基于單片機的智能消防滅火車模型的原理及設計

唐 琳

（赤峰學院 計算機與信息工程學院，內蒙古 赤峰 024000）

1 智能消防滅火車模型結構

智能滅火車模型以STCB89C52單片機為控制核心，加以直流電機、紅外線火焰傳感器、光電對管、光電傳感器、聲波測距傳感器和電源電路以及其他電路構成.由STCB89C52單片機通過紅外線火焰傳感器尋找火源位置并且通過I/O口控制小車的前進后退以及轉向.直流電動機帶動滅火風扇轉動進行滅火.尋跡模塊主要對小車導航前進；電源模塊用來給單片機和電機以及風扇驅動供電；電機驅動模塊用來驅動兩個L9110直流電機實現小車的前進后退以及轉向等功能；風扇驅動模塊用一路繼電器控制控制風扇吹風，實現小車的滅火功能；超聲測距模塊接口以超聲波反射方式測量小車與障礙物以及小車與小車之間的距離；光敏傳感器用于監測火源的距離.

本文設計的智能滅火車主要由下面幾個模塊組成：主控制模塊、避障、循跡感測模塊、前進、轉彎控制電機以及紅外感測模塊.系統總體構成圖如下所示.

圖1 系統構成框圖

2 智能滅火小車模型硬件組成

2.1 系統控制模塊

單片機兼容STC89C52等40腿51單片機，使用轉接板可兼容ATMEGA16等AVR.可支持3USB下載器，支持多種傳感器輸入（能直接插上使用）支持直流電機驅動和繼電器開關量輸出.智能小車模型采用的51單片機如圖所示.

圖2 智能小車模型采用的51單片機

STC89C52是STC公司生產的單時鐘/機器周期（IT）的單片機，是高速、低功耗、超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度要快8—12倍.該型單片機內部集成有MAX810專用復位電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換(速度可達250K/S，即25萬次/秒)，專門針對電機控制，可用于強干擾場合.其最小系統原理圖如圖3所示.

圖3 系統控制模塊原理圖

2.2 電機驅動模塊

電機驅動采用2路L9110直流電機驅動，L9110是控制和驅動電機而設計的倆條通道推挽式功率放大專用集成電路，每個通道具有750-800mA的持續電流提供能力.每個L9110芯片可以實現1路直流電機的正反轉，調速和剎車.

2.3 電源模塊

四節電池提供6V電源VBAT，VBAT經1117-5和開關轉換為單片機電源VCC,VBAT經1117-5和開關轉換為電機電源VMOTOR.VCC經1117-3.3和開關轉換為RFID電源VCC33.

2.4 四路循跡模塊

采用紅外反射傳感器，帶比較器功能，可以輸出數字量，小車循黑線或白線完成循跡.

2.5 檢測火源模塊

可檢測火苗獨有的紅外線波長，確定火焰的位置（如蠟燭）板載比較器輸出數字量.

2.6 避障模塊

反射式接近開關，當在“射程”內、外時輸出包不同的數字電平信號表明是否有障礙物體接近.

2.7 滅火模塊

采用繼電器控制小風扇的形式進行滅火.

2.8 通訊模塊

采用RFID 24L01通信模塊實現倆車通信，尺寸：34*17*1mm，開闊地最遠距離80米工作頻率2.4GHZ.

3 智能小車模型設計

3.1 車體設計

經反復論證，制定了左右兩輪可分別驅動帶動萬向輪轉向的設計方案，即左右輪分別用兩個轉速和力矩基本完全相同的直流電機進行驅動，車后底部裝萬向輪.這樣，當兩個直流電機轉向相反同時轉速相同時就可以實現電動車的原地旋轉，由此可以輕松的實現小車坐標不變的90度和180度的轉彎.設計時可采用單萬向輪也可安裝雙萬向輪，若采用雙萬向輪時，并不把兩個萬向輪裝在一個平面上.當小車前進時，左右兩驅動輪與前萬向輪形成了三點結構.這種結構使得小車在前進時比較平穩，可以避免出現前后兩輪過低而使左右兩驅動輪驅動力不夠的情況.為了防止小車重心的偏移，后萬向輪起支撐作用.

3.2 模塊設計

Ⅰ 控制器模塊：采用STCB89C52單片機，具有體積小、驅動能力高、集成度高、易擴展、可靠性高、功耗低、結構簡單、中斷處理能力強等特點.

Ⅱ 電源模塊：由于本系統需要電池供電，我們考慮了采用直流穩壓電源為本系統供電，或者用四節1.5V的電池能滿足設計的需要.

Ⅲ 尋跡傳感器模塊：用TCRT5000型光電對管.TCRT5000是一種一體化反射型光電傳感器，其發射器是一個紅外發光二極管，而接收器是一個高靈敏度的光電三極管.

TCRT5000采用DIP4封裝，其具有如下特點：

（1）靈敏度高，且它的有效檢測距離可以達到12mm,工作電壓為5V，最大電流可達10mA最大測試黑線區域為22.5mm，完全適合本設計的要求；

（2）體積小，結構緊湊.3.當發光二極管發出的光反射回來時，三極管導通輸出低電平.光電對管調理電路簡單，工作性能穩定.為了工作穩定，采用三個TCRT5000檢測獨立模塊檢測.使小氣車在行駛過程中，按照規定的路線行駛.

Ⅳ 電機模塊：本系統為智能消防車，對于電動車來說，其驅動輪的驅動電機的選擇就顯得十分重要.由于本題要實現對路徑的準確定位和精確測量，我們綜合考慮采用直流減速電機.直流減速電機轉動力矩大，體積小，重量輕，裝配簡單，使用方便.由于其內部由高速電動機提供原始動力，帶動變速（減速）齒輪組，可以產生大扭力.

我們所選用的直流電機減速比為1：74，減速后電機的轉速為100r/min.我們的車輪直徑為6cm，因此我們的小車的最大速度可以達到 V=2πr·v=2*3.14*0.03*100/60=0.314m/s，能夠較好的滿足系統的要求.

Ⅴ 電機驅動模塊：對于直流電機用分立元件構成驅動電路.由分立元件構成電機驅動電路，結構簡單，價格低廉，在實際應用中應用廣泛.

Ⅵ 滅火風扇驅動電路：滅火風扇的驅動電壓為＋5V，為了增強驅動能力，我們用三極管8550做驅動電路以加大驅動電流.

4 程序算法實現

控制程序采用C語言設計，主程序算法流程如圖4所示.

圖4 主程序流程圖

5 基本功能測試

在場地上沒有放置蠟燭時，模型車從啟動區啟動，就會沿著設定的軌道前進，在沒有遇到火源的時候，它會一直沿著軌道行駛，該轉向時通過電機控制驅動輪實現轉向功能，當遇到火源時，它會對著火源前行，不再尋跡，走到合適位置時，原地180°轉向，啟動風扇，將蠟燭火焰滅掉，然后退回到原來軌道上來，繼續順著軌道前進，在前進的過程中尋找下一個火源.