基于單片機的智能滅火小車設計

基于單片機的智能滅火小車設計目 錄 摘要 I Abstract II 引言 3 第1章 智能滅火小車整體設計 4 1.1 整體設計任務 4 1.2 整體設計要求 4 1.3 智能滅火小車系統(tǒng)整體方案設計 4 1.3.1 智能滅火小車整體模塊設計 4 1.3.2 智能滅火小車整體設計方案選擇 5 第2章 智能滅火小車的硬件設計 7 2.1 智能滅火小車系統(tǒng)硬件基本組成部份的設計方案 7 2.1.1 控制器模塊 7 2.1.2 火源檢測模塊 8 2.1.3尋光電路模塊 9 2.1.4機電驅動模塊 10 2.1.5滅火模塊 12 2.1.6電源模塊 12 2.2智能滅火小車系統(tǒng)控制部份的設計思想 12 2.2.1 控制部份 12 2.2.2控制部份單元電路圖 13 2.3智能滅火小車系統(tǒng)檢測部份的設計思想 13 2.4系統(tǒng)各模塊的終究方案 14 第3章 智能滅火小車的軟件設計 15 3.1 智能滅火小車系統(tǒng)的軟件設計 15 3.2智能滅火小車主程序流程圖 15 3.3火焰探測子程序流程圖 16 結 論 19 致 謝 20 參 考 文 獻 21 附錄 A 22 附錄 B 26 附錄 C 27 附錄 D 28 基于單片機的智能滅火小車設計 摘要：現(xiàn)今社會，火災在現(xiàn)實生活中普遍存在，被稱為自然界3大災害之1。當火災發(fā)后，滅火工作壞境卑劣時，人工不能完成1些滅火任務，此時即可以使用智能滅火小車去完成相應的任務。本文設計了1個以單片機為核心的智能滅火小車。本設計是利用單片機作為滅火的控制中心，檢測火源用火焰?zhèn)鞲衅?，小車行駛由直流減速機電驅動行駛。機電驅動電路部份使用L293D芯片，小車行駛使用舵機控制方式。實現(xiàn)的功能是：從安全區(qū)動身，沿著線路前進，火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到火源以后，啟動水泵進行滅火。 關鍵詞：STC89C52；舵機控制；吹滅火源 Design of Intelligent Fire Extinguishing Car Based on Single Chip Microcomputer Abstract：Nowadays, fire is one of the three natural disasters. When the fire fighting environment is bad after the fire, the artificial can not complete some fire fighting tasks, at this time can use the intelligent fire fighting car to complete the corresponding tasks. In this paper, an intelligent fire fighting car with single chip microcomputer as the core is designed. The design is the use of single-chip microcomputer as the fire control center, fire source detection with the flame sensor, the car driving by dc deceleration motor driving. The motor drive circuit part USES L293D chip, and the steering gear control mode is used in the car driving. The realized functions are: starting from the safety zone, moving forward along the route, after the fire sensor detects the source of fire, start the water pump to extinguish the fire. Key words:STC89C52; Steering gear control; Blow the source 引言 近幾10年中，高層建筑、地下建筑與大型工廠愈來愈多。由于這些的特殊性，當火災產(chǎn)生時，不能進行快速有效的滅火從而造成各種災害的產(chǎn)生。不管是在國內還是國外，火災救濟絕大多數(shù)時候依然是裝備輔助人工救濟，但是救濟人員在救濟進程中承當1定的風險和裝備存在1定的缺點，而在火災現(xiàn)場又要面臨巨大的生命危險，為解決這1問題，人們開始人工智能化救濟方面的研究。如今，人工智能已廣泛利用到各個領域。滅火技術種類有很多，但大都遵守滅火原理進行設計，當前還沒有通用有效的滅火技術來改良救濟人員的傷亡。在實際滅火操作中，需要針對具體起火緣由和火災環(huán)境，采取適合類型的滅火技術進行滅火。目前，對改良救濟的方案大都偏向于智能化救濟。 在滅火和救濟的進程中，消防機器人發(fā)揮側重大的作用。在上個世紀810年代中期，第1個用于滅火的機器人被日本設計出來并且制造成功。在7年前，美國的弗吉尼亞理工大學設計了1款用于消防工作的機器人并且將其制造出來，可以在戰(zhàn)艦產(chǎn)生火災的時候協(xié)助消防人員工作。而在2002年，上海交通大學、上海市消防局、應急管理部上海消防研究所聯(lián)合起來，經(jīng)過3年的研究，設計并制作了“履帶式、輪式消防滅火機器人”。截至到目前，滅火機器人已向第3代高端智能機器人穩(wěn)步發(fā)展。目前，世界最新消防機器人有日本用于掌握火災現(xiàn)場情況的偵察機器人、美國Pandora偵察機器人、挪威形似蟒蛇的消防機器人等。 第1章 整體設計方案 1.1 整體設計任務 本設計是制作1個智能滅火小車，使其能夠沿著指定線路進行滅火工作。其工作原理以下圖： 圖1.1 滅火實驗場地 1.2 整體設計要求 綜合斟酌實際工作的要去提出以下的設計目標： （1）在啟動以后能夠自動探測火源的位置并且前往火源處 （2）在到達目的地以后停止前進，開始滅火裝置撲滅火源。 （3）檢測火源的存在狀態(tài)，1直到被撲滅為止，撲滅以后探測下1個火源并前往滅火 1.3 系統(tǒng)整體方案設計 1.3.1 整體模塊設計 本設計的整體設計方案：火源是通過火焰?zhèn)鞲衅鱽頇z測的，然后單片機STC89C52接收到火焰?zhèn)鞲衅鬏敵龅臒嵩葱盘柌⑦M行處理。機電驅動方式采取舵機控制。本設計方案大致由6個部份組成，其系統(tǒng)構成如圖1.2： 圖1.2系統(tǒng)模塊示意圖 系統(tǒng)各個功能模塊簡介： 1.控制器模塊：作為全部控制系統(tǒng)的核心器。 2.尋光模塊：主要用來給滅火小車做導航作用。 3.電源模塊：主要用來給全部控制進行供電。 4.火焰檢測模塊：主要用來對火焰進行檢測。 5.機電驅動模塊：主要用來驅動小車的行駛。 6.滅火模塊：主要是用來控制水泵進行滅火。 1.3.2 整體設計方案選擇 方案1：在智能滅火小車的兩側各安裝兩個輪子并由兩個普通直流減速機電驅動，方便智能滅火小車行駛并起平衡支持作用。用傳感器來探測是不是存在火源，可以將其安裝位置選擇在小車兩側，通過比較其來火焰距離小車的距離，在左邊的傳感器上安裝放大器，用來尋覓遠處的火源，右邊的傳感器用來尋覓近處的火源。為了能夠精確的定位火源的位置，在小車的中部也安置兩個傳感器，兩個之間的距離稍稍超過前后的兩個傳感器之間的距離。小車啟動后，從安全區(qū)行駛出來，到達中線以后左轉彎，然后通過左邊的傳感器來寸照是不是在1側存在火源，如果存在火源的時候下1次轉彎的時候向左轉，如果在這個時候恰好前方不遠有障礙物存在則沿著之前行走的路程往回行使，1直到前1個路口在向左轉，不管是在左邊探測到存在火源還是在右邊探測到存在火源，就前往火源處將其撲滅。接下來繼續(xù)回到中線上行使，在行使進程中隨時監(jiān)測火源，在行駛到了墻邊的位置以后，通過1個1百810度的轉角探聽另外一側的火情。此設計方案中，需要用的硬件其實不復雜，在軟件方面，也有很清晰的編寫思路，但是實際上其未必能夠到達足夠的避障效果，目前的情況是，如果障礙物是靜止不變的話，那末在探測到其位置可以實現(xiàn)良好的避障效果，但是如果障礙物會產(chǎn)生移動，則避障效果就難以保證，從而滅火任務也有可能沒法完成。 方案2：比方案1相比，車身不變，在小車前方添加1個紅外測距儀，用來探測障礙物的位置，在兩側安裝火焰?zhèn)鞲衅?，傳感器發(fā)出信號，信號通過比較器的時候會被探測出距離大小。兩側的傳感器都能夠檢測到何處存在火源。小車啟動以后，動身到達中線處，然后想作轉動，同時開啟左邊的傳感器探測火情，如果不存在火源的話，就繼續(xù)前行，如果存在火源的話，就在下個轉角處左轉，前往貨源出撲滅火源。接下來繼續(xù)向前行駛1直到發(fā)現(xiàn)下1個火源。結合實際情況和兩種方案的特點綜合斟酌以后在這里選擇方案2。 第2章 系統(tǒng)的硬件設計 2.1 系統(tǒng)硬件基本組成部份的設計方案 2.1.1 控制器模塊 本設計中，系統(tǒng)的控制中心是STC89C52單片機。STC89C52是宏晶科技生產(chǎn)的低能耗、高速可靠、低抗干擾、價格低的8位微處理器。 STC89C52具有的優(yōu)點： （1）高抗靜電（ESD保護）； （2）32位I/O口線； （3）內置2KB EEPOM； （4）4個外部中斷； （5）3個16位定時器； （6） 最高運作頻率35MHZ,6T/12T可選； （7） 晶振頻率為11.0592MHZ； （8） 內部集成A/D、D/A轉換； （9） 可直接進行串口下載。 STC89C52單片機引腳圖如圖2.1所示： 圖2.1 STC89C52單片機引腳圖 2.1.2 火源檢測模塊 火源檢測模塊的設計在設計中是1項重要的內容，小車前往火源滅火的條件就是能夠準確的探測到火源的位置。若是此部份出現(xiàn)問題，則滅火小車在火源的尋覓進程中沒法尋覓到火源從而致使全部設計任務的失敗。所以在設計此模塊的時候斟酌了兩種方案。 第1種方案是通過1個火焰?zhèn)鞲衅鱽硗瓿蓪ひ捇鹪吹娜蝿?。將其安裝位置選擇在車底板前方，自其搜集到信號開始，在通過單片機內部的A/D轉換肯定火焰的位置，小車停在火焰前方，開啟水泵將火焰熄滅。這個方案在硬件選擇使用上比較簡單方便，但火焰位置與火焰?zhèn)鞲衅骶嚯x較近，容易造成因停靠位置不當而致使火焰?zhèn)鞲衅髌茐?，不過編程過于困難，同時A/D轉換又缺少足夠的穩(wěn)定性，并且精確程度也不夠，所以這里將這類方案排除在外。 第2種方案是通過2個傳感器結合外部電路來完成尋覓火源的任務。將其安裝位置選擇在小車的小車的主板兩端，其和火源距離比較遠，在檢測到存在火源以后，在通過單片機內部的A/D轉換肯定火焰的位置，小車停在火焰前方，開啟水泵將火焰熄滅。這個方案可以準備尋覓到火焰位置，避免由于?？课恢貌划敹率够鹧?zhèn)鞲衅髌茐?，而且兩個火焰?zhèn)鞲衅鳈z測火焰更加準確，綜合斟酌各種因素終究選擇的是此項方案。 在對兩種方案進行對照選擇了第2種方案，通過兩個火焰?zhèn)鞲衅鱽韺さ交鹪次恢谩?2.1.3尋光電路模塊 此模塊的作用在于控制小車的運動軌跡，使小車沿著既定的路徑運動。這里將小車所要行駛的路徑設計為白色亮線，除這條亮線之外的其他地方設計為黑色，然后通過色采傳感器即可以控制小車沿著既定的路徑運動。有以下幾種備選方案： 第1種方案是使用1左1右兩個紅外發(fā)射接收對管。在小車啟動的時候，將其放置在1條白色紙帶之上。這1左1由連個紅外發(fā)射接收對管的安裝位置選擇在小車底板掙前方，根據(jù)小車在路徑上偏離程度的不同輸出高低不同的電壓。此方案如果能夠實現(xiàn)可能看起來會獲得比較好的效果，但是其實現(xiàn)起來，設計比較復雜，耗電量比較高，穩(wěn)定性也不1定多好，受各種因素，必反說電源、環(huán)境等等的影響比較大，在這里其實不適用。 第2種方案是通過色彩傳感器來指點行駛?，F(xiàn)在的色彩傳感器種類越來愈多，用處愈來愈廣。不過其電路設計相對照較復雜，而且還要斟酌光線明暗的影響。因此這個方案也被排除。 第3種方案是以發(fā)光和光敏2極管來組成發(fā)射-接收電路。這類方法容易實現(xiàn)但是遭到外界光源的影響比較大。 經(jīng)過斟酌，決定選用方案3，比較容易實現(xiàn)。 在該電路中，加入雙電壓比較器LM393，通過電位器的調劑電壓，來控制小車的尋光電路模塊。尋光電路如圖2.2所示： 圖2.2 尋光電路原理圖 2.1.4機電驅動模塊 此模塊是小車的動力系統(tǒng)，作用相當于汽車中的發(fā)動機。在此模塊中沒有斟酌傳感器，肯定當前處于哪一個位置完全依賴于軟件，從而致使其控制要求比較高，有以下幾種備選方案： 方案1：采取專用芯片L293D作為機電驅動芯片。采取舵機控制方式，舵機控制具有體積小、便于控制的優(yōu)點。采取舵機控制控制兩個直流機電驅動滅火小車進行滅火工作。 L293D芯片輸入和輸出原理圖如圖2.3所示： 圖2.3 L293D芯片輸入和輸出原理圖 方案2：使用直流減速機電構成差分驅動電路。但此方案電路設計較為復雜，其對差模輸入信號和輸出信號分析起來較為復雜，故不采取此設計方案。 因此選用了方案1。 機電驅動模塊電路圖如圖2.4所示： 圖2.4 L293D驅動機電原理圖 2.1.5滅火模塊 可以選擇的滅火方式裝置有很多種，包括小型滅火器，噴水滅火器等等，不過由于實現(xiàn)起來過于復雜，而且對小車提出了很高的穩(wěn)定性要求，因此這些都沒有選擇，而是選擇的水泵。 使用水泵既能到達1定的滅火效果，而且實現(xiàn)起來也簡單，對小車的穩(wěn)定性也沒有太高的要求。其工作原理以下圖2.5： 圖2.5 滅火模塊原理圖 2.1.6電源模塊 對電源的要求不高，使用普通電池組便可，預計將會用到4節(jié)6伏的電池。在兩個機電上各安裝1節(jié)，這樣由于電壓相同，其轉速也1致；紅外傳感器上安裝1節(jié)，水泵上安裝1節(jié)。 2.2系統(tǒng)控制部份的設計思想 2.2.1 控制部份 （1）車身動力部份 通過直流機電的PWM模式來控制機電，這類模式對機電的轉速和拐彎的控制力比較強，使用雙機電驅動的話則可以完成1些相對復雜的操作。比方說如果要原地向左轉，則使左側的機電反向轉動，右側的機電正向轉動便可。 （2）單片機控制部份 這里選擇的單片機的型號為STC89C52，作為火焰探測和路面檢測的信號的控制中心， 用來控制機電轉動，進而控制小車移動，還能控制水泵的開關，是最核心的1個控制元件。 2.2.2控制部份單元電路圖 舵機控制是實現(xiàn)單片機控制的基礎，調理控制脈寬可以控制加速時間，從而將速度控制在需要的范圍之呢，實現(xiàn)難度低。舵機控制部份電路圖如圖2.6所示： 圖2.6 舵機控制原理圖 2.3系統(tǒng)檢測部份的設計思想 小車移動和滅火操作都是以這個模塊的成功為條件的，傳感器將收集到的信息傳送到單片機，單片機處理過后發(fā)出控制信號，機電根據(jù)控制信號來轉動，從而控制智能滅火小車行駛，基本原理可用如圖2.7來表示： 圖2.7 檢測部份基本原理圖 （1）細分又可以分為兩個部份，其1是紅外火焰?zhèn)鞲衅鳈z測，外界溫度的變化會影響傳感器的電流大小，同時距離也有1定的影響，將變化的電壓與參考電壓對照，便能夠判斷出火源在哪一個位置和二者間的距離，這是火焰?zhèn)鞲衅鞯墓ぷ鳈C理；紅外傳感器用于檢查周圍行駛線路上是不是存在障礙物，直接使用集成模塊，如果障礙物和小車的距離接近到 10厘米之內，電平便會升高。其2是光電尋線傳感器檢測。依托路徑和周圍區(qū)域色彩灰度的不同來探測行駛線路，遭到外界光源的影響較大。 （2）另外，避障和路程丈量是通過軟件來自動進行的，可以在1定程度上下降硬件技術在實現(xiàn)上的困難。 2.4系統(tǒng)各模塊的終究方案 經(jīng)過分析和論證，設計的原器件清單如附錄D所示，實物圖如附錄E。系統(tǒng)6個模塊的終究方案以下： （1） 控制器模塊：采取STC89C52單片機作為智能滅火小車系統(tǒng)的控制中心。 （2）火源探測模塊：用了兩個火焰?zhèn)鞲衅鱽頊蚀_的檢測火源的位置所在。 （3）尋光電路模塊：用了兩個光敏電阻來調劑小車的行動使其能夠依照既定的線路行駛。 （4）智能滅火小車機電驅動模塊：機電類型為普通直流減速機電，雙驅動、4接口、PWM脈寬調速。 （5）滅火模塊：以水泵作為滅火裝置通過單片機控制來滅火。 （6）電源模塊：直接采取6V電池盒。 第3章 系統(tǒng)的軟件設計 3.1 系統(tǒng)的軟件設計 對全部系統(tǒng)進行編程時，選擇使用C語言來實現(xiàn)單片機的各項功能。具體代碼可以附錄A中查找。 對全部系統(tǒng)進行原理圖設計時，決定采取較為熟習的Altium Designer16軟件來將所設計的全部控制系統(tǒng)的工作原理圖繪制出來。原理圖見附錄B。 根據(jù)設計工作中做選擇的各項方案此次設計的設計目標，在進行軟件設計的時候，應當使其能夠實現(xiàn)下面的功能。 1. 尋跡模塊主程序：傳感器搜集路況信息，單片機進行處理，處理過后發(fā)出控制信號控制機電轉動。 2.機驅動模塊主程序：通過此模塊開控制機電轉動，從而控制小車行駛。 3.火焰檢測模塊主程序：其作用在于將有段溫度的1些履行模塊傳遞給單片機。 4.水泵模塊程序：其作用在于控制水泵的啟動或關閉，從而實現(xiàn)滅火功能。 3.2主程序流程圖 主程序主是全部設計的重要部份，能夠肯定小車的運動狀態(tài)。小車的各項具體功能主要是通過其他子程序來實現(xiàn)的。繪制出主程序的流程圖以下圖3.1所示： 圖3.1 智能滅火小車主程序流程圖 主程序的意義在于引導或是決策，在全部設計內容中都有側重要地位，小車在甚么時候調用哪一個模塊，進行哪一個操作，往哪一個方向轉，是移動還是開啟水泵，這些都是由主程序來進行控制的。 3.3火焰探測子程序流程圖 圖3.2 智能滅火小車火焰探測子程序流程圖 3.4 尋覓火源子程序流程圖 圖3.3 智能滅火小車尋覓火源子程序流程圖 結論 在進行設計和反復調試的進程當中，火焰?zhèn)鞲衅髡{試最為困難，其對精度要求相當高，通過對電位器的不斷調劑終究終究調試成功。小車整體制作布局美觀與結實，不容易出現(xiàn)接觸不良等問題。從元器件的購買到小車的組裝與調試中出現(xiàn)了各種問題，經(jīng)過不斷的瀏覽資料與對設計方案的調劑終究基本完成了預定目標。 本設計采取STC89C52單片機作為全部控制系統(tǒng)的核心，其具有低能耗、高速可靠高 速可靠、低抗干擾、價格低等特點，以火焰?zhèn)鞲衅鱽肀O(jiān)測周圍的火情，并且實時的將其所收集到的數(shù)據(jù)傳送給單片機，在單片機中經(jīng)過A/D轉換即可以肯定火源在何處，單片機發(fā)出控制信號，機電接收到信號信號開始轉動，小車向火源方向運動，在運動進程中通過紅外傳感器實時檢測周圍的障礙物，到達火源處以后停在1個適當?shù)奈恢瞄_始啟動滅火裝置來滅火，單片機發(fā)出控制信號，水泵在接收到信號以后開啟，保持開啟狀態(tài)1直到火被撲滅，然后小車再次進入實行檢測狀態(tài)尋覓下1個火源。 本次設計中經(jīng)過不斷努力，在不懂的時候及時查閱資料，已基本完成了預定目標。 致謝 首先要在這里感謝范老師，本文是在她的悉心指點下完成的。范老師強烈的責任心，認真的治學態(tài)度，嚴謹?shù)目茖W工作方法給我留下了深入的印象，也始終感染和鼓勵著我, 并且使我得到很多有益的啟示。在此謹向范老師表達我真誠的謝意。 要特別感謝本專業(yè)的兄弟姐妹，從他們那里我學到了很多東西，得到了許多良好的建議。沒有他們的幫助，我的課題存在很多的細節(jié)問題都將難以解決。 另外，還要感謝我其他的老師在兩年中為付出的辛苦勞動。感謝朝夕相處的室友。兩年來相互幫助、共同學習、共同進步。在實驗室工作、學習的進程中，你們給予我的關懷和幫助讓我永久難忘，這份友誼將陪伴我走過今后的每天。 最后，衷心感謝所有支持和幫助過我的老師、同學。 參考文獻 1 李晶皎.嵌入式語音技術及凌陽16位單片機利用M.北京航天航空大學出版社，2003.11 2 蔣敦斌，李文英.非電量丈量與傳感器利用M.國防工業(yè)出版社，2005.5 3 全國大學生電子設計比賽組委會.第4屆全國大學生電子設計比賽獲獎作品選編M.北京理工大學出版社，2001.4 4 郁友文，常建，程繼紅.傳感器原理及工程利用M.西安電子科技大學出版社，2003.3 5 沈紅衛(wèi).基于單片機的智能系統(tǒng)設計與實現(xiàn)M.電子工業(yè)出版社，2005.8 6 籍順心，張凱，馬巖等.單片機的C語言利用程序設計M（第3版）.北京航空航天大學出版，.2003.10 7 戴伏生.基礎電子電路設計與實踐M.國防工業(yè)出版社，2002.10 8 梁長垠.傳感器利用技術M北京：高等教育出版社，2018. 9 黃智偉.全國大學生電子設計比賽訓練教程M.電子工業(yè)出版社，2005 10 羅亞非.凌陽106位單片機利用基礎M.北京航天航空大學出版社，2003.12 11 謝子梅，閻淑蘭，趙云娣等.電子線路設計實驗測試M（第2版）.華中理工大學出版社，2000 12張宏林.Visual C+串口通訊與工程實踐M北京：人民郵電出版社，2008. 13賴壽宏.微型計算機控制技術M北京：機械工業(yè)出版，2004 14徐愛鈞.單片機高級語言C51 利用程序設計M北京：電子工業(yè)出版社，2002. 15楊欣.51單片機從零開始M北京：清華大學出版社，2009. 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