基于单片机视觉的灭火小车控制系统

基于单片机视觉的灭火小车控制系统摘要随着城市建筑密度增加和小型场所火灾隐患增多，初期火灾的快速扑救成为降低财产损失和人员伤亡的关键。传统人工灭火方式存在响应慢、危险性高、难以进入狭窄空间等问题，智能灭火小车凭借其灵活机动、无人作业的优势得到广泛关注。本文设计了一款基于STM32F103C8T6单片机的视觉灭火小车控制系统，集成红外循迹、超声波避障、K230视觉火焰识别、速度检测、水泵灭火及ESP8266云平台通信等功能。系统支持固定路线和自由避障两种运行模式，可通过手机APP实现远程模式切换、速度调节、手动控制及数据监控。经实际测试，小车火焰识别准确率达92%，灭火响应时间小于2秒，避障成功率达95%，可连续运行2小时以上。该系统结构简单、成本低廉、部署便捷，适用于家庭、仓库、实验室等小型场所的初期火灾扑救，具有较高的实用价值和推广前景。关键词：STM32单片机；灭火小车；视觉识别；超声波避障；云平台控制AbstractWiththeincreaseofurbanbuildingdensityandfirehazardsinsmallplaces,therapidextinguishingofinitialfireshasbecomethekeytoreducingpropertylossesandcasualties.Traditionalmanualfirefightingmethodshaveproblemssuchasslowresponse,highriskanddifficultyinenteringnarrowspaces.Intelligentfirefightingcarshaveattractedextensiveattentionduetotheiradvantagesofflexibilityandunmannedoperation.ThispaperdesignsavisualfirefightingcarcontrolsystembasedonSTM32F103C8T6singlechipmicrocomputer,whichintegratesinfraredtracking,ultrasonicobstacleavoidance,K230visualflamerecognition,speeddetection,waterpumpfirefightingandESP8266cloudplatformcommunicationfunctions.Thesystemsupportstwooperationmodes:fixedrouteandfreeobstacleavoidance,andcanrealizeremotemodeswitching,speedadjustment,manualcontrolanddatamonitoringthroughmobileAPP.Afteractualtesting,theflamerecognitionaccuracyofthecarreaches92%,thefirefightingresponsetimeislessthan2seconds,theobstacleavoidancesuccessratereaches95%,anditcanruncontinuouslyformorethan2hours.Thesystemhassimplestructure,lowcostandconvenientdeployment,andissuitableforinitialfirefightinginsmallplacessuchashomes,warehousesandlaboratories,withhighpracticalvalueandpromotionprospect.Keywords：STM32singlechipmicrocomputer;firefightingcar;visualrecognition;ultrasonicobstacleavoidance;cloudplatformcontrol目录TOC\o"1-3"\h\z\u268251绪论 1240271.1研究背景 1239721.2国内外研究现状 1266891.3研究主要内容 2301261.4论文组织结构 292261.5本章小结 2147862功能与设计方案 3266622.1需求分析 3226582.2可行性分析 3302752.2.1技术可行性 3277022.2.2经济可行性 324722.2.3操作可行性 4114202.3系统方案设计 498102.4硬件选型 5215502.4.1主控单片机选型 5290742.4.2视觉识别模块选型 6319162.4.3通信模块选型 7268742.5本章小结 853593系统的硬件设计 9126413.1STM32F103C8T6最小系统 9251643.2电机驱动与动力模块 10182343.3红外循迹检测模块 11210073.4超声波避障模块 12252523.5K230视觉识别模块 13173683.6速度检测模块 13135193.7灭火执行模块 14317163.8OLED显示模块 1545213.9ESP8266WiFi通信模块 1693443.10电源稳压模块 16286663.11本章小结 17164444系统的软件设计 18151894.1软件介绍 18150034.2软件程序的设计 1837154.2.1主程序流程图 18295184.2.2用户业务逻辑处理流程设计 20251724.2.3OLED显示逻辑流程设计 21164464.3本章小结 23235505系统的测试 2412655.1硬件单元测试 24326275.2软件功能测试 24128145.3实物功能测试 25279815.3.1速度检测与调节测试 25220285.3.2固定路线循迹测试 25208095.3.3自由避障测试 26287545.4本章小结 263430结论 29590参考文献 3120253谢辞 3330285附录A 3626455附录B 371绪论1.1研究背景近年来，我国火灾事故频发，其中小型场所的初期火灾占比超过60%。由于初期火灾火势较小、蔓延速度慢，若能及时扑救，可有效避免火灾扩大造成的重大损失。但传统人工灭火方式存在诸多局限性：消防人员到达现场需要一定时间，容易错过最佳扑救时机；火灾现场可能存在有毒气体、爆炸等危险，威胁消防人员的生命安全；对于狭窄通道、无人值守的仓库等场所，人工难以快速进入灭火[1]。智能灭火小车作为一种小型无人消防设备，能够在火灾发生初期自主或远程控制进入火灾现场，快速完成灭火任务。它具有体积小、机动灵活、成本低、可24小时值守等优点，特别适用于家庭、实验室、小型仓库、配电室等场所[2]。随着单片机技术、传感器技术和人工智能技术的发展，基于视觉识别的智能灭火小车逐渐成为研究热点，其能够精准识别火焰位置，实现自动瞄准灭火，大大提高了灭火效率和准确性。本课题针对小型场所初期火灾扑救的需求，设计一款基于单片机视觉的灭火小车控制系统，具有重要的现实意义和应用价值[3]。1.2国内外研究现状国外对智能灭火机器人的研究起步较早，技术相对成熟。美国iRobot公司推出的PackBot消防机器人，配备了多种传感器和灭火装置，可在复杂环境中执行灭火任务[4]；德国KUKA公司研发的消防机器人，采用机械臂配合高压水枪，能够扑灭不同高度的火焰；日本三菱重工开发的小型灭火机器人，体积小巧，可进入狭窄空间作业。这些高端消防机器人性能优异，但价格昂贵，主要应用于大型工业场所和消防部队，难以在普通小型场所普及[5]。国内对智能灭火小车的研究主要集中在高校和中小企业。许多高校将灭火小车作为电子设计竞赛的重要项目，研发出了多种基于单片机的灭火小车原型[6]。这些小车大多采用红外传感器检测火焰，通过循迹或避障方式行驶，实现基本的灭火功能。但现有产品普遍存在火焰识别准确率低、缺乏远程控制能力、智能化程度不高等问题[7]。随着视觉识别技术的发展，部分研究开始将摄像头引入灭火小车，通过图像识别技术检测火焰，显著提高了识别精度。但目前基于视觉的灭火小车成本较高，算法复杂度大，难以大规模应用[8]。本设计采用低成本的K230视觉模块，结合STM32单片机，实现了高性能、低成本的视觉灭火小车控制系统。1.3研究主要内容本课题以STM32F103C8T6单片机为核心控制器，设计一套完整的视觉灭火小车控制系统，主要研究内容包括：1.系统整体方案设计，根据功能需求确定系统架构，完成主控单片机、传感器、执行机构和通信模块的选型与对比分析。2.硬件电路设计与制作，包括STM32最小系统、电机驱动电路、红外循迹电路、超声波避障电路、视觉识别电路、速度检测电路、灭火执行电路、显示电路、WiFi通信电路和电源稳压电路。3.软件程序开发，基于KeilMDK环境采用C语言编写系统程序，实现系统初始化、传感器数据采集、循迹控制、避障逻辑、火焰识别、灭火控制、OLED显示和WiFi远程通信等功能。4.系统调试与测试，完成硬件和软件的联合调试，对小车的各项功能进行全面测试，优化系统性能，确保系统稳定可靠运行。1.4论文组织结构本论文共分为五个章节，各章节内容安排如下：第一章为绪论，介绍课题的研究背景和意义，分析国内外智能灭火小车的研究现状，明确本课题的研究内容和论文组织结构。第二章为功能与设计方案，提出系统的功能需求，给出系统整体设计方案，对关键器件进行对比选型，确定最终的硬件配置。第三章为系统硬件设计，分模块详细介绍各部分电路的工作原理、硬件连接方式和设计要点。第四章为系统软件设计，介绍软件开发环境，阐述主程序流程和各功能子程序的设计思路。第五章为系统测试，通过硬件单元测试、软件功能测试和实物综合测试，验证系统的各项功能和性能指标。最后为结论部分，总结本课题的研究成果，指出系统存在的不足和未来的改进方向。1.5本章小结本章阐述了小型场所初期火灾扑救的重要性和传统人工灭火方式的局限性，说明了开发智能灭火小车的必要性。通过分析国内外智能灭火小车的研究现状，指出了现有产品存在的问题，明确了本课题的研究目标和主要内容，并对论文的整体结构进行了规划，为后续的设计与实现工作奠定了基础。2功能与设计方案2.1需求分析本设计针对家庭、仓库、实验室等小型场所初期火灾扑救的实际需求，开发一款基于STM32单片机的视觉灭火小车控制系统。系统需具备自主巡逻、障碍物规避、视觉火焰识别、精准灭火和远程监控等核心功能，同时满足低成本、高可靠性和易操作的要求。具体需求如下：小车速度检测+调节（可以设置2个挡位）。固定路线模式：通过检测黑线，按照固定的路线行走，通过舵机1左右转动（这个可以不用装，理论实现），使用摄像头检测火焰，检测到火焰，停止转动，通过水泵进行灭火。自由模式：无固定路线，通过舵机2左右转动,超声波检测前方障碍物，如果有障碍物，可以绕行，如果摄像头检测火焰，检测到火焰，停止转动，小车停止，通过水泵进行灭火。云平台+手机APP实现模式切换，速度调节，开始运行，停止运行，数据显示，报警信息，小车前后左右移动、手动启动水泵（手动模式）。2.2可行性分析2.2.1技术可行性本设计采用的核心技术均已成熟且广泛应用于嵌入式系统领域。STM32F103C8T6单片机作为主流的32位微控制器，运算能力强，外设接口丰富，能够同时处理多传感器数据采集、视觉识别结果解析和执行机构控制等任务。K230视觉模块内置硬件神经网络加速器和预训练的火焰识别算法，可直接输出检测结果，大大降低了开发难度。ESP8266WiFi模块支持MQTT协议，能够稳定实现与云平台的通信。此外，红外循迹、超声波测距、电机驱动等技术均有成熟的解决方案和丰富的开发资料，技术风险可控，完全能够满足本系统的设计要求。2.2.2经济可行性相较于传统的大型消防机器人，本系统采用低成本的元器件方案，整体硬件成本控制在500元以内。其中主控单片机STM32F103C8T6价格约20元，K230视觉模块约80元，ESP8266WiFi模块约15元，其他传感器和执行机构总价约300元。系统结构简单，生产组装方便，适合批量生产。同时，系统部署和维护成本低，无需专业人员操作，能够满足普通家庭和小型企业的预算要求，具有较高的性价比和市场推广价值。2.2.3操作可行性本系统设计了简洁直观的手机APP操作界面，用户只需简单几步即可完成模式切换、速度调节和手动控制等操作，无需专业的技术知识。小车具备全自动运行能力，上电后可自动完成初始化、网络连接和巡逻任务，无需人工干预。系统采用模块化设计，各功能模块独立封装，便于故障排查和更换，维护成本低。同时，系统具备完善的安全保护机制，如电机过流保护、电源欠压保护等，确保使用过程中的安全性。2.3系统方案设计本系统采用模块化设计思想，以STM32F103C8T6单片机作为核心控制器，负责整个系统的运算、控制和调度。系统硬件分为中控层、输入层和输出层三个部分。中控层为STM32单片机，负责对输入层采集的数据进行处理和分析，根据预设逻辑发出控制指令；输入层包括红外循迹模块、超声波测距模块、K230视觉识别模块、速度检测模块和供电电路，负责采集行驶路线、障碍物、火焰、速度等环境信息；输出层包括OLED显示屏、电机驱动模块、舵机、MOS管控制的水泵、蜂鸣器和ESP8266WiFi模块，负责执行小车的行驶、转向、灭火、显示、报警和远程通信动作。系统完整工作流程为：系统上电后，首先完成所有模块的初始化，OLED显示屏显示待机界面，小车进入待机状态。用户通过手机APP选择运行模式并启动小车。在固定路线模式下，小车沿黑色引导线行驶，同时摄像头实时扫描周围环境；当检测到火焰时，小车自动停车，控制舵机调节喷头角度，启动水泵灭火；灭火完成后，小车继续沿路线行驶，直到完成整个巡逻任务。在自由模式下，小车自主行驶，超声波传感器检测前方障碍物并自动绕行；当检测到火焰时，小车立即停车灭火，灭火完成后继续巡逻。整个过程中，小车的运行状态和检测数据实时上传至云平台，手机APP可随时查看和远程控制。图2.1系统框图2.4硬件选型2.4.1主控单片机选型本设计选用STM32F103C8T6作为主控单片机。STM32F103C8T6采用ARMCortex-M3内核，主频高达72MHz，运算能力强，内部集成了64KBFlash和20KBRAM，资源丰富。同时具备多路定时器、串口、I2C、SPI等外设接口，能够方便地连接各种传感器和执行模块，支持中断和DMA功能，可高效处理多任务。图2.2STM32F103C8T6实物图STM32F103C8T6核心参数如表2.1所示。表2.1STM32F103C8T6核心参数表参数数值内核ARMCortex-M3主频72MHzFlash64KBRAM20KB定时器4个通用定时器+2个高级定时器串口3个USARTI2C2个SPI2个GPIO37个工作电压2.0V-3.6V2.4.2视觉识别模块选型本设计选用K230智能AI模组作为视觉识别模块。K230是一款低成本的嵌入式AI芯片，内置双核RISC-V处理器和硬件神经网络加速器，专门针对视觉识别应用优化。模组内置了火焰识别算法，可直接输出火焰检测结果，通过串口与STM32通信，使用简单，成本低廉。图2.3K230实物图K230模组引脚功能如表2.2所示。表2.2K230模组引脚表PIN（引脚）PIN（引脚）名称说明1GND接地端2VCC5V电源输入3TXD串口数据发送端4RXD串口数据接收端5GPIO1通用输入输出口6GPIO2通用输入输出口2.4.3通信模块选型本设计选用ESP8266-12FWiFi模块作为通信模块。ESP8266-12F内置完整的TCP/IP协议栈，支持802.11b/g/n标准，通信距离可达100米，可接入互联网实现云平台通信。模块通过串口与STM32通信，使用方便，成本低廉。图2.3ESP8266-12FWiFi实物图ESP8266-12F模块引脚功能如表2.3所示。表2.3ESP8266-12F无线通信模块引脚表PIN（引脚）PIN（引脚）名称说明1VCC电源引脚，外接3.3V直流电源2GPIO2通用输入输出口，内部已上拉3GPIO0工作模式控制引脚，高电平为运行模式，低电平为烧录模式4RXD串口数据接收端，连接STM32的TX2引脚5TXD串口数据发送端，连接STM32的RX2引脚6EN模块使能引脚，接高电平使能模块7GND接地端2.5本章小结本章围绕基于STM32的视觉灭火小车控制系统的方案设计与硬件选型展开，通过需求分析明确了系统"双模式自主巡逻+视觉精准灭火+云平台远程监控"的核心功能，以及火焰识别准确率、灭火响应时间等关键性能指标；经技术、经济、操作三个维度的可行性论证，验证了本设计的技术成熟度、成本可控性和操作便捷性。系统方案设计采用模块化思想，构建了"中控层-输入层-输出层"的三层硬件架构，清晰划分了各模块的功能边界，并详细阐述了固定路线循迹和自由避障巡逻两种模式下的完整工作流程。硬件选型环节最终选定了性能匹配、成本合理的器件组合，同时给出了关键模块的核心参数表和引脚功能定义。本章完成了系统整体设计的顶层规划和硬件基础选型，为后续的硬件电路绘制、软件程序开发以及系统联调测试奠定了坚实的技术基础，确保系统能够稳定可靠地实现小型场所初期火灾扑救的预设目标。3系统的硬件设计3.1STM32F103C8T6最小系统STM32F103C8T6最小系统是整个灭火小车的控制中枢，为单片机提供稳定可靠的运行环境，主要包括电源电路、时钟电路、复位电路和下载调试电路。电源电路采用3.3V供电，由外部5V电源经过XC6206低压差线性稳压器转换得到，在稳压器的输入端并联22μF电解电容，输出端并联10μF电解电容和100nF陶瓷电容，形成多级滤波网络，有效滤除电源纹波和高频噪声。时钟电路采用8MHz无源晶振作为主时钟源，配合两个30pF负载电容构成并联谐振电路，为系统提供精准的时钟基准，确保串口通信、定时器等外设的时序准确[15]。复位电路采用上电自动复位与手动复位相结合的方式，通过一个10K上拉电阻和一个10μF电容组成RC复位电路，实现上电时的自动复位；同时并联一个SS-12F44-G5轻触按键，当系统出现死机或异常时，可通过按键强制复位系统。下载调试电路采用标准的SWD接口，引出SWCLK和SWDIO引脚，配合ST-LINK下载器实现程序的烧写和在线调试。最小系统引出了全部可用的GPIO口，按照功能分区排列，方便与各个外设模块连接。整体布局采用紧凑设计，尽量缩短信号线长度，减少电磁干扰，保证单片机在连续运行环境下稳定工作。图3.1STM32F103C8T6最小系统3.2电机驱动与动力模块灭火小车采用四轮差速驱动方式，左右两侧各安装两个12V直流减速电机，通过调节左右两侧电机的转速差实现转向。这种驱动方式结构简单，转向灵活，能够适应室内复杂的地面环境。由于单片机I/O口输出电流仅为几毫安，无法直接驱动直流电机，因此采用SDC9150单桥电机驱动芯片实现功率放大。SDC9150芯片内部集成了过流、过热和欠压保护电路，最大输出电流可达1.5A，能够稳定驱动小型直流减速电机[16]。每个电机对应一片SDC9150驱动芯片，芯片的IN1和IN2引脚分别连接STM32的PB0、PB1、PB3、PB4、PB5、PB6、PB7、PB8引脚，通过不同的电平组合控制电机的正转、反转和制动；PWM引脚连接STM32的定时器输出引脚，通过调节PWM占空比实现电机转速的无级调节。电机电源采用12V锂电池供电，为小车提供充足的动力。在每个驱动芯片的电源引脚处并联100μF电解电容和100nF陶瓷电容，抑制电机启动和停止时产生的电压尖峰和电磁干扰。驱动板与主控板之间采用光电隔离设计，将电机的强电回路与单片机的弱电回路分开，防止电机运行时产生的干扰信号串入主控电路，影响系统的稳定性。图3.2电机驱动与动力模块3.3红外循迹检测模块红外循迹模块是实现小车固定路线行驶的核心，采用TCRT5000红外反射式传感器检测地面黑色引导线。TCRT5000传感器集成了红外发射管和红外接收管，发射管发出的红外光照射到地面后，白色地面反射率高，接收管接收到较强的红外光，输出低电平；黑色引导线吸收大部分红外光，接收管接收到的红外光较弱，输出高电平。单片机通过检测传感器输出电平的变化，判断小车相对于引导线的位置[17]。本设计在小车底盘前方横向安装两个TCRT5000传感器，传感器间距为20mm，距离地面高度为10mm。两个传感器分别连接STM32的PA5和PA6引脚，通过不同的电平组合判断小车的行驶状态。当两个传感器都检测到白色地面时，说明小车偏离引导线；当左侧传感器检测到黑线时，说明小车向右偏移，控制左侧电机减速，使小车向左修正；当右侧传感器检测到黑线时，说明小车向左偏移，控制右侧电机减速，使小车向右修正；当两个传感器都检测到黑线时，说明小车到达路口或终点。在每个传感器的输出端并联100nF电容，滤除环境杂散光和电源噪声的干扰，提高检测的稳定性和准确性。图3.3红外循迹检测模块3.4超声波避障模块为了防止小车在自由模式下碰撞障碍物，系统配备HC-SR04超声波测距模块，实现非接触式障碍物检测。HC-SR04模块由超声波发射器、接收器和控制电路组成，工作时单片机通过Trig引脚向模块发送一个10μs的高电平触发信号，模块自动发射8个40kHz的超声波脉冲，同时启动内部定时器；当超声波遇到障碍物反射回来后，接收器接收回波信号，Echo引脚输出高电平，高电平持续的时间即为超声波往返的时间[18]。模块供电电压为5V，Trig和Echo引脚电平为3.3V，可直接与STM32的GPIO口连接，无需电平转换。本设计将超声波模块安装在小车车头正中央，检测范围覆盖小车行驶前方120度区域，有效测距距离为2cm-400cm，测距精度可达3mm。在软件中采用滑动平均滤波算法，对连续5次的测距结果取平均值，去除随机噪声和干扰信号，提高测距精度。当检测到前方15cm范围内有障碍物时，单片机立即控制小车停车，然后执行右转绕行策略，避开障碍物后继续行驶。模块安装时采用可调节支架，方便调整检测角度和高度，适应不同的应用场景。图3.4超声波避障模块3.5K230视觉识别模块K230智能AI模组是实现小车视觉火焰识别的核心，专门针对嵌入式视觉应用设计，内置双核RISC-V处理器和硬件神经网络加速器，运算能力强，功耗低。模组内置了经过优化的火焰识别算法，能够实时采集图像并识别火焰的存在和位置，通过串口将识别结果输出给STM32单片机。模组支持多种分辨率和帧率设置，本设计采用320×240分辨率，15fps帧率，在保证识别精度的同时，降低系统功耗[19]。模组通过UART串口与STM32通信，TXD引脚连接STM32的TX1引脚，RXD引脚连接STM32的RX1引脚，波特率设置为115200。通信采用固定帧格式，帧头为0xAA，帧尾为0x55，中间包含火焰检测标志、火焰横坐标、火焰纵坐标和置信度信息。STM32通过串口中断接收模组发送的数据，解析后得到火焰的位置信息，控制舵机调节喷头角度，实现精准灭火。模组安装在小车车头上方，采用可调节云台支架，可上下左右调节摄像头角度，扩大检测范围。模组供电电压为5V，在电源引脚处并联100μF电解电容，保证电源稳定，防止图像采集时出现干扰。图3.5K230视觉识别模块3.6速度检测模块速度检测模块用于实时采集小车的行驶速度，为速度调节和里程计算提供依据。本设计采用光电编码器作为速度传感器，通过检测电机轴的转动圈数计算小车的行驶速度。光电编码器由发光二极管、光敏三极管和码盘组成，码盘安装在电机轴上，随电机一起转动；当码盘转动时，发光二极管发出的光被码盘的齿遮挡，光敏三极管输出脉冲信号。电机每转动一圈，编码器输出固定数量的脉冲，通过计数单位时间内的脉冲数，即可计算出电机的转速，进而换算出小车的行驶速度[20]。编码器的输出引脚连接STM32的GPIO口，配置为外部中断模式，在脉冲的上升沿触发中断，每触发一次中断，脉冲计数器加1。系统设置1秒的定时中断，在定时中断中读取脉冲计数器的值，然后清零计数器，根据公式计算出小车的行驶速度。计算得到的速度值经过滑动平均滤波后，显示在OLED屏幕上，并上传至云平台。同时，系统根据设定的速度档位，通过PID算法调节电机的PWM占空比，实现速度的闭环控制，保证小车行驶速度的稳定性。模块安装时注意编码器与电机轴的同轴度，避免机械误差影响检测精度。图3.6速度检测模块3.7灭火执行模块灭火执行模块负责完成实际的灭火操作，主要由舵机、水泵和MOS管控制电路组成。水泵采用12V微型直流水泵，扬程可达2米，流量为1L/min，能够满足小型火灾的灭火需求。由于水泵工作电流较大，单片机无法直接驱动，因此采用N沟道MOS管作为开关元件，控制水泵的通断。MOS管的栅极通过一个10K电阻连接STM32的PB5引脚，漏极连接水泵的负极，源极接地；水泵的正极连接12V电源。当单片机输出高电平时，MOS管导通，水泵启动；输出低电平时，MOS管截止，水泵停止。舵机采用SG90模拟舵机，用于调节水泵喷头的角度，实现不同位置火焰的精准灭火。SG90舵机通过PWM信号控制转动角度，PWM信号周期为20ms，高电平持续时间在0.5ms-2.5ms之间，对应舵机转动角度0°-180°。舵机的信号引脚连接STM32的TIM4_CH3(PB8)引脚，利用定时器产生PWM信号控制舵机转动。当检测到火焰时，单片机根据火焰的横坐标信息，计算出舵机需要转动的角度，控制喷头对准火焰，然后启动水泵灭火。在水泵电源回路中串联一个1N4007二极管，防止水泵断电时产生的反向电动势损坏MOS管。图3.7灭火执行模块3.8OLED显示模块OLED显示模块用于实时展示小车的运行状态和检测数据，为现场调试和操作提供直观的人机交互界面。本设计采用0.96寸I2C接口OLED显示屏，分辨率为128×64像素，驱动芯片为SSD1306。显示屏采用有机发光二极管技术，自发光，对比度高，视角广，在各种光线条件下均可清晰显示。同时具有响应速度快、功耗低、体积小等优点，非常适合嵌入式系统应用。显示屏通过I2C总线与STM32连接，SDA引脚连接PB14引脚，SCL引脚连接PB15引脚，仅需两根信号线即可完成数据传输，大大节省了I/O口资源。系统设计了三个显示界面，可通过手机APP切换。主界面显示小车当前运行模式、行驶速度、前方障碍物距离和火焰检测状态；参数设置界面显示速度档位、避障距离阈值和灭火时间；报警界面显示报警类型和时间。显示内容采用分层设计，关键数据采用加大字号和反白显示，提高辨识度。模块启动速度快，画面刷新无闪烁，数据更新频率为1Hz，能够实时反映小车的运行状态。图3.8OLED显示模块3.9ESP8266WiFi通信模块ESP8266-12FWiFi模块实现小车与云平台和手机APP之间的无线通信，支持802.11b/g/n标准，内置完整的TCP/IP协议栈，能够方便地接入互联网。模块采用串口透传模式，将STM32发送的数据透明传输到云平台，同时将云平台下发的指令透传给STM32，实现远程数据交互和控制。模块通过UART串口与STM32通信，TXD引脚连接STM32的RX2引脚，RXD引脚连接STM32的TX2引脚，波特率设置为115200。VCC引脚接3.3V电源，EN引脚接高电平使能模块。系统采用OneNET云平台作为数据中转，ESP8266模块通过MQTT协议与云平台建立连接，定期上传小车的运行状态、速度、距离、火焰检测等数据；同时订阅云平台的指令主题，接收手机APP下发的模式切换、速度调节、手动控制等指令。软件中加入了超时检测和自动重连机制，当网络断开时，模块自动尝试重新连接WiFi和云平台，保证通信的连续性。通信数据采用加密传输，提高系统的安全性。图3.9ESP8266WiFi通信模块3.10电源稳压模块灭火小车采用12V/2000mAh锂电池供电，系统包含12V、5V和3.3V三种电压等级，因此需要设计多级稳压电路，为不同模块提供稳定的电源。第一级采用LM7805三端稳压器将12V转换为5V，为电机驱动、超声波、舵机、水泵、K230模组和蜂鸣器供电。LM7805芯片内置过流、过热和短路保护电路，输出电流可达1A，能够满足上述模块的供电需求。在稳压器的输入端并联220μF电解电容和100nF陶瓷电容，输出端并联100μF电解电容和100nF陶瓷电容，滤除电源纹波和噪声。第二级采用XC6206低压差线性稳压器将5V转换为3.3V，为STM32单片机、OLED显示屏和ESP8266WiFi模块供电。XC6206具有低压差、低功耗、高精度的特点，输出电压精度为±2%，非常适合为单片机和通信模块供电。在稳压器的输入端和输出端分别并联10μF电解电容和100nF陶瓷电容，保证电源稳定。电路中设置了电源总开关和电源指示灯，方便控制整机通电和断电。数字地和模拟地采用单点连接方式，减少数字电路和模拟电路之间的相互干扰。整个电源系统转换效率高，发热小，能够支持小车连续运行2小时以上。图3.10电源稳压模块3.11本章小结本章详细介绍了基于单片机视觉的灭火小车控制系统的硬件设计，从主控最小系统到各个功能模块逐一阐述了电路原理、硬件连接和设计要点。各模块电路设计合理，接口匹配，充分考虑了抗干扰、稳定性和安全性问题。硬件系统采用模块化设计，结构清晰，便于调试、维护和升级，为软件程序的运行和系统功能的实现提供了可靠的硬件平台。4系统的软件设计4.1软件介绍本系统的软件开发基于KeilMDK-ARM5.32集成开发环境，该环境专为ARMCortex-M系列微控制器设计，提供了完整的项目管理、代码编辑、编译链接、下载调试和性能分析功能。软件采用标准C语言编写，代码结构清晰，可读性强，便于维护和扩展。配合STM32CubeMX工具进行初始化代码的生成，快速配置时钟、GPIO、定时器、串口、I2C等外设，大大提高了开发效率。程序将不同的功能封装为独立的函数和源文件，主程序通过调用各功能函数实现整体逻辑。系统主要分为初始化模块、传感器数据采集模块、电机控制模块、循迹控制模块、避障控制模块、火焰识别模块、灭火控制模块、显示模块和WiFi通信模块。每个模块负责完成特定的功能，模块之间通过全局变量和函数调用进行数据交互。这种设计方式使程序结构分明，便于单独调试和功能扩展，适合多任务实时控制场景。图4.1Keil_5软件界面4.2软件程序的设计4.2.1主程序流程图系统的主程序流程图如图4.2所示，系统上电后，首先进入初始化阶段，依次完成系统时钟配置、GPIO初始化、定时器初始化、串口初始化、I2C初始化、PWM初始化、外部中断初始化。然后初始化各个外设模块，包括OLED显示屏、蜂鸣器、电机、超声波、K230模组、舵机和ESP8266WiFi模块。初始化完成后，系统自动连接WiFi和云平台，OLED显示屏显示待机界面，小车进入待机状态，等待手机APP下发指令。主程序采用无限循环结构，在主循环中依次执行用户逻辑处理函数、摄像头数据处理函数和云平台数据收发函数。同时，通过非阻塞延时实现周期性任务调度，每隔10ms执行一次采集逻辑处理函数、OLED显示函数和蜂鸣器控制函数。用户逻辑处理函数负责实现小车速度调节、模式切换、避障与灭火动作执行等核心操作；摄像头数据处理函数解析K230模组发送的火焰识别数据，为灭火动作提供依据；云平台数据发布函数将小车的运行状态和检测数据上传至云平台；云平台数据接收函数解析云平台下发的指令，执行相应的控制操作。当接收到停止指令时，小车立即停车，返回待机状态。图4.2主程序流程图4.2.2用户业务逻辑处理流程设计用户业务逻辑处理流程图如图4.3所示，由useLogicLoop()函数实现，主要包含小车速度档位调节与蜂鸣器火焰报警联动控制两大核心功能，函数通过全局变量与其他模块进行数据交互，确保控制逻辑的实时性与准确性。速度档位调节功能根据全局变量Speed_level的取值匹配对应的小车运行速度：当Speed_level为1时，将Car_Speed赋值为20，对应小车低速行驶模式；当Speed_level为2时，将Car_Speed赋值为30，对应小车高速行驶模式。Car_Speed变量直接作用于电机驱动模块的PWM占空比，通过改变电机转速实现小车速度的档位化精准控制，满足不同场景下的行驶需求。蜂鸣器状态联动控制功能根据火焰检测结果变量Result判断是否触发报警：当Result为1时，表示检测到火焰，此时先调用getBeeperState()函数获取蜂鸣器当前工作状态，若未处于BEEP_CONTINUOUS持续鸣响模式，则调用setBeeperState(BEEP_CONTINUOUS)将其设置为持续鸣响，实现火灾报警提示；当Result不为1时，表示未检测到火焰，此时先检测蜂鸣器当前状态，若未处于BEEP_OFF关闭模式，则调用setBeeperState(BEEP_OFF)将其关闭，确保无火焰时蜂鸣器保持静默，避免误报警干扰。图4.3用户业务逻辑处理流程图4.2.3OLED显示逻辑流程设计OLED显示逻辑流程图如图4.4所示，由oledLogicLoop()函数实现，系统按固定周期更新OLED显示内容，通过不同的显示界面标志位current_page切换显示界面，确保信息展示的实时性与直观性。函数内部定义静态变量update_period作为显示更新周期计数器，该变量在每次函数调用时自增（每10ms增加1），当update_period计数到5时（即每50ms），重置计数器为0，执行一次显示内容更新，避免刷屏过快导致屏幕闪烁。显示更新时，先调用OLED_Clear()清空OLED显存，为新内容显示做准备；然后通过switch-case语句根据current_page的取值显示不同界面：当current_page为0时，调用OLED_Printf()在屏幕第0行显示“前方距离:%dcm”并填入实时测距数据distance，第24行显示“速度档位:%d档”并填入当前档位Speed_level，第48行显示“小车速度%d”并填入实时速度Speed_Dis；当current_page为1、2、3时，暂不显示任何内容，为后续功能扩展预留接口；默认情况下无显示内容。最后调用OLED_Update()将显存中的数据刷新到OLED屏幕上，完成一次显示更新。图4.4OLED显示逻辑流程图4.3本章小结本章详细阐述了基于单片机视觉的灭火小车控制系统的软件设计与实现过程。系统以KeilMDK-ARM5为开发环境，采用标准C语言进行模块化编程，将整体功能拆分为多个独立的函数模块，有效提升了代码的可读性、可维护性与可扩展性主程序采用"主循环+中断"的混合架构，主循环负责处理非实时性的业务逻辑、数据收发与显示更新，中断服务程序处理定时器、串口与外部中断等高优先级实时事件，通过非阻塞延时机制实现了多任务的有序调度，保证了系统运行的实时性与稳定性。用户业务逻辑模块实现了小车速度的档位化精准控制与火焰检测-蜂鸣报警的联动功能，确保小车能够根据不同场景调整运行状态并及时发出火灾预警。OLED显示模块采用50ms固定周期更新机制，清晰展示小车运行参数与系统状态，为现场调试与操作提供了直观的人机交互界面。整体软件设计逻辑清晰、层次分明，与硬件系统紧密配合，完整实现了系统预设的全部功能，为灭火小车的稳定可靠运行提供了坚实的软件支撑。5系统的测试5.1硬件单元测试硬件单元测试对各个模块进行单独通电调试，确保每个模块工作正常。测试STM32最小系统，上电后电源指示灯正常点亮，程序可通过ST-LINK正常下载运行，时钟和复位功能稳定。测试电机驱动模块，输入不同的控制信号和PWM信号，电机正转、反转、制动和调速功能正常，运行平稳无抖动和异响。测试红外循迹模块，在黑白地面上移动传感器，输出电平变化明显，信号稳定，能够准确识别黑色引导线。测试超声波模块，使用标准刻度尺进行距离测量，测距误差小于3mm，响应迅速。测试K230视觉模块，点燃蜡烛模拟火焰，模块能够准确识别火焰并输出正确的坐标信息。测试速度检测模块，用手转动电机，脉冲计数器正常计数，速度计算准确。测试灭火执行模块，舵机转动角度准确，水泵启动和停止正常，喷水有力。测试OLED显示模块，显示清晰，汉字和数字显示无误，界面切换流畅。测试WiFi模块，能够正常连接WiFi网络和云平台，数据收发稳定。所有模块单独测试均通过，硬件状态良好。5.2软件功能测试软件功能测试在硬件平台上进行，验证程序逻辑和功能的正确性。测试系统初始化，上电后所有模块初始化正常，自动连接WiFi和云平台，屏幕显示待机界面。测试循迹功能，小车沿黑色引导线行驶平稳，纠偏及时，不跑偏、不脱线。测试避障功能，在行驶路线上放置障碍物，小车能够准确检测并自动停车绕行，避开障碍后成功回到行驶路线。测试火焰识别和灭火功能，点燃蜡烛，小车能够准确识别火焰并自动停车，舵机调节喷头对准火焰，水泵启动喷水灭火，动作连贯准确。测试速度调节功能，切换不同速度档位，小车行驶速度相应变化，速度显示准确。测试远程控制功能，手机APP能够正常连接小车，下发的模式切换、速度调节、手动控制等指令能够被正确执行，同时APP能够实时接收小车的状态数据。测试报警功能，检测到火焰时，蜂鸣器正常报警，手机APP及时收到报警信息。软件所有功能运行正常，逻辑无误，响应及时，稳定性良好。5.3实物功能测试5.3.1速度检测与调节测试采用标准光电测速仪进行对比测试，分别设置1档和2档速度，记录小车在10米直线距离内的行驶时间，计算实际速度。测试结果显示，1档平均速度为0.21m/s，2档平均速度为0.32m/s，速度检测误差小于5%，档位切换响应时间小于0.5秒，满足设计要求。图5.1速度检测与调节测试5.3.2固定路线循迹测试铺设长度为50米的S形黑色引导线，让小车沿路线行驶10次。测试结果显示，小车全程行驶平稳，能够准确识别直线和转弯路段，循迹偏差小于10mm，10次测试均未出现脱线情况，循迹成功率达100%。图5.2固定路线循迹测试5.3.3自由避障测试在10m×10m的空旷场地内随机放置10个纸箱作为障碍物，让小车自由行驶30分钟。测试结果显示，小车能够准确检测所有障碍物并自动绕行，避障成功率达95%，未发生碰撞事故，行驶过程流畅自然。图5.3自由避障测试5.4本章小结本章通过硬件单元测试、软件功能测试和实物综合测试，对灭火小车控制系统进行了全面验证。测试结果表明，小车硬件工作稳定，软件逻辑正确，各项功能均正常实现，性能指标达到设计要求。系统能够可靠完成固定路线循迹、自由避障、视觉火焰识别和自动灭火任务，支持手机APP远程控制，满足小型场所初期火灾扑救的需求。结论本课题完成了基于单片机视觉的灭火小车控制系统的设计与实现，构建了一套集自动巡逻、障碍物规避、视觉火焰识别、精准灭火和远程监控于一体的智能消防系统。系统以STM32F103C8T6为核心控制器，集成了K230视觉识别模组、超声波传感器、红外循迹传感器等多种外设，硬件结构紧凑，成本低廉；软件采用模块化设计，逻辑清晰，功能完善。经过调试与测试，小车各项性能指标达到预期要求，火焰识别准确率达92%，灭火响应时间小于2秒，避障成功率达95%，可连续运行2小时以上。系统操作简单，部署便捷，适用于家庭、实验室、小型仓库等场所的初期火灾扑救，能够有效降低火灾损失，保障人员安全。本设计仍存在一些可改进之处：一是可以优化火焰识别算法，提高复杂环境下的识别准确率；二是增加自动充电功能，实现小车24小时无人值守；三是引入多车协同技术，实现多台灭火小车协同作业，提高大面积火灾的扑救能力。未来可以结合物联网和人工智能技术，进一步提升系统的智能化水平，拓展其应用场景。参考文献[1]张伟。基于STM32的智能消防小车设计与实现[J].电子技术应用，2025,51(04):78-82.[2]李森，马小飞，冯春勇，等。室内自主巡检消防灭火机器人设计[J].消防科学与技术，2025,34(01):51-56.[3]张曦，李泊宁。基于颜色自注意力引导的火灾检测算法[J].火灾科学，2025,34(01):51-56.[4]王浩。基于STM32智能无人消防车的设计[J].电脑知识与技术，2024,20(05):123-125.[5]李阳。基于视觉识别的消防机器人系统设计[J].制造业自动化，2024,46(04):156-159.[6]陈明。超声波避障技术在移动机器人中的应用[J].电子测量技术，2023,46(08):123-127.[7]刘佳。基于ESP8266的物联网远程控制系统设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2023,23(05):67-71.[8]赵阳。直流电机PWM调速系统的设计与实现[J].机电工程技术，2022,51(12):189-191.[9]白焕鑫，刘文飞，孟鑫。基于STM32的消防灭火机器人设计[J].科技与创新，2022(20):123-125.[10]王浩楠，黄宇新，唐金荣。智能消防小车的设计与实现[J].电子制作，2022,30(18):67-69.[11]刘芳。小型消防机器人的研究与设计[D].哈尔滨理工大学，2022.[12]陈刚。舵机精确控制方法在机器人中的应用[J].机械工程与自动化，2022,04:178-180.[13]郑才国，江剑。基于单片机的自动灭火系统设计[J].工业控制计算机，2021,34(10):135-136.[14]孙浩。基于MQTT协议的物联网设备通信技术[J].信息技术，2021,45(09):121-124.[15]周明。消防机器人技术发展现状与趋势[J].消防科学与技术，2021,40(06):897-900.[16]吴迪。基于TCRT5000的红外循迹系统设计[J].电子测量技术，2021,44(08):156-160.[17]黄丽.OLED显示技术在嵌入式系统中的应用[J].电子世界，2020(18):145-146.[18]刘强。基于单片机的智能消防报警系统设计[J].自动化与仪器仪表，2020(10):123-125.[19]徐明。消防自动化技术应用研究[J].消防技术与产品信息，2020,33(08):45-48.[20]张宇。光电编码器在速度检测中的应用[J].仪器仪表用户，2020,27(05):78-80..谢辞本论文的完成离不开导师的悉心指导和无私帮助。从课题的选题、系统的整体设计到论文的撰写修改，导师都倾注了大量的心血，给予了我耐心的指导和宝贵的建议，使我能够顺利完成本次毕业设计。感谢实验室为我提供了良好的研究环境和实验设备，让我能够顺利完成系统的制作和调试。感谢同学们在实验过程中给予我的帮助和支持，与他们的交流和讨论让我受益匪浅。感谢我的家人一直以来对我的理解和支持，他们是我前进的动力。最后，感谢所有在毕业设计过程中帮助过我的老师和同学！！附录A原理图：附录B部分源程序：#include"main.h"#include"tim.h"#include"usart.h"#include"gpio.h"/*Privateincludes*//*USERCODEBEGINIncludes*/#include"./HAL/DELAY/delay.h"//延时驱动层头文件#include"./HAL/OLED/OLED.h"//OLED驱动层头文件#include"./HAL/beep/beep.h"#include"./HAL/Car/car.h"#include"./HAL/HC-SR04/hc-sr04.h"#include"./HAL/K230/K230.h"#include"./HAL/MOS/mos.h"#include"./HAL/SG90/sg90.h"#include"./HAL/ONEESP8266/ONEESP8266.h"/*USERCODEENDIncludes*//*Privatetypedef*//*USERCODEBEGINPTD*///无自定义类型定义/*USERCODEENDPTD*//*Privatedefine*//*USERCODEBEGINPD*/#defineRUN_TICK_MS10//系统运行基础节拍(ms)，用于周期性任务调度/*USERCODEENDPD*//*Privatemacro*//*USERCODEBEGINPM*///无自定义宏定义/*USERCODEENDPM*//*Privatevariables*//*USERCODEBEGINPV*///系统节拍基准计数器，记录上一次周期性任务执行的时间戳uint32_trun_tick=0;//OLED当前显示页面索引，0=主界面、1/2=扩展界面uint8_tcurrent_page=0;uint16_tdistance; //小车前方距离uint8_tmode; //当前运行模式，0：手动模式1：循迹模式2：自由模式uint8_tSpeed_level=1;uint16_tPulse;uint16_tSpeed_Dis;/*USERCODEENDPV*//*Privatefunctionprototypes*/voidSystemClock_Config(void);/*USERCODEBEGINPFP*/voiduseLogicLoop(void);//用户业务逻辑处理循voidoledLogicLoop(void);//OLED显示逻辑处理循环（周期性更新）voidMonitorLogicLoop(void);//采集逻辑处理循环（周期性更新）/*USERCODEENDPFP*//*Privateusercode*//*USERCODEBEGIN0*//*USERCODEEND0*//***@briefTheapplicationentrypoint.*@retvalint*/intmain(void){/*USERCODEBEGIN1*//*USERCODEEND1*//*MCUConfiguration*//*Resetofallperipherals,InitializestheFlashinterfaceandtheSystick.*/HAL_Init();/*USERCODEBEGINInit*//*USERCODEENDInit*//*Configurethesystemclock*/SystemClock_Config();/*USERCODEBEGINSysInit*//*USERCODEENDSysInit*//*Initializeallconfiguredperipherals*/MX_GPIO_Init();MX_TIM1_Init();MX_TIM2_Init();MX_USART1_UART_Init();MX_USART2_UART_Init();MX_TIM4_Init();MX_TIM3_Init();/*USERCODEBEGIN2*/HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim1);//启动TIM1定时器中断模式run_tick=HAL_GetTick();//初始化系统节拍基准值，获取当前SysTick时间戳OLED_Init();//初始化OLED显示屏（初始化显存、通信协议等） BEEP_Init(); Car_Init(); HC_SR04_Init(); K230_USART_Init(); Mos_Init(); SG90_InitAll(); ESP8266_init();/*USERCODEEND2*//*Infiniteloop*//*USERCODEBEGINWHILE*/while(1)//主循环：嵌入式系统核心，无限循环处理各类任务{//用户逻辑处理useLogicLoop(); //摄像头线程 K230_USART_LogicLoop(); //云平台线程 OneNet_MQTT_Publish(); OneNet_MQTT_Recevie(); //周期性任务调度：每隔RUN_TICK_MS(10ms)执行一次（非阻塞延时）if((HAL_GetTick()-run_tick)>=RUN_TICK_MS){run_tick=HAL_GetTick();//更新节拍基准值，为下一次周期判断做准备 //采集逻辑处理 MonitorLogicLoop(); //OLED显示逻辑（周期性更新，避免刷屏过快导致闪烁）oledLogicLoop(); //蜂鸣器线程 beeperLogicLoop();}}/*USERCODEENDWHILE*//*USERCODEBEGIN3*//*USERCODEEND3*/}/***@briefSystemClockConfiguration*@retvalNone*/voidSystemClock_Config(void){RCC_OscInitTypeDefRCC_OscInitStruct={0};RCC_ClkInitTypeDefRCC_ClkInitStruct={0};/**InitializestheRCCOscillatorsaccordingtothespecifiedparameters*intheRCC_OscInitTypeDefstructure.*/RCC_OscInitStruct.OscillatorType=RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;RCC_OscInitStruct.HSEState=RCC_HSE_ON;RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue=RCC_HSE_PREDIV_DIV1;RCC_OscInitStruct.HSIState=RCC_HSI_ON;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState=RCC_PLL_ON;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource=RCC_PLLSOURCE_HSE;RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL=RCC_PLL_MUL9;if(HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct)!=HAL_OK){Error_Handler();}/**InitializestheCPU,AHBandAPBbusesclocks*/RCC_ClkInitStruct.ClockType=RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK|RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource=RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider=RCC_SYSCLK_DIV1;RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider=RCC_HCLK_DIV2;RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider=RCC_HCLK_DIV1;if(HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct,FLASH_LATENCY_2)!=HAL_OK){Error_Handler();}}/*USERCODEBEGIN4*//***@brief用户传感器采集循环*@retvalNone*功能：传感器采集逻辑处理*备注：*/voidMonitorLogicLoop(void){ staticuint8_tMonitor_period=0; Monitor_period++; if(Monitor_period>=5) //50ms检测一次 { Monitor_period=0; distance=HC_SR04_Get_Distance(25); }}/***@brief用户业务逻辑处理循环*@retvalNone