【《基于Arduino的火灾环境烟雾浓度监测智能小车装置设计》7700字（论文）】

基于Arduino的火灾环境烟雾浓度监测智能小车装置设计摘要智能小车作为新时代科技创新的产物，它可以根据提前设置好的工作状态自动工作，不需要人工干预，便能完成工作任务，应用场景十分广泛。本设计针对初期火灾烟雾浓度和温度升高的特点，利用烟雾传感器对巡逻环境的烟雾浓度进行监测，当超过设置值时，则通过报警装置报警，可以有效地监测火灾，以期尽可能减少火灾造成的损失，甚至避免火灾的发生。而自动探测前方障碍物并进行判断转向来脱离障碍是智能小车最基本的功能，本次设计为实现智能小车的自动避障功能模块，为智能小车添加了超声波传感器,同时依靠esp8266模块实现了无线控制。在以上模块的基础上，由于在不同的建筑物或者场景中需要安全防范的需求很多，比如保密和防盗等。因此，就需要监测报警装置，以满足不同的安全防范需求。于是本设计添加了人体检测报警装置，该装置采用Arduino的人体感应模块，如在开启的时间内监测到人体，则通过报警装置报警，以期达到人体检测的目的。关键词：Arduino；智能小车；自动避障；多功能目录TOC\o"1-3"\h\u前言 11绪论 21.1选题背景 21.2国内外研究现状 21.3本设计的研究内容 31.4本设计的研究意义 32系统设计 52.1总设计思路 52.2方案论证 63系统硬件设计 83.1系统控制模块 83.2气体传感器模块 83.3人体红外热释电模块 93.4车体模块 103.5超声波避障模块 123.6蜂鸣器报警模块 133.7温湿度传感器模块 143.8开发板设计 154系统软件设计 194.1软件开发环境介绍 194.2软件设计过程 194.3上传程序 25结论 32参考文献 33前言随着科技与应用的不断发展、创新与普及，智能机器领域飞速发展，在此背景下智能机器人的发展也迅速焕发活力。从生活方式到生产工艺，再到应急救援等特殊领域，科学技术的创新与发展正持续的为改善人类生产生活效率而服务。科学技术始终是为人类服务。随着人类对生产生活效率的要求不断提高，科技的创新与应用势必会更广阔地被应用到日常生活中，并在持续的发展和创新中不断提高，以期来提高生产生活效率，减少不必要的资源消耗。制造能够解放人类双手的机器一直以来就是一代代科技工作者的终极目标，并一直为之努力着。尤其是能够代替人类被应用于救援等危险领域的机器人更是机器人研发的重中之重。在本次设计中，我们希望设计一个结合温湿度，烟雾监测来实现火灾监测以及人体检测和报警装置来实现防盗功能并且能够自动避障的多功能智能小车应用于我们的生产生活中，来提高我们的生产生活质量。“多功能智能小车”是新时代结合科技创新得到的新产物，也是未来的发展目标，它以提前设置好的工作状态自动工作，不需要人工干预，便能完成工作任务。本设计针对初期火灾烟雾浓度和温度升高的特点，利用烟雾传感器对巡逻环境的烟雾浓度进行监测，当超过设置值时，则通过报警装置报警，可以有效地监测火灾，以期尽可能减少火灾造成的损失，甚至避免火灾的发生。而自动探测前方障碍物并进行判断转向来脱离障碍是智能小车最基本的功能，本次设计为实现智能小车的自动避障功能模块，为智能小车添加了超声波传感器,同时依靠esp8266模块实现了无线控制。在以上模块的基础上，由于在不同的建筑物或者场景中需要安全防范的需求很多，比如保密和防盗等。因此，就需要监测报警装置，以满足不同的安全防范需求。于是本设计添加了人体检测报警装置，该装置采用Arduino的人体感应模块，如在开启的时间内监测到人体，则通过报警装置报警，以期达到人体检测的目的，满足安全防范方面的需求。1绪论选题背景随着技术的更迭，智能机器领域飞速发展，在此背景下智能机器人的发展也迅速焕发活力。近年来，智能机器人包括智能小车的应用领域迅速增多，智能小车和智能机器人的智能化也飞速提升。从智能家居到消防救援机器人、防爆排爆机器人等各行各业。随着人类对生产生活效率的要求不断提高，科技的创新与应用势必会更广阔地被应用到日常生活中，并在持续的发展和创新中不断提高，以期来提高生产生活效率，减少不必要的资源消耗。制造能够解放人类双手的机器一直以来就是一代代科技工作者的终极目标，并一直为之努力着。被应用于危险救援、防爆排爆等人类高危任务领域的机器人更是机器人研发的重中之重。因此，在本次设计中，我们希望设计一个结合温湿度，火焰监测来实现火灾监测和人体检测和报警装置来实现防盗功能并且能够自动寻迹和避障的多功能智能小车应用于我们的生产生活中，来提高我们的生产生活质量。“多功能智能小车”可以通过预先设置后在需要的场景中自动运行，不需干预，便能够完成预期的工作任务。“多功能智能小车”是现代科技创新的结果，也是未来必然的发展方向。国内外研究现状智能小车作为新时代科技创新的产物，它可以根据提前设置好的工作状态自动工作，不需要人工干预，便能完成工作任务，应用场景十分广泛，国际社会和国内对该领域已经进行了大量研究。1.2.1国外研究现状从上世纪70年代起，美国等发达国家开始进行无人驾驶汽车的研究，主要方向是军事、高速公路和城市环境REF_Ref13312\w\h[1]。第一辆智能小车诞生于1968年，可是因为那时的计算机运算速率迟缓，Shakey识别并对路径进行规划所需时间较长。欧洲开始用“智能速度适应(IntelligentSpeedAdapta⁃tion，ISA)”提升汽车整体安全性，辅以道路标识、卫星定位、车载地图等综合信息的方式完成车辆导航和自动控制车辆时速的功能REF_Ref13396\w\h[2]。到80年代初，美国国防部对自主陆地车辆ALV（AutonomousLandVehicle）的研究犹如了大量资金，并在该领域取得了极大进步REF_Ref679\w\h[3]。1.2.2国内研究现状我国研发智能小车工作晚，与国际智能车研发存在一定差距。在开始研究工作之后几十年间随着计算机等技术的发展迅速进步，取得了一定阶段性成果。近几年国内也曾多次举办智能小车创作大赛来刺激智能小车相关的研发工作，例如“飞思卡尔杯”等。经过几十年的发展，国内智能小车研发工作虽以取得一定的阶段性成果，但仍存在较大不足，今后智能小车仍将是科技工作的重点。本设计的研究内容本设计采用Arduino单片机，核心处理器是Arduino的ATmega328处理器，搭载相关功能模块传感器来实现预期目标。小车超声波避障的实现是通过超声波传感器来检测，并发送回单片机进行判断。智能小车最基本的基础功能就是检测并规避前方障碍物。在超声波避障的基础上，本设计针对火灾初起阶段烟雾浓度和温度升高的特点，利用温度传感器和烟雾传感器实时监测巡逻环境，可以有效地预防火灾，以期尽可能减少火灾造成的损失，甚至避免火灾的发生。由于在不同的建筑物或者场景中需要安全防范的需求很多，比如保密和防盗等。对报警探测器的需求尤其是防盗报警装置的需求很大，所以本设计在自动避障和火灾监测报警的基础上，加装Arduino的人体红外感应模块和报警装置，如果在开启的时间内探测到人体，则通过报警装置报警，以此满足特殊场所的需求。本设计的研究意义本文设计的是一款基于Arduino单片机的，具有多个功能模块的小车，它包括火灾监测、防盗报警、自动避障巡逻等功能模块。·自动避障巡逻：智能小车最基本的基础功能就是检测并规避前方障碍物。本设计采用的是以Arduino的ATmega328为核心控制器，小车超声波避障模块是通过超声波传感器来检测障碍物，并发送回单片机进行判断，来实现。·火灾监测：根据英国有关火灾伤亡原因的统计，因烟气死亡的人数占总死亡总人数的40%-50%。在火灾发展进程的几个阶段中，其中的“初起”阶段，是扑救火灾的最好时机。本设计针对初期火灾烟雾浓度和温度升高的特点，利用烟雾传感器对巡逻环境的烟雾浓度进行监测，当超过设置值时，则通过报警装置报警，可以有效地监测火灾，以期能减少火灾造成的损失，甚至避免火灾的发生。·防盗监测：由于在不同的建筑物或者场景中需要安全防范的需求很多，比如保密和防盗等。因此，就需要监测报警装置，以满足不同的安全防范需求。于是本设计添加了人体检测报警装置，该装置采用Arduino的人体感应模块，如在开启的时间内监测到人体，则通过报警装置报警，以期达到人体检测的目的，满足安全防范方面的需求。2系统设计本次设计分为硬件和软件两个方面。硬件设计包括智能小车车体的搭建和系统的总体设计以及对各模块、传感器的详细介绍，软件设计包括对超声波避障模块、烟雾传感器等模块的程序编写工作，以及将编写好的程序烧至到硬件等工作。2.1总设计思路本系统在设计过程中主要应用Arduino作为核心的主控制器，其他主要部分包括超声波避障、温湿度传感器模块、烟雾传感器模块、人体感应模块、蜂鸣器模块、esp8266模块、车体模块等。超声波传感器是为了探测小车周围的环境，一旦检测到车前有障碍物，系统通过单片机计算后控制车体转动。温湿度传感器模块和烟雾传感器模块是为了监测小车周围环境，当烟雾浓度超标，启动蜂鸣器报警，提示有发生火灾的风险来降低火灾发生的风险。人体感应器模块是为了监测小车周围巡逻环境中是否有人，如果有人则通过蜂鸣器报警来提示风险。Esp8266模块是wifi通信模块，通过esp8266模块可以实现无线遥控和温湿度监测值接收。车体模块是本设计最基本的功能，车体模块主要是为了为以上各功能功能模块提供载体。图2-1为系统总体设计部分框图：图2-1系统总体设计框图2.2方案论证2.2.1控制模块方案设计本设计使用Arduino，Arduino是一个开源的开发平台。它包括软件和硬件，而且无论硬件还是软件，都是全部开源的，Arduino内部封装有很多函数和函数库，因此Arduino更人性化和直观。2.2.2烟雾监测模块方案设计MQ-2传感器应用广泛，可以检测多种气体，包括苯、烷基烃、酒精、氢等常用燃料和烟雾等。而且这种型号使用寿命长、稳定、驱动简单、响应迅速。针对以上优点，本设计采用MQ-2传感器来完成烟雾监测模块。当周围气体浓度被检测到超过标准值时，报警装置会发出报警，达到预警目的。2.2.3人体监测模块方案设计HC-SR501的工作原理是基于红外线和热释电技术完成的。它通过热释电技术改变高低电平来监测人体，而且这种传感器没有红外辐射，较为隐蔽，成本低。HC-SR501还可以防止其他动物、电磁、强光等干扰。基于以上优点，本设计采用HC-SR501来完成人体监测模块的设计。2.2.4温湿度监测模块DHT11数字温湿度传感器应用范围广泛，被广泛应用于各个领域，而且DHT11的成本低，传输距离长，校准精确。基于以上优点，本设计采用DHT11完成温湿度监测模块的设计。2.2.5无线控制模块ESP8266是一个串口到无线模块的芯片。而且ESP8266有3种工作模式。①AP模式：简单地说，就是ESP8266本身作为路由器，发出热点，通过连接该热点与芯片进行通信；②STA模式：该模式下，需要借助路由器，连接到网络，完成通信；③STA+AP模式：该模式下可以通过AP模式通信也可以通过STA模式通信。基于以上特点，本设计决定使用ESP8266芯片并设置为AP模式来实现无线控制模块的功能。2.2.6车体模块车体模块作为整个设计的载体和框架，主要负责搭载各个模块的电子元件以及对避障模块和无线控制模块进行响应。在设计中，车体模块主要包括车体、电机、电机驱动、电源等部分。电机部分：直流减速电机弥补了普通直流电机转速过快的缺点。并且增加了扭矩，可以通过L298N驱动，可实现PWM（pulsewidthmodulation）调速。在控制方面，采用单片机进行PWM调速。电机驱动部分：L298N有正反转调速、起动性能好、起动转矩大、可同时驱动两台直流电动机等优点。电源部分：本设计电源部分采用充电锂电池单一电源供电的方式，电源供应电机驱动器，再由电机驱动实现控制器的供电。考虑到本次设计的主要任务不是组装车体，我决定通过网上选购的方式取得除电源、电机驱动以外的车体。基于以上方案，本设计决定采用网购的车体、L298N电机驱动器、直流减速电机、充电锂电池来完成整个车体模块的设计。

3系统硬件设计3.1系统控制模块本设计以ATmega328单片机作为核心模块。电路图见图3-1：图3-1电路原理图ATMEGA328P核心处理器是AVR，程序存储器容量为32KB。电压为1.8V-5.5V，可以在-40°Cto到+85°C的温度区间内工作。实物图如图3-2所示：图3-2ATMEGA328P实物图3.2气体传感器模块MQ-2型烟雾传感器根据导电率和电阻的变化工作，监测烟雾浓度。通常来说，就是烟雾越浓，信号越强。引脚接线：MQ-2的AO脚接单片机的A0脚，DO脚悬空，5V和GND脚分别接电源和接地。MQ-2模块电路图如图3-3所示：图3-3MQ-2电路图MQ-2实物见图3-4所示：图3-4MQ-2模块实物图3.3人体红外热释电模块HC-SR501是基于红外线和热释电技术工作，而人体会发出一种红外线，所以HC-SR501的监测范围内有人时，因为电荷失衡，释放电荷，后续经BIS0001芯片处理后，输出高电平，以进行警报处理。引脚接线：DATA脚接单片机的A1脚，5V和GND脚分别接电源和接地。电路图如图3-5所示：图3-5HC-SR501传感器电路图HC-SR501传感器实物图如图3-6所示：图3-6HC-SR501传感器实物图3.4车体模块3.4.1电机驱动部分L298N驱动模块，可以驱动2个直流电机。通过IN1、IN2引脚驱动一个电机，控制一个轮子，通过IN3和IN4控制另一个轮子的转速和方向。电路原理图如图3-7所示：图3-7L298N电路原理图L298N电机驱动器实物图如图3-8所示:图3-8L298N实物图L298N分别通过IN1、IN2引脚和IN3、IN4引脚控制两个电机，控制方向。转速。引脚接线：通过单片机的D5、D6和D9、D10两组引脚连接两组IN脚输出PWM信号驱动电机。其信号逻辑如表3-1所示:表3-1信号逻辑表\o"添加到收藏夹"3.4.2电机部分本设计采用两个直流减速电机和两个橡胶轮，实物图如图3-9所示：图3-9电机模块实物图其中直流减速电机的工作参数如表3-2所示：表3-2工作参数\o"添加到收藏夹"3.4.3电源模块根据第二章方案选择，本设计选用了鸿锐翔的HRX-1206大容量可充电锂电池，实物如图3-10所示：图3-10HRX-1206实物图3.5超声波避障模块HC-SR04超声波测距模块：图3-11HC-SR04实物图本设计采用的超声波模块型号是HC-SR04。HC-SR04模块工作时会先发出信号，然后检测返回信号。通过距离测试公式d=（t*（340m/s））/2来计算出距离值。图3-12超声波模块原理图HC-SR04的主要参数如表3-3：表3-3HC-SR04的主要参数引脚接线：TrigPin接单片机的D8脚，EchoPin接单片机的D7脚，5V和GND分别对应5V和GND。3.6蜂鸣器报警模块蜂鸣器是一种发出声音进行报警的模块，通过模数转换，实现电声转换。各个传感器监测的数据发送到Arduino单片机，单片机对接收到的信号进行判断，如果超出设置值，系统会打开蜂鸣器进行报警，引脚接线：DATA脚接单片机的D4脚，5V和GND分别对应5V和GND。蜂鸣器电路图如图3-13所示：图3-13蜂鸣器工作原理图蜂鸣器实物见图3-14所示：图3-14蜂鸣器实物图3.7温湿度传感器模块当小车开始工作时，会启动DHT11温湿度传感器实时监测小车周围环境，当手机app发送获取数据命令时，单片机会读取DHT11监测到的实时温湿度数据并发送到手机端。引脚接线：DATA接单片机的D11脚，5V和GND分别对应5V和GND。DHT11实物图如图3-15所示：图3-15DHT11温湿度传感器实物图电路原理图如图3-16所示：图3-16DHT11电路原理图DHT11传感器性能说明如表3-4：表3-4DHT11传感器性能说明3.8开发板设计3.8.1设计原理图系统如图3-17所示：图3-17系统原理图MQ-2监测模块如图3-18所示：图3-18MQ-2监测模块原理图报警模块如图3-19所示：图3-19报警模块原理图人体监测模块如图3-20所示：图3-20人体红外热释电模块原理图温湿度传感器模块如图3-21所示：图3-21温湿度传感器模块原理图无线控制模块如图3-22所示：图3-22无线控制模块原理图按键模块如图3-23所示：图3-23按键模块原理图超声波测距模块如图3-24所示：图3-24超声波测距模块原理图3.8.2PCB布线图PCB布线见图3-25：图3-25布线图

4系统软件设计4.1软件开发环境介绍我们使用的是Arduino单片机，它使用的编程语言是Arduino语言，Arduino语言是一种类C语言，与C语言的使用规则及方法基本相同。编译软件我们选用ArduinoIDE1.8.13，使用ArduinoIDE我们在完成编程后可以直接上传单片机，另外ArduinoIDE内部封装有大量的库文件，给我们提供了极大地便利。软件界面如图4-1所示：图4-1ArduinoIDE软件界面图4.2软件设计过程4.2.1系统程序的主体部分本部分主要用流程图和部分程序体现程序运行过程。把单片机程序的主体作为主程序，然后通过对子程序进行调用来实现所有目标。运行时，先进行初始化任务，随后执行下面程序，根据接收的指令执行相关任务。对各个传感器接收的数据进行分析并判断是否达到预设的条件，然后根据判断结果执行相应任务。部分程序如图4-2到图4-4所示，主体流程图见图4-5所示:图4-2库文件引用及引脚定义部分截图图4-3esp8266模块初始化及I/O脚模式定义截图图4-4监测报警部分代码截图图4-5系统程序流程图4.2.2小车运行部分小车的运行模块作为本次设计的基础和控制模块，部分代码如图4-6到图4-8所示，小车运行流程图如图4-9所示：图4-6判断接收指令部分代码截图图4-7接收小车运行部分代码截图图4-8接收数据传输指令并执行部分代码截图图4-9小车运行流程图4.2.3小车避障部分小车避障部分代码截图如图4-10和图4-11所示，流程图如图4-12所示：图4-10小车运转部分代码截图图4-11小车避障部分代码截图图4-12避障流程图4.3上传程序通过数据线将小车与电脑连接，打开设备管理器查看连接的端口，见图4-13，在ArduinoIDE中选择对应的端口和开发板，点击工具栏验证按钮后，编译成功后，将程序上传至小车的单片机中。操作过程如图4-14所示：图4-13查看端口截图图4-14上传程序图结论本文详细介绍了本次设计的过程和结果。通过本次设计，我认识、学习到了许多新的知识。选题之初，老师推荐的题目是基于Arduino的智能小车，但是当时从未了解过这类单片机，后来通过网络上的创客视频才初步了解到Arduino是结合软硬件的开发平台。初生牛犊不怕虎，因为了解到已经有智能小车的作品，于是就预想着增加一些功能，设计一款多功能的智能小车，又通过与老师论证，最终确定题目。但是在实际操作中，与预想的简单的功能及模块的罗列不同，我遇到了各种问题，查阅了大量的文献和书籍，浏览了许多论坛和网站，在指导老师和教学视频的指导下，经过不断地调试分析并修改，最终完成了毕业设计的制作，预期目标基本实现。在完成设计的同时，我对Arduino以及烟雾传感器、超声波避障模块等各个功能模块有了更深的认识。本次设计的多功能智能小车运行时能够对手机app的控制指令作出清晰的响应；能够顺利地监测到前方的障碍物，并作出规避反应。在这些小车的基本功能的基础上，完成了对煤气等可燃气体、火灾、非法入侵的监测和报警功能以及对小车巡视环境的温湿度的监测功能。本设计虽然经测试，可以稳定实现预期目标，但是仍有不足之处和需要进一步完善的地方，希望能再做进一步的研究，进而使得本设计的功能更加完善。通过选题时的调查发现，目前智能小车与智能机器人已经有一定的应用，但是随着科技水平的高速发展，智能小车或者智能机器人，尤其是特殊环境比如仓储、火灾现场等环境中应用的机器人，势必会得到长足发展。随着科技产品的不断更迭，运用新技术生产的产品将会代替现有的产品，所以我们必须不断改良作品，让我们的设计的功能更加完善，应用于更广泛的场景，从而更好地为生产生活服务。参考文献MaurerM.VaMoRs-P:anadvancedplatformforvisualautonomousroadvehicleguidance［J］.In:SPIEConfonMobileRobotsIX.Boston，1994（3）：239-248.B