《基于STM32单片机的智能灭火小车设计》7600字（论文）

基于STM32单片机的智能灭火小车设计摘要本设计是基于单片机基础知识、模拟电路和数字电路知识以及C语言编程等理论知识进行展开的。根据设计的需求和设计目标，进行制定系统的设计方案，并通过比较论证，选择合适的器件。采用STM32单片机作为主控制器，用HC-SR04超声波传感器进行避障，普通火焰传感器作为本系统的火焰传感器，L298D作为直流电机的驱动芯片的设计方案。关键词： 单片机；超声波避障；灭火小车目录TOC\o"1-3"\h\u11355摘要 128877第一章绪论 467571.1选题的目的、意义 4112691.3本课题研究内容 627614第二章系统的总体设计 7118602.1设计方案验证 7942.1.1采用单片机方案 781062.1.2采用PLC方案 772882.1.3CPLD或者FPGA方案 813202.1.4方案的选择 882502.2系统总体设计 814413第三章系统的硬件电路设计 10148903.1主控模块的设计 1011553.1.1复位电路 11274203.1.2晶振电路 1115553.2电机驱动模块的电路设计 11107083.3电源电路 12322093.4火焰检测检测模块 12114033.5灭火模块 1399753.6避障模块电路设计 1420436第四章系统软件设计 16186984.1避障程序控制流程图 1634454.2小车系统流程图 17199034.5环境检测流程图 1819242结论 199022致

谢 2018548参考文献 21第一章绪论1.1选题的目的、意义火灾在现实生活中是非常普遍的，它被称为三大自然灾害之一。消防人员时时刻刻冲到第一线，面临生命危险，在这种背景下，智能寻迹灭火系统应运而生，实现了对安全防护的质的提高，也大大地减低了消防人员的危险。在智能寻迹灭火系统中应用单片机来代替人的思考，还可以实现自动化控制，简化了灭火的工作流程，使单片机代替多余的消防人员，节省了国家不必要的支出，减低了危险。现今，单片机以其强大的控制能力已经被广泛应用于诸多领域，配以各种接口传感器可以实现系统的智能化。无论在安全防护领域、工业控制领域、医疗卫生领域、还是在国防军事领域、航天航空领域，微控制器都起着举足轻重的作用。从最初的8位控制器到现在的32位控制器都还有很大的发展和应用空间。基于单片机的智能消防小车的研究在我国科学研究方面具有深远的研究意义。通过对智能消防的研究可以促使学生能够将理论知识与实践紧密地结合起来，从而提高了学生们的自我动手能力、创造能力、协作能力和综合能力。目前国家所提倡的科研教育中，能力培养是核心。基于单片机的智能消防小车的设计给予了学生们对自我综合能力进行培养的一个发展空间，也对推动各校的科技创新和产学研一体化产生了积极作用，也为我国当前在智能机器这一研究领域的地位做出了相应的贡献。

1.2国内外研究现状

我国的智能消防小车研究开发工作始于20世纪70年代初，到现在已经历了30年的历程。前10年处于研究单位自行开展研究工作状态，发展比较缓慢。1985年后开始列入国家有关计划，发展比较快。在机器人基础技术方面：诸如机器人机构的运动学、动力学分析与综合研究，机器人运动的控制算法及机器人编程语言的研究，机器人内外部传感器的研究与开发，具有多传感器控制系统的研究，离线编程技术、遥控机器人的控制技术等均取得长足进展，并在实际工作中得到应用。在机器人的单元技术和基础元部件的研究开发方面：诸如交直流伺服电机及其驱动系统、测速发电机、光电编码器、液压（气动）元部件、滚珠丝杠、直线滚动导轨、谐波减速器、RV减速器、十字交叉滚子轴承、薄壁轴承等均开发出一些样机或产品。但这些元部件距批量化生产还有一段距离。我国近几年机器人自动化生产线已经不断出现，并给用户带来显著效益。随着我国工业企业自动化水平的不断提高，机器人自动化线的市场也会越来越大，并且逐渐成为自动化生产线的主要方式。我国机器人自动化生产线装备的市场刚刚起步，而国内装备制造业正处于由传统装备向先进制造装备转型的时期，这就给机器人自动化生产线研究开发者带来巨大商机。据预测，目前我国仅汽车行业、电子和家电行业、烟草行业、新能源电池行业等，年需求此类自动化线就达300多条，产值约为上百亿元人民币。我国消防装备研究部门从1997年开始对消防灭火机器人进行科研开发，2002年6月，由公安部上海消防研究所、上海交通大学、上海消防局三家单位共同承担的国家863项目"履带式、轮式消防灭火机器人"研制成功并顺利通过国家验收。消防灭火机器人，又称自行式水-泡沫消防炮，是一种结合多种消防灭火手段为一体的新型消防装备。据英国《每日邮报》报道，美国海军正在开发一款新型灭火机器人。这款机器人身高约5英尺10英寸（约合1.778米），重约143磅（约合129.7斤），未来不久，它或许就将加入美国海军序列并在舰船上服役。近日在华盛顿举行的“海军未来军备科学与技术展”上，这款机器人对外作了展示。在模拟的火灾场景中，这款机器人展示了穿越复杂地形，借助热成像技术识别过热设备并使用软管浇灭小型火灾的能力。托马斯·麦克坎博士是美国海军研究办公室（ONR）下属“类人机器人互动与识别神经科学项目组”的主管。他说：“我们在这里展示一种类人机器人，其可以在船舶上运动，操作开关门或使用水管并借助感受器的帮助在浓烟中搜寻和导航。这种机器人设计的长远目标是使其能够提供帮助，让海上的船员们远离火灾的危险。”这种先进的机器人是由弗吉尼亚理工学院研发的，是一种具有两足的类人型机器人。其正式的名称是“船舶自动灭火机器人”（SAFFiR）。其独特的机械结构设计使其具备超人的运动能力，能够在复杂空间环境下展开快速行动。其身上安装的多种感受器，包括红外立体视野以及可旋转的激光探测和测距系统（LIDAR），使得这款机器人可以在浓烟中行动自如。另外它还经过专门设计，可以抵达指定的位置并自行使用水管。但在目前阶段这款机器人还必须依靠研制人员从计算机控制台发送全部指令。1.3本课题研究内容本设计是基于单片机基础知识、模拟电路和数字电路知识以及C语言编程等理论知识进行展开的。根据设计的需求和设计目标，进行制定系统的设计方案，并通过比较论证，选择合适的器件。采用STM32单片机作为主控制器，用HC-SR04超声波传感器进行避障，普通火焰传感器作为本系统的火焰传感器，L298D作为直流电机的驱动芯片的设计方案。第二章系统的总体设计2.1设计方案验证2.1.1采用单片机方案通常STM32单片机是基于ARM内核而开发设计，具有非常高的性价比，这款单片机的结构非常的简单，在编写程序的时候支持汇编语言和C语言，因此受到很多开发者的欢迎。STM32单片机FLSAH存储器的大小为32K的空间，具有PA、PB、PC和PD四个端口，每个端口包括16位。STM32集成了丰富的功能，方便开发者使用，包括定时器、计数器、USART串口等多种功能。开发人员可以在使用时根据需要进行配置，并且该单片机的PD端口具有两个功能。首先必备的功能是普通的I/O端口功能，其次的功能是中断和串行端口作用。STM32的工作电压为3.3V，封装有贴片封装和双列直插封装。最高可支持32MHz的晶振。2.1.2采用PLC方案如果采用PLC模块来实现本课题的功能，对于PLC来说，温度属于模拟信号，这样导致PLC需要外挂一个模拟采集模块。同时本课题也有数字量信号输入输出，综合考虑大学所学的课程和符合本课题所需要的实现功能和所需的资源，为此本设计综合选型S7-200PLC为该系统的主控制器。传感器将采集到的电压电流这些外部模拟量通过系统转化为可供传输的电流信号。此信号在EM235模拟量输入模块中可以被转换为数字信号，而后进一步传输到PLC控制器当中，之后再转化输出控制光伏系统。2.1.3CPLD或者FPGA方案如果使用FPGA或CPLD的作为本次设计的控制模块，优点在于数据运算能力强，有着较高的运算速度，在此方面远胜于其他微控制器。对于一些运算速度要求较高的运用，例如航天和通信的，其受到广泛的青睐。CPLD或者FPGA控制系统使用的编辑语言有两种选择，第1种是VHDL，第2种是VHERILOG。相较于C语言来说，本系统使用的2种语言的应用难度相对较大。尤其涉及到浮点运算。这种编程语言有着纯硬件的特性，所以在使用过程中，需要对其底层之人有着更为深入和广泛的了解。其在高性能的前提下也表示着会有高损耗。在芯片的使用过程中，需要对芯片的普通模块进行单独供电，例如对其IO管脚需要供给3.3V直流电，芯片内核的工作需要1.8V直流电和1V直流电。相对于单片机来说，供电系统较为复杂，对电源的质量要求也比较苛刻，因此在使用过程中需要设计者有较强的电路设计能力。2.1.4方案的选择本课题综合介绍了STM32单片机控制方案、PLC控制方案和CPLD或者FPGA的控制方法，详细介绍了使用3种方案时如何搭建系统工作，就PLC方案来说，采用梯形图设计本课题，编程简单，同时PLC的抗干扰性比较强大，在工业现场使用比较多。但是PLC的使用成本比较高，系统比较庞大，光一个PLC就得占用很大的地方，相较于单片机方案来说，单片机编程采用的C语言，比梯形图编程要复杂，但是本课题的代码可以网上查阅参考，设计也较为简单，再加上单片机的使用成本不及PLC的一个零头，本课题的使用场景也是工业环境，所以综合考虑单片机方案较为合适本课题的设计，再比较单片机和CPLD方案，单片机设计常用的语言是C语言，这是大学入门第一堂课必学的课程，熟练度深入人心，而CPLD设计过程需要的VHDL和VHERILOG语言针对于本课题设计过程中难度有点大，再加上VHDL和FPGA大部分都是BGA封装，引脚数很多，硬件设计起来完全是大材小用，所以本课题最终选择单片机方案。2.2系统总体设计本系统应具有以下六个模块组成：单片机控制模块、电机驱动模块、避障模块、灭火模块、电源模块、寻火模块。基于单片机的智能消防小车能够实现能到指定区域进行灭火工作（以蜡烛模拟火源，分布在小车行走的场地中）。小车必须通过内部设备采集现场环境情况进行分析并做出相应的动作，以达到小车智能灭火的目的。根据题目要求，本系统主要由控制器模块、电源模块、直流电机及其驱动模块、避障传感器模块、火焰传感器、灭火系统及其驱动模块等模块构成，本系统的方框图如图2.1所示。单片机单片机电源模块电机驱动模块超声波模块寻火模块灭火风扇控制模块图2.1系统原理框图第三章系统的硬件电路设计3.1主控模块的设计本次设计使用的CPU类型为Cortex-M3，该种型号的CPU所使用的架构模式是ARMV7，并且兼容Thumb-2指令集，自身配置的特性较为丰富。与ARM7TDMI型号的CPU作对比，本次设计使用的CPU耗电量更低，并且对于中断可以嵌套使用。在运行同种代码的前提下，可以发现本次设计使用的CPU，代码占据的空间较小。从价格上考虑，本次设计使用的CPU远远低于ARM7TDMI型号的CPU。但是从性能上考虑，本次实际使用的CPU可足够满足本系统的使用。本次设计使用的主控CPU模块是STM32F系列的单片机，这种型号的单片机有如下应用优势：（1）价格低廉。使用的CPU位为32位。与其他CPU相比，该种型号的CPU，有着更高的性价比。所搭建的晶振电路，最高能够提供72M赫兹的时钟频率。（2）能够兼容多种外设。STM32系列的单片机集成度较高，所以可以同时对多个外部设备进行驱动。（3）该系列的单片机有多种型号，以供选择。该系列的单片机有不同的内核型号，不同的封装模式和通信模式，可以根据实际需要进行分别选择。（4）设置快速I/O端口。该系列的单片机，如果型号不同，则I/O数量也存在着差异。该系列的单片机最多的I/O端口数为112个，所有的端口所能够接受的输入电压不能高于5伏。（5）控制系统能耗。对于该系列的单片机来说，所搭建的外设都有独立的时钟开关，如果所有的时钟开关均处于启动状态，则系统的耗能就会非常巨大。基于耗能角度的考量，需要对没有工作的时钟开关进行操作，使其处于关闭状态。（6）在开发项目过程中，其成本低廉。各种型号的单片机只有一个通信端口，在实际使用过程中可以用于直接下载程序，不需要配置仿真器的使用。并且，可以兼容多种调试口，例如JTAG和SWD，极大程度地降低了设计的难度，缩短了设计的时间。本设计采用STM32家族中的STM32F103系列的单片机，具体为STM32F407TB，其最小系统如下图3.1所示：图3.1中本设计根据硬件接口所需将STM32F103的引脚分开来绘图，主要是便于设计。图3.1核心板电路3.1.1复位电路在系统运行过程中，复位电路的工作原理具体如下：整个系统一旦上电，电容两端受到电压的加载，复位引脚短路接地，单片机恢复至原始状态，整个操作流程需要花费的时间为几毫秒。3.1.2晶振电路晶振电路的构成主要由一个32MHZ的无源晶振，配合两个22PF电容，组合在一起的，如果缺少任何一个部分，都无法实现晶振电路的正常运行。单片机计数和计时都是靠接受晶振发出的脉冲信号。3.2电机驱动模块的电路设计在该版块的设计过程中，主要的技术核心是围绕L298这款芯片展开的关于电机正反转模式的转化机制设计以及对转速等数据参数的调试工作。L298是SGS公司在近几年主推的一款芯片，也是近几年市面上流通程度比较高的一种芯片。在本次设计中采用的是其系列产品中具有15脚Multiwatt封装的一款产品，在本次设计的产品中其性能最大的特异性就是因为其内部装载了4通道逻辑驱动电路。本次采用的这款L298芯片在和其他类型的芯片对比的情况下，可以看出其综合稳定性比较高，除此之外，在正常运转状态下其对高压模式以及大电流双全桥式模式具有一定的适应性。其中，存在两个比较特殊的脚为SENSEA、SENSEB，他们是两个H桥的电流反馈脚，在不进行运转程序时和大地连接。VCC以及VS是和电源相接的引脚，其存在一定的控制电压范围，根据本次试验的部分参数信息经过推算可知，加载在VCC两端的电源电压为5V，VS两端的电压为12V。ENA，ENB为使能端，低电平禁止输出。电机驱动模块的电路图如图3-2所示：图3.2电机驱动模块的电路图3.3电源电路本设计中所有器件的使用电源均为5V直流电源，所以我们必须自制一个稳压电源，一供单片机以及外部器件使用，在本次设计中直接使用外部手机充电器插头将220V转5V用在本课题的供电应用中，其控制电路图如图3.3所示。图3.3电源电路3.4火焰检测检测模块火灾发生前和发生后，必然会产生烟雾和二氧化碳等有害气体。所以本设计加入了烟雾检测模块，对粮库的环境进行检测。通过查阅大量资料，本设计最终选用MQ-2烟雾传感器。MQ-2具有众多优点，电路简单且应用广泛，可用于家庭、库房、工厂等不同环境，可以检测烟雾浓度，也可以进行气体检测，实物见图3-4。图3-4MQ-2烟雾传感器实物图MQ-2主要包括四部分，封装好的MQ-2有6个针状引脚，1、2、3引脚接电源，4、6引脚用来输出，5引脚接地，1、3、4、6引脚用来提取信号，2、5引脚来提供加热电流，MQ-2电路如图3-5所示。MQ-2工作原理如下：当MQ-2检测到烟雾时，导电率会随着烟雾浓度增加而增大，传感器的输出电阻与导电率成反比，导电率增大输出电阻就会变小。本设计在5、6引脚之间串入一个R11电阻，根据分压定律当电阻发生变化时，所分得的电压也会发生变化，只需要把检测电压转化为对应输出发送到52单片机即可。图3-5MQ-2电路图3.5灭火模块由于灭火用的风扇或者喷水都会涉及到大功率电路，所以用单片机直接控制很不现实，所以需要一个能够实现小信号控制大信号的器件，为此本课题通过结合三极管和继电器模块实现单片机的小信号来控制喷水等大电压大电流信号，并且实现前后级隔离，其控制电路图如图3.6所示图3.6灭火模块3.6避障模块电路设计HC-SR04超声波模块本身是一种利用超声波发射和接收实现测量距离的模块，在本系统中我们通过设定一个既定的阈值，通过比较超声波测距返回的距离的数值与阈值进行比较来判断是否进行刹车停止、左右转弯等变化。超声波并不是直着向着正前方发射的，而是通过一个舵机带动超声波发生器左右摆动，SR04的左右摆动的最大的角度是15°左右，在摆动的过程中，会发射超声波，同时每发射一次超声波，超声波模块会记录当前超声波的摆动角度和距离前方障碍物的距离，从最左边扫描到最右边为一个扫描周期，一个周期扫描完之后，再将测得的角度和距离的数值进行温度修正之后综合得到一个距离障碍物的角度和距离传送到单片机与对应的阀值进行比较，单片机再通过比较的结果来控制电机的状态，从而及时调整小车的状态，最终达到避开障碍物的目的。其主要设计电路原理图如下图3.6所示：图3.7避障电路原理第四章系统软件设计4.1避障程序控制流程图下图4.1是避障功能流程图：图4.1避障功能流程图避障控制程序首先也是初始化，然后启动超声波子函数控制超声波模块开始工作，同时定时器开始计算时间，这个时间主要用于后面计算探测到的障碍物与车身之间的距离，得到距离后，程序开始自动与阈值10cm开始比较，若小于等于10cm则进入电机控制子函数使小车及时倒退避免与障碍物相撞，若大于10cm则小车继续直行，由于这整个过程是一个循环，所以超声波模块在小车运动过程中时刻监测障碍物与自身之间的距离，若在危险范围内，则及时做出调整，最终达到避障的目的。4.2小车系统流程图小车系统的主程序主要是完成小车初始化，负责对环境的数据采集，对红外避障、电机驱动等模块的检测与处理，以及检测数据的通信与传输。小车在粮库环境开始工作后，各传感器沿着轨道进行采集，当系统检测到不同的信息时，单片机执行对应的子程序，并将反馈结果发送到各模块。传感器将检测的环境参数发送到主控板；电机驱动不仅要控制小车行驶，而且当遇到障碍或出现偏离时，通过I/O控制小车左右移动或转弯调头，系统流程图如图4-2所示。超声波检测单片机处理数据超声波检测单片机处理数据图4-2小车系统流程4.5环境检测流程图粮库环境的检测工作包括对烟雾或者温度的检测，严格按照粮库的存储规定执行，工作流程见下图4-5。为保障检测结果的准确性，传感器通电后首先初始化，之后即开始正常的数据采集工作。工作时按照设定好的先向传感器发出一个开始的信号，并等待传感器做出反应，当传感器反应完毕之后开始向单片机传输数据。单片机接收的数据处理后经发送到单片机，接收板单片机处理后，超过设定值时灭火程序启动。同样为保证检测结果不受影响，MQ-2需先进行通电预热。传感器工作时，烟雾浓度越高输出电阻就越小，MQ-2采集的气体烟雾信号经过放大、转换后发送到单片机。超限灭火单片机采集信号超限灭火单片机采集信号图4-5环境检测流程结论本文是基于单片机的设计，制作了一款多功能于一体的灭火小车，由避障小车和数据接收板组成，分别采用不同的单片机进行控制。避障小车体积小巧移动灵活，实现了移动式采集，扩大了环境的检测范围，可在同一位置对不同地方的进行检测，比传统的检测设备更加可靠、方便。使用单片机作为主控，能对烟雾、其他气体等进行有效检测并报警，具有良好的市场前景与研究价值。从开始到制作完成花了好几个月的时间，自己一边查阅资料一边进行制作，不仅掌握了许多新知识，而且锻炼了自己的动手能力。在制作过程中也遇到了很多问题，最终在老师与同学的帮助下所有问题都迎刃而解。这次设计让我意识到自己还有很多不足，还需要努力学习。参考文献杨铠睿,姜锐函,徐红梅.基于Arduino的消防侦查小车设计[J].电脑知识与技术,2020,v.16(11):73-74.张海军,宋兴文,赵锐朋,等.基于C51单片机智能小车设计[J].农家参谋,2020,No.643(02):193-194.刘萌萌,苗炜丽,余彦琼.基于AT89C52单片机的智能小车设计[J].内燃机与配件,2020,000(002):P.214-216.张波、徐传旭、李可、杨智、王晨阳.基于单片机的智能避障小车[J].内蒙古科技与经济,2020,No.457(15):102-103.王心华,余航,游锦旭,等.基于ST89C52单片机的智能小车与手机操控端APP研制[J].实验室科学,2020,v.23;No.120(04):64-71+75.赵俊杰、张艳芬、崔凯.基于STM32单片机控制的智能小车设计[J].电子制作,2020,No.409(23):27-29.刘悦婷,李若飞,