基于CCD的火災探測智能車設計

摘要：本文以建筑環境檢測為研究對象，設計了以STC12C5A60S2單片機為系統控制處理器的對建筑內環境進行自主循環檢測的智能模型車，研究了傳感器、探測器在建筑環境檢測中的應用，實現了智能車的自主調速、避障的功能以及建筑環境的火災情況檢測、顯示、報警，工作人員通過CCD傳感器采集到的視頻圖像實時監測檢測情況并進行智能車自動/手動選擇以及相應情況的處理。

關鍵詞：建筑環境；單片機；CCD；圖像采集

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2013.1.002

引言

本次設計的智能模型車通過溫濕度傳感器和感煙探測器檢測建筑物空間內是否存在火災隱情[1]，報警時工作人員通過CCD傳感器采集到的視頻圖像確認火災是否發生，確認火災情況后，定位智能車位置并手動控制智能車離開事故現場，然后進行卷簾門開啟的命令。智能車靈活方便，而且循環檢測，提高火災檢測的效率性、火災報警的實時性以及火災位置檢測的精確性。

系統總體設計

總體功能設計

本次設計的智能車通過紅外傳感器和超聲波傳感器檢測建筑物內環境的信息，控制器做出合理、快速、準確的決策，使得智能車能夠自主地避障和進行新路徑的選擇，實現智能車在建筑物內自主地對每個房間進行逐一排查，通過溫濕度傳感器對建筑物空間的溫度和濕度進行檢測，然后與預置的參數臨界值進行比較，并與聲光報警裝置配合，同時結合感煙探測器的檢測結果，從而做出報警/繼續檢測的判斷，并將采集到的數據以及CCD傳感器采集的視頻圖像實時傳送給控制中心[2]。

總體方案設計

根據應用環境對智能車的簡單敏捷型的要求，且硬件系統是智能車成敗的關鍵，是智能車能夠安全、穩定運行的基礎，硬件的選擇十分重要[3]。在硬件的初步選型后確定此系統硬件實現的可行方案，確定了以STC12系列單片機為該系統的核心，并選擇低功耗和低成本的功能器件。圖1是該系統的總體結構框圖。

由溫濕度傳感器、感煙探測器和CCD傳感器組成的監測部分主要檢測建筑環境的溫度和濕度，查找建筑環境的火災安全隱情，控制部分主要由驅動電路來控制卷簾門的開/關，當智能車發現采集的數據超過預制的參數臨界值時，啟動報警器，發出聲光報警信號，通過無線傳輸模塊[4]將現場的實時數據發送到物業中心，工作人員通過視頻圖像進行確認，情況屬實時，定位智能車位置，開啟卷簾門，并且智能車手動功能開啟，由工作人員控制離開事故現場，進行火災隔離。由于建筑所在區域以及季節的不同，可以通過鍵盤設置系統的相關參數，并且檢測的各項數據都會通過液晶顯示器顯示。

系統主要功能模塊設計

本設計系統控制核心部分采用了可靠性高、功能強、靈活性以及性價比高的STC12C5A60S2單片機，同時還采用了軟/硬件的“看門狗”技術等抗干擾措施，提高系統的準確性。

監測模塊電路設計

監測模塊是系統功能得以完成的先決力量，主要以傳感器為核心，采集建筑物內空間的信息，完成環境的監測任務。本文主要介紹超聲波傳感器、溫濕度傳感器以及CCD傳感器三種傳感器的電路設計。

超聲波傳感器電路設計

智能車實現自身智能的一個關鍵就是其能夠自主避障以及對于新的路徑進行選擇和規劃[5]，除了紅外線傳感器做出中要貢獻之外，超聲波傳感器也起到了無可比擬的作用。超聲波傳感器在工業、國防、生物醫學等方面都得到了廣泛的應用，而且超聲波具有工作可靠、安裝方便、防水型、發射夾角較小、靈敏度高等優點，所以在本設計中，為了實現智能，使小車能夠在遇到障礙物時自主尋找新的路徑。本設計使用了由步進電機驅動的超聲波傳感器，步進電機與直流電機相比，具有瞬時啟動和極速停止的優越特性，過載性好，控制方便，整機結構簡單。此外超聲波傳感器可以向左向右各旋轉90度來測量小車與障礙物的距離，將距離信息傳送給單片機，單片機發送命令控制小車朝離障礙物距離遠的地方前進，超聲波傳感器隨時檢測，小車就隨時調整運動方向，也彌補了紅外傳感器在工作中的某些缺陷，實現真正意義上的自主優化路徑的目的。超聲波測距的電路圖如圖2所示。

溫濕度傳感器電路設計

用來檢測建筑物空間溫度和濕度的是一款含有已校準數字信號輸出的數字溫濕度傳感器DHT11[6]，其在暖通空調、氣象站、汽車等多領域都有應用價值，且具有體積小、響應快、傳輸距離遠、功耗極低、抗干擾能力強、性價比極高等優點，當測量的溫濕度超過設定的臨界值時，報警電路發送報警信息，通知控制中心。

DHT11的濕度量程范圍是10%—90%RH，溫度量程范圍是-30℃—130℃，測濕精度為±5%RH，測溫精度為±2℃，測量分辨率均為8bit。DHT11的供電電壓為3-5.5V，與單片機和其他傳感器需要的供電電壓基本相同，增加智能車的簡約性，而且DHT11的各項指標均滿足本次火災檢測的要求。

DHT11采用串行接口，采用單總線數據格式，使DATA與單片機進行同步通信，其中與單片機的連接圖如圖3所示。DHT11的一次通信時間為4ms左右，DATA為串行數據，單總線，在不工作時，總線為高電平，在單片機發送開始信號后，總線被拉低等待DHT11響應，此時DHT11從低功耗模式轉換到高速模式，接收到主機發送的開始信號后，等待狀態結束，DHT11發送相應信號，并觸發一次采集溫濕度信號，通過顯示器顯示采集的信號供用戶讀取[7]。DHT11只在接受到開始信號后才開始采集溫濕度信號，并在采集后轉換到低速模式，簡化系統。

CCD傳感器設計

智能車的圖像傳輸功能由CCD圖像傳感器來完成實現。CCD是一種半導體器件，其上的電容能夠感應光線，CCD把光學影像轉變成電荷，再轉換成“0”或“1”的數字信號，就像膠片一樣[8]。數字信號經過壓縮和程序排列后，再轉換成電子圖像信號輸入到計算機中，進行圖像的保存、處理以及分析等工作。CCD的工作原理分為微型鏡頭、分色濾色片、感光層等三層，其中感光層是CCD的核心部分，主要的任務是將光源轉換成電子信號，并傳送給影像處理芯片，還原影像。

智能車的路徑信息主要由面陣CCD器件進行檢測，面陣CCD的輸出信號為標準的模擬復合視頻信號，該信號中主要包括了同步信號和圖像信號。為了避免由于單片機A/D轉換速度而帶來的采集圖像分辨率低的問題，該信號直接通過外部的電壓比較器，將模擬視頻信號變成高/低電平信號，通過單片機的I/O口輸入到計算機。此外，還需要專門的視頻同步分離電路提供行、場同步信號，這些同步信號一般送到單片機的外部中斷端口[9]。本智能車采用IA1881作為視頻信號同步分離芯片。IA1881視頻同步信號分離芯片可以從混合的源視頻信號里分離同步信號，產生四路同步信號。單片機采集圖像系統框圖如圖4所示。

傳輸模塊電路設計

為了保證傳輸的實時性和精準性，同時滿足智能車的簡約靈活的要求，我們采用了具有高抗干擾能力、高傳輸能力、高靈敏度、較低的電流消耗、低誤碼率等優點的RFD5800多通道微功率嵌入式無線數傳模塊[10]，其最遠傳輸距離為1000米（1200bps），本設計則充分利用此傳輸模塊的優點，讓單片機與控制室更暢通地連接，其電路原理圖如圖5所示。

結論

火災的檢測在建筑環境以及人們的日常生活中都非常重要，火災的成功預知可以大大減少人員生命財產的損失。基于此，設計了可移動的智能車，智能車在建筑物內循環檢測其空間的煙霧濃度、溫度以及濕度。單片機根據三種數據同時判定是否存在火災隱患，以防香煙煙霧或廚房煙霧等導致判斷錯誤，產生誤報等情況。智能車具有移動方便、穩定性高、通信靈敏等優點，同時可燃氣體檢測、建筑環境檢測等其他功能可以拓展，其具有很大的發展和應用空間。

參考文獻：

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