系统没有设计报警和语音模块，如果使用该单片机的话会增加成本，造成资源的浪费，所以舍弃了该方案。
方案五：ARM。ARM处理器采用了精简指令集的控制芯片，集32位和16位指令集为一体，能很好的兼容8位或者16位器件，指令执行速度快，寻址方式灵活。该芯片具有体积小、功耗低、高性能的特点，但是由于ARM嵌入式系统开发周期长而且成本较高，不适合本系统的开发研究，故放弃该方案。