消防智能小车

1、 电动消防车 题 目： 电动消防车 学 院：计算机与信息工程学院专 业：电子信息工程班 级：09（1）班成 员：指导老师：2011/7/27摘要本次设计CPU采用51系列单片机中的STC89C52RC完成的是学校组织的灭火机器人大赛。完成的作品基本功能要求在规定的场地中尽快寻找到火源，然后在尽可能短的时间内作出灭火动作。本作品使用51单片机产生PWM波,控制小车的直流电动机，利用红处开关管探测障碍物，使得小车能够避开障碍，找到火源，从而做出灭火动作。同时使用液晶显示各个阶段小车的任务，使得我们对小车的运行有一个很好的了解。关键词:51单片机 智能小车 光电开关 PWM 液晶显示一、 设计目的设

2、计制作一个电动消防车，能到消防场地任意地点进行灭火作业。以蜡烛模拟火源，火源随机分布在场地中，消防场地如图所示。障碍物黑色线条蜡烛车库出口180cm120cm30cm30cm车库车库二、要求（1） 消防场地为白色背景，尺寸为180cm×120cm。按图中位置配置黑色线条，线条宽度为1.7cm±30%。但场地边界不允许配置线条。场地内外均不允许再设置任何其他的引导措施。（2） 障碍物为白色，尺寸为：长×宽×高=56cm×15cm×15cm，障碍物必须按图对称牢固固定在场地上，位置如图所示。（3） 车库地面为红色，车库尺寸为30cm

3、15;30cm。出发前，要求车的整体在车库内；返库时，车头向里或向外自定，车的整体应在车库内。（4） 车的长宽高分别不大于25cm、25cm、25cm，电池供电，在一次测试中不允许更换电池。（6） 蜡烛直径不小于12mm，高度520cm，灭火时每次只允许扑灭一个蜡烛。 （7）在场地中随机放置一只蜡烛。消防车从车库启动，计时开始，消防车同时发出出库声音提示。消防车从车库出口驶出车库，自动行走到距离火源10cm以内区域，发出火警声音提示，停车3秒钟。（8）消防车执行灭火工作，灭火完毕后，发出火灭声音提示。（9）消防车经由车库出口自动返回到车库，停稳后，发出返库声音提示，计时结束。（10）上述过程用

4、时尽可能少。三、 方案设计与论证根据设计的目的与要求，经过讨论我们一致选定左手法则，即小车一直延左墙走，当遇到障碍物就右转，直到进入火灾区时检测到白线改为右手走法，再利用蜡烛前面的白线检测火源。因此设计的小车要求能够及时调节前进的方向，以避开障碍物，顺利找到火源。1 直流调速系统鉴于价格和功能的考虑，我们选择了直流电机，通过PWM控制小车的速度以及方向。电机驱动部分由以下两种方案：方案一:使用MOSFET构成H桥式驱动电路，利用PWM波形来控制小车的速度，再用单片机两个I/O口控制电机旋转方向，此电路驱动功率比较大，小车的转速比较快。方案二：采用直流电机驱动芯片L298N来驱动小车的电机。L2

5、98N作为集成芯片，一块芯片能够输出两路PWM波形，控制两个电机，相对于由MOSFET构成的H桥式驱动电路来说具有电路焊接简单，焊接完成后不易出差错的优点。二者价格上差别不大，所以我们优先选择了方案二。2 避障电路的设计 为了能够使小车快速地找到火源所在的房间，就要求避障系统比较灵敏，遇到障碍物迅速躲避，对于避障电路有以下三种方案：方案一：使用红外开关管ST168来避障方案二：使用光电开关E3F3-DS5ON1方案三：使用超声波避障电路由于ST168的探测距离太近，而小车的速度不能太慢，ST168那一系列的红外开关管不能够满足要求。方案二中的光电开关，探测距离能够达到1m，而且抗干扰能力也比较

6、强，但是透镜容易受到粉尘和油污的污染，透镜一旦弄脏，不仅使光束散乱，又会挡住了一部分光，所以不选方案二。对于超声波测距电路，能检测范围在0.1-2.00m,测量精度1cm，测量时与被测物无直接接触，能够清晰地显示结果。LM567可应用于超声波遥控测距电路，因此我们采用了LM567芯片，用LM567发出一定频率的脉冲来抗干扰，测到障碍物输出低电平给单片机，单片机通过识别高低电平来判断是否遇到障碍物，通过程序设计控制四个减速电机的快慢，后退,左转，直走，右转来绕过障碍物。3. 寻迹电路模块设计这里的循迹是指小车在白色地板上旬黑线行走，通常采取的办法是下两种方案:方案一：用红外发射管和接收管自己制作

7、光电对管寻迹传感器。红外发射管发出红外线，当发出的红外线照射到白色的平面后反射，若红外接收管能接收到反射回的光线则检测出白线继而输出低电平，若接收不到发射管发出的光线则检测出黑线继而输出高电平。这样自己制作组装的寻迹传感器基本能够满足要求，但是工作不够稳定，且容易受外界光线的影响，因此我放弃了这个方案。方案二：用RPR220型光电对管。RPR220是一种一体化反射型光电探测器，其发射器是一个砷化镓红外发光二极管，而接收器是一个高灵敏度，硅平面光电三极管。RPR220采用DIP4封装，其具有如下特点：塑料透镜可以提高灵敏度。内置可见光过滤器能减小离散光的影响。体积小，结构紧凑。当发光二极管发出的

8、光反射回来时，三极管导通输出低电平。此光电对管调理电路简单，工作性能稳定。因此我选择了方案二。红外探测法，即利用红外线在不同颜色的物体表面具有不同的反射性质的特点，在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板是发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接受；如果遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接受不到红外光。单片机就是否接受到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线，系统方案方框图如图所示。4. 寻光的原理设计模块寻找火源部分,我们设计了三种方案:方案一：用烟雾传感器。烟雾传感器广泛应用与火警检测。但是由于此题目的火源是用蜡烛模拟的，没有太大的烟雾，因此用烟

9、雾传感器作为此小型电动车的火焰传感器也不够实用，因此我们放弃了此方案。方案二：用紫外传感器检测火焰。紫外火焰传感器主要应用于火灾消防系统，尤其是一些易燃易爆场所，用来监测火焰的产生。紫外线火焰传感器的灵敏度高，相应速度快，抗干扰能力强，对明火特别敏感，能对火灾立即作出反应。但是紫外传感器检测的范围太大，不适用于本系统。方案三：用远红外传感器。火焰传感器是机器人专门用来搜寻火源的传感器，当然火焰传感器也可以用来检测光线的亮度，只是本传感器对火焰特别灵敏。火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央

10、处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。本设计中我们采用火焰传感器来寻找火源。通过比较器LM324进行电压比较和LM358运放器，当测到光则输出高电平，没测到则输出低电平。用五个火焰传感器来实现寻找光源，左右各两个，中间一个，左边测到则向左转，中间测到就直走，右边测到就小车向右走。经试验验证，远红外火焰传感器检测距离远，线性度好，检测准确，且体积较小，很适用于本题目的要求。5. 灭火模块设计灭火部分我们设计了两种方案：方案一：气球灭火,虽然方法简单、方便，不用占用CPU，但是考虑到在气球爆炸后，碎片掉落到跑道上，影响跑道环境。方案二：风扇灭火。舵机是一种位置伺服的驱动器，转动范围不能超过180

11、度，适用于那些需要角度不断变化并可以保持的驱动当中，因此试验过程中我们选用了舵机来控制风扇的转动方向，以达到灭火的效果。 6. 电源部分设计电源部分，采用扩音器 锂电池 7.4V 2200mAh 18650，为电机和风扇供电，再利用LM7805集成稳压器产生5V的电压，为电路中的各个芯片提供工作电压。四、 硬件电路设计1电机驱动电路使用L298N驱动小车的电机，电路图如下： 图中二极管IN5817用于吸收电机反转时产生的电流，L298N的ENA和ENB两端口接单片机输出的PWM波，而IN1、IN2控制电机1（对应着OUT1、OUT2）的旋转方向，IN3、IN4对应着另一个电机的旋转方向。单片机

12、通过控制PWM的占空比，来控制电机的转速，通过IN1IN4控制电机的转向进而控制小车的前进方向。小车转弯时，可以用差动转弯，即一个电机转速增加，而加一个电机转速减小，这样是弧度转弯，另一种方法是让一个电机正转，另一个电机反转，这样转弯速度比较快，但是小车行走不如前一种方式平稳。经过调试之后我们选择前面的方法。2避障电路为了能够使小车快速地找到火源所在的房间，就要求避障系统比较灵敏，遇到障碍物迅速躲避，对于避障电路使用超声波避障电路，其接受和发射电路图如下图所示： 3. 寻迹电路模块在小车行驶过程中不断地向地面发射红外光，当红外光遇到白色纸质地板是发生漫反射，反射光被装在小车上的接收管接受；如果

13、遇到黑线则红外光被吸收，小车上的接收管接受不到红外光。单片机就是否接受到反射回来的红外光为依据来确定黑线的位置和小车的行走路线。本设计的寻迹原理图如下所示 4. 寻光的原理设计火焰传感器的好坏对于该系统的功能能否实现十分重要。我们设计制作的火焰传感器及其调理电路如下图所示。本模块安装在侧面的传感器加上黑色塑封管，使它只接受一条直线上的光，另在车顶安装一个火焰传感器检测环境光，通过LM358运算放大器实现电压比较器功能，两侧检测火源的传感器与环境光传感器做电压比较，检测到火源后输出高电平触发单片机中断，执行灭火程序。触发中断后小车前方的火焰传感器开启，小车向检测到火源的方向转动，每转动一个角度就

14、进行一次A/D转换，将每次的转换的值记录并取平均值，即为环境光的值，当检测到光线突增时，即正对火源。这种累加取平均值的方法可有效去除外由阳光强弱变化而导致的外界光线不稳定或者周围物体反光造成的系统误判，使用价格低廉的红外传感器就可以达到题目要求的精度。然后前进通过车头的一远一近两个传感器实现火源的精确定位，当到达火源10cm以内处开启风扇。5. 灭火模块 最后小车找到火源,用什么方法来灭火,最直接的方法是用风扇,而这也是最有可能实现的办法。此模块中我们采用了能够转舵并保持舵位的舵机板块。舵机工作原理是由接收机发出讯号给舵机，经由电路板上的 IC判断转动方向，再驱动无核心马达开始转动，透过减速齿

15、轮将动力传至摆臂，同时由位置检测器送回讯号进行反馈，然后内部控制电路根据所在位置决定电机的转动方向和速度。舵机的内部基本结构如下图所示： 舵机的输入线共有三条，中间红色的是电源线，一边黑色的是地线。电源线和地线用于提供舵机内部的直流电机和控制线路所需的能源电压通常介于46V，一般取5V。控制线的输入是一个宽度可调的周期性方波脉冲信号，方波脉冲信号的周期为20 ms(即频率为50 Hz)。当方波的脉冲宽度改变时，舵机转轴的角度发生改变，角度变化与脉冲宽度的变化成正比。某型舵机的输出轴转角与输入信号的脉冲宽度之间的关系可用下图来表示。6. 电源部分在小车控制系统中，不同电路模块需要的工作电压和电流

16、容量各不相同。芯片需要提供5V的工作电压，而电机所需的电压为9V，本设计中用到的是9V的电源供电，然后通过三端稳压器LM7805将电压变换为5V电压供给电路系统。电源系统的电路图如下图所示。五、 软件设计用左手法则搜索整个房间，可以容易地检测到房间各个角落，避免出现检测盲区。在小车行进过程中检测火焰，一旦发现火焰则切换到趋光程序，计算火焰位置，准确定位并启动风扇灭火，灭火后检测火焰是否被扑灭，确定火焰被扑灭后计数并回到发现火焰的位置继续搜索房间，直至扑灭所有火焰后启动回家程序，回到原始位置。主程序流程图如下图所示：六、 调试与结果分析我们尝试着用STC89C52RC来控制小车的跑马灯,结果实验

17、成功,证明单片机运转正常。然后尝试循迹,通过多次调试程序，小车终于能正常跑动起来，这是为了检测小车的机械性能，以达到我们的预期目的。主板通电前的检查：电路安装完毕，我们首先检查电路各部分接线是否正确，检查电源、地线、信号线、元器件引脚之间有无短路，器件是否接错。主板安装调试：在调试过程中，我们找到了几个错误之处，这些错误导致小车的稳压芯片过热，也直接导致单片机STC89C52RC的烧坏。经过改动之后，小车能实现基本的功能。七、 总结此次实验设计选择的器件比较简单,部分是采用集成电路板,经过多次的调试,小车在实际的操作中也很容易地实现了基本功能，能够沿着黑线循迹前进，达到了我们预期的目的。不足之处是由于小车采用的是直流电源，器控制不够稳定，不能实现小车的急转弯和大弧度的拐弯。在设计的过程中，我们查阅了大量的资料，学习了单片机等相应的知识，这使我们的设计得以顺利进行。通过这次智能小车的制作，我们将51系列单片机的资源以及一些基本功能掌握地比较牢固，另外在模块化编程方面也有了上些心得体会，有了一定的收获。参 考 文 献1蒋新松. 智能技术与工业自动化M . 石家庄: 河北教育出版社,2003.2许大中等. 电机控制M . 杭州:浙江大学出版社,2002.3胡汉才 单片机原理及其接口技术（第3版） 清华大学出版社 4康华光. 电子技术基础模拟部分